CC BY
51
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 4 (1), с. 38-41
УДК 538.958:539.534.9
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ ЗОЛОТА В ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНКАХ ДИОКСИДА ГЕРМАНИЯ МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
© 2010 г. О.Н. Горшков, И.Н. Антонов, М.Е. Шенина, А.Ю. Дудин, А.П. Касаткин
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского [email protected]
Поступила в редакцию 08.06.2010
Представлены результаты по формированию наноразмерных металлических частиц (НМЧ) Аи в тонкопленочных образцах аморфного диоксида германия, облученных многозарядными ионами Аи (со средней энергией 160 кэВ и дозами 5-1015, 1016, 2-1016, 4-1016, 5-1016 и 1017 см-2) и отожженных при температурах 200-800°С. Оптические спектры поглощения облученных образцов демонстрируют характерные полосы поглощения, связанные с образованием в этой матрице НМЧ Аи, параметры которых оценены в рамках теории Ми.
Ключевые слова: ионная имплантация, пленки аморфного диоксида германия, оптические спектры пропускания, наноразмерные металлические частицы, теория Ми.
Введение
Наличие наноразмерных металлических частиц (НМЧ) в диэлектрических матрицах существенно расширяет функциональные свойства этих материалов, определяя их оптическую нелинейность, сенсибилизацию оптически активных центров, оптическое поглощение, плазмонные эффекты и др. В связи с этим диэлектрические матрицы с НМЧ представляют значительный интерес при создании на их основе устройств и приборов интегральной оптики и наноэлектроники, газовых сенсоров [1-3]. Диоксид германия является перспективным материалом интегральной оптики [4-6]. Ранее в работах [7-11] исследованы свойства дефектов, возникающих в тонких аморфных пленках ве02 в процессе их создания, а также при облучении ускоренными ионами и термических отжигах; показано также, что в этих пленках при облучении Si+ могут быть сформированы нанокристаллы кремния. Одним из эффективных методов формирования металлических нанокластеров и модификации свойств наноструктурированных материалов является метод ионной имплантации, позволяющий с высокой точностью управлять концентрацией вводимой примеси [2]. В настоящей работе представлены результаты по формированию нанокластеров Аи в пленках диоксида германия, легированных ионами эрбия и иттербия, при их облучении ионами золота и последующем отжиге.
Экспериментальная часть
В экспериментах были использованы тонкопленочные образцы аморфного диоксида германия, легированного ионами эрбия и иттербия (в дальнейшем планируется исследовать эффект сенсибилизации [12] фотолюминесценции редкоземельных ионов металлическими нанокластерами в матрице ве02). Пленки формировались методом магнетронного реактивного ВЧ-распыления мишени из порошков оксидов состава: ве02 - 99.1 моль%, УЬ203 - 0.72 моль%, Ег203 - 0.18 моль%. Осаждение проводилось в распылительной системе MSS-3GS на подложки из плавленого кварца в атмосфере газовой смеси аргон-кислород (с содержанием кислорода 50%) при давлении 1.5 Па, температуре подложки 7^=400°С. Скорость осаждения составляла 0.02 мкм/ч. Толщина плёнок (90 нм) выбиралась приблизительно равной среднему проецированному пробегу ионов Аи, который был рассчитан с учетом многозарядности ионов по программе SRIM-2008. Образцы облучались ионами Аи на установке «Радуга-3» [13], работающей в импульсном режиме: плотность ионного тока 12 мкА/см2, ускоряющее напряжение 80 кВ, частота импульсов 30 Гц, длительность импульсов 200 мкс, содержание ионов Аи с разной зарядностью: +1 - 14%, +2 - 75%, +3 - 11% (средняя зарядность +2.0). Дозы ионов составляли 51015, 1016, 21016, 41016, 51016, 1017 см'2. Каждый из образцов после облучения соответствующей дозой был отожжен последовательно
Рис. 1. Полосы поглощения НМЧ Аи в аморфных пленках диоксида германия после облучения ионами Аи с дозой 5-1015 (а), 1016 (Ь), 2-1016 (с), 4-1016 (ё), 5-1016 (е) и 1017 см-2 (:!) без отжига (1) и пленок, прошедших постимпланта-ционный отжиг в течение одного часа с температурой отжига 200 (2), 300 (3), 400 (4), 500 (5), 550 (6), 600 (7), 650 (8), 700 (9), 800°С (10); на вставках: оптические спектры пропускания пленок (0 - до облучения ионами)
при температурах 200, 300, 400, 500, 550, 600, 650, 700 и 800 С на воздухе в течение 1 часа при заданной температуре. Спектры оптического пропускания образцов измерялись на установке Varian Сагу 6000^ Расчет параметров НМЧ проводился в рамках теории Ми [14].
Результаты и обсуждение
На рис. 1 приведены полосы поглощения НМЧ Аи в аморфных пленках диоксида герма-
15
1016, 21016, 41016, 51016 и 1017 см-2 без отжига и пленок, прошедших постимплантационный отжиг в течение одного часа с температурами отжига 200, 300, 400, 500, 550, 600, 650, 700, 800 С. На вставках показаны соответствующие оптические спектры пропускания, а также спектры пропускания пленок до облучения ионами.
Положение максимума полос (~2.35 эВ) в спектрах пропускания практически не меняется вплоть до температуры отжига ~ 600 С и дозы 41016 см-2 и примерно совпадает с тако-
ния после облучения ионами Аи с дозами 510 , вым для полосы поглощения, обусловленной
Температура отжига, оС
Рис. 2. Зависимость объемной доли НМЧ Аи в аморфных пленках диоксида германия от температуры постимплан-тационного отжига. Доза облучения ионами золота: 5-1015 (а), 1016 (Ь), 2-1016 (с), 4-1016 (ё), 5-1016 (е) и 1017 см-2 (!)
наноразмерными частицами золота в других матрицах [15-18], что позволяет связать эту полосу с поглощением НМЧ Аи. Из полученных экспериментальных данных следует, что пороговая доза образования НМЧ в облученном слое без отжига составляет величину ~21016 см-2. Пороговая доза образования нанокластеров увеличивается с уменьшением температуры отжига и, например, при температуре 400 С равняется ~1016 см-2.
Полосы поглощения НМЧ Аи были получены следующим образом. Из спектров пропускания рассчитывались спектры поглощения в приближении однородного слоя на подложке. При этом использовался тот факт, что спектры пропускания образцов в длинноволновой области до и после облучения и отжига практически совпадали. Это свидетельствовало о том, что показатель преломления материала существенно не менялся в процессах облучения и последующего отжига. При обработке учитывалось, что в спектрах пропускания наряду с полосами поглощения присутствует рассеянное излучение. Кроме того, учитывалось, что наряду с полосами поглощения НМЧ Аи присутствуют полосы поглощения радиационных дефектов, которыми в наблюдаемой области спектра 2.5-4.5 эВ являются дырочные поляроны [9]. Полосы поглощения НМЧ Аи выделялись при использовании аппроксимации их лоренцианом.
Анализ полос поглощения НМЧ Аи в рамках теории Ми [14] позволяет определить параметры нанокластеров Аи. Средний размер частиц меняется в интервале 1.0-3.5 нм. Зависимости объемной доли НМЧ Аи (определяющей, в частности, нелинейные оптические свойства пленок [1]) от температуры постимплантационного отжига показаны на рис. 2.
Вид этих кривых свидетельствует о немонотонной зависимости объемной доли НМЧ от дозы. Уменьшение объёмной доли с увеличением температуры отжига, наблюдаемое в области температур ~600 С и выше, может быть связано с фазовым переходом аморфной модификации ве02 в гексагональную, происходящим в этой температурной области [18].
Заключение
Анализ оптических спектров поглощения тонких пленок аморфного диоксида германия, как облученных многозарядными ионами Аи (со средней энергией 160 кэВ и дозами 51015, 1016, 21016, 41016 51016, 1017 см-2), так и прошедших постимплантационный отжиг, показал, что в этой матрице формируются наноразмерные металлические частиц Аи. Пороговая доза образования НМЧ в облученном слое без отжига составляет величину ~21016 см-2. Пороговая доза образования НМЧ при отжиге увеличивается с
уменьшением температуры отжига. Средний размер частиц менялся в интервале 0.7-3.5 нм. Объемная доля НМЧ Au зависит немонотонно от дозы облучения. Особенности, наблюдаемые в зависимостях объемной доли НМЧ Au от температуры постимплантационного отжига в области температур ~600 С и выше, могут быть связаны с формированием гексагональной модификации GeÜ2.
Авторы работы выражают благодарность ведущему инженеру НИФТИ ННГУ Ю.А. Дудину за помощь в проведении ионной имплантации.
Работа выполнена в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и гранта президента РФ
( МК-185.2009.2).
Список литературы
1. Mattei G., Mazzoldi P., Bernas H. // Topics Appl. Physics. 2010. Vol. 116. P. 287-316.
2. Meldrum A. et al. // Topics Appl. Physics. 2010. V.116. P. 255-285
3. Zhu S., Dua C., Fu Y. // Üpt. Mat. 2009. Vol. 31. P. 1608-1613.
4. Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Карпычев Н.С. и др. // Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 7. С. 1563-1566.
5. Дианов Е.М., Буфетов И.А. // Lightwave. Russian Edition. 2004. № 4. С. 44-49.
6. Yin Z., Garside B.K. // Appl. Optics. 1982. Vol. 21, N 23. P. 4324-4328.
7. Горшков О.Н., Дудин Ю.А., Камин В.А. и др. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31, №. 12. С. 39-47.
8. Антонов И.Н., Горшков О.Н., Дианов Е.М. и др. // Вестник ННГУ. Сер. ФТТ. 2006. Вып.1(9). С. 247.
9. Горшков О.Н., Тетельбаум Д. И., Антонов И.Н. и др. // Поверхность. Рентгеновские, син-хротронные и нейтронные исследования. 2007. № 3. С. 1-3.
10. Горшков О.Н., Антонов И.Н., Михайлов А.Н. и др. // Вестник ННГУ. 2008. № 1. С. 30-34.
11. Антонов И.Н., Горшков О.Н., Дудин Ю.А. и др. // Вестник ННГУ. 2009. № 4. С. 34-38
12. Trave E., Mattei G., Mazzoldi P., Pellegrini G. et al. //Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. P. 151121.
13. Рябчиков А.И. //Известия высших учебных заведений. Физика. 1994. Т.37, №6. С. 52-63.
14. Mie G. //Annalen der Physik. 1908. B. 25, Flg. 4. №3. S.377-445.
15. Arnold G.W. // J. Appl. Phys. 1975. V.46, N.10. P. 4466-4473.
16. Степанов А.Л., Marques C., Alves E. и др. // ЖТФ. 2006. Т.76, №11. С.79-87.
17. Ряснянский А.И. и др. // ФТТ. 2009. Т.51, №1. С.52-56.
18. Горшков О.Н., Антонов И.Н., Касаткин А.П., Шушунов А.Н.// Вестник ННГУ. 2010. Юбилейный выпуск. В печати.
Au nanoparticle formation in amorphous germanium dioxide thin films
by ion implantation
O.N. Gorshkov, I.N. Antonov, M.E. Shenina, A. Yu. Dudin, A.P. Kasatkin
The results on the formation of metal nanoparticles of gold (Au MNP) in amorphous germanium dioxide thin film samples are presented. The films were implanted with multicharged Au ions (at an average energy of 160 keV and the fluences of 51015, 1016, 2-1016, 4-1016, 5-1016 and 1017 ions/cm2) and annealed at the temperatures of 200-800°C Optical absorption spectra of the implanted samples display typical absorption bands related to Au MNP formation in the matrix. Parameters of the Au MNP have been estimated in the framework of the Mie theory.
Keywords: ion implantation, amorphous germanium dioxide thin films, optical transmission spectra, metal nanoparticles, Mie theory.
