Исследование адгезии пленок твердых растворов на основе никеля и хрома Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аверин К.И., ПечерскаяР .М.

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИИ ПЛЕНОК ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ХРОМА

По природе сил, удерживающих атомы на поверхности пленки, адсорбция делится на физическую и химическую. Расчет значений энергий адсорбции для атомов никеля и хрома, проведенный по разработанной модели формирования пленок многокомпонентных систем на ранних стадиях роста, показывает, что они находятся в интервале энергий от 0,1 до 0,7 эВ. Это соответствует физической адсорбции атомов конденсируемого материала к поверхности подложки. Она характеризуется силами Ван-дер-Ваальса, при этом не происходит разрушение электронных оболочек атомов.

В общем виде физическую адсорбцию, согласно дисперсионному эффекту Лондон, представляют как диполь, образованный атомом и электроном. Поэтому адгезию атомов к поверхности подложки рассматривают как взаимодействие соседних атомов, обусловленное взаимодействием диполей. Энергия адсорбции атомов пленки и подложки определяется уравнением

E

a

-3 -дпп -дп • h • упл • уп

2 • L2 • (Ппл +Пп)

(1)

где ал, a - поляризуемость атомов пленки и подложки; ППл,Пп - характеристические частоты ато-

мов пленки и подложки; L- равновесное расстояние между атомами пленки и подложки.

Проинтегрировав данное уравнение по количеству атомов, образующих адсорбированный слой чим энергию адсорбции между атомом пленки и атомами всей подложки:

Ead

ап • h • Ппл1 • Пп

4 • L2 • (Ппл +Пп )

-nv -Я- апл

(2)

полу-

где nv - число атомов пленки, приходящихся на единицу объема подложки.

Так как трудно определить характеристические частоты атомов пленки и приближения, заменяя характеристические частоты потенциалами ионизации. (2) преобразуется к виду

Ead

-nv p • апл • ап h • П пл • Пп

4 • ЛфПпл + Пп)

(3)

подложки, то используют В результате уравнение

где Ппл,Пп - потенциалы ионизации атомов пленки и подложки.

Результаты экспериментов показывают, что при использовании подложки с ионной решеткой вклад индуцированного дипольного момента на неполярных атомах, вызванного ионами решетки и подложки, невелик.

Рассчитанные и экспериментальные значения энергии адгезии пленки к поверхности подложки представлены в [1-3]. Однако приведенная информация соответствует только однокомпонентным пленкам, синтезированным на подложках из различных материалов.

Для определения адгезии пленок, полученных при различных условиях синтеза, к поверхности подложки также можно использовать разработанную модель формирования пленок многокомпонентных систем на ранних стадиях роста, изложенную в предыдущем параграфе. Величина энергии адгезии для отдельных атомов, образующих конденсируемый материал, рассчитанная в рамках разработанной модели, позволяет определить Ead для многокомпонентной пленки различного состава, сформированной при раз-

личных режимах синтеза. Для этого проинтегрируем Ead по числу межатомных связей, образованных атомами пленки и подложки. Пусть каждый атом пленки образует одну связь с атомами подложки, то-

гда

интегрируя

Ead

для каждого сорта атомов

входящих в состав многокомпонентного материала

по

числу атомов каждого сорта, приходящихся на единицу поверхности конденсируемой пленки, найдем

Епл

ad , при этом следует учитывать, что энергия

адсорбции, как одного атома, так и пленки в целом является функцией термодинамических условий конденсации. В результате этого получим

E^V исп ,Тп, п) = JEadi(T

где Ead1’ Ead2>-"> Eadj -став пленки; nij п2>--ч nj -

исп , Т п )dnl + J Ead2(T исп , Т п )dn2 +... + J

Eadj(Тисп , Тп )dnj

энергия адсорбции атомов первого, второго, j концентрация атомов первого, второго, j -го

, (4)

-го сортов, входящих в сосортов, входящих в состав

многокомпонентной пленки, и приходящихся на единицу площади поверхности пленки [4].

Для численного решения данного уравнения необходимо определить концентрацию атомов разного сорта, приходящихся на определенную площадь поверхности пленки. Она рассчитывается из заданной

площади поверхности пленки S и функций fi и , учитывающих размеры атомов разного сорта, межатомное расстояние и коэффициент компактности:

п(Т и

где

1

Т "'S> = S JJ

dx • dy

(ri,rj, ap^ j кком’ Тисп,Тп ) • fу(r1’ ■’ rj’ aреш’ кком’Тисп,Тп)

, (5)

fx (rij---j rjj ^реш ’ к ком ’ Т исп ’ Т п ) , fy (rij---j rj j ^реш ’ Кком ,Т исп ,Т п ) - функции

учитывают размеры,

занимаемые атомами разного сорта, в направлениях осей ОХ и ОУ соответственно; rij---j rj - радиусы

атомов разного сорта, входящие в состав пленки; ^реш - постоянная решетки; к ком - коэффициент

компактности кристаллической решетки.

В качестве примера, на рисунке 1 приведена зависимость изменения концентрации атомов никеля и

хрома в пленках твердого раствора NixCl"i_x , полученного методом термического испарения в вакууме

на ситалловых подложках, от термодинамических режимов синтеза.

Видно, что варьирование условиями синтеза в указанных диапазонах, приводит к изменению концентрации атомов, заключенных на поверхности пленки единичной площади, причем в области высоких температур испарения исходной загрузки зависимость П от Т п носит более резкий характер, чем в области низких температур испарения исходной загрузки. Девиация общей концентрации атомов, приходящихся на единицу площади поверхности пленки, за счет варьирования режимов синтеза, обусловлена изменением содержания отдельных сортов атомов, имеющих различные по величине радиусы атомов. За счет варьирования условиями синтеза в варианте метода термического испарения в вакууме удается управлять величиной энергии адгезии пленки к поверхности подложки, изменяя еепочти в два раза (рисунок 2). Наибольшее значение энергии адгезии достигается в области высоких пересыщений газовой фазы. Это объясняется высокой энергией атомов, поступающих из газовой фазы на поверхность

Рисунок 1 - Зависимость концентрации атомов никеля и хрома, заключенных на поверхности пленки единичной площади, от температур испарения исходной загрузки и подложки в варианте метода термического испарения в вакууме

подложки. Максимальное значение

р пл Ead

4 Дж

близкое к 2,6-10 2 , наблюдается для температур испа-

м

рения исходной загрузки 1600-1650 К и подложки около 400 К. В условиях малых пересыщений газовой фазы и близких к термодинамическому равновесию по сравнению с вышерассмотренным случаем, величина энергии адгезии пленки слабо зависит от технологических режимов синтеза из-за стабильного термодинамического состояния атомов пленки, характеризующегося минимальной свободной энергией.

Увеличение температуры подложки приводит к уменьшению адгезии пленки с поверхностью подложки. Это объясняется увеличением энергии десорбции адсорбированных атомов, которые совершают колебания в трех направлениях, а именно: в двух параллельных и одном перпендикулярном к поверхности подложки. Увеличение амплитуды двух первых типов колебаний приводит к росту интенсивности диффузии атомов конденсата по поверхности подложки, а последнее к отрыву адсорбированного атома от поверхности подложки. В области высоких температур подложки увеличение температуры испарения исходной загрузки вызывает незначительное снижение величины адгезии пленки к поверхности подложки, в то время как в области низких температур подложки около 400 К рост температуры испарения исходной загрузки обусловливает достаточно резкое увеличение адгезии пленки.

ГИСП,К

экспериментальные данные; — рассчитанные значения

Рисунок 2 -испарения

Зависимость энергии адгезии пленки Ni хСг1_х к поверхности подложки от температур исходной загрузки и подложки в варианте метода термического испарения в вакууме

Для оценки правильности рассчитанных значений энергии адгезии пленки к поверхности подложки необходимо их сравнить с экспериментальными данными. Проанализируем результаты исследования адгезии пленок хромоникелевого сплава Ni ХСГ^_ х к поверхности подложки из ситалла путем измерения

силы на отрыв пленки посредством адгезиометра. Погрешность измерения силы составляет ± 7 %. Следует отметить, что при отрыве пленок от поверхности подложки измеряется адгезионная прочность,

которая, кроме адгезии, включает усилие на деформацию и течение образца, разрядку двойного электрического слоя при его наличии и другие побочные явления. Адгезионная прочность зависит от размеров (толщины, ширины) образца, направления и скорости приложения внешнего усилия. Поэтому при проведении измерений использовались образцы одинаковых геометрических размеров, толщиной от 0,4 до 0,7 мкм, фиксированной скоростью приложения усилия перпендикулярно поверхности пленки. Величина удельной силы на отрыв пленки площадью S выражается следующим уравнением:

F — 'пл , ,

'уд S' (6)

где 'пл - экспериментальные значения силы на отрыв пленки от поверхности подложки.

Конденсированная пленка и подложка разделены вакуумным зазором величиной L . Энергия адгезии пленки к поверхности подложки, как функция величины зазора L между ними, может быть получена путем интегрирования удельной силы на отрыв пленки по dL :

Епл.экс. Г г -1Л

ad — J 'уд • dL (7)

Значения вакуумного зазора между пленкой и подложкой L выбиралась из наилучшего совпадения экспериментальных и теоретических значений энергии адгезии пленки к поверхности подложки.

Епл.рас. г: пл экс.

ad и полученных экспериментальным путем Ead значений энергии адге-

зии пленок, сформированных при различных термодинамических условиях синтеза, к поверхности подложки и функции Епал — f (S), представленной на рисунке 3, показывает, что наблюдается хорошая

Епл Л -Х1 -Х1

ad при L =1,5-10 -6,0-10 м в

зависимости от технологических режимов получения пленок.

• - экспериментальные данные; — рассчитанные значения Рисунок 3 - Зависимость энергии адгезии пленки, полученной методом термического испарения в вакууме приТИсп = 1600 К и Тп = 550 К, к подложке от площади поверхности оторванной пленки при L =

1,5-10-11 м

Таким образом, контролируемое изменение условий синтеза в варианте метода термического испарения в вакууме обеспечивает управление величиной адгезии пленки к поверхности подложки.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы», мероприятие 1.4.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технология тонких пленок / Под ред. Л.Майссел, Р. Глэнг. - М.: Сов. Радио, 1977. - Т. 2. -768 с.

2. Вакилов, А.Н.Адгезия металлов и полупроводников в рамках диэлектрического формализма /А.Н.

Вакилов,М.В. Мамонова, В. В. Прудников //Физика твердого тела. - 1997. - Т. 39. - № 6. - С. 964-

967 .

3. Потерин, Р.В. Расчет характеристик взаимодействия ионных кристаллов с металлами / Р.В. По-терин, В.В.Прудников // Вестник Омского ГУ, 1997. - Вып.4. - С. 24-26.

4. Аверин, И. А. Управляемый синтез гетерогенных систем: получение и свойства: монография /

И.А. Аверин. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - 316 с.