CC BY
10Микроэлектроника
УДК 532.783; 535; 535.016
А. А. Кухарчик, Н. В. Каманина ОАО "ГОИ им. С. И. Вавилова"
Изучение рельефа поверхности тонкопленочных проводящих покрытий с сопутствующим эффектом
изменения сопротивления при введении наноообъектов1
Рассмотрено образование гомеотропного рельефа на прозрачных проводящих покрытиях, которые являются границей раздела сред "твердая подложка-жидкий кристалл". Рассмотрены особенности образования рельефа при облучении образцов лазером, работающим в инфракрасном диапазоне спектра. Особенностью рельефа является его создание при использовании углеродных нанотрубок, ориентированных в электрическом поле при лазерном осаждении с последующей обработкой поверхностной электромагнитной волной. Результаты экспериментов подтверждены анализом данных, полученных при использовании микротвердомера, сканирующей микроскопии и экспериментов по смачиваемости.
Нанотрубки, микрорельеф, ориентирующие покрытия, наноструктурирование, лазерное излучение ИК-спектра, дисплейная техника, электрооптические модуляторы на жидких кристаллах
В связи с интенсивным использованием органических оптоэлектронных элементов типа "сэндвича" в лазерной, дисплейной и биомедицинской технике становятся актуальными вопросы оптимизации дизайна, снижения управляющего напряжения, уменьшения числа функциональных слоев и др. Тонкопленочные проводящие контакты [1]-[3] на границе раздела сред "твердотельная подложка-жидкий кристалл" - наиболее уязвимый элемент по причине частого пробоя, наличия технологических дефектов в тонком слое, неравномерности сопротивления и т. д. В этой связи задача изучения механизма образования рельефа на поверхности материалов с разными макропараметрами при их структурировании углеродными нанообъектами, в основном углеродными нанотрубками (carbon nanotubes - CNT), вполне своевременна.
Эксперимент. В настоящей статье приведены результаты изучения стеклянных или кварцевых подложек, на которые наносились проводящие покрытия на основе оксидов индия и олова (ITO-про-водящие слои). ITO-Слои модифицировались лазерным бесконтактным методом осаждения CNT, дополнительно ориентированных в электрическом поле [4]. Далее подложки с нанесенными
CNT обрабатывались лазерно-индуцированным излучением инфракрасного (ИК) диапазона с длиной волны 1.06 мкм. Метод был адаптирован к использованию установки "С-МАРКЕР С30" на CO2 -лазере. Параметры данной установки таковы: максимальная мощность 30 Вт (100 %), скорость облучения (прохода лазерного луча) 1000...2500 мм/с, диаметр пятна лазера (номинальный) 110 мкм, расходимость луча 18 мрад, глубина фокусировки луча 3 мм, тип системы перемещения луча - сканаторный. Лазерная установка подключена к компьютеру с программным обеспечением SinMark, позволяющим с большой детализацией установить режим работы лазера. Регулируя различные характеристики лазера, такие, как скорость прохода луча, расстояние от лазера до образца и степень фокусировки, можно получить рельеф с планируемыми параметрами. При изучении получаемого рельефа поверхности спектральными методами использовались спектрофотометр СФ-26, микроскоп микротвердомера ПМТ-3М разработки ОАО "ЛОМО", а также сканирующий зондовый микроскоп "Bio47-Smena" фирмы NT-MDT (г. Зеленоград), функционирующий в режиме "share-force". При изучении смачи-
1 Работа выполнена при частичной поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (соглашение №13-03-00044 (2013-15)), проекта BIOMOLEC (2011-14) по программе "Marie Curie Action" и проекта "Нанокоатинг-ГОИ".
40
© Кухарчик А. А., Каманина Н. В., 2014
ваемости модифицируемого рельефа поверхности для подтверждения возможности увеличения угла наклона при вертикальной ориентации использовалась камера Genius FaceCam3000 c объективом CCTV с фокусным расстоянием 6.0...60 мм, форматом изображения 1/3", диафрагмой F1.6.
Коммерчески доступные углеродные одно-стенные нанотрубки приобретены в фирме "Al-drich Chemistry Co".
Далее описаны результаты, полученные после анализа образцов с помощью установки микротвердомера (микроскопа) ПМТ-3М.
Результаты и обсуждения. Основные результаты изменений сопротивления проводящих контактов при их лазерной обработке и/или проведении наноструктурирования представлены в таблице и на рис. 1, 2. На рис. 1 показан эффект понижения сопротивления образцов 1-7 при облучении лазерным излучением, на рис. 2 - тот же эффект на выборке из образцов 25-27, 29, 30.
Исследования проводились преимущественно на образцах со структурами 1ТО и СКТ, а также обычного 1ТО, нанесенных на силикатное стекло марки К8.
Далее варьированием мощности лазерного излучения в диапазоне 60... 100 % (максимум соответствует 30 Вт) на образцах создавался регулярный микрорельеф. В связи с тем, что перенос заряда в СКТ, а также в структурированных поверхностях, имеет ряд особенностей, ожидалось, что результатом работы должно стать понижение общего сопротивления образцов. Начальное сопротивление образцов находилось в диапазоне значений от 200 до 1000 Ом и варьировалось в зависимости от условий отжига и от толщины образцов.
Уменьшая толщину проводящего слоя за счет абляции и перестраивая приповерхностные атомарные слои воздействием лазерного излучения, можно менять подвижность носителей заряда, их число, а соответственно, и их концентрацию.
Номер Тип обработки Мощность лазерного пучка, Скорость прохода Расстояние Сопротивление образца R, Ом
образца (на стекле ITO или ITO+CNT) используемого для получения рельефа поверхности, % между лазером и образцом, см
лазерного луча, мм/с до обработки после обработки
1 ITO 100 2500 17 700 400
2 ITO+CNT+ПЭВ 100 1500 28 400 330
3 ITO 100 1000 21 100 46
4 ITO 100 1000 21 115 52
5 ITO+CNT 100 1000 28 195 70
6 ITO+CNT 100 1000 28 155 52
7 ITO+CNT 90 1000 28 155 43
8 ITO+CNT 100 1000 21 250 4150
9 ITO+CNT 100 1000 21 250 5200
10 ITO+CNT 100 1000 21 250 4500
11 ITO+CNT 100 1000 21 250 6700
12 ITO+CNT 100 1000 21 250 5800
13 ITO+CNT 100 1000 21 250 -
14 ITO 100 1000 21 600 870
15 ITO 100 1000 23 620 -
19 ITO 100 1000 22 1500 250
20 ITO 60 1000 22 1300 300
21 ITO 60 1000 22 1400 300
22 ITO 65 1000 22 2000 370
23 ITO 65 1000 22 330 304
24 ITO+HfO2 65 1000 22 180 120
25 ITO+CNT 100 1000 23 250 179
26 ITO+CNT 100 1000 23 250 150
27 ITO+CNT 100 1000 23 250 67
28 ITO+CNT 100 1000 24 250 400
29 ITO+CNT 100 1000 23 250 200
30 ITO+CNT 60 1000 23 250 110
33 ITO 100 1000 23.5 237 100
34 ITO 100 1000 23.5 190 95
37 ITO 35 1000 21 1400 500
38 ITO 20 1000 21 1400 359
39 ITO 20 1000 21 1570 389
40 ITO 20 1000 21 1670 415
41 ITO 20 1000 21 1670 500
42 ITO 15 1000 21 1880 465
Микроэлектроника
Д, Ом 600 400 200 0
700
До обработки После обработки
155 155 43
6 7 п
1 2 3 4 5 Рис. 1
Данные макропараметры существенно увеличиваются при засветке. Так как удельное сопротивление - величина, обратная проводимости, то при увеличении перечисленных макропараметров системы снижается общее сопротивление [5].
Из гистограмм на рис. 1 и 2 видно, что в ряде образцов при облучении лазером общее сопротивление существенно понижалось. Заметим, что структурирование чистых образцов 1ТО (без нанесенных СЫТ) лазерным излучением всегда приводило к уменьшению сопротивления после лазерной обработки.
При мощности в 30 Вт, скорости прохода лазерного луча 1000 мм/с, пятне фокусировки 1...2 мм получен микрорельеф, представленный на рис. 3. Цена деления на снимках 300 мкм. Сопротивление до обработки 195 Ом, после обработки 70 Ом.
При модификации рельефа с СЫТ выявлена проблема локального повышения сопротивления (в табл. 1 образцы 8-12) после обработки лазером, что является обратным эффектом. Возможно, что данный процесс можно объяснить образованием так называемых конусовидных сплетений (частичного слипания) СЫТ, образующих квази-графеновую поверхность с повышенной проводимостью. Данный эффект можно в некоторой степени сравнивать с эффектом Пула-Френкеля в примесных полупроводниках [6].
Д, Ом
200
100
250
| До обработки В После обработки 250 250 250 250
25
26 27
Рис. 2
29
30 п
Подробное объяснение получаемых эффектов требует привлечения серьезного атомно-силового анализа, что выходит за рамки настоящей статьи. Здесь же повторим, что главной задачей обработки поверхности проводящих контактов лазерным лучом было создание ориентирующего жидкокристаллические (ЖК) диполи рельефа для последующей сборки ЖК-ячеек. При этом необходимо не прожечь образец (рис. 4, на котором показаны пятна прожига во время первоначального прохода лазерного луча). При установленном режиме работы лазера и максимальной мощности лазерного излучения 25 Вт получен диаметр прожига ё = 53.1 мкм.
При наличии на структуре 1ТО облучение снижает общее сопротивление (см. пример образца 1ТО+СЫТ+ПЭВ - таблицы, образец 2). В этом случае получены такие же картины рельефа, как и на рис. 3 (с тремя областями облучения).
В качестве альтернативной проверки наличия данного рельефа проведены эксперименты по изменению угла смачиваемости поверхности чистого проводящего слоя (рис. 5, а), проводящего слоя с обработкой ПЭВ и 1ТО (рис. 5, б), а также слоя с 1ТО и нанесенными лазерным бесконтактным методом ориентированными СЫТ (рис. 5, в) с последующей обработкой излучением ИК-диапазона. В первом
Рис. 3
Рис. 4
0
Н5Й
J PlCJMtU.IMfriajpg
: РК IS« ld._£ LE 4: [¡у. Ж,;:
1НЦТ П ГН<лИ«
Рис.
случае получен угол смачиваемости а = 70... 71°, во втором - а = 74°, в третьем - а = 85... 86°.
Таким образом, в настоящей статье рассмотрен вопрос создания нового модифицированного микрорельефа на поверхности проводящих покрытий (как чистых, так и с осажденными СКТ) для ориентирования нематических ЖК. При этом использовано лазерное излучение ИК-диапазона. Установлено, что перечисленные операции позволяют существенно снизить сопротивление образцов и напряжение питания; отказаться от ориентирующих высокоомных полимерных слоев, а также от проведения дополнительных технологических этапов при обработке подложек. В статье сделан акцент на подтверждение существования гомеотропного рельефа при наноструктурирова-нии 1ТО нанообъектами на основе СКТ. Процесс способствует общему увеличению пропускания тонкопленочных прозрачных 1ТО-покрытий и повышению прочностных параметров.
Авторы настоящей статьи предполагают, что полученные образцы, а именно "матричный мате-
риал + наноструктура", могут быть использованы для создания ЖК-ячеек и пространственно-временных модуляторов света на основе ЖК, где высо-коомный ориентирующий слой заменен проводящим покрытием, структурированным нанотрубками и обработанным ИК-излучением СО2 -лазера. Совместив полученные образцы с фуллеренами, отличающимися хорошими нелинейными оптическими свойствами, и с сенсибилизированными ими системами, можно использовать их при создании нелинейных элементов для оптических цифровых процессоров; для защиты глаз и оптических датчиков от излучения; в дифракционных элементах для записи голограмм; для преобразования частот лазерного излучения; для создания более современных ЖК-дисплеев и приборов биомедицинской техники. Кроме того, созданный нетоксичный ориентирующий рельеф поверхности возможно использовать при работе с биообъектами, например с эритроцитами и ДНК.
а
в
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Динамика роста и механизм образования лазер-но-индуцированного упорядоченного рельефа поверхности кремния под действием поляризованного излучения / О. П. Гашков, М. Н. Либенсон, В. С. Макин и др. // ЖТФ. 1997. Т. 67, вып. 4. С. 113-116.
2. Пространственные модуляторы света / А. А. Васильев, Д. Касасент, И. Н. Компанец, А. В. Парфёнов. М: Радио и связь, 1987. 320 с.
3. Беляев В. В. Физические методы измерения коэффициентов вязкости нематических жидких кристаллов // УФН. 2001. Т 171, № 3. С. 267-298.
A. А. Kukharchik, N. V. Kamanina Open JSC "S. I. Vavilov state optical institute"
4. Пат. Ри 2405177 С2. МПК 602В1/00, В82В1/00 (2006.01). Оптическое покрытие на основе ориентированных в электрическом поле углеродных нано-трубок для оптического приборостроения, микро- и наноэлектроники при нивелировании границы раздела сред: твердая подложка - покрытие / Н. В. Каманина, П. Я. Васильев, В. И. Студенов. Опубл. 27.11.2010. Бюл. 33.
Study of the surface topography of the thin-film conducting coatings and the effect of the resistance change under the condition of the nanoobjects introduction
Homeotropic relief developed at the surface of the transparent conducting layers is considered. These conducting layers are used as the interface between solid substrate and liquid crystal mesophase. The IR laser has been used in order to modify the features of the relief. The main aspect of this relief is coincided with the applying the carbon nanotubes previously oriented in the electric field. Moreover the additionally treatment with the surface electromagnetic waves has been used. The results obtained have been supported by the data received from the microscopy experiments and from the mi-crohardness analysis as well as from the wetting phenomena test.
Nanotubes, micro relief, orienting coating, nanostructuring, laser radiation of the IR spectrum, display electronics, electro optical modulators based on liquid crystals
Статья поступила в редакцию 12 марта 2014 г.
