CC BY
23
УДК 66-91;006.86
Р. Ф. Абзалов, А. В. Сятынова, А. Г. Астафьева, М. И. Сидорова, В. Ф. Сопин
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ КРИСТАЛЛИТОВ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ
ПЛЕНОК PbS МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
Ключевые слова: тонкие плёнки PbS(II), оценка линейных размеров, методика измерения,наноструктурированные материалы, атомно-силовая микроскопия, рентгенофлуоресцентный анализ, метрология, стандартизация.
Методами рентгеновской флуоресценции, атомно-силовой микроскопии, комплексонометрии получены результаты исследования по оценке линейного размера тонких пленок PbS. Стандартизованы образцы тонких пленок сульфида свинца по толщине слояна атомно-силовом микроскопе «FemtoScanOnline». Построены гра-дуировочные зависимости толщины слоя от содержания свинца в нем для измерений на рентгеновском спектрометре «Реном-ФВ». Разработана методика измерения толщины тонких пленок PbS.
Keywords: thin films of PbS(II), estimating of a linear dimentions, the methods of measurement, nanostructured materials, atomic force microscopy, X-ray fluorescence analysis, metrology, standardization.
The results of researcheson an assessment of a linear dimension of the thin films PbS by the methods of the X-ray fluorescence analysis, atomic force microscopy, chelatometry. The samples of the thin films of a lead sulphidewere standardized on thickness of a layer on the atomic force microscope «FemtoScan Online». The calibration dependences of the thickness of a layer from a lead load in it for the measurementon X-ray spectrometer «Renom-FV»werebuilt. The method of measurement of a thickness of a thin films PbS were developed.
Одним из ведущих направлений в современной микро- и оптоэлектронике является получение на-нокристаллических пленок халькогенидов с заданными свойствами и производство функциональных материалов на их основе [1-2]. Свойства пленок главным образом определяются структурным строением их кристаллитов и кристаллографической ориентацией, которые, в свою очередь, зависят от метода получения пленки, выбора технологических режимов осаждения, материала подложки и состояния ее поверхности. Следует отметить, что к числу важных физических параметров пленок относитсятакже и толщина ее слоя, поскольку именно этот параметр определяет такие ее свойства как проводимость и проницаемость, в значительной мере обуславливающих ее эксплуатационные характеристики [3-4].
Для измерения толщины тонких пленок существует множество различных методов, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и реф-лектометрия, атомно-силовая микроскопия, эллип-сометрия, профилометрия, интерференционные ме-тодыи другие. К основным недостаткам перечисленных методов можно отнести трудоемкость ис-ложность в препарировании анализируемых образцов, высокую стоимость оборудования, высокие требования к его установке и обслуживанию. В связи с этим возникаетпотребность в разработке таких методов определения толщины тонкой пленки, которые бы позволили существенно сократить все перечисленные издержки за счет косвенных измерений одной из ключевых физической или химической величин. К подобным методам можно отнести способ рентгеновской флуоресценции, в которой измеряемой величиной является содержание элемента тонкой пленки на площади поверхности с известной толщиной слоя.
Экспериментальная часть
Для гидрохимического осаждения тонких пленок сульфида свинца на стеклянной подложке использо-
вался свинец азотнокислый Pb(NO3)2 квалификации «ч.», в качестве щелочного агента применялся гид-роксид натрия квалификации «ч.д.а», серосодержащим реагентом являлась тиомочевина «ч.д.а». Стандартные растворы свинца азотнокислого и тиомоче-вины готовились по точной навеске с использованием аналитических весов B5 фирмы «Mettler». Все используемые в работе растворы готовили на дважды перегнанной воде.
Содержание свинца (II) в растворах и пленках определялось методами комплексонометрии и рентгеновской спектроскопии на приборах «S2 PICOFOXBruker» и «Реном-ФВ». Тонкие слои пленок PbS анализировались на атомно-силовом микроскопе «FemtoScanOnline».
Для косвенного определения толщины слоя пленки PbS методом рентгеновской флуоресценции предполагалось:
1) осадить PbS с различной толщиной слоя;
2) измерить толщину слоя осажденных пленок на атомно-силовом микроскопе;
3) осадить пленку PbS на поверхности подложки с измеренной площадью;
4) измерить интенсивность сигнала Pb в осажденной пленке PbS с измеренной площадью поверхности на рентгеновском спектрометре «Реном ФВ»;
5) для определения концентрации свинца в растворе стравленной пленки по методу внутреннего стандарта с использованием рентгеновского спектрометра «S2 PICOFOX Bruker» построить градуи-ровочную зависимость отношения интенсивностей аналитических сигналов Pb(II) и Ni(II) от концентрации эталонных растворов Pb(II);
6) пленку с измеренной интенсивностью сигнала Pb перевести в раствор для анализа на рентгеновском спектрометре «S2 PICOFOX Bruker»;
7) рассчитать содержание свинца в осажденной пленке PbS на единицу площади поверхности подложки;
8) измерить интенсивность сигнала свинца в эталонных по толщине пленках на рентгеновском спектрометре «Реном-ФВ»;
9) построить градуировочную зависимость содержания свинца в пленке от толщины слоя РЬ8.
Образцы тонких пленок сульфида свинца с различной толщиной слояполучались по методике,
приведенной в работах [5-7]. Толщина слоя регулировалась длительностью осаждения пленки из растворов, затем измерялась на атомно-силовом микроскопе.
На рис. 1 представленамикрофотографияодной из стандартизуемых пленок сульфида свинца.
б
Рис. 1 - 2Б и 3Б АСМ-изображения образца №1, с С(РЬ2+) = 10-3 моль/л и 1 = 10 ч: а) размеры сканирования 5x5 мкм; б) размеры сканирования 0,7x0,7 мкм
На микрофотографии видно, что пленка РЬ8 является поликристаллической. Кристаллитыимеют различнуюориентацию. З^проекция снимков позволяет оценить толщину и однородность слоя пленок. Поверхность пленок неоднородная по толщине.Толщина колеблется в пределах 60-210нм.
Установлено, что интенсивность аналитического сигнала свинца в пленке РЬ8на измеренной площади поверхности в 310,39 мм2 составила 2853,13 имп./с.
Далее в настоящей работе была построена гра-дуировочная зависимость отношений интенсивно-стей аналитических сигналовРЪ(П) и N1(11) от концентрации эталонных растворов РЬ(11), которая при-веденана рис 2.
Затем пленка с площадью поверхности 310,39 мм стравливалась концентрированной азотной кислотой. Полученный раствор препарировался и анализировался на приборе «82 РГСОБОХ Вткеп».Установили, что концентрация свинца в этом растворе составила С(РЪ2+)= 6,6-10-5 моль/л, а масса свинца в пленке - 0,1504 мг. Так как размер диафрагмы рентгеновской трубки - 5 мм, а площадь сканирования образца - 25 мм2, то масса свинца на
площади сканирования в 25 мм2 составит 12,1 мкг, иначе можно сказать, что содержание свинца в пленке РЬ8 - 48,4 мкг/см2.
Рис. 2 - Градуировочная зависимость отношений интенсивностей аналитических сигналов РЬ(11) и N1(11) для СРЬ(П)~10"5 моль/л, полученная на «82 Р1СОРОХ Вгикег»
По измеренным значениям интенсивностей аналитических сигналов стандартизованных по толщи-
а
не слоя образцов пленок сульфида свинца, полученных на «Реном-ФВ», была построена градуировоч-ная зависимость. Градуировочная зависимость отношения массы РЬ(11) от толщины слоя эталонных пленок представлена на рис. 3.
Рис. 3 - Градуировочная зависимость отношения массы РЬ(11) от толщины слоя эталонных пленок
По результатам испытаний была разработана методика измерений, которая прошла метрологическую оценку. Настоящая методика обеспечивает выполнение измерений с доверительными границами относительной погрешности, не превышающей 5,1% при доверительной вероятности 0,95.
го ИК- диапазона / Г. Е. Рачковская, А. М. Маляревич, Г. Б. Захаревич // Труды БГТУ. Серия III. Химия и технология неорганических веществ. - 2010. - Выпуск XVIII. - С.152 - 156.
2. Маляр, И. В. Модификация поверхности полупроводниковой подложки с помощью органических монослой-ных покрытий и воздействия излучений / И.В. Маляр, С.В. Стецюра // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. - Т. 4.№ 3. -С.30 - 35.
3. Чесноков, Д. В. Самоформирование периодического рельефа в тонкоплёночных структурах / Д. В. Чесноков,
A. Е. Чесноков, Д. М. Никулин, В. С. Корнеев, В. В. Чесноков, С. Л. Шергин // СГТА, Новосибирск, - 2008. -4 с.
4. Красченко, А. А. Актуальные проблемы разработки оборудования эпитаксиального наращивания полупроводниковых структур / А. А. Кравченко, А. И. Погалов // Автоматизированное проектирование в машиностроении - 2014. - №2. - С.82-83.
5. Абзалов, Р.Ф. Синтез поликристаллических пленок РЪБ в системе РЪ(П) - Н20-0Н--тиоамид / Р.Ф. Абзалов, Р.А. Юсупов // Вестник КГТУ - 2003. - №2. - С.47-54.
6. Марков, В.Ф. Кинетика химического осаждения тонких плёнок сульфида свинца в присутствии иоидит-ионов / В.Ф. Марков, И.В. Шилова, Л.Н. Маскаева // УПИ, Свердловск, -1988. -10 с.
7. Марков, В.Ф. Гидрохимический синтез пленок сульфидов металлов: моделирование и эксперимент /
B.Ф. Марков, Л.Н. Маскаева, П.Н. Иванов // Екатеринбург: УрО РАН. - 2006. - 218 с.
Литература
1. Рачковская, Г. Е. Стёкла с наночастицамихалькогени-дов свинца для просветляющихся сред лазеров ближне-
© Р. Ф. Абзалов - к.х.н., доцент каф. АХСМК КНИТУ, [email protected]; А. В. Сятынова - магистрант каф. АХСМК КНИТУ; А. Г. Астафьева - магистрант каф. АХСМК КНИТУ; М. И. Сидорова - ученица лицея-интерната для одаренных детей им. П.А. Кирпичникова; В. Ф. Сопин - д.х.н., профессор, зав. кафедрой АХСМК КНИТУ.
© R. F. Abzalov - an Assistant professor, a PhD in Chemistry of analytical chemistry, certification and management of quality of the KSRTU, [email protected]; A. V. Syatynova - a master of the ACSMQ KSRTU; A.G. Astafieva - a master of the ACSMQ KSRTU; M. I. Sidorova - a student of the boarding school for talented children named by A.P. Kirpichnikov; V. F. Sopin -a Professor^ Doctor of Chemical Sciences of analytical chemistry, certification and management of quality of the KSRTU.
