CC BY
56
ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
УДК 538.958:539.534.9
О ФОРМИРОВАНИИ НАНОКЛАСТЕРОВ ЦИРКОНИЯ В СТАБИЛИЗИРОВАННОМ ДИОКСИДЕ ЦИРКОНИЯ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИОНАМИ
© 2010 г. О.Н. Горшков
Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
gorshkov@nifti.unn.ru
Поступила в редакцию 21.05.2010
На примере стабилизированного диоксида циркония (СДЦ) установлен новый механизм формирования металлических нановключений в облученных ионами оксидах, в которых кислород имеет высокую подвижность. Показано, что образование нановключений циркония при облучении ионами может происходить не только при внедрении в матрицу металлических ионов и создании таким образом пересыщенных растворов, но и в результате выхода кислорода из приповерхностного слоя материала в процессе ионного облучения. Впервые эффект наблюдался при облучении ионами инертных газов (Не+). В работе представлены данные по формированию наноразмерных металлических включений (2г) в матрице стабилизированного диоксида циркония при его облучении ионами Н+ и 2г+, а также ионами Аи+. Предложен микроскопический механизм обнаруженного эффекта. Представлены также результаты исследования оптических и электронных свойств слоёв и тонких пленок СДЦ, содержащих металлические нанокластеры.
Ключевые слова: стабилизированный диоксид циркония, тонкие пленки, метод ВЧ магнетронного распыления, ионная имплантация, туннельная электронная микроскопия, атомная силовая микроскопия, наноразмерные металлические частицы.
Введение
В настоящее время активно развивается новое направление исследований, связанное с созданием многофункциональных материалов, обладающих совокупностью функциональных свойств, необходимых для разработки на их основе нового типа устройств и приборов для интегральной оптики и наноэлектроники, газовых сенсоров, топливных ячеек, солнечных элементов, а также биомаркеров для клеточных технологий и др. К таким материалам относятся диэлектрические матрицы, легированные, например, ионами редкоземельных элементов (оптически активные центры), в которых сформированы металлические наночастицы (МН) [1-4].
Линейные и нелинейные оптические свойства таких материалов обусловлены возбуждением поверхностных плазмонных резонансов в МН. Спектральный диапазон этих возбуждением располагается от долей микрона до нескольких микрон, в зависимости от концентрации свободных электронов в МН, их размеров, фор-
мы, условий формирования, а также матрицы, в которой они сформированы [5].
Ведутся интенсивные исследования электронных свойств тонкопленочных диэлектрических матриц с полупроводниковыми и металлическими нановключениями. Такие структуры демонстрируют квантоворазмерные эффекты, одноэлектронную проводимость и могут быть использованы для разработки и создания различного типа одноэлектронных устройств, в частности, элементов памяти [6, 7]. Элементы памяти на наночастицах позволят существенно увеличить плотность записи информации и снизить энергозатраты на чтение-запись. В работе [6] авторы рассматривают элементы памяти на основе диэлектрических матриц с кремниевыми наночастицами, однако как альтернатива полупроводниковым наночастицам интенсивно изучаются структуры с металлическими наночастицами [7]. Эти структуры допускают больший простор в области инженерии энергетических барьеров, что улучшает сохранность данных в устройствах памяти при низких напряжениях.
В настоящее время механизмы формирования и свойства наностуктурированных материалов с металлическими нановключениями интенсивно изучаются в таких оксидных матрицах, как БЮ2 [8-10], АЬОз [11, 12] и др.
Исследования ведутся по нескольким направлениям:
- изучение механизмов формирования МН в диэлектрических матрицах;
- разработка методов формирования наночастиц в диэлектрических матрицах;
- изучение оптических свойств металлических нанокластеров в различных матрицах (оптическое возбуждение плазмонных колебаний в МН, нелинейно-оптические эффекты и др.);
- изучение электронных свойств МН (куло-новская блокада, резонансное туннелирование, фото-стимулированные электронные процессы).
Среди разнообразных методов синтеза МН в диэлектрических матрицах, развитых к настоящему времени, наиболее предпочтительным является метод формирования МН путем облучения диэлектрической матрицы ускоренными ионами. Метод ионной имплантации, обладающий простотой, возможностью точного контроля концентрации вводимой примеси и позволяющий существенно изменять электрофизические, оптические, механические и другие свойства материалов, стал одним из основных при создании МН в диэлектрических матрицах твердых тел, см., например, обзор [13].
Несмотря на большой научный и практический интерес к этим материалам, механизмы изменения структуры и химического состава приповерхностных слоев диэлектриков на основе оксидов металлов и полупроводников при облучении ионами исследованы недостаточно. Основные результаты по модификации свойств оксидов получены по распылению поверхности оксидов тяжелыми ионами низких и средних энергий (см., например, [14-16]). В меньшей степени исследованы процессы дефектообразо-вания при облучении оксидов легкими ионами средних и высоких энергий [17-19], когда высока роль неупругих столкновений. Мало изученными остаются и процессы селективного распыления поверхности оксидов легкими ионами средних и низких энергий [20].
Оптические свойства МН сильно зависят от их размеров, морфологии и пространственного распределения в матрице. Поэтому значительное количество работ посвящено влиянию режимов ионной имплантации и последующего отжига [11, 12, 21, 22].
Следует особо отметить, что практически не исследованными оказались процессы модифи-
кации ионными пучками свойств оксидов, у которых высока подвижность кислородной компоненты, что создает особые условия для потери атомов кислорода в процессе облучения, восстановления материала и образования в приповерхностных слоях наноразмерных металлических включений. К таким материалам относятся су-перионные проводники, в частности, стабилизированный диоксид циркония (СДЦ) [23].
Диоксид циркония и стабилизированный диоксид циркония (кубическая фаза 2гО2) [24] имеют важные практические применения. Стабилизированный диоксид циркония используется в качестве твердого электролита в топливных элементах, газовых сенсорах и других электрохимических устройствах [24], а также является перспективным оптическим материалом [23]. Обладая прозрачностью в протяженной области спектра, высоким значением показателя преломления, СДЦ может быть использован для создания планарных волноводов, устройств интегральной оптики, оптических усилителей и лазеров [25, 26]. Кроме того, стабилизированный диоксид циркония обладает высокой радиационной стойкостью и может быть легирован различными примесями в широких пределах.
В настоящее время имеются лишь отдельные работы по формированию металлических нанокластеров в СДЦ. Авторы работы [27] использовали метод формирования МН в процессе отжига при высоких температурах (>1000 К) образцов с введенной при выращивании кристаллов примесью (№: Ег, Со, Рг). В работах [28, 29] обсуждаются вопросы формирования нанокластеров Бе в СДЦ и изучаются магнитные свойства полученного наноструктуриро-ванного материала. Вывод о наличии нераство-ренного Бе в этом материале получен из оптических данных также в работе [30]. Авторы работы [31] исследовали влияние металлических наночастиц Ag, сформированных в СДЦ, на изменение оптических свойств материала, в частности, его цвета. В работе [32] обсуждается возможность использования пленок диоксида циркония с встроенными в них нановключениями золота для изготовления элементов энергонезависимой памяти.
Впервые о формировании металлических наночастиц в СДЦ (наночастиц 2г) было сообщено в работе [33] (см. также [34, 35]). В этих работах на основе анализа оптических спектров пропускания объемных монокристаллов СДЦ, облученных ионами гелия, было показано, что в процессе ионной бомбардировки в облучаемом слое происходит образование нановключений
циркония без дополнительного термического отжига. Результаты, полученные при развитии этих исследований, приведены также в работах [36-41]. Они позволили сделать вывод о том, что образование нановключений циркония при облучении СДЦ может происходить не только при внедрении в матрицу металлических ионов и создании таким образом пересыщенных растворов, но и в результате выхода кислорода из приповерхностного слоя материала непосредственно в процессе облучения ионами инертных газов (ионы гелия).
Результаты этих исследований обобщены в настоящем обзоре. Представлены также исследования электронных свойств тонких пленок стабилизированного диоксида циркония с сформированными в них ионной имплантацией металлическими нанокластерами 2г.
Экспериментальная часть
В исследованиях были использованы объемные монокристаллы и тонкие пленки СДЦ. Объемные монокристаллы содержали 12 мол.% оксида иттрия и были изготовлены методом прямого ВЧ-плавления в холодном тигле в Институте общей физики РАН [23]. Вырезанные пластины материала были полированы до оптического качества. Пленки СДЦ были сформированы методом ВЧ магнетронного распыления на подложках из ^+-Б1 с ориентацией поверхности (100). Облучение образцов монокристалличе-ского СДЦ проводилось легкими ионами (Не+,
H+) с энергиями 20-150 кэВ (точность задания ±1 кэВ) и плотностью ионного тока в интервале 0.1-15 мкА/см2 при комнатной температуре и давлении остаточных газов ~10"6 торр. При таких режимах облучения разогрев поверхности образцов не превышал 100оС. Конструкция держателя облучаемых образцов предусматривала, при необходимости, подачу разности потенциалов до 1 кВ между облучаемой и противоположной поверхностями образца.
Облучение СДЦ ионами металлов (Zr и Au) с целью насыщения поверхностного слоя атомами металлов проводилось на установке «Радуга - 3» [42], работающей в импульсном режиме.
Энергия ионов (с учетом их многозарядно-сти) могла варьироваться в диапазоне 30240 кэВ, ток пучка в импульсе - до 1 А, длительность импульса - до 300 мкс, частота следования импульсов - 0.5-50 Гц.
Толщины пленок с нановключениями для исследования их электронных свойств выбирались в пределах 12-24 нм, что обеспечивало их туннельную прозрачность. Показатель преломления пленок равнялся ~ 2.16 на длине волны
0.633 нм, что соответствовало его значению, известному для объемных монокристаллов [23].
Оптические спектры пропускания образцов в диапазоне длин волн 190-1000 нм измерялись на спектрофотометрах СФ-26 и Cary 6000i. Электронные свойства пленок с встроенными в них металлическими нановключениями исследовались методом комбинированной сканирующей туннельной и атомно-силовой микро-
400 600 800 '(ЮЗ 2CG ДОС1 СОС ЗЭД 1000
nm L ПГП
Рис. 1. а) Зависимость коэффициента пропускания света Т от длины волны X для исходного монокристалличе-ского СДЦ (синяя кривая) и образцов, облученных ионами Не (£=40 кэВ, Ф=1017 (зеленая кривая), 51017 (красная кривая), 1018 ион/см2 (черная кривая). На вставке: зависимость коэффициента поглощения облученного слоя образцов СДЦ от энергии фотона. Черная кривая соответствует дозе Ф=1017 ион/см2. Красная -5-1017 ион/см2 . Зеленая кривая - 1018 ион/см2 .
б) Зависимость коэффициента пропускания света Т от длины волны X для монокристаллов СДЦ, облученных ионами 2г со средней энергией 190 кэВ и дозами: черная кривая - 0, красная кривая - 5-1015, зеленая кривая -1016, синяя кривая - 2-1016, голубая кривая - 4*1016, розовая кривая - 8*1016 ион/см2. На вставке: зависимость коэффициента поглощения К облученного ионами 2г монокристаллического слоя СДЦ от энергии фотона Е. Черная кривая соответствует дозе 5-1015 ; красная кривая - 1016; зеленая кривая - 2*1016; синяя кривая - 4*1016; голубая кривая - 8*1016 ион/см2
скопии (СТМ/АСМ). Толщина и показатель преломления пленок измерялись, используя спектроскопический эллипсометр РКБ - 102. Подробное описание условий эксперимента приведено в работах [33-41].
Результаты и обсуждение
Одним из основных результатов анализа данных оптических измерений, обсуждаемых ниже, являлся полученный нами вывод о том, что в процессе ионного облучения монокри-сталлического СДЦ в нем могут возникать нановключения с металлическим типом электропроводности. Этот результат был получен впервые в работе [33] для образцов СДЦ, облученных ионами Не с энергией Е=40 кэВ и дозой Ф=1018 ион/см2. В работах [34, 35] были получены соответствующие результаты для образцов, облученных ионами Не с разными дозами. Оптические спектры пропускания таких образцов содержали полосы поглощения в интервале длин волн ^~400-650 нм (см. рис. 1а). Вопрос об идентификации этих полос оптического поглощения детально был рассмотрен в приведенных выше работах на основе их анализа в рамках теории Ми [43]. Следует отметить пороговый (по дозе) характер возникновения рассматриваемой полосы поглощения. Значение пороговой дозы равно Ф~1017 ион/см2.
Рассмотрение вопроса о природе этой полосы показало, что в результате облучения монокристаллов СДЦ легкими ионами в слое с тол-
О * . , ■ , ■ -1----------
20\1 400 У 00 1и00 1^00
Л,ППП
Рис. 2. Спектры пропускания исходных монокристаллов СДЦ (синяя кривая), монокристаллов, облученных ионами Не с энергией Е=40 кэВ и дозой Ф=2-1017 ион/см2 при отсутствии (черная кривая) и при приложении электрического поля в направлении, способствующем выходу ионов кислорода из облучаемого слоя (красная кривая), и в противоположном направлении (зеленая кривая). На вставке спектры поглощения монокристаллов СДЦ. Цвета кривых на спектрах поглощения соответствуют цветам кривых на спектрах пропускания
щиной, сравнимой с проецированным пробегом, возникают необратимые изменения в оптических свойствах, и что дополнительное поглощение света на длинах волн 400-650 нм обусловлено появлением металлических нановключений циркония. Полученные изменения свойств СДЦ в процессе облучения ионами Не указывают на радиационно-стимулированное обеднение кислородом приповерхностных слоев СДЦ с толщиной порядка проецированного пробега ионов в этом материале [33-35].
■■иу на'
я
5.'
1: .
- /
;■ '
1 ' ..
3_____•___________________________________
4 !■■ н- "
«Т■ «10' ст"
Рис. 3. Дозовые зависимости объемных долей включений в монокристаллах СДЦ, облученных ионами
Не (розовые кружки) и Н (черные квадраты)
Подтверждением сделанных в работах [3335] предположений о возникновении в СДЦ нановключений циркония при облучении ионами гелия стали результаты экспериментов по прямому внедрению ионов циркония в приповерхностные слои СДЦ [35, 36]. В этих работах проведено сравнение параметров МН, которые возникают в СДЦ при облучении ионами гелия и циркония, а также приведены дополнительные аргументы, которые свидетельствуют о возможности идентификации природы этой полосы, возникающей при облучении СДЦ как обусловленной поглощением света наноразмер-ными включениями. Вместе с тем, имеющееся в этих двух случаях различие в электрических свойствах облученных образцов (наличие значительной электронной проводимости в образцах, облученных ионами гелия и низкое её значение в случае облучения ионами циркония) свидетельствует о различии микроскопических механизмов образования МН.
На рис. 1 б приведены спектры пропускания монокристаллов СДЦ, облученных ионами циркония, а на вставке рис. 1 б - определенные из этих спектров зависимости коэффициента поглощения облученного слоя от энергии фотона. Минимумы на кривых рис. 1 б (максимумы на вставке рис. 1 б) расположены примерно в той же области значений длин волн (энергий), что и для случая спектров пропускания (поглощения)
* * ,
* «ч*. 40' 30-
УГГ пп- .9- Ф л» Т а. 5-го-
- ■ __ 10
Гігігі - ■ '. 0 0
ДО
б
Рис. 4. а) Токовая картина СДЦ, облученного ионами 2г+. б) Типичная ВАХ, измеренная на отдельном токовом канале туннелирования с размером пятна < 2 нм
а
СДЦ, облученного ионами гелия. Это свидетельствует о том, что механизм возникновения рассматриваемых откликов в оптических спектрах как в случае ионов циркония, так и в случае ионов гелия является одним и тем же. Этот результат следовало ожидать, поскольку введение избыточного по отношению к стехиометрическому составу циркония в СДЦ методом ионной имплантации, также как и в случае других диэлектрических матриц, при создании в них собственных пересыщенных растворов [13], должно приводить при определенных условиях к образованию МН в СДЦ. Таким образом, наличие полосы поглощения при ^~400-650 нм в спектрах поглощения облученного ионами циркония СДЦ подтверждает ранее сделанный вывод о том, что поглощение в этой области длин волн обусловлено плазмонными возбуждениями в нановключениях циркония.
В таблице приведены данные для параметров МН, полученных на основе теории Ми [43], где N - концентрация электронов в нановключении, о0 - проводимость, Л - длина свободного пробега электронов во включении, N - концентрация включений и N7' - их объемная доля. В таблице представлены также концентрация электронов, проводимость и длина свободного пробега электрона в объемном металле. Значками + и * отмечены данные, полученные для различных образцов. В случае, когда длина свободного пробега электрона во включении меньше таковой в металле, первая имеет смысл размера включения (радиуса, если включения имеют сферическую форму).
Дополнительным подтверждением того, что механизм образования нанокластеров циркония в матрице СДЦ при облучении ионами Не включает в себя выход кислорода, явились эксперименты по приложению внешнего электрического поля к образцу в процессе облучения.
Эффект влияния электрического поля на формирование нанокластеров в СДЦ следовало ожидать, поскольку этот материал является ионным проводником. Ионы кислорода в этой матрице имеют высокую подвижность, обусловленную высокой концентрацией вакансий в кислородной подрешётке [23].
Нами были проведены эксперименты по облучению СДЦ ионами Не с энергией 40 кэВ, дозой 21017 ион/см2 во внешнем электрическом поле с напряженностью 2104 В/см [37]. На рис. 2 приведены спектры пропускания образцов, облученных при различных направлениях напряженности электрического поля, на вставке к рис. 2 - соответствующие спектры поглощения. Видно, что приложение положительного потенциала к поверхности образца увеличивает полосу поглощения, обусловленную нановключениями, а приложение отрицательного потенциала приводит к обратному эффекту.
Результаты, полученные в работе [38], показали, что нановключения циркония формируются в СДЦ также и при облучении ионами водорода, причем эффективность их образования в диапазоне доз 1017-1018 ион/см2 в несколько раз превосходила таковую при облучении ионами гелия (см. рис. 3). Этот эффект может быть обусловлен как различием дефек-тообразования при облучении ионами Не+ и Н+, так и химическим взаимодействием внедрённого водорода с кислородом матрицы (образованием ОН-групп). Это взаимодействие приводит к дополнительному каналу увеличения концентрации несвязанного с кислородом циркония, и, как следствие, к более эффективному образовании нанокластеров циркония. Аналогичный эффект образования нанокластеров германия в германосиликатном стекле наблюдался при облучении ионами водорода [44].
Таблица
Параметры наноразмерных включений
Облучение ионами Не Облучение ионами 2г Метал- лический 2г
Доза (Ф)х10-17, ион/см2 1+ 5+ 10+ 10* 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8
Концентрация свободных электронов во включении (Л0)х10-22, см-3 5.0 4.1 7.7 9.4 2.9 4.6 4.6 4.6 4.6 8.2
Относительный объем включений (Л7)х103 0.1 3 3.0 1.9 1.8 1.2 33 32 29 28
Проводимость включения (а)х10-4, Ом-1см-1 4.6 1.1 1.5 1.5 0.69 0.54 0.48 0.53 0.61 2.5
Свободный пробег электронов во включении (Л), нм 4.9 1.4 1.1 0.95 1.3 0.64 0.57 0.63 0.72 2.1
Концентрация включений (Л)х10-18, см-3 0.26 0.34 0.50 9.8 30 42 28 18
Переходя к обсуждению механизма формирования МН циркония в СДЦ при облучении легкими ионами (ионами гелия или водорода), отметим, что на их образование могут оказывать влияние различные процессы, происходящие в облучаемых ионами слоях. В частности, распыление легкими ионами мишеней, состоящих из тяжелых элементов, является специфическим случаем. Это связано с тем, что легкие ионы, эффективно рассеиваясь уже вблизи поверхности, создают несколько каскадов столкновений и таким образом ответственны за процессы, ведущие к распылению [45]. Как следует из теории распыления многокомпонентных мишеней и соответствующих экспериментальных результатов [46], вследствие преимущественного распыления одной из компонент изменяются профили концентрации компонент мишени вблизи поверхности. Селективное удаление атомов из тонких слоев двух- или многоатомных соединений может обеспечить возможность контролируемого изменения физико-химических свойств локальных областей приповерхностных слоев твердых тел [47]. Однако следует учитывать, что ионная бомбардировка приводит не только к распылению, но и к объемным эффектам в облучаемом слое, и что большая часть энергии идет на объемные эффекты, проявляющиеся на глубинах порядка пробега ионов. При этом элементный состав и структура слоев, сквозь которые проходят падающие ионы может изменяться вследствие процессов сегрегации, при наличии которой образуются новые фазы [17].
Основная специфика механизма формирования МН циркония в СДЦ при облучении легкими ионами состоит в том, что в этом материале, как отмечалось выше, кислород имеет достаточно высокую подвижность, и это обеспечивает его выход в процессе облучения. Происходящее при
этом восстановление материала приводит вначале к заполнению электронных ловушек, а затем -а-зоны, что приводит к появлению электронной проводимости, нейтрализации положительного заряда катионов, что обеспечивает образование металлической связи и формирование нанокластеров циркония в процессе облучения без проведения дополнительного постимплантационно-го отжига [33-35]. Очевидно, что обсуждаемый механизм формирования металлических МН может оказаться важным и для ряда других оксидов, прежде всего, оксидов с высокой ионной подвижностью кислорода.
Недавно выполненные исследования по формированию МН золота в СДЦ [41] показали, что при облучении этого материала ионами золота с энергией 160 кэВ дозами до 41016 ион/см2 при малых дозах (51015) сначала формируются нановключения циркония, а при более высоких дозах - МН золота. Это означает, что обсуждаемый выше механизм формирования МН циркония в СДЦ может иметь место при облучении не только легкими, но и тяжелыми ионами. В случае тяжелых ионов дополнительным каналом может быть образование нановключений из катионов кристаллической решётки.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования электронных свойств тонкопленочных диэлектрических матриц с полупроводниковыми [6] и металлическими [7] нановключениями. В литературе имеются лишь отдельные сообщения об электронных свойствах нанометровых тонкопленочных структур на основе диоксида циркония с металлическими нанокластерами. Например, в работе [32] продемонстрирована возможность создания структур для элементов памяти на основе сло-ёв 2г02 с встроенными в них нановключениями золота.
Наличие в СДЦ металлических МН обуславливает специфические электронные свойства этого наноструктурированного материала. Впервые исследования методом комбинированной сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии электронной проводимости тонких пленок СДЦ с МН 2г, сформированных ионной имплантацией, были выполнены в работе [39] (см. также [40, 48, 49]). Полученные токовые изображения созданных структур показали наличие в пленках каналов проводимости (см. рис. 4а). Вольт-амперные характеристики перехода между зондом и проводящей подложкой из кремния, измеренные в токовых каналах, содержали пики (рис. 4б), связываемые с резонансным туннелированием электронов через МН 2г, либо ступеньки, обусловленные кулоновской блокадой туннелирования. Такие структуры могут быть использованы при создании одноэлектронных устройств. Эти результаты также свидетельствуют о формировании металлических нано-размерных включений в СДЦ и согласуются с представленными выше данными, полученными из оптических исследований.
В работе, публикуемой далее в этом выпуске, получены результаты по исследованию электрофизических свойств тонких пленок стабилизированного диоксида циркония (СДЦ) толщиной 12 нм, осажденных на подложках из кремния методом ВЧ магнетронного распыления и облученных ионами Аи со средней энергией 60 кэВ и дозой 2.51016 ион/см2.
Заключение
На примере стабилизированного диоксида циркония установлен новый механизм формирования металлических нановключений в облученных ионами оксидах, в которых кислород имеет высокую подвижность. Показано, что образование нановключений циркония при облучении ионами может происходить не только при внедрении в матрицу металлических ионов и создании, таким образом, пересыщенных растворов, но и в результате выхода кислорода из приповерхностного слоя материала в процессе ионного облучения. Впервые эффект наблюдался при облучении ионами инертных газов (Не+). Предложена микроскопическая модель механизма формирования этих включений в рассматриваемых объемных и тонкопленочных материалах, имеющих высокую подвижность ионов кислорода. Исследована модификация оптических и электронных свойств этих материалов при различных условиях ионного облучения, в том числе при приложении внешнего электрического поля.
Список литературы
1. Verhagen E., Tchebotareva A.L., Polman A. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 121121.
2. Mertens H., Polman A. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. P. 211107.
3. Trave E., Mattei G., Mazzoldi P. et al. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. P. 151121.
4. Almeida R., da Silva D. M., Kassab L. R.P. et. al // Opt. Comunication. 2008. V. 281. P. 108-112.
5. Mattei G., Mazzoldi P., Bernas H. // Topics Appl. Physics. 2010. V. 116. P. 287-316.
6. Dimitrakis P., Kapetanakis E., Tsoukalas D. et al. // Solid-State Electronics. 2004. V.48. P. 1511-1517.
7. Yang J.Y., Yoon K.S., Choi W.J. et al. // Current Appl. Phys. 2007. V. 7. P. 147-150.
8. Курмаев Э.З., Зацепин Д.А., Чолах С.О. и др.// ФТТ. 2005. Т. 47. № 4. С. 728-730.
9. Зацепин А.Ф., Кортов В.С., Курмаев Э.З. и др.// ФТТ. 2008. Т. 50. № 12. С. 2225-2229.
10. Spiga S., Fanciulli M., Ferretti N. et al. // Nucl. Instr. Meth. B. 2003. V. 200. P. 171-177.
11. Степанов А.Л. // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 3. С. 1-14.
12. Степанов А.Л., Marques C., Alves E^ др. // ЖТФ. 2006. Т. 76. № 11. С. 79-87.
13. Meldrum A., Lopez R., Magruder R.H. et al. // Topics Appl. Physics. 2010. V. 116. P. 255-285.
14. Kelly R., Lam N.Q. // Radiation Effects. 1973. V. 19. P. 39-47.
15. Naguib H.M., Kelly R. // Radiation Effects. 1975. V. 25. P. 1-12.
16. Kelly R. // Proc. of the International Conference on Ion Beam Modification of Materials. V. 3 / Eds. J. Gyu-lai, T.Lohner, E.Pasztor. Budapest, 1979. P. 1465 (имеется перевод в кн.: Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы. М.: Мир, 1980. 332 с.).
17. Шварц К.К., Экманис Ю.А. Диэлектрические материалы: радиационные процессы и радиационная стойкость. Рига: Зинатне, 1989. 187 с.
18. Анисимов С.И., Горшков О.Н., Васильев В.К. // ЖТФ. 1981. Т.51. С.628.
19. Wolf G.K. Chemical Properties of Ion Implanted Materials // In: Treatise on materials science and technology. V. 18. Ion Implantation / Ed. by J.K Hirvonen. London: Academic Press, Inc., 1980. P. 373-414.
20. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А. и др. // УФН. 2001. № 1. С. 105-117.
21. Степанов А.Л., Чичков Б.Н., Валеев В.Ф. и др. // ПЖТФ. 2008. Т. 34. № 5. С. 7-14.
22. Ряснянский А. И., Palpant B., Debrus S. и др. // ФТТ. 2009. Т. 51. № 1. С. 52-56.
23. Кузьминов Ю.С., Ломонова Е.Е., Осико В.В. Тугоплавкие материалы из холодного тигля. М.: Наука, 2004. 369 с.
24. Чеботин В.Н., Перфильев М.В. Электрохимия твердых электролитов. М.: Химия, 1978. 312 с.
25. Воронько Ю.К., Ломонова Е.Е., Осико В.В. и др. // Квантовая Электроника. 2006. Т. 36. № 7. С. 601-608.
26. Воронько Ю.К., Ломонова Е.Е., Попов А.В. и др. // Неорг. Мат. 2005. Т. 41. № 8. С. 955-959.
27. Savoini B., Ballesteros C., Santiuste J. E. et al. // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. №. 21 Р. 1339-1346.
28. Honda S., Modine F.A., Meldrum A. et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. № 5. P. 711-713.
29. Sorge K.D., Thompson J.R., Schulthess T.C. et al. // IEEE Trans. on Magnetics. 2001. V. 37. Iss. 4. Р. 2197-2199.
30. Nakajima H., Itoh K., Kaneko H., et al. // J. Phys. Chem Sol. 2007. V. 68. P. 1946-1950.
31. Saito Y., Imamura Y., Kitahara A. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B. 2003. V. 206. P. 272-276.
32. Guan W., Long S.M, Jia R. et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 062111-062113.
33. Горшков О.Н., Грачева Т.А., Касаткин А.П. и др. // Высокочистые вещества. 1995. № 2. C. 85-93.
34. Горшков О.Н., Грачева Т.А., Касаткин А.П. и др. // Поверхность. 1997. №1. С. 15-19.
35. Gorshkov O.N., Filatov D.O., Kasatkin A.P. et al. // Proc. of SPIE. Intern. Workshop on Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Ingi-neering / Ed. by Melker A.I. 1999. Vol. 3687. P. 258263.
36. Горшков О.Н., Новиков В. А., Касаткин А.П. // Неорг. мат. 1999. Т. 35. № 5. С. 604-610.
37. Горшков О.Н., Новиков В. А., Касаткин А.П. // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 14. С. 72-75.
38. Осташев А.С., Горшков О.Н., Касаткин А.П. и др. // Известия РАН. Серия физическая. 2002. Т. 66. № 9. С. 1374-1376.
39. Antonov D.A., Gorshkov O.N., Kasatkin A.P et al. // Physics of Low-Dimensional Structures. 2004. № 1/2. P. 139.
40. Антонов Д.А., Вугальтер Г.А., Горшков О.Н. и др. // Вестник ННГУ. 2007. № 3. С. 55-60.
41. Горшков О.Н., Шенина М.Е., Касаткин А.П. и др. // Вестник ННГУ. 2010. № 3. С. 37-40.
42. Рябчиков А.И. // Известия высших учебных заведений. Физика. 1994. Т. 37. № 6. С. 52-63.
43. Mie G. Beitrage zur Optik truber Medien, spezi-ell kolloidaler Metallosungen. // Annalen der Physik. 1908. Band 25. Folge 4. № 3. P. 377-445.
44. Hosono H., Kavamura K., Kameshima Y. et al. // J. Appl. Phys. 1997. V. 82. № 9. P. 4232-4235.
45. Sigmund P. // Phys. Rev. 1969. V. 184. P. 383.
46. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Выпуск 2. Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1984. 484 с.
47. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А. и др. // УФН. 2001. № 1. С. 105-117.
48. Жуковский В.Ч., Горшков О.Н., Кревчик В.Д. и др. // Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2009. № 1. С. 27-31.
49. Жуковский В.Ч., Дахновский Ю.И., Горшков О.Н. и др. // Вестник Московского Университета Серия 3. Физика. Астрономия. 2009. № 5. С. 3-8.
ON THE FORMATION OF ZIRCONIUM NANOCLUSTERS IN YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA
BY ION IRRADIATION
O.N. Gorshkov
Using yttria stabilized zirconia as an example, a new mechanism has been found of metallic nanoinclusion formation in ion-irradiated oxides with high mobility of oxygen. It is shown that the formation of zirconium nanoinclusions by ion irradiation may take place both at penetration of metallic ions into the matrix and creation in this way of oversaturated solutions, and also as a result of oxygen release from the near-surface layer in the process of ion irradiation. The effect was first observed at the irradiation by inert gas ions (He+). The data are presented on the formation of metallic nanoinclusions (Zr) in the matrix of yttria stabilized zirconia at its irradiation by H+, Zr+, and Au+ ions. A microscopic mechanism of this effect is proposed. The investigation results are also presented on optical and electronic properties of yttria stabilized zirconia layers and thin films containing metallic nanoclusters.
Keywords: yttria stabilized zirconia, thin films, RF magnetron sputtering method, ion implantation, tunnel electron microscopy, atomic force microscopy, nanosized metallic particles.
