CC BY
26УДК 538.975: 544.023.2 К.С. Хорьков, М.Н. Герке, В.Г. Прокошев, С.М. Аракелян
ОБРАЗОВАНИЕ ТОНКИХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВАКУУМЕ
(Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых) e-mail: freeod@mail.ru, laser@vlsu.ru
Рассмотрено получение тонкопленочных углеродных покрытий методом лазерной абляции стеклоуглерода в вакууме 10'4 Торр. Показаны результаты напыления при использовании Yb:KGW лазерной системы, которая имеет следующие параметры: центральная длина волны излучения 1030 нм, частота повторения импульсов 10 кГц, длительность импульса 280 фс, энергия в импульсе 150 мкДж и диаметр сфокусированного пятна порядка 50 мкм.
Ключевые слова: лазерная абляция, ультракороткие лазерные импульсы, наноструктуры, стек-лоуглерод, алмазоподобные пленки
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время исследование проводящих материалов под действием ультракоротких импульсов лазерного излучения представляет значительный интерес с точки зрения разнообразных практических применений. Вызвано это возможностью получения наноструктур и наноразмерных пленок с уникальными свойствами [1]. Стеклоуг-лерод - изотропный, газонепроницаемый, твердый и прочный материал, сочетающий в себе свойства графита и стекла, способный выдерживать многократный быстрый нагрев с последующим быстрым охлаждением [2]. Пленочные материалы обладают рядом достоинств по сравнению с объемными. Поверхность имеет большую энергию, чем объем, и при этом стабильно сохраняет свои свойства. При этом порой затруднительно точно определить границу раздела поверхности и объема. Однако считается, что поверхностные свойства твердого тела начинают проявляться на границе раздела двух сред и кончаются на глубине материала порядка 100 нм [3]. Свойства пленочных материалов в диапазоне 0,5-100 нм также характеризуются сильной зависимостью от толщины. Поэтому поверхность можно рассматривать как некий физический объект, свойства которого определяются совокупностью физических явлений трехмерного объема, двумерной плоскости, а в некоторых случаях и одномерной составляющей. Получение углеродных пленок, в том числе и ал-мазоподобных, позволяет более подробно изучить физические основы образования пленок для их внедрения в технологические процессы.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Среди физических методов получения тонких пленок следует выделить метод осаждения
продуктов лазерной абляции мишени на подложку. Этот метод достаточно широко используется при изготовлении различных наноструктуриро-ванных материалов.
Использование фемтосекундных лазеров имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерами большей длительности. Связано это с тем, что процесс передачи энергии веществу осуществляется более эффективно, а использование в качестве мишеней углеродных материалов позволяет получить уникальные оптические и проводящие свойства [1].
Для формирования тонких пленок использовалась фемтосекундная Yb:KGW лазерная система, которая имеет следующие параметры: центральная длина волны излучения 1030 нм, частота повторения импульсов 10 кГц, длительность импульса 280 фс, энергия в импульсе 150 мкДж и диаметр сфокусированного пятна порядка 50 мкм. Геометрия эксперимента подобна схеме, представленной в работе [4]. Вакуумная камера откачивалась турбомолекулярным насосом до давления IGT4 Торр. Сфокусированное излучение направлено на мишень под углом 45° к поверхности (рис. 1).
Рис. 1. Геометрия эксперимента Fig. 1. The experiment geometry
Конструкция системы крепления мишени внутри вакуумной камеры предусматривает возможность изменения расстояния от ее поверхности до подложки, что в совокупности с изменяемой длительностью воздействия позволяет управлять толщиной напыления пленки [5]. Варьирование расстояния от мишени до подложки осуществлялось в диапазоне от 3 до 10 мм. Соответственно площадь осаждения также менялась из-за расширения испаренного вещества в вакууме при фемтосекундных лазерных импульсах. Наибольшее расстояние от мишени до подложки ограничивалось размерами подложек, что в дальнейшем может быть усовершенствовано для получения больших площадей напыления. В качестве подложек использовались кремниевые пластины.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Воздействие на мишень осуществлялось в режиме сканирования лазерным лучом ее поверхности, что позволило напылить на подложку протяженную пленку площадью около 2 см2. Данный режим интересен тем, что скорость движения лазерного пучка составляет 150 мм/с, а импульсы имеют фемтосекундную длительность, поэтому материал мишени испаряется равномерно, образуя почти непрерывный поток разлета материала в вакууме. При рассмотрении структуры полученной углеродной пленки с помощью растровой электронной микроскопии и атомно-силовой сканирующей микроскопии было выявлено, что напыление является однородным и наноструктури-рованным во всех зонах напыления (рис. 2).
5/17/2011 HV WD mag curr tilt det 1.45:45 PM 30.00 kV 15.0 mm 6000 x 91 pA 0 ' ETD
Рис. 2. РЭМ изображение осажденной углеродной пленки Fig. 2. SEM-image of deposited carbon film
Для определения толщины осажденной пленки с помощью ионного пучка был произведен ее разрез. По результатам измерения толщина пленки приблизительно равна 190 нм в центре области напыления и плавно уменьшается до нуля к краю подложки.
Определение модификации осажденной углеродной пленки осуществлялось с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. В [6] рассмотрены все возможные комбинационные спектры модификаций углерода с характерными пиками. Алмаз ф) имеет единственный характерный узкий пик на 1332 см-1. Для монокристалла графита пик проявляется на 1580 см-1, хотя он уже и не такой узкий как у алмаза. У микрокристаллического графита (pG) характерными являются два пика на 1580 см-1 и 1360 см-1. Пик на 1360 см-1 появляется вследствие нарушения дальней зоны упорядоченности, поэтому эти пики обозначаются в литературе как G и D пики. Существует такая модификация, как разупорядоченный углерод с пиками на 1500 см-1 и 1360 см-1. Этот материал назвали "подобным алмазу" из-за его относительной прозрачности и отсутствия электрической проводимости, эти свойства следуют из ограниченного диапазона размеров графитных структур и их п-связей. Спектр стеклоуглерода имеет характерные пики G и D, соответствующие 1580 см-1 и 1360 см-1.
На экспериментальных спектрах, полученных для пленок, присутствует мощный монотонно меняющийся фон, который отсутствует в спектрах комбинационного рассеяния от массивных образцов. Данное обстоятельство объясняется тем, что углеродные пленки могут люминесцировать [6]. Фотолюминесценция происходит из-за перекомбинации электронных пар яр2 в яръ связывающих аморфную матрицу. Спектр, полученный с использованием лазера на длине волны 473 нм показывает люминесценцию, достигающую максимума приблизительно в области 600 нм. При возбуждении на 632,8 нм комбинационный спектр находится ближе к вершине широкого пика люминесценции, приводя к возникновению равномерного фона.
На всех полученных спектрах углеродных пленок на длине волны возбуждения 473 нм присутствуют характерные широкие пики D 1360 см-1 и G 1580 см-1, характерные для аморфного углерода. На спектрах, зарегистрированных при возбуждении 632,8 нм, четко виден пик в области 11001200 см-1 (рис. 3).
В работе [7] показано, что такой пик дают алмазные кластеры - малые элементы структуры, имеющие кристаллическую решетку как у алмаза.
Анализируя комбинационные спектры полученных углеродных пленок, и сравнивая их с похожими в опубликованных работах, можно придти к выводу о том, что осажденные пленки являются «смешанными», так как в них присутствуют как пики, характерные для аморфного углерода ф 1360 см"1 и G 1580 см"1), так и пики в области 1000-1200 см"1, свидетельствующие о наличии алмазных кластеров. Пики в области комбинационного сдвига менее 1000 см"1 являются сигналом от кремниевой подложки.
S 14.9 о
£ 13.8 и о
а 12.7 и
£ И.6 н S
к 10.5 9.4 8.3 7.2 6.1 5
600 740 880 1020 1160 1300 1440 1580 1720 1860 2000
Сдвиг частоты, см ^
Рис. 3. Комбинационный спектр углеродного напыления
(длина волны зондирующего излучения 632,8 нм) Fig. 3. Raman spectrum of carbon sputtering (wavelength of probe radiation is 632.8 nm)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты осаждения продуктов фемтосекундной лазерной абляции представляют интерес с точки зрения исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом и образования углеродных пленок. Полученные пленки имеют толщину около 200 нм. На основании результатов спектроскопии комби-
национного рассеяния выдвинуто предположение, что наряду с аморфной фазой в напыляемой пленке присутствует фаза алмазных кластеров, что требует более детального изучения. Дальнейшие эксперименты и подбор параметров для осаждения пленок могут привести к более интенсивному росту алмазных кластеров и большей площади образованной пленки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Булгаков А.В., Булгакова Н.М., Бураков И.М. Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН. 2009. 462 с.;
Bulgakov A.V., Bulgakova N.M., Burakov I.M. Nano size materials synthesis by action of high-power energy fluxes on matter. Novosibirsk: Institute of Thermophysics RAS SB.
2009. 462 p. (in Russian).
2. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект пресс. 1997. 718 с.; Fialkov A.S. Carbon, Interlayer Compounds and Composites Based on It. M.: Aspekt Press. 1997. 718 p. (in Russian).
3. Слепцов В.В., Диесперова И.И., Бизюков А.А., Дмитриев С.Н. // Микросистемн. Техника. 2002. Ч. 1. Вып. 1. С. 16-27;
Sleptsov V.V., Diesperova I.I., Bizyukov A.A., Dmitriev S.N. // Microsistemn. Tekhnika. 2002. V. 1. N 1. P. 16-27 (in Russian).
4. Eliezer S., Eliaz N., Grossman E., Fisher D., Gouzman I., Henis Z., Pecker S., Horovitz Y., Fraenkel M., Maman S., Ezersky V., Eliezar D. // Laser and Particle Beams. 2005. V. 23. P. 15-19.
5. Gerke M.N., Khorkov K.S., Telushko O.B., Bolshakova O.N., Prokoshev V.G., Arakelian S.M. // Physics Procedia.
2010. V. 5. N 1. P. 213-219.
6. Horiba J. // Raman Application Note. P. 4.
7. Новиков В.П., Матвеев А.Т., Климович Л.Л. Актуальные проблемы физики твердого тела. Минск. 2003. C. 732-757;
Novikov V.P., Matveev A.T., Klimovich L.L. Actual problems of solid state physics. Minsk. 2003. P. 732-757 (in Russian).
