CC BY
53
УДК 535.211, 538.975, 621.793.14, 66.088
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЛАЗЕРНОГО ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЁНОК НА НИКЕЛЕВЫХ ПОДЛОЖКАХ
Евгений Владимирович Лаптев
Сибирская государственная геодезическая академия, 63010S, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, инженер кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: Genius-1188@yandex.ru
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 63010S, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, профессор кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 63010S, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Денис Вячеславович Кочкарёв
Сибирская государственная геодезическая академия, 63010S, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, инженер кафедры Физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: denlnsk@mail.ru
В статье рассмотрен процесс формирования углеродных плёнок методом лазерного пиролитического осаждения. Описана лабораторная установка по получению углеродных мо-ноатомных плёнок. Приведены технические характеристики её компонентов. Представлены результаты предварительных экспериментов по осаждению углеродных плёнок.
Ключевые слова: углеродные плёнки, пиролиз, лазерное химическое парофазное осаждение.
THE DEVELOPMENT OF THE TECHNIQUE OF LASER PYROLITIC DEPOSITION OF CARBON FILMS ON NICKEL SUBSTRATES
Evgeniy V. Laptev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., engineer Department of Nanosystems and optical technic, tel. (383)361-08-36, e-mail: Genius-1188@yandex.ru
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., professor Department of Phisic , tel. (383) 361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Dmitriy V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Head of Department of Nanosystems and optical technic , tel. (383) 361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Denis V. Kochkarev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., engineer Department of Phisic, tel. (383) 361-08-36, e-mail: denlnsk@mail.ru
In article the process of formation of carbon films by method of laser pyrolitic deposition is considered. Laser laboratory equipment of carbon monolayer films is manufacturing. Technical characteristics of its components are given. Results of preliminary experiments on deposition of carbon films are presented.
Key words: carbon films, pyrolysis, laser chemical vapor deposition.
Развития науки и техники ведёт к необходимости создания новейших приборов и устройств с уникальными характеристиками. Перспективным считается создание наноразмерных функциональных элементов, обладающих исключительными свойствами. В этом направлении разрабатываются различные технологии и устройства [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]. В данной работе представлена методика получения моноатомных углеродных плёнок, обладающих рядом уникальных свойств. Известен [16,17,19,21,22] способ получения углеродных плёнок методом химического парофазного осаждения (СУО). В работе [17] представлена методика получения алмазных плёнок методом СУО с использованием электродного СВЧ - разряда. Основной недостаток известных работ - невозможность получения моноатомных слоёв углерода заданных размеров в определённом месте. Поэтому применение методов лазерного формирования может оказаться весьма перспективным, так как позволяет локализовать процессы осаждения углеродных плёнок во времени и пространстве.
Ранее авторами [16] был выполнен ряд работ по разработке и исследованию одностадийной лазерной технологии формирования топологических рисунков из графена методом лазерного химического парофазного осаждения (LCVD).
Целью данной работы является разработка методики лазерного пиролитического осаждения углеродных плёнок [1].
Для проведения экспериментов была спроектирована лабораторная установка по получению углеродных и графеновых моноатомных плёнок [18, 20] на поверхности металлических плёнок методом LCVD, которая показана на рис. 1.
На рис.: 1 - лазерный излучатель,
2 - блок питания и охлаждения излучателя, 3 - светофильтр, 4 - вакуумная откачиваемая камера, 5 - прозрачное входное окно, 6 - подложка с металлической плёнкой, 7 - контакты к металлической плёнке на подложке,
8 - нагреватель подложки, 9 - диффузионный паромасляный насос, 10 -форвакуумный насос, 11 - баллон с углеводородным газом, 12 - регулируемый натекатель, 13 - вакуумметр, 14 -прозрачное зеркало, 15 - измеритель лазерной мощности.
Описание исследовательского стенда. В качестве излучателя был выбран импульсный неодимовый твердотельный лазер ЛТИ-501, работающий на длине волны 1064,1 нм. Основные параметры излучателя: средняя мощность излучения 8 Вт, частота импульсов (5-50) кГ ц, длительность импульсов (0,2-0,4) мкс, диаметр пучка излучения 1,5 мм, мощность излучения в импульсе до (4-8) кВт, режим работы одномодовый. Вакуумная камера установки откачивалась вакуумной системой, состоящей из диффузионного паромасляного и форвакуумного насо-
7
Рис. 1. Упрощенная схема конструкции лабораторной установки получения углеродных плёнок методом лазерного пиролитического осаждения
сов; предельный вакуум до 10-6 мм рт. ст. В установку с помощью регулируемого натекателя 12 вводился газообразный углеводород из баллона 11. В камере была установлена подложка 6 с нанесённой металлической плёнкой, подложка может нагреваться встроенным в установку нагревателем 8 до температуры порядка (100-500) °С. Проведение экспериментов. В качестве газообразного углеводорода использовался пропан С4Н8, содержащийся в баллонах. Облучаемыми образцами являются стеклянные пластинки в виде квадрата со стороной 15 мм, покрытые с одной стороны плёнкой никеля вакуумным напылением из электронно-лучевого испарителя; толщина плёнки никеля приблизительно 0,1 мкм. При экспериментах газ напускался через натекатель (см. рис. 1) в рабочий объём до атмосферного давления, облучался через прозрачное окно вакуумной камеры несфокусированным излучением неодимового лазера при длительности импульсов излучения 600 нс и частоте следования импульсов 3,6 кГц; поперечник области облучения приблизительно 1 мм. Температура поверхности никелевой плёнки в момент импульса увеличивалась, по оценкам, до значения не менее 1500 °С (никель плавится при 1455 °С, температура расплавления эвтектики никель - углерод 1318 °С). Форма лазерного импульса наблюдалась на экране цифрового осциллографа ТекЛотх, в качестве фотоприёмника использовался фотодиод ФД-256, установленный в потоке излучения позади глухого зеркала резонатора лазерного излучателя. Входное сопротивление осциллографа шунтировалось резистором с сопротивлением 20 Ом.
На поверхности никеля в области облучения при времени облучения 30 с появлялись плёночные отложения; оптические фотографии получающихся структур показаны на рис. 2. На фотографиях представлены различные участки поверхности с поперечником каждый порядка 200 мкм. Получившиеся структуры имеют осевую симметрию, с центром симметрии совпадает центр фокального пятна лазерного излучения, в котором импульсная температура поверхности наибольшая. С удалением от центра импульсная температура спадала; образующиеся цветные кольцевые зоны на поверхности соответствуют линиям равных температур поверхности подложки. На всех структурах видны мелкие капли диаметром порядка 1 мкм расплава никеля или эвтектики; центральное пятно имеет серый оттенок, соответствует области эрозии никелевой плёнки. Причины появления окраса кольцевых зон требует расшифровки и проведения дополнительных химических экспериментов по определению точного состава плёночного осаждения.
Рис. 2. Микрофотографии участков пленочного осадка По оценкам авторов, кольцевые зоны характеризуют распределение по поверхности углерода, выделившегося при пиролитическом разложении пропана;
наибольшая толщина слоя углерода во второй от центрального пятна кольцевой зоне, которая имеет чёрный цвет; цвета остальных зон интерференционные, что свидетельствует об оптических толщинах слоёв осадка порядка долей длины волны света, в котором структуры фотографировались, а также о прозрачности слоёв углерода. Последнее может свидетельствовать об углероде в алмазоподобной фазе.
Заключение. Разработан исследовательский стенд для получения моно-атомных плёнок углерода на поверхности подложки лазерно-пиролитическим разложением адсорбированного слоя молекул углеводородов. Показано, что для получения равномерных на большой площади подложки слоёв углерода при наносекундной длительности лазерных импульсов необходимо процесс вести при повышенных значениях парциального давления углеводорода.
Данная работа является частью НИР, которая выполнялась в рамках Г осудар-ственного контракта № 16.740.11.0660 при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.1 «Проведение научных исследований молодыми учёными кандидатами наук».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чесноков В.В., Резникова Е.Ф., Чесноков Д.В. Лазерные наносекундные микротехнологии: монография. - Новосибирск: СГГА, 2003. - 300 с.
2. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Райхерт В.А. Термомеханические процессы, инициированные импульсным лазерным излучением в слоистых наноструктурах // Вестник СГГА. -2010. - Вып. 1 (12). - С. 123-133.
3. Михайлова Д.С. Методика исследования спектров поглощения адсорбированных на прозрачных подложках слоев. Исследование спектра поглощения адсорбированного йода // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 2. - С. 8-9.
4. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Райхерт В.А. Термомеханические процессы, инициированные импульсным лазерным излучением в слоистых наноструктурах. Часть 1 // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля
2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 2. - С. 206-214.
5. Чесноков Д.В., Чесноков В.В. Гетерофазный процесс лазерно-пиролитического формирования тонких плёнок в условиях адсорбционного ограничения поступления реагентов // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 3-11.
6. Чесноков В.В., Никулин Д.М. Оценка влияния поверхностных сил при формировании нанометровых промежутков между поверхностями оптических устройств // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля
2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 12-18.
7. Чесноков Д.В., Чесноков В.В., Никулин Д.М., Кочкарев Д.В. Лазерная ретушь оптической неравномерности воздушных промежутков в многолучевых интерферометрах // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 113-116.
8. Михайлова Д.С. Рассеяние и поглощение света металлическими диспергированными плёнками на прозрачных подложках // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 161-165.
9. Михайлова Д.С., Чесноков Д.В., Чесноков В.В. Многолучевой трёхзеркальный интерферометр // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 166-168.
10. Лаптев Е.В., Шергин С.Л. Обзор методов формирования локализованных слоев графена // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Mеждунар. науч. конгр. : Mеждунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 87-91.
11. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шергин С.Л. Исследование процессов формирования моноатомных слоев углерода методом LCVD // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Mежду-нар. науч. конгр. : Mеждунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 92-99.
12. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., ^чкарев Д.В. Исследование влияния сил поверхностного натяжения на процессы формирования микроструктур методом LCVD // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Mеждунар. науч. конгр. : Mеждунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГТА, 2012. Т. 2. -С.100-109.
13. Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Mикромеханические устройства субпиксельного микросканирования для HK диапазона спектра // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Mеждунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 110-115.
14. ^знецов M3., ^чкарев Д.В. Экспериментальное исследование осаждения тонких пленок металлов методом наносекундного LCVD // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Mе-ждунар. науч. конгр. : Mеждунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 132-137.
15. СВЧ и HK оптические методы измерения пространственных параметров плазменной антенны реактивного типа для безопасных WiFi сетей / И.В. Mинин, О.В. Mинин, В.Н. Mосквин, M3. ^знецов. - Вестник CTTA. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 126-133.
16. Поиск путей лазерного формирования топологического рисунка из графена: Отчёт о НИР (промежут.) / Сиб. гос. геодез. акад.; рук. Шергин С.Л. ; исполн. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., ^чкарев Д.В., ^знецов M3., Лаптев Е.В. - Новосибирск, 2011. - 26 с. - ГР 012011.72850. - Инв. №
17. ^рпичников, A.A. «Химическое осаждение алмазных пленок с использованием электродного СВЧ - разряда» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bio.fizteh.ru/student/mipt_conference/conference_arhiv/conference2005/conf_programm/conf _prog_noneqsys/Kirpichnikov.pdf
18. Ролдугин, В.И. Физикохимия поверхности: Учебник-монография / В.И. Ролдугин. -Долгопрудный: Интеллект, 2008. - 568 с.
19 ^реев, В.Ю. Технологии микроэлектроники. Химическое осаждение из газовой фазы / В.Ю. ^реев, A.A. Столяров - M.: Техносфера, 2006. - 192 с.
20. Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005)
21. May P.W., Diamond thin films: a 21st-century material, - Bristol: University of Bristol, United Kingdom, Chem. Soc. Rev., 2000. - 473-495 с.
22. Ashfold, M. N. R. Thin Film Diamond by Chemical Vapour Deposition Methods / P.W. May, C.A. Rego. - Bristol: University of Bristol, United Kingdom, Chem. Soc. Rev., 1994. -21-30 с.
© Е.В. Лаптев, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, Д.В. Кочкарёв, 2013
