CC BY
33
Индустрия наносистем
УДК 538.9
DOI 10.1555/2409-3203-2017-0-12-230-234
СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТИ ТОНКИХ ПЛЁНОК ВИСМУТА, ЛЕГИРОВАННОГО ТЕЛЛУРОМ
Матвеев Даниил Юрьевич
к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВО Астраханский государственный университет Россия, г. Астрахань [email protected]
Аннотация: В работе проведено исследование структуры поверхности тонких пленок висмута, легированного теллуром, в диапазоне концентраций 0,005-0,15 ат.% Те, и толщин 0,3-0,4 мкм. Установлено, что увеличение степени легирования теллуром в плёнках висмута приводит к существенному уменьшению фигур роста, а также к наличию произвольной ориентации бинарных осей С2 фигур роста в плоскости пленки. Слабое влияние отжига на размеры кристаллитов плёнок висмута, легированного теллуром, указывает на их высокую временную стабильность структуры.
Ключевые слова: висмут, теллур, тонкие плёнки, фигуры роста, размер кристаллита
THE SURFACE STRUCTURE OF THIN BISMUTH FILMS DOPED WITH
TELLURIUM
Daniil Yu. Matveev
PhD, Associate Professor of General Physics Astrakhan State University Russia, the city of Astrakhan
Abstract: The surface structure of bismuth films doped with tellurium films was studied in the concentration range 0,005-0,15 at.% Te, and thickness range 0.3-0.4 p,m. It is established that an increasing degree of doping with tellurium in bismuth films leads to a significant decrease of the growth figures, and also to the presence of an arbitrary orientation of the binary axes C2 of the growth figures in the film plane. The weak influence of annealing on the crystallite size of bismuth films doped with tellurium indicates their high temporal stability of the structure.
Keywords: bismuth, tellurium, thin films, growth figures, crystallite size.
Введение
В связи с бурным развитием физики наносистем заметно возрос интерес к свойствам тонких плёнок висмута [1]. Физические свойства пленок висмута в значительной степени отличаются от физических свойств массивных кристаллов [2], что является следствием различия в их структуре, степени дефектности, механических
230
напряжений в системе пленка-подложка и проявления размерных эффектов. Одним из способов изучения закономерностей изменения свойств при переходе к тонкопленочному состоянию является исследование легированных тонких пленок. Процесс легирования позволяет управлять концентрацией носителей заряда, что в ряде случаев упрощает интерпретацию экспериментальных результатов.
Как известно, свойства тонкопленочных образцов определяются кристаллической структурой поверхности пленок. К структурным параметрам, определяющим качество пленки обычно относят размеры фигур роста и размер кристаллитов. В работах [3,4] Дилнер и Шнеле на основе модели Маядаса-Шацкеса [5] и структурных исследований изучали закономерности изменения размеров кристаллитов в зависимости от толщины пленок висмута, сильнолегированного теллуром, фиксированной концентрации. Они установили, что размер кристаллита слабо меняется с ростом толщины плёнок висмута, легированного теллуром, приближаясь к логарифмическому закону [5]. Однако, подробного исследования влияния степени легирования на структурные параметры пленок висмута, легированного теллуром, с использованием современных методик исследования проведено не было
Целью представленной работы является получение и исследование структуры поверхности пленок висмута, легированного донорной примесью теллура, а также, на основе полученных экспериментальных результатов, установление зависимости размеров фигур роста и размеров кристаллита в плоскости пленок от степени легирования.
Методика эксперимента
Исследовались пленки висмута с содержанием теллура 0,005ат.%, 0,05ат.% и 0,15 ат.%, полученные методом дискретного термического напыления в вакууме 1,5 • 105 мм.рт.ст. Были изготовлены пленки толщиной 300-400 нм. Измерение толщины исследуемых плёнок осуществлялось интерференционными методами и контролировалась методами атомно-силовой микроскопии.
Кристаллическая структура пленок, как правило, определяется технологическими режимами, при которых происходит их изготовление методом термического испарения в вакууме. К основным режимам относят глубину используемого вакуума, температуру подложки, температуру и время отжига, скорость напыления [6]. Кроме того, большое значение имеет выбор материала подложки, который, как правило, задаёт направление преимущественной ориентации кристаллографических осей в плёнке.
Демидовым в работе [7] было показано, что варьирование технологическими режимами выращивания плёнок позволяет получать пленки висмута с различной структурой: от мелкодисперсной поликристаллической до крупноблочной с совершенной субструктурой блоков.
В работе использовались режимы получения тонких плёнок висмута, дающие наилучшую кристаллическую структуру пленки. Скорость осаждения составляла примерно 5 нм/с. Температура подложки в процессе напыления 120°С. Отжиг пленок производился при температуре 240°С в течение 30 мин. Температура подложки и температура отжига стабилизированы.
Исследование кристаллической структуры полученных пленок производилось на воздухе с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver компании NT-MDT методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в полуконтактном режиме [7]. Использовались кантилеверы с резонансной частотой около 150 kHz, радиусом кривизны острия r< 10 nm и углом при его вершине р < 22°.
Структура плёнок висмута, легированного теллуром
На поверхности пленок висмута, легированного теллуром, на подложках из слюды, полученных при вышеописанных технологических режимах можно выделить 2 типа структурных неоднородностей: трехмерные выпуклые образования в виде бугорков (хиллоки) (причины появления которых до сих пор не имеют удовлетворительного объяснения) и треугольная текстура фигур роста пленки (рис. 1). Структурные неоднородности наблюдаются на всех легированных плёнках, независимо от степени легирования и их толщины. Треугольная текстура фигур роста, отражает кристаллическую структуру висмута: плоскость (111) параллельна плоскости подложки [8].
На рис. 2, 3 представлены АСМ изображения плёнок чистого висмута и висмута, легированного теллуром в количестве 0,005 ат.%, 0,05 ат.% и 0,15 ат.% толщиной 0,30,4 мкм, полученных при одних и тех же технологических режимах.
Рис.1. Типичный микрорельеф поверхности пленки Bi (0,005 ат. %Те) на слюде, толщиной 0,3-0,4 мкм, полученный АСМ. Размер скана 2x2x0,4 мкм
01 23456789 (Jin 0123456789 м™
Рис.2. АСМ-изображения поверхности пленки чистого Bi (слева)[7] и Bi (0,005 ат.% Те) (справа). Температура подложки 120 °С. Отжиг проводился при температуре 240 °С в течение 30 минут. Толщина плёнок 0,3-0,4 мкм. Размер скана: 10*10 мкм2. Стрелками на левом рисунке помечены границы кристаллитов.
nm
250 200 150
inn
[ЕЕ ЕЕ 1
о
Рис.3. АСМ-изображения поверхности пленки Bi (0,05 ат.%Те) (слева) и Bi (0,15 ат.% Те) (справа). Температура подложки 120 °С. Отжиг проводился при температуре 240 °С в течение 30 минут. Толщина плёнок 0,3-0,4 мкм. Размер скана: 10*10 мкм2.
Исследование методом АСМ структуры поверхности полученных пленок висмута, легированного теллуром, показало, что они имеют блочную структуру с ориентацией оси Сз перпендикулярно к плоскости подложки и преимущественной ориентацией тригональной плоскости (111) кристаллитов параллельно подложке.
Фигуры роста имеют противоположную ориентацию одной из вершин треугольника, что соответствует противоположным кристаллографическим ориентациям бинарной оси С2. Ориентация фигур роста одинакова в пределах одного кристаллита. Однако, при сильном легировании (рис. 3) наблюдаются участки с произвольной ориентацией бинарных осей С2 фигур роста в плоскости пленки. Это указывает на увеличение азимутальной разориентации кристаллитов при добавлении в пленку теллура (рис. 3) по сравнению с пленкой чистого висмута (рис. 2), полученной при одинаковых технологических режимах.
Анализ АСМ-изображений (рис. 2,3) показывает, что увеличение донорной примеси теллура не оказывает качественного влияния на кристаллическую структуру плёнок висмута. При увеличении концентрации донорной примеси теллура от 0,005 ат.% до 0,150 ат.% происходит лишь существенное уменьшение размеров фигур роста по сравнению с фигурами роста в пленках чистого висмута, что обусловлено влиянием атомов примеси теллура на процесс роста тонкой пленки. Уменьшение размеров фигур роста при добавлении в плёнку теллура, возможно, обусловлено уменьшением миграционной способности атомов висмута по поверхности плёнки в связи с присутствием атомов теллура.
Примесь теллура оказывает влияние и на средний размер кристаллитов в плоскости плёнки (см. рис. 2.3). При этом средний размер кристаллитов плёнок висмута, легированного теллуром, больше их толщины. По нашим оценкам в пленках висмута, легированного теллуром, он варьировался примерно от 0,6 мкм до 2,8 мкм и слабо зависел от концентрации теллура.
Заключение
Из проведенных исследований можно сделать выводы, что уменьшение размера кристаллитов в пленках висмута, легированного теллуром, полученных методом термического испарения в вакууме и подвергнутых отжигу, возможно, обусловлен ослаблением процесса рекристаллизации во время отжига при добавлении в пленку
теллура по сравнению с пленками чистого висмута. Слабое влияние отжига на размеры кристаллитов плёнок висмута, легированного теллуром, указывает на высокую временную стабильность их структуры.
Увеличение степени легирования теллуром в плёнках Bi приводит к существенному уменьшению фигур роста (рис. 2,3), обусловленного уменьшением миграционной способности атомов висмута по поверхности плёнки за счет присутствия теллура.
Список литературы:
1. Грабов В.М., Комаров В.А., Демидов Е.В. Гальваномагнитные и термоэлектрические явления в тонких плёнках висмута и сплавов висмут - сурьма. — СПб.: Изд-во РГПУ им А.И. Герцена, 2011. — 124 с.
2. Иванов Г.А., Грабов В.М. Физические свойства кристаллов типа висмута // ФТП.
-2006.
- Т. 29. - № 5/6. - С. 1040-1050.
3. Schnelle W., Dilner U. Electrical and galvanomagnetic properties of undoped and doped polycrystalline bismuth films. I. Preparation and experimental characterization // Phys. Stat. Sol. A. - 1989. - V.115. - №2. - P. 505-513.
4. Dillner U., Schnelle W. Electrical and galvanomagnetic properties of undoped and doped polycrystalline bismuth films. II. Analysis in an anisotropic one-carrier model // Phys. Stat. Sol. A. - 1989. - V.116. - №1. - P. 337-342.
5. Mayadas A.F., Shatzkes M. Electrical-resistivity model for polycrystalline films: the case of arbitrary reflection at external surfaces // Phys. Rev. B. - 1970. - V.1. №.4. - P. 13821389.
6. Rosario M.M., Y. Liu. Electrical transport studies of quench condensed Bi films at the initial stage of film growth: A structural transition and the possible formation of electron droplets // Phys. Rev. B. - 2002. - V.65. - №9. - P. 094506.
7. Грабов В.М. Демидов Е.В., Комаров В.А., Климантов М.М., Матвеев Д.Ю., Слепнев С.В., Усынин Е.В., Христич Е.Е., Константинов Е.В. Особенности структуры плёнок висмута, полученных методом термического испарения в вакууме // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. Естественные и точные науки: Научный журнал. - СПб. - 2009. -№ 95. - С. 105 -120.
8. Комаров В.А., Матвеев Д.Ю., Демидов Е.В., Крушельницкий А.Н. Гальваномагнитные свойства тонких плёнок висмута, легированного теллуром, полученных методом термического испарения в вакууме // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. -Т. 83, № 1. - С. 113-118.
