ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Сельська Ірина Володимирівна

УДК 539.26; 666.233; 541.64; 546.23

РIСТ ТА СТРУКТУРА НЕОРГАНІЧНИХ ПОЛІМЕРНИХ

ПЛІВОК НА ОСНОВІ ВУГЛЕЦЮ ТА СЕЛЕНУ

02.00.01 – неорганічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Донецьк – 2003

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі фізики та фізичного матеріалознавства Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор

Александров Валерій Дмитрович,

Донбаська державна академія будівництва

і архітектури, завідувач кафедри фізики та фізичного

матеріалознавства, м. Макіївка

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Томашик Василь Миколайович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

провідний науковий співробітник відділу

фотоніки напівпровідникових структур, м. Київ

кандидат хімічних наук, доцент

Матвієнко Віктор Григорович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедри фізичної та органічної хімії,

м. Донецьк

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича

НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “ 19 “ лютого 2003 року о 1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.06 при Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, II учбовий корпус.

Автореферат розісланий “ 16 “ січня 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 11.052.06., к.х.н. Волкова О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження закономірностей утворення плівок та їх структури під час кристалізації у процесі конденсації з газового середовища в теперішній час є актуальною науково-технічною задачею, оскільки умови зародження та росту кристалічної фази мають вирішальне значення у формуванні мікро- і макроструктури плівок, виявляють їх якість та різноманітні фізичні, хімічні та технологічні властивості.

Інтерес у цьому плані становить клас простих речовин, які відносяться до так званих неорганічних полімерів: вуглець, алмаз, селен та інші. В теперішній час встановлено, що навіть самі прості речовини у пароподібному стані мають складну будову і практично не зустрічається газ з ізольованих атомів. В парах елементів, які відносяться до неорганічних полімерів, чітко виявляється кластерна будова. Якщо врахувати, що газоподібний вуглець утворюється з розпеченого графіту, то з урахуванням його будови та хімічних зв`язків легко припустити, що у результаті випарення вуглецю в парах будуть зустрічатися не окремі атоми, а молекулярні утворення вуглецю Сn. Пароподібний селен складається з частинок Se2 , Se4, Se6 та замкнутих кілец Se8. Природньо, що реальна структура плівок буде безпосередньо залежати від молекулярного складу парів, з яких вони утворюються.

Вельми актуальною виявляється розробка механізмів кристалізації неорганічних полімерів від самих тугоплавких (алмаз) до легкоплавких (селен) та утворення їх структури. Незважаючи на елементарний склад алмазу, до цього часу немає ясної картини формування кристалічної будови плівок при вирощуванні їх з парового середовища, оскільки ріст проходить в важко контрольованих технологічних умовах, та нема систематичних експериментальних даних з впливу різноманітних факторів на цей процес.

Реальні кристаліти в алмазних та селенових плівках (від монокристалів до сферолітів) мають блочно-мозаїчну будову. Причини утворення подібної структури недостатньо вивчені. Для вирішення багатьох питань важливі потужні сучасні методи дослідження реальної структури елементарних плівок (рентгеноструктурний аналіз, просвічуюча та дифракційна електронна мікроскопія, оптична мікроскопія).

Актуальний також процес накопичення банку експериментальних даних по зрощенню алмазних та селенових плівок у різноманітних умовах та їх структурі, котрий допоможе задавати параметри росту якісних плівок з наперед заданою структурою та властивостями. Алмаз та селен в тонкоплівочному виконанні самі по собі представляють великий інтерес для напівпровідникової техніки, мікроелектроніки, де вони знаходять застосування у вигляді тріодів, діодів, фоторезисторів та ін.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі "Фізики та фізичного матеріалознавства" Донбаської державної академії будівництва та архітектури (м. Макіївка) Міністерства освіти та науки України. Основні дослідження були виконані у межах державних науково-дослідницьких робіт: № 01890088758 "Разработать теорию электронных явлений в алмазе и на границах раздела алмаза с другими средами, а также активные элементы электроники на основе алмаза"; № 01890088757 "Исследовать механизм формирования электронных свойств алмазных материалов на стадии обработки потоком энергии высоких плотностей с целью разработки управления технологическими процессами создания первичных преобразователей систем автоматики стойких к химически агрессивным средам и радиации на основе алмаза"; № 01890088759 "Создать установку и разработать технологию получения алмазных пленок для элементной базы сложной бытовой техники"; "Фiзичнi основи створення нових алмазних матерiалiв електронної технiки i електроннi процеси в їх структурах"; проект 4.3/343 ГКНТ “Синтез алмазных кристаллических пленок как основа новых технологий обработки, покрытий, биомедицины и электроники”; № 0197U001854"Розвиток фундаментальних основ алмазної електронiки для потреб електротехнiки, електроенергетики, автоматики та мiкропроцесорної технiки"; № 0200U001380 "Вплив зовнiшніх умов на процеси у суцiльному середовищi"; № 0100U000931 “Розробка електричної моделі алмазних плівок на підставі експериментальних і теоретичних досліджень”; № 0100U000928 “Розробка електромагнітних та механічних засобів переведення розплавлених речовин в переохолоджений рідинно-кристалічний стан з метою одержання якісних виробів після затвердення”.

Мета та задачі дослідження. Мета даної дисертаційної роботи: експериментально вивчити параметри росту та структури алмазних та селенових плівок дифракційними методами та проаналізувати можливі механізми їх кристалоутворення.

Для реалізації мети роботи були поставлені наступні задачі:

·

· вивчити кінетичні параметри кристалізації плівок алмазу та селену;

· методами рентгеноструктурного аналізу, електронної та оптичної мікроскопії вивчити склад, кристалічну структуру, алмазних та селенових плівок;

· проаналізувати можливі механізми синтезу плівок та моделі зародкоутворення і росту плівок алмазу та селену.

Об`єкт дослідження. Об`єктом дослідження є полікристалічні алмазні плівки, отримані методом високотемпературної хімічної транспортної реакції (ВХТР) у системі графітовий активатор-метан-водень; плівки селену, отримані методом напилення.

Предмет дослідження. Синтез та формування структури алмазних і селенових плівок в залежності від умов їх здобуття.

Методи дослідження. Плівки алмазу отримували методом ВХТР на установці, котра дозволяла керувати параметрами синтезу: концентрацією, тиском парів та температурою підкладинки. Товщину плівок визначали методом зважування на електронних терезах ВЛКТ-500-М та за допомогою оптичної мікроскопії. Плівки селену отримували у вакуумнім посту ВУП-5М шляхом напилення. Фазовий склад, структурні характеристики (параметри гратки, міжплощинні відстані, текстуру, розмір блоків мозаїки <D>, величину мікродеформації та густину дислокацій г) в плівках алмазу визначали методами рентгенодифракції (ДРОН-4-07). Вивчення зернистої структури плівок алмазу та селену проводили оптичним методом (NEOPHOT –32, МІМ-8). Кристалографічну структуру плівок вивчали методами електронної мікроскопії (УЕМВ-100К, “Тесла”).

Наукова новизна одержаних результатів:

·

· виявлено, що у процесі синтезу алмазних плівок методом ВХТР в атмосфері С-СН4-Н2 на вольфрамовій підкладинці спочатку утворюється карбід W2C, потім карбід WC, а ріст алмазної фази проходить на карбіді WC;

· встановлено, що при синтезі алмазу на W и Si-підкладинках методом ВХТР структура плівок залежить від тиску р парів, температури підкладинки Тп, концентрації СН4 та товщини плівки d. Для цілого ряду плівок виявлено, що швидкості росту V та параметри структури (<D>,

· вперше встановлено, що при кристалізації плівок Se з пару залежність ступеню кристалічності з від температури Тп та залежність числа зародків N від часу ф за будь якої температури підкладинки Тп має вигляд S-образних кривих, а залежність швидкості зародкоутворення J та параметрів структури від Тп має вигляд тамманівської кривої;

· на підставі термохімічних розрахунків у системі С-СН4-Н2, аналізу зміни вільної енергії Гіббса ?G під час утворення зародків кристалів алмазу та селену запропоновано механізм кристалізації, заснований на тому, що молекули різноманітної конфігурації можуть бути, як “будівельним” матеріалом кристалів, так і причиною утворення дефектів у них.

Практичне значення. Здобуті у роботі нові дані по впливу параметрів синтезу на ріст та структурну досконалість алмазних та селенових плівок розвивають фізико-хімічні уявлення про механізм зародження і росту реальних кристалів. Результати експериментальних досліджень структури плівок дають можливість виявити оптимальні умови технологічного процесу для здобуття плівочного матеріалу з заданими структурою та властивостями, необхідними для рішення практичних задач фізичного матеріалознавства. Запропонована модель утворення алмазу та селену в системі пара-підкладинка важлива для теорії кристалізації плівок з парового середовища.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особистий внесок здобувача складається з:

·

· безпосередньої участі в проведені експериментальних досліджень та обговорені результатів;

· розшифрування дифрактограм та електроннограм і проведення математичної оброботки результатів експериментів;

· узагальнення та систематизації експериментальних результатів у межах задач наукового дослідження;

· оформлення роботи.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертації були подані, докладались та обговорювались на: Всесоюзной конференции по перспективам применения алмазов в электронике и электронной технике (Москва, 1991); 8-й Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков, 1992); 3-Inter. Conference on the New Diamond Science and Tech. 3-rd European Conference on Diamond, Diamond-Like and Related Coating (Germany, 1992); 2-nd Jnternational Conference on the Applications of Diamond films and Related Materials (Tokyo, 1993); V Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франкiвськ, 1995); 7-th European Conference on Diamond, Diamond-Like and Related Materials. 5-Inter. Conf. on the New Diamond Science and Tech. (France, 1996); 9-th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Nitrides and Silicon Carbide (Greece, Greta, 1998); 10-th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Natotubes, Nitrides and Silicon Carbide (Czech Republic, 1999); 12-м Международном симпозиуме “Тонкие пленки в электронике” (Харьков, 2001); VIII Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франкiвськ, 2001); 5-ом Международном симпозиуме “Алмазные пленки и пленки родственных материалов” (Харьков, 2002); Second International Workshop “Nucleation and non-linear problems in first-order phase transitions” (St. Petersburg, 2002); Х Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2002).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 8 статей у наукових журналах, 5 у збірниках матеріалів міжнародних конференцій, та 8 – тез міжнародних конференцій.

Структура та об`єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку літератури з 171 найменування. Дисертація викладена на 166 сторінках тексту, що включають 59 малюнків та 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, відображена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, приведені дані про апробацію наукових результатів, кількість публікацій та структура дисертаційної роботи.

У розділі 1 проаналізовано сучасний стан методів здобуття неорганічних полімерних плівок на підставі вуглецю та селену (хімічного синтезу алмазних плівок та осадження плівок селену з пари, вивчення їх структури та властивостей). Відмічається, що при різних параметрах осадження (температури підкладинки, тиску та концентрації парів), утворюються плівки, які відрізняються більшою різноманітністю фазового складу проміжного шару “плівка-підкладинка”, що впливає на зародкоутворення та початкову структуру плівок.

Показано, що відомі дані з утворення структури плівок розрізнені, тому що отримані засобами, що відрізняються один від одного. Практично відсутні одночасові дослідження одним методом (зокрема, методом хімічної транспортної реакції) впливу умов синтезу (тиску та складу парів, температури підкладинки) на кінетичні параметри кристалізації, текстуру та структуру плівок алмазу. Показано, що для подібних досліджень для плівок алмазу найбільш перспективним є метод високотемпературної хімічної транспортної реакції (ВХТР).

Аналіз досліджень кристалізації плівок селену показав, що (як і для алмазних плівок) морфологія, текстура, кристалографія плівок, а також їх фізичні властивості залежать від умов їх здобуття. Утворення тієї або іншої модифікації селенового конденсату пов`язано з агрегатними та структурними змінами, що проходять при випарюванні та осадженні парів на підкладинку. Але відсутні одночасові дослідження параметрів зародкоутворення при кристалізації селенових плівок та реальної структури кристалітів.

На підставі вивчення літературних джерел та проведеного критичного аналізу сформульовано мета та основні задачі роботи.

У розділі 2 описано метод високотемпературної хімічної транспортної реакції (ВХТР) в системі графітовий активатор-водень-метан у замкнутому об`ємі, який дозволив отримати кристалічні алмазні плівки на вольфрамових та кремнієвих підкладинках в різних умовах синтезу (температур підкладинок Тп=913,1013,1033,1053,1083,1068,1073,1173,1273,1373К, тисках р=5,3;10,7;21,3 и 31,9кПа та концентрації парів СН4 (2,4,6%) и Н2 (98,96,94%)). Подані схеми установки ВХТР, засоби контролю параметрів синтезу, визначення швидкості росту плівок та їх товщини.

Приведені методики рентгенодифракціонного аналізу за допомогою яких у роботі визначались: фазовий склад, міжплощинні відстані d, параметр гратки а алмазних плівок, розміри блоків мозаїки <D>, мікродеформації та густини дислокацій г. Розрахунок величин <D>, , г проводили, використовуючи стандартний метод апроксимації.

Подана номенклатура отриманих нами алмазних плівок, що різняться одна від одної за умовами їх синтезу: тисками та концентраціями парів СН4 і Н2, температурами та типами підкладинок, товщинами плівок.

Описані методика здобуття плівок селену, оптичні та електронномікроскопічні методи визначення параметрів зародкоутворення і реальної структури плівок. Напилення Se на слюдяну підкладинку проводили у вакуумному посту ВУП-5М при вакуумі ~10-5торр. Використовували Se марки В-5. Кристалізацію плівок Se здійснювали при безпосередньому напиленні на підкладинку з заданою температурою. Швидкість зародкоутворення J=dN/Sdt визначали стандартними методами оптичної та електронної мікроскопії (S- площа поверхні плівки, N- число зародків, t-час). Залежність J від температури підкладинки Тп встановлювали шляхом попередньої побудови S-образних кривих залежності N від t та підбирання оптимальних умов стаціонарності. Параметри структури (текстуру, число блоків mБ, кут б азимутального розмиття рефлексів (110) на мікроелектроннограмах) визначали методами просвічуючої дифракційної електронної мікроскопії.

Подані значення похибок вимірюваних параметрів.

У розділі 3 приведено результати рентгенодифракційних досліджень алмазних плівок, зрощених методом ВХТР на вольфрамових підкладинках.

Встановлено, що формуванню алмазної плівки з алмазними “запалювалками” та без “запалювалок” на вольфрамовій підкладинці передує утворення карбідів W2C та WC (d~0,8мкм). Попередньо утворюється карбід W2C. Після формування карбіду W2C з`являється карбід WC, а на карбіді WC зростає алмаз.

Дослідження плівок алмазу під час процесу поетапного наростання (чотири етапи по 600с кожний) без використання “запалювалок” під тиском р=10,7кПа парів та концентрації 2%СН4 показали, що в залежності від температури підкладинки структура плівок що утворилася різна. Для плівок (d~0,15мкм), отриманих при Тп=1053К, на дифрактограмі алмазний максимум від площини (111) фіксується після 1800с синтезу (мал.1,а).

а б

Мал.1. Дифрактограма алмазної плівки, отриманої при Тп=1053К: а) в початковий період росту; б) полікристалічна алмазна плівка d~8,1мкм з вільною оріентацією кристалітів.

Плівки вирощені до товщини ~8,1мкм виявляються полікристалічними (мал.1,б). При Тп=1083К після перших 600с синтезу росте алмазна плівка (d~0,26мкм) з подвійною текстурою <110>+<311>. З мал.2 видно, що ця текстура зберігається і в плівках d~7,9мкм. При Тп=1113К алмазна плівка (d~0,12мкм) утворюється після 1200с синтезу і має текстуру <110>, яка зостається незмінною у процесі подальшого синтезу (мал.3).

а б

Мал.2. Дифрактограма алмазної плівки, отриманої при Тп=1083К: а) в початковий період росту; б) полікристалічна алмазна плівка (d~7,9мкм) з подвійною текстурою <110>+<311>.

Початкова структура алмазних плівок, зрощених на алмазних “запалювалках” при р=10,7кПа, концентрації 2%СН4 та Тп=1053 і 1113К має текстуру <110>. Поетапне наростання плівки (через кожні 600с синтезу протягом 1800с) показало, що при Тп=1053К на дифрактограмі алмазні відбиття від площин (111) та (220) виявляються після 1200с синтезу. У процесі подальшого синтезу в плівках алмазу змінюється характер текстури: проявляється подвійна текстура <110>+<311>. При Тп=1113К алмазні відбиття від площин (111) та (220) виявляються після перших 600с синтезу. Текстура <110> в плівках зберігається у процесі нарощування плівок.

а б

Мал.3. Дифрактограма алмазної плівки, отриманої при Тп=1113К: а) в початковий період росту; б) полікристалічна алмазна плівка (d~7,8мкм) з текстурою <110>.

Встановлено, що для плівок (рівної товщини і отриманих в однакових умовах) залежність параметрів структури (<D>,, г) від температури підкладинки описується кривими з максимумами (мал.4) положення яких залежить від тиску та концентрації парів під час синтезу.

Результати досліджень плівок при р=10,7 і 21,3кПа та 2%СН4 показали, що з підвищенням Тп швидкість росту плівок V має вид кривих з максимумами (мал.5). Як видно з мал.5 при більшому тискові пари швидкості росту зменьшуються і крива V=f(Tп) зміщується в бік більших температур. Ці криві корелюють з кривими залежності параметрів структури плівок від Тп (мал.4).

Мал.4. Залежність параметрів структури

алмазних плівок від температури

Мал.5. Залежність швидкості росту

підкладинкики Тп при тиску пари 10,7кПа V алмазних плівок від температури

і 2%СН4: 1- розміру блоків мозаїки <D>; W підкладинки Тп для концентрації

2- величини мікродеформації ; 2%СН4 і 98%Н2 :1-при тиску парів

3- густини дислокацій г. 10,7кПа; 2- при тиску парів 21,3кПа.

У розділі 4 описані результати досліджень впливу тиску, температури підкладинки та концентрації СН4 на утворення алмазних плівок, здобутих на монокристалах (111) кремнію. На відміну від плівок, синтезованих на W підкладинках, на Si рентгенівським методом карбідів не виявлено.

Дослідження показали, що залежності швидкості росту V від тиску р мають вигляд графіків з максимумами росту Vmax при тиску пари 21,3кПа незалежно від концентрації CH4 та H2 та від температури підкладинки. В якості прикладу на мал.6 приведено залежність V=f(р) при концентрації 4% СН4.

Мал.6. Залежність швидкості росту алмазної плівки від тиску пари при 4%CH4: 1-для температури підкладинки 1073К; 2-для температури підкладинки 1173К; 3-для температури підкладинки 1273К.

Побудовано графік залежності максимальної швидкості росту Vmax (яка спостерігається при різних тисках пари під час синтезу) від температури підкладинки Тп для різного відсоткового складу СН4 і Н2 (мал.7). З цього малюнку видно, що залежність Vmax від Тп має вигляд тамманівської кривої. Ці графіки (1-3) подібні кривій J=f(Тп), здобутій X. Jiang та ін. методом MPCVD (крива 4).

Мал.7.Залежність найбільшої швидкості Vmax росту алмазної плівки від температури: 1 - при концентрації 2%СН 4+ 98%Н2; 2 - при 4%СН4 + 96%Н2; 3 - при 6%СН4 + 94%Н2; 4 - результати роботи для алмазних плівок, синтезованих X. Jiang методом MPCVD. Графік 4 показано у координатах Тп (зверху) та швидкість зародкоутворення J (праворуч).

Структурні характеристики алмазних плівок, отриманих при різних умовах синтезу, приведено в таблицях 1-3. Встановлено, що для цілого ряду плівок синтезованих на Si, залежності структурних характеристик від температури підкладинки (як і для плівок на W) описуються кривими з максимумами положення які залежать від тиску та складу пари під час синтезу. В якості прикладу на мал.8

приведено залежність <D>,, г від Тп для плівок d~10мкм, отриманих при р=21,3кПа та 2%CH4.

Мал.8.Залежність параметрів структури алмазних плівок від температури підкладинки Тп для тиску 21,3кПа та 2%СН4: 1- розміру блоків мозаїки <D>; 2- величини мікродеформації ; 3- густини дислокацій г.

Таблиця 1.

Структурні характеристики алмазних плівок, зрощених

при концентрації 2% СН4.

Тп, К p, кПа а,нм d, мкм Площинні відбиття <D>, мкм *10-3 г*1014 м-2

(111) (220) (311)

1073 10,7 0,3564 5,8 100 78 74 0,069 0,51 4,84

1073 10,7 0,3563 9,5 100 46 53 0,077 0,67 5,69

1073 21,3 0,3563 5,1 100 53 40 0,055 0,62 7,38

1073 21,3 0,3562 9,4 100 94 67 0,065 0,81 8,16

1073 31,9 0,3564 6,0 100 67 - 0,051 0,45 5,78

1073 31,9 0,3563 9,5 76 100 85 0,079 0,71 5,88

1173 10,7 0,3564 6,3 100 51 43 0,065 0,30 3,03

1173 10,7 0,3563 9,9 100 76 42 0,078 0,98 8,23

1173 21,3 0,3563 6,3 55 100 17 0,957 1,21 8,27

1173 21,3 0,3564 10,4 95 100 47 0,114 1,47 8,51

1173 31,9 0,3563 4,7 100 46 - 0,107 0,55 3,37

1173 31,9 0,3564 11,4 100 65 59 0,042 2,00 31,2

1273 10,7 0,3564 5,8 100 55 43 0,079 0,79 6,54

1273 10,7 0,3561 9,4 100 67 44 0,069 0,85 8,06

1273 21,3 0,3558 4,6 100 68 - 0,127 1,15 5,93

1273 21,3 0,3564 9,9 100 36 40 0,096 1,06 7,23

1273 31,9 0,3557 4,0 100 78 - 0,099 0,99 6,54

1273 31,9 0,3561 9,0 100 39 36 0,079 1,14 9,45

Таблиця 2.

Структурні характеристики алмазних плівок, зрощених

при концентрації 4%СН4

Тп, К р,кПа a,нм d, мкм Площинні відбиття <D>, мкм *10-3 г*1014 м-2

(111) (220) (311)

1073 5,3 0,3561 5,2 98 100 45 0,046 0,48 6,83

1073 10,7 0,3562 4,9 100 65 24 0,066 0,73 7,24

1073 21,3 0,3566 3,1 100 - - - - -

1073 31,9 0,3565 3,9 100 66 - 0,082 0,76 6,07

1173 5,3 0,3559 3,0 100 59 - 0,065 0,29 2,92

1173 10,7 0,3564 4,3 100 36 10 0,064 0,67 6,85

1173 21,3 0,3559 4,2 80 100 - 0,079 0,76 6,29

1173 31,9 0,3561 3,5 100 53 - 0,155 1,02 4,31

1273 5,3 0,3564 4,2 100 47 70 0,374 0,49 0,87

1273 10,7 0,3562 3,6 100 47 71 0,066 0,70 6,94

1273 21,3 0,3563 4,3 100 59 88 0,081 0,75 6,06

1273 31,9 0,3562 4,4 100 51 44 0,079 0,86 7,13

Таблиця 3.

Структурні характеристики алмазних плівок, зрощених

при концентрації 6%СН4

Тп, К р, кПа а, нм d, мкм Площинні відбиття <D> мкм *10-3 г*1014 м-2

(111) (220) (311)

1073 5,3 0,3565 5,5 44 100 25 0,052 0,47 5,92

1073 10,7 0,3564 6,0 100 49 26 0,043 0,69 10,52

1073 21,3 0,3565 6,7 100 39 47 0,053 0,68 8,40

1073 31,9 0,3563 5,5 100 42 41 0,064 1,02 10,43

1173 5,3 0,3561 6,2 100 82 49 0,046 1,04 14,80

1173 10,7 0,3566 5,4 100 39 33 0,070 0,79 7,39

1173 21,3 0,3562 5,4 100 46 65 0,065 0,69 6,95

1173 31,9 0,3563 5,9 100 50 57 0,067 0,75 7,33

1273 5,3 0,3562 6,9 82 100 39 0,098 1,03 6,88

1273 10,7 0,3564 6,5 100 45 27 0,074 0,89 7,87

1273 21,3 0,3561 6,8 100 58 38 0,069 0,86 8,16

1273 31,9 0,3561 6,4 100 58 40 0,049 0,81 10,82

У розділі 5 описуються результати експериментальних досліджень впливу температури підкладинки Тп на швидкість зародкоутворення J і на параметри реальної структури зародків в плівках селену при їх напиленні. Температуру

змінювали від 303 до 433К через кожні 10К. Електронномікроскопічні та оптичні дослідження показали, що в залежності від Тп утворюються два типи плівок Se: аморфна та аморфно-кристалічна з різним ступенем кристалічності з. При цьому формуються кристаліти різного розміру та з різноманітною морфологією. Підрахунок числа N кристалітів та ступеню кристалічності з від часу ф показав, що залежність N від ф та з від ф описуються S- образними кривими при будь якій температурі Тп. Для області стаціонарності побудовані залежності швидкості зародкоутворення J від Тп (мал.9). Аналогічну залежність швидкості росту від температури підкладинки ми спостерігали і під час синтезу алмазу.

Мал.9. Залежність швидкості зародкоутворення J в плівках Se: 1-від температури підкладинки при кристалізації з пари; 2- від температури відпалювання при кристалізації з аморфного середовища.

Були побудовані графіки залежності параметрів структури кристалічних зародків Se від температури (мал.10).

Видно, що залежності б, г, mБ від Т описуються кривими з максимумами. Для порівняння на цьому малюнку приведено графік залежності J від Т. Кореляція кривої J(T) з графіками б(Т), г(Т), mБ(Т) свідчить про схожість механізмів зародкоутворення та морфологізації зародків. З точки зору молекулярної будови кореляційна залежність цих графіків, мабуть, обумовлена тим, що в плівках Se “сусідствують” структурні елементи гексагональної модифікації - довгі полімерні ланцюги ·Sen· та низькомолекулярні фракції у вигляді кілець Sе8*, що не кристалізуються у гексагональну гратку і які можуть служити джерелами дефектів. Взаємна концентрація ·Sen· та Se8* залежить від температури, що й приводить до згаданих ефектів.

Мал.10. Графіки залежності швидкості зародкоутворення J (крива 1), ступеню б розмиття рефлексів (110) (2) на мікроелектроннограмах кристалічних зародків, густини дислокацій у зародку г (3), числа блоків mБ (4) від температури.

У розділі 6 розглянуті механізми кристалізації алмазних та селенових плівок і кінетичні аспекти росту плівок.

Розрахунок маси С в об`ємі усієї камери (V=0,014м3) та маси у локальному об`ємі активатор-підкладинка (V?2*10-9 м3) при різних температурах та тисках пари CH4 і H2, парціальних тисках CH4 показав, що у згаданих умовах практично неможливо здобути алмазні плівки, як що джерелом вуглецю вважати тільки CH4. Мабуть, джерелом С служить графітовий нагрівач. Вуглець може відриватися від графітового активатору у вигляді атомів С та молекул С2 і утворювати плівку на підкладинках. Синтез алмазу при високих температурах можливий шляхом ряду послідовних реакцій у середовищі С-СН4-Н2 з утворенням проміжних з`єднань: полімерізації, циклізації та поліконденсації.

Розглянуті можливі варіанти утворення вуглеводнів та розраховані змінення вільної енергії Гіббса. З розрахунків випливає, що найбільш вигідними й вірогідними “будівельними” матеріалами для плівок алмазу можуть бути СН4, С2Н2. Розглянуті можливі варіанти утворення алмазу за участю метану: СН4+Н2 >Сал+3Н2; СН4+С > Сал+СН3·+Н·; СН4+С2 > Сал+СН3·+СН·; СН4+С+Н2 > Сал+СН3·+Н2+Н·; СН4+С2+Н2 > Сал+2СН3·. Запропонована модель та схема (мал.11) утворення алмазу в наших умовах за слідуючими елементарними реакціями: з`єднення мономерів СН3; замикання ланцюжків атомів вуглецю у 6-ти члений цикл (С6- циклізація); осадження циклічних агрегатів на підкладинку. Структурні одиниці, що не вписуються в цю схему, можуть бути джерелами утворення різноманітного роду дефектів в плівці алмазу.

Проаналізовано зміну енергії Гіббса при утворенні зародка:

ДG=-ДGV+ДGA-ДGД, (1)

де ДGV,ДGA,ДGД - відповідно об`ємна, поверхносна та дефектна складові. Одержана формула та знайдені критичні розміри зародків lk. Для алмазу, синтезованого на Si при 1000К lk = 8,23?, а для Sе на слюді при 350К lk = 10,13?. Та роботи утворення зародків відповідно: для алмазу ДGк1=25,17кДж/моль, для селену ДGк1=7,95кДж/моль.

На основі експериментальних кривих (мал.5,7,9) за формулою для швидкості нуклеації з пари у вигляді V=(A/T2)exp(-B/T) були підраховані сталі А і В при кристалізації плівок алмазу та селену. Для алмазу, синтезованого на Si, значення А і В розраховані для кривих 1,2,3 (мал.7) рівняються відповідно: А1=3,52*106К2, В1=1963К; А2=8,33*106К2, В2=2511К; А3=21,9*107К2, В3=4109К. А для алмазу, здобутого на W (мал.5, крива 1), значення: А=2,12*108К2 та В=6069К. Для плівок Se, напилених на слюду (мал.9, крива 1), значення: А=1,31*107К2, В=826К. Беручи до уваги, що B=ДG /R, де R = 8,31 Дж/моль*К були розраховані енергії активації ДG: ДG1 =16,3 кДж/моль; ДG2 = 20,8 кДж/моль; ДG3 =34,1 кДж/моль; ДG =50,43кДж/моль та ДGSe =6,86кДж/моль. Ці енергії достатньо близькі до робіт утворення зародків, розрахованих за формулою (1).Така кореляція свідчить про схожість процесів при кристалізації плівок алмазу та селену.

Причинами утворення дефектів можуть бути термічні або концентраційні напруги, а також напруги, що виникають між плівкою та підкладинкою у процесі епітаксиального росту.

Мал.11. Схема утворення алмазної плівки.

ВИСНОВКИ

1. Методом високотемпературної хімічної транспортної реакції у системі активізований графіт- водень і метан з концентрацією 2,4,6% СН4 та тиском пари від 5 до 32кПа синтезовані алмазні плівки товщинами від 0,12 до 11,4мкм на вольфрамових та кремнієвих підкладинках при температурах від 1013К до 1273К, та проведені систематичні рентгеноструктурні дослідження впливу тиску, складу парів, температури підкладинки на різні стадії росту плівок та їх структуру.

2. Рентгенодифракційним методом встановлено, що формуванню алмазної плівки на вольфрамовій підкладинці передує утворення карбідів W2C та WC. Ріст алмазної фази проходить на карбіді WC. Послідовність утворення W2C ? WC? алмаз має місце при вирощуванні плівок, як на “запалювалках” так і без них.

3. Встановлено, що під час синтезу алмазу на W і Si-підкладинках методом ВХТР структура плівок залежить від тиску р парів, температури підкладинки Тп, концентрації СН4 і товщини плівки d. В плівках проявляється або текстура <111>, <110>, <311> або подвійна текстура <110>+<311>. Для цілого ряду плівок виявлено, що швидкості росту V та параметри структури (<D>,,г) в залежності від р і Тп описуються кривими, що корелюють між собою.

4. Вперше встановлено, що при кристалізації плівок Se з пари залежності ступеня кристалічності з від температури Тп та числа зародків N від часу ф при будь якій температурі підкладинки Тп мають вигляд S-образних кривих, а залежність швидкості зародкоутворення J та параметрів реальної структури від Тп має видгляд тамманівської кривої.

5. Проведено термохімічний аналіз, запропонована схема формування алмазу, розраховані робота утворення та критичні розміри зародків кристалів алмазу та селену з пари. Запропоновано механізм кристалізації згідно якому молекули різної конфігурації, що утворюються у газовому середовищі можуть визначати склад та структуру плівок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Трефилов В.И., Самсоненко Н.Д., Токий В.В., Гареев А.М., Сельская И.В. Изучение ранних стадий синтеза алмаза из углеродосодержащей плазмы при низких давлениях. // ДАН Украины, 1992. -№ 1. -C. 74-76.

2. Сельская И.В., Игнатенко П.И. Влияние условий синтеза на структурные характеристики и рост алмазных пленок, полученных на поликристаллах вольфрама. // Вісник Донецького університета. Серія А: Природничі науки, 2000. -№1. -С.72-75.

3. Александров В.Д., Сельская И.В. Влияние условий синтеза на структурные характеристики кристаллических алмазных пленок, синтезированных на монокристаллах кремния. // Поверхность, 2001. -№12. –С.38-41.

4. Сельская И.В., Игнатенко П.И. Структурные исследования алмазных пленок, полученных на поликристаллах вольфрама. // Материаловедение, 2001. -№ 7 (52).-С.41-43.

5. Александров В.Д., Сельская И.В. Рост и структура алмазных пленок, полученных методом химической транспортной реакции.// Вопросы химии и химической технологии, 2002. –№6. –С.25-28.

6. Сельська І.В., Ігнатенко П.І. Рентгенівські дослідження структурних характеристик алмазних плівок, синтезованих на (111) Si. // Вісник Донецького університету. Серія А: Природничі науки, 2002. -№1. -С.260-264.

7. Александров В.Д., Малиновская Н.Е., Сельская И.В., Александрова О.В. Образование зародышей с вакансиями и дислокациями при конденсации пара на подложки. // Вісник ДонДАБА. Серія: Композиційні матеріали для будівництва, 2000. -Вип.2 (22). -С.139-142.

8. Александров В.Д., Сельская И.В., Постников В.А. Влияние температуры, давления и концентрации метана с водородом на рост алмазных пленок, полученных методом химической транспортной реакции. // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Хімія і хімічна технологія, 2002. –Вип. 44.- С.7-14.

9. Tokiy V., Samsonenko N., Gorban S., Selskaya I., Gareyev A. New ESP-diagnostics for optimization of deposition processes of diamond films.// The Proceeding of 2-nd Inter.Conf.on the Applications of Diamond films and Related Materials.-Tokyo, 1993. -Р.761-766.

10. Александров В.Д., Фролова С.А., Сельская И.В. Исследование кинетики зародышеобразования при кристаллизации аморфных пленок селена в электронном микроскопе. // Сб. “Тонкие пленки в электронике”. Материалы 12-ого Международного симпозиума. –Харьков, 2001. -С.163-165.

11. Сельская И.В. Исследование роста алмазных пленок, полученных на поликристаллах вольфрама. // Сб. “Алмазные пленки и пленки родственных материалов”. Материалы 5-ого Международного симпозиума. -Харьков, 2002.-С.20-22.

12. Токий В.В., Самсоненко Н.Д., Горбань С.В., Сельская И.В. ЭПР- и рентгеновская диагностика в технологии получения компактов на основе природных и синтетических материалов. // Перспективы применения алмазов в электронике и электронной технике. Тезисы докладов Всесоюзной конференции –Москва, 1991. -С. 70-72.

13. Самсоненко Н.Д., Токий В.В., Гареев А.М., Тимченко В.И., Сельская И.В. Кинетика начальной стадии синтеза кристаллических алмазных пленок. // 8 Всесоюзная конференция по росту кристаллов. Расширенные тезисы. –Харьков, 1992. -С.196-197.

14. Samconenko N.D., Tokiy V.V., Gareyev A.M., Selskaya I.V. Influence of substrate temperature upon the initial stages of synthesis of diamond films. // 3-Inter. Conf.on the New Diamond Science and Tech. 3-rd European Conf. on Diamond, Diamond-Likе and Related Coating. Abstracts. –Germany, 1992. -P.8.121.

15. Самсоненко С.Н., Сельская И.В., Тимченко В.И., Носанов Н.И. Изучение электрически активных центров в алмазе методом ЭПР и рентгеновской дифракции.// V Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (Матеріали).-Івано-Франківськ, -1995. -С.108.

16. Samsonenko N.D., Nosanov N.I., Dovbnya V.A., Samsonenko C.N., Selskaya I.V. Thick-Film Technology Production Electrical Ohmic Contacts to Diamond.// 7-th European Conf. Diamond, Diamond-Like and Related Materials. 5-Inter. Conf. on the New Diamond Science and Tech. Programme. -France, -1996.-11.093.

17. Samsonenko H.D., Timchenko V.I., Samsonenko C.N., Selskaya I.V., Zhuravlev A.V., Nosanov N.I. Greation of the dislocation structure and electric active centres in diamond with laser impulse radiation.// 9-th European Conf. On Diamond, Diamond-Like Materials, Nitride and Silicon Carbide. Programme.–Greece.Gretе,-1998.

18. Samsonenko N.D., Samsonenko C.N., Selskaya I.V., Nosanov N.I. Connection electronic properties of epitaxial and polycrystall diamond fiims with their construction.// 10-th European Conf.on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Natotubes, Nitrides and Silicon Carbide. Abstract book. –Czech Republic, -1999.-Р.15.637.

19. Сельская И.В., Игнатенко П.И. Влияние условий получения алмазных пленок на подложках кремния и вольфрама. // VIII Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок. Матеріали конф.-Івано-Франкiвськ, 2001. -С. 57-58.

20. Alexandrov V.D., Selskaya I.V., Frolova S.A. An electronic and microscopic study of the nucleation kinetics at crystallization of selenium amorphous films. // Second International Workshop. Nucleation and non-linear problems in first-order phase transitions. Programme.- St. Petersburg, -2002.

21. Александров В.Д., Сельская И.В. Рост поликристаллических алмазных пленок,

синтезированных методом химической транспортной реакции. // Х Национальная конференция по росту кристаллов. Тезисы докладов. – Москва, -2002.- С.374.

Особистий внесок дисертанта у друкованих працях:

[1-6,8,9,11-19,21] – безпосередня участь в отримані алмазних плівок. Рентгенодифракційні дослідження алмазних плівок, одержаних методом ВХТР при різних параметрах синтезу (р,Т,%СН4), розшифрування дифрактограм (фазовий склад) та математична обробка результатів (визначення структури плівок, текстури, розміру блоків мозаїки, мікродеформації, густини дислокацій). Описування результатів експериментального дослідження.

[10,20]- участь в отримані плівок селену. Розшифрування електроннограм плівок селену та математична обробка результатів. Описування результатів експериментального дослідження.

[7]- проведення математичних розрахунків моделі зародку при конденсації з пари на підкладинку.

АНОТАЦIЯ

Сельська І.В. Ріст та структура неорганічних полімерних плівок на основі вуглецю та селену.- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.01 – Неорганічна хімія.- Донбаська державна академія будівництва та архітектури, Макіївка, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню закономірностей утворення плівок алмазу і селену та їх структури в процесі конденсації з газового середовища.

Методом ВХТР в атмосфері C-СН4-Н2 синтезовані алмазні плівки на W та Si підкладинках. Плівки Se з різним ступенем кристалічності отримані напиленням на слюдяну підкладинку у вакуумі ~10-5мм.рт.ст.

Рентгенодифракційним методом встановлено, що росту алмазної плівки на W підкладинці передує утворення карбідів W2C и WC. Ріст алмазної фази відбувається на карбіді WC. Встановлено вплив тиску та складу парів, температури підкладинки (з алмазними “запалювалками” та без них) на різні стадії синтезу алмазних плівок та їх структуру: кристалографію, текстуру, розмір блоків мозаїки, мікродеформацію та густину дислокацій. Виявлено закономірну залежність швидкості росту та параметрів структури від температури підкладинки для плівок алмазу, що мають вигляд кривих з максимумами незалежно від тиску, концентрації парів та типу підкладинок. Запропоновано модель та схему утворення алмазу з полівуглецевих речовин.

При кристалізації плівок Se з пару встановлено, що залежність числа зародків N від часу ф при будь якій температурі підкладинки Тп має вигляд S- образних кривих, а залежність швидкості зародкоутворення J від температури Тп має вигляд тамманівської кривої. Для