Беттік қабатын өңдеу технологиясы
КІРІСПЕ
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ КӨМІРТЕГІНІҢ ПОЛИМОРФТЫ ТҮРЛЕНДІРУЛЕРІНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ
2 АМОРФТЫ КӨМІРТЕК
3.КӨМІРТЕКТІҢ АЛМАЗТӘРІЗДІ ҚАБЫРШАҚТАРЫНЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
3.1.Электрөткізгіштігі
3.2.Аморфты көміртектің фотоөткізгіштігі
БЕТТІК ҚАБАТЫН ӨҢДЕУ ТЕХНОЛОГИЯСЫН ҚОЛДАНЫЛАТЫН ӘДІСТЕР
4. Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
4.1.Физикалық процестерге негізделінген технологиялар
4.1.1.Иондық . реактивті тозаңдату.
4.1.1.1.Магнетронды буландыру
4.1.1.2.Катодты тозаңдаттыру
4.1.2.Ионды. сәулелік әдістер
4.1.2.1.Ионды.сәулелік тозаңдаттыру
4.1.2.2.Ионды қаптау (тұндыру)
4.1.2.3.Ионды имплантация
4.2.Химиялық процестерге негізделінген технологиялар
4.2.1.Булану фазасында химиялық орналастыру (CVD)
4.2.1.1.CVD
4.2.1.2.HOMOCVD
4.2.1.3.Плазма.химиялық тұндыру әдісі (РЕCVD)
4.3.Ұшқын разряд плазмасын қолдану арқылы тұндыру
4.4.Жоғарғы жилікті разрядта ыдырауы.
4.5 .Тұрақты токтың күлгін разрядында ыдырату.
4.5.1. Катодтық күлгін разряд
4.5.2. Жақын аралықты күлгін разряд
II.ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
5.АМОРФТЫ КӨМІРТЕК ҚАБЫҚШАСЫН ОРНАЛАСТЫРУ ҚҰРЫЛҒЫСЫ.
5.2.Аморфты көміртек қабықшасының сипаттамаларын өлшеу
5.2.1. Электрлік қасиеттерін өлшейтін Ван.дер.Пау әдісі.
5.2.2. Оптикалық қасиеттерін өлшейтін спектрлік әдіс
5.2.2.1. Ұзынтолқынды аймақта (интерференция аймағы) өлшеу
6.ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕСІНДЕ АМОРФТЫ КӨМІРТЕКТІ ҚАБЫҚШАЛАРДЫ АЛУ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУ
6.1. а . С:H қабықшаларының құрылымын зерттеу
6.2 а.С:H қабықшаларының оптикалық қасиеттері
ҚОРЫТЫНДЫ
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ КӨМІРТЕГІНІҢ ПОЛИМОРФТЫ ТҮРЛЕНДІРУЛЕРІНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ
2 АМОРФТЫ КӨМІРТЕК
3.КӨМІРТЕКТІҢ АЛМАЗТӘРІЗДІ ҚАБЫРШАҚТАРЫНЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
3.1.Электрөткізгіштігі
3.2.Аморфты көміртектің фотоөткізгіштігі
БЕТТІК ҚАБАТЫН ӨҢДЕУ ТЕХНОЛОГИЯСЫН ҚОЛДАНЫЛАТЫН ӘДІСТЕР
4. Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
4.1.Физикалық процестерге негізделінген технологиялар
4.1.1.Иондық . реактивті тозаңдату.
4.1.1.1.Магнетронды буландыру
4.1.1.2.Катодты тозаңдаттыру
4.1.2.Ионды. сәулелік әдістер
4.1.2.1.Ионды.сәулелік тозаңдаттыру
4.1.2.2.Ионды қаптау (тұндыру)
4.1.2.3.Ионды имплантация
4.2.Химиялық процестерге негізделінген технологиялар
4.2.1.Булану фазасында химиялық орналастыру (CVD)
4.2.1.1.CVD
4.2.1.2.HOMOCVD
4.2.1.3.Плазма.химиялық тұндыру әдісі (РЕCVD)
4.3.Ұшқын разряд плазмасын қолдану арқылы тұндыру
4.4.Жоғарғы жилікті разрядта ыдырауы.
4.5 .Тұрақты токтың күлгін разрядында ыдырату.
4.5.1. Катодтық күлгін разряд
4.5.2. Жақын аралықты күлгін разряд
II.ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
5.АМОРФТЫ КӨМІРТЕК ҚАБЫҚШАСЫН ОРНАЛАСТЫРУ ҚҰРЫЛҒЫСЫ.
5.2.Аморфты көміртек қабықшасының сипаттамаларын өлшеу
5.2.1. Электрлік қасиеттерін өлшейтін Ван.дер.Пау әдісі.
5.2.2. Оптикалық қасиеттерін өлшейтін спектрлік әдіс
5.2.2.1. Ұзынтолқынды аймақта (интерференция аймағы) өлшеу
6.ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕСІНДЕ АМОРФТЫ КӨМІРТЕКТІ ҚАБЫҚШАЛАРДЫ АЛУ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУ
6.1. а . С:H қабықшаларының құрылымын зерттеу
6.2 а.С:H қабықшаларының оптикалық қасиеттері
ҚОРЫТЫНДЫ
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Аморфты көміртегі а-С:Н фотоэнергетикаға, жартылайөткізгіштік электроникалары және оптоэлектроникаларда қолайлы қабықша материал ретінде, сонымен қатар басқа да салаларда қолданылуына байланысты қазіргі уақытта ғылым мен техникада тереңдетіліп зерттелуде. Бұл материлға деген қызығушылық тек қана тәжірибе жүзінде жартылай өткізгіштік қасиетінде ғана емес, сонымен қатар ғылыми физикадағы мәселеде: реттелмеген қатты денелерде қолданыс тапты.
Ғалымдар бұл материалдың құрамында сутегі мен көміртегінің химиялық байланысы бар екенің анықтады. Атомдық және электрондық жүйелерімен легирленген механизмде сутегінің қызметі әлі де анықталмаған. Осыған дейін а-С:Н қабықшаларындағы құрылымдық ретсіздіктің пайда болу себебімен қоса, аморфты матрицадағы микрокристалдық және нанокристалдық енгізулердің электрондық қасиеттеріне әсері де анықталмаған.
Ғалымдар бұл материалдың құрамында сутегі мен көміртегінің химиялық байланысы бар екенің анықтады. Атомдық және электрондық жүйелерімен легирленген механизмде сутегінің қызметі әлі де анықталмаған. Осыған дейін а-С:Н қабықшаларындағы құрылымдық ретсіздіктің пайда болу себебімен қоса, аморфты матрицадағы микрокристалдық және нанокристалдық енгізулердің электрондық қасиеттеріне әсері де анықталмаған.
1. Коншина Е.А. Структурные особенности углеродных пленок, полученных в ацетиленовой плазме // ОМП. − 1987. − № 2. − С. 15−18
2. Ergun S., Donalson W. F., Smith R. W. X – Ray diffraction data for aromatic, hidroaromatic and tetrahedral structures of carbon. – Bureau of Mines., USA, Bulletin N 620, 1965, p. 1-104.
3. Бродский М. Аморфные полупроводники – М.:1982-419 с
4. Анвазова А.А. неупорядоченные полупроводники МЭИ. 301, Москва 1995-352 с
5. Аксенов И.И., Падалка В.Г., Стрельницкий В.Е. и др. Некоторые свойства алмазоподобных углеродных покрытий и возможные области их применения. – Сверхтвердые материалы, 1979, №1, с. 25-28.
6. Балаков А.В., Коншина Е.А. Осаждение углеродных пленок с алмазоподобными свойствами из ацетилен – криптоновой плазмы. – Ж. техн. Физики, 1982, т. 52, с. 810-811
7. Конверистый Ю.К., Осипов Е.А., Трофимова Е.А. Физико-химический основы создание аморфных металлических сплавов М Наука.1983
8. Джонопулоса Д., Люковски Д. Физика гидрогенизировенного аморфного кремния М. Мир, 1988, т1, -368 с, т2, -448 с
9. Баспа Хеиванга В. Аморфные и поликресталлические полупроводники М Мир, 1987, -160 с
10. Меден А., Шо М. Физика и примечание аморфных полупроводников М Мир. 1991, -670 с
11. Федосеев Д.В., Варнин В.П. К механизму образования при низких давлениях. – Ж. физ. химии, 1983, т. 57, №11, с. 2726-2730.
12. Фридше Х Аморфный кремний и родственные материалы М Мир, 1991, -544
13. ЛЯМИЧЕВ И. Я., Литвак И. И., Ошепков Н.А. Приборы на аморфных
полупроводниках и их приминение М Советское радио, 1976
14. Захаров В.П.,Герасименко В.С., Структурные особенности полупроводников в аморфном СОСТОЯНИЯ Наука Думка Киев 1976
15. Ракова А.В. Спектрофотометрия тонкопленочных полупроводниковсых труктур. М. «Советское радио», 1975, с. 74-82
16. Скрышевский А. Ф. Струкурные анализы жидкостей и аморфных тел МВШ. 1980
17. Минаев В. С. Стеклообразные полупроводиковые сплавы М
18. Металлургия 1991кловски
19. Б.И.,Эфрос А. Л. Электронные свойства легированных полупроводников М Наука 197
20. Сарсембннов Ш. Ш. Приходько О. Ю., Максимова С.Я. Физические основы модификации электронных свойств некристаллическихполупроводников Алматы, 2005, -341 с
21. Хамакава Й. Аморфные полупроводники и приборы на ихоснове. – Москва, Металлургия, 1986, стр. 171 – 184
22. Holland L., Ojha S.M. Deposition of hard and insulating carbonaceous films on an R.F. target in a butan plasma. – Thin Solid Films, 1976, v.38, N1, p.1719.
23. Дерягин Б. В., Спицын Б. В., Буйлов Л. Л. и др. Синтез алмаза на неалмазных подложках. – Докл. АН СССР, 1976, т. 231, №2, с. 333-335.
24. Spitsyn B.V.Bouilov L.I., Deryaguin B. V. Vapor growth of diamond on diamond and other surface. – J. Cryst. Growth, 1981, v. 52, N1, p. 219-226.
25. Matsumoto S., Matsui Y. Flectron microscopic observation of diamond particles growth from the vapor phase. – J. Material Sci., 1983, v. 18, N9, p.1785-1793.
26. Голянов В. Н., Евсин Л. Е., Михеева М. М. Получение, сверхпроводящие свойства и структура пленок технеция. – Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 18, вып. 9, с. 569-572.
27. Aisenberg S., Shabot R. Ion-beam deposition of diamondlike carbon films. – J. Appl. Phys., 1971,v. 42, N7, p. 2953-2958.
28. Aisenberg S., Shabot R. Physics of ion plating and ion beam deposition. – J. Vac. Sci.Techn. 1973, v. 10, p. 104-107.
29. Бакай А. С., Стрельницкий В. Е. Структурные и физические свойства углеродных конденсатов, полученных осаждением потоков быстрых частиц. Обзор. Инф. М., ЦНИИ Атоминформ, 1984, 87 с.
30. Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах. – Успехи химии, 1939, вып. 8, №10, с. 1519-1534.
31. Berman r., Simon F. On the graphite – diamond equilibrium. – Z. Elektrochem, 1955, v. 59, N2, p. 333-338.
32. Курдюмов А. В., Пилянкевич А. Н. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора. Киев, Наукова думка, 1979, 188 с
33. Федосеев Д. В., Новиков Н. В., Бишневский А. С. и др. Алмаз. Справочник. Киев, Наукова думка, 1981, 78 с.
34. Lipson N., Stokes A. The structure of graphite. – Proc. Roy. Soc. F., 1942, v. 181, N 484, p. 101-105.
35. Коршак В. В., Кудрявцев Ю. П., Сладков А. М. Карбин – новая аллотропная форма углерода. – Вестник АН СССР, №1, с. 70-78.
36. Касаточкин В. И., Коршак В. В., Кудрявцев Ю. П. И др. О полиморфизме карбина. – Докл. АН СССР, 1974, т. 214, №3, с. 587-590.
37. Whittaker A. I. Carbon: A new view of its high temperature behaviour. – Scince, 1978, v. 200, N 4343, p. 763-764.
38. Goresy A., Donney G. A new allotropic form of carbon from Ries crater. – Science, 1968, v. 161, N 3839, p. 363-366.
39. Нагорный В. Г., Котоносов А. С., Островский В. С. и др. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Мправочник. М., Металлургия, 1975, 335 с.
40. Гусева М. Б., Бабаев В. Г., Никифорова Н. Н. И др. Анализ и обработка картин электронной дифракции аморфного углерода. – Поверхность. Физика, механика, химия, 1984, №2, с. 61-70.
41. Warren B. E. X – Ray diffraction study of carbon black. – J. Chem. Phys., 1934, v. 2, N 9, p. 551-555.
42. Бевилогуа К., Эрлер Х.Ю., Ширер Х. И др. Методы изготовления и свойства прозрачных углеродных пленок. – В кн.: Материалы V Всесоюзной конференции “Взаимодействие атомных частиц с твердым телом”. Минск, 1979, ч. 3, с. 157-162.
43. Никифорова Н.Н., Гусева М.Б., Бабаев В.Г. Изменение структуры и электрофизических свойств углерода при облучении медленными ионами. – В кн.: Материалы VI Всесоюзной конференции “Взаимодействие атомных частиц с твердым телом”. Минск, 1981, ч. 2, с. 112-114.
44. Weissmantel C., Erler M.J., Reisse G. Jon Beam Techniques for Thin and Thick film deposition. – Surf. Sci., 1979, v. 86, N2, p. 207-221.
45. Beilogua K., Dietrich D., Pagel L. e. a. Structures and properties of transporent and hard carbon films. – Surf. Sci., 1979, v. 88, N2, p. 308-313
46. Стельницкий В.Е., Падалка В.Г., Вакула С.И. Некоторые свойства алмазоподобных углеродных пленок, полученных при конденсации плазменного потока в условиях использования высокочастотного потенциала. – Ж. техн. Физики, 1978, т. 48, вып. 2, с. 377-381.
47. Аксенов И.И., Вакула С.И., Падалка В.Г. Высокоэффективный источник чистой углеродной плазмы. – Ж. техн. Физики, 1980, т. 50, вып. 9, с. 2000-2004.
48. Стрельницкий В.Е., Аксенов И.И., Вакула С.И. и др. О некоторых свойствах алмазоподобных углеродных покрытий, полученных конденсацией вещества из плазменной фазы. – Письма в Ж. техн. Физики, 1978, т. 4, вып. 22, с.1355-1358.
49. Аксенов И.И., Хороших В.М., ЦНИИ Атоминформ, 1984, 57 с.
50. Чайковский Э.Ф., Пузиков В.М., Розенберг Г.Х. и др. Влияние условий осаждения на структуру пленок углерода, полученных из пучков ионов низких энергий. – В кн.: Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума “Электронная микроскопия и электронография в исследовании образования и структуры и свойств твердых тел”. Звенигород, 1983, с. 68.
51. Whitmel D.S., Williamson R. – The deposition of hard surface layers by hydrocarbon cracting in a glow discharge. – Thin Solid Forms, 1976, v.35, N2, p.225-261.
52. Holland L., Ojha S.M. Deposition of hard and insulating carbonaceous films on an R.F. target in a butan plasma. – Thin Solid Films, 1976, v.38, N1, p.17-19.
53. Ojha S.M., Holland L. Some characteristics of hard carbonaceous films. – Thin Solid Film, 1978, v.40, N1, p.31-32.
54. Holland L., Ojha S.M. Infared transperent and amorphous carbon growh under ion impact in a butane plasma. – Thin Solid Films, 1978, v.48, N2, p.21-23
55. Holland L., Ojha S.M. The growth of carbon films with random atomic structure from ion impact damage in a hydrocarbon plasma. – Thin Solid Film, 1979, v.58, N1, p.107-116.
2. Ergun S., Donalson W. F., Smith R. W. X – Ray diffraction data for aromatic, hidroaromatic and tetrahedral structures of carbon. – Bureau of Mines., USA, Bulletin N 620, 1965, p. 1-104.
3. Бродский М. Аморфные полупроводники – М.:1982-419 с
4. Анвазова А.А. неупорядоченные полупроводники МЭИ. 301, Москва 1995-352 с
5. Аксенов И.И., Падалка В.Г., Стрельницкий В.Е. и др. Некоторые свойства алмазоподобных углеродных покрытий и возможные области их применения. – Сверхтвердые материалы, 1979, №1, с. 25-28.
6. Балаков А.В., Коншина Е.А. Осаждение углеродных пленок с алмазоподобными свойствами из ацетилен – криптоновой плазмы. – Ж. техн. Физики, 1982, т. 52, с. 810-811
7. Конверистый Ю.К., Осипов Е.А., Трофимова Е.А. Физико-химический основы создание аморфных металлических сплавов М Наука.1983
8. Джонопулоса Д., Люковски Д. Физика гидрогенизировенного аморфного кремния М. Мир, 1988, т1, -368 с, т2, -448 с
9. Баспа Хеиванга В. Аморфные и поликресталлические полупроводники М Мир, 1987, -160 с
10. Меден А., Шо М. Физика и примечание аморфных полупроводников М Мир. 1991, -670 с
11. Федосеев Д.В., Варнин В.П. К механизму образования при низких давлениях. – Ж. физ. химии, 1983, т. 57, №11, с. 2726-2730.
12. Фридше Х Аморфный кремний и родственные материалы М Мир, 1991, -544
13. ЛЯМИЧЕВ И. Я., Литвак И. И., Ошепков Н.А. Приборы на аморфных
полупроводниках и их приминение М Советское радио, 1976
14. Захаров В.П.,Герасименко В.С., Структурные особенности полупроводников в аморфном СОСТОЯНИЯ Наука Думка Киев 1976
15. Ракова А.В. Спектрофотометрия тонкопленочных полупроводниковсых труктур. М. «Советское радио», 1975, с. 74-82
16. Скрышевский А. Ф. Струкурные анализы жидкостей и аморфных тел МВШ. 1980
17. Минаев В. С. Стеклообразные полупроводиковые сплавы М
18. Металлургия 1991кловски
19. Б.И.,Эфрос А. Л. Электронные свойства легированных полупроводников М Наука 197
20. Сарсембннов Ш. Ш. Приходько О. Ю., Максимова С.Я. Физические основы модификации электронных свойств некристаллическихполупроводников Алматы, 2005, -341 с
21. Хамакава Й. Аморфные полупроводники и приборы на ихоснове. – Москва, Металлургия, 1986, стр. 171 – 184
22. Holland L., Ojha S.M. Deposition of hard and insulating carbonaceous films on an R.F. target in a butan plasma. – Thin Solid Films, 1976, v.38, N1, p.1719.
23. Дерягин Б. В., Спицын Б. В., Буйлов Л. Л. и др. Синтез алмаза на неалмазных подложках. – Докл. АН СССР, 1976, т. 231, №2, с. 333-335.
24. Spitsyn B.V.Bouilov L.I., Deryaguin B. V. Vapor growth of diamond on diamond and other surface. – J. Cryst. Growth, 1981, v. 52, N1, p. 219-226.
25. Matsumoto S., Matsui Y. Flectron microscopic observation of diamond particles growth from the vapor phase. – J. Material Sci., 1983, v. 18, N9, p.1785-1793.
26. Голянов В. Н., Евсин Л. Е., Михеева М. М. Получение, сверхпроводящие свойства и структура пленок технеция. – Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 18, вып. 9, с. 569-572.
27. Aisenberg S., Shabot R. Ion-beam deposition of diamondlike carbon films. – J. Appl. Phys., 1971,v. 42, N7, p. 2953-2958.
28. Aisenberg S., Shabot R. Physics of ion plating and ion beam deposition. – J. Vac. Sci.Techn. 1973, v. 10, p. 104-107.
29. Бакай А. С., Стрельницкий В. Е. Структурные и физические свойства углеродных конденсатов, полученных осаждением потоков быстрых частиц. Обзор. Инф. М., ЦНИИ Атоминформ, 1984, 87 с.
30. Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах. – Успехи химии, 1939, вып. 8, №10, с. 1519-1534.
31. Berman r., Simon F. On the graphite – diamond equilibrium. – Z. Elektrochem, 1955, v. 59, N2, p. 333-338.
32. Курдюмов А. В., Пилянкевич А. Н. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора. Киев, Наукова думка, 1979, 188 с
33. Федосеев Д. В., Новиков Н. В., Бишневский А. С. и др. Алмаз. Справочник. Киев, Наукова думка, 1981, 78 с.
34. Lipson N., Stokes A. The structure of graphite. – Proc. Roy. Soc. F., 1942, v. 181, N 484, p. 101-105.
35. Коршак В. В., Кудрявцев Ю. П., Сладков А. М. Карбин – новая аллотропная форма углерода. – Вестник АН СССР, №1, с. 70-78.
36. Касаточкин В. И., Коршак В. В., Кудрявцев Ю. П. И др. О полиморфизме карбина. – Докл. АН СССР, 1974, т. 214, №3, с. 587-590.
37. Whittaker A. I. Carbon: A new view of its high temperature behaviour. – Scince, 1978, v. 200, N 4343, p. 763-764.
38. Goresy A., Donney G. A new allotropic form of carbon from Ries crater. – Science, 1968, v. 161, N 3839, p. 363-366.
39. Нагорный В. Г., Котоносов А. С., Островский В. С. и др. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Мправочник. М., Металлургия, 1975, 335 с.
40. Гусева М. Б., Бабаев В. Г., Никифорова Н. Н. И др. Анализ и обработка картин электронной дифракции аморфного углерода. – Поверхность. Физика, механика, химия, 1984, №2, с. 61-70.
41. Warren B. E. X – Ray diffraction study of carbon black. – J. Chem. Phys., 1934, v. 2, N 9, p. 551-555.
42. Бевилогуа К., Эрлер Х.Ю., Ширер Х. И др. Методы изготовления и свойства прозрачных углеродных пленок. – В кн.: Материалы V Всесоюзной конференции “Взаимодействие атомных частиц с твердым телом”. Минск, 1979, ч. 3, с. 157-162.
43. Никифорова Н.Н., Гусева М.Б., Бабаев В.Г. Изменение структуры и электрофизических свойств углерода при облучении медленными ионами. – В кн.: Материалы VI Всесоюзной конференции “Взаимодействие атомных частиц с твердым телом”. Минск, 1981, ч. 2, с. 112-114.
44. Weissmantel C., Erler M.J., Reisse G. Jon Beam Techniques for Thin and Thick film deposition. – Surf. Sci., 1979, v. 86, N2, p. 207-221.
45. Beilogua K., Dietrich D., Pagel L. e. a. Structures and properties of transporent and hard carbon films. – Surf. Sci., 1979, v. 88, N2, p. 308-313
46. Стельницкий В.Е., Падалка В.Г., Вакула С.И. Некоторые свойства алмазоподобных углеродных пленок, полученных при конденсации плазменного потока в условиях использования высокочастотного потенциала. – Ж. техн. Физики, 1978, т. 48, вып. 2, с. 377-381.
47. Аксенов И.И., Вакула С.И., Падалка В.Г. Высокоэффективный источник чистой углеродной плазмы. – Ж. техн. Физики, 1980, т. 50, вып. 9, с. 2000-2004.
48. Стрельницкий В.Е., Аксенов И.И., Вакула С.И. и др. О некоторых свойствах алмазоподобных углеродных покрытий, полученных конденсацией вещества из плазменной фазы. – Письма в Ж. техн. Физики, 1978, т. 4, вып. 22, с.1355-1358.
49. Аксенов И.И., Хороших В.М., ЦНИИ Атоминформ, 1984, 57 с.
50. Чайковский Э.Ф., Пузиков В.М., Розенберг Г.Х. и др. Влияние условий осаждения на структуру пленок углерода, полученных из пучков ионов низких энергий. – В кн.: Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума “Электронная микроскопия и электронография в исследовании образования и структуры и свойств твердых тел”. Звенигород, 1983, с. 68.
51. Whitmel D.S., Williamson R. – The deposition of hard surface layers by hydrocarbon cracting in a glow discharge. – Thin Solid Forms, 1976, v.35, N2, p.225-261.
52. Holland L., Ojha S.M. Deposition of hard and insulating carbonaceous films on an R.F. target in a butan plasma. – Thin Solid Films, 1976, v.38, N1, p.17-19.
53. Ojha S.M., Holland L. Some characteristics of hard carbonaceous films. – Thin Solid Film, 1978, v.40, N1, p.31-32.
54. Holland L., Ojha S.M. Infared transperent and amorphous carbon growh under ion impact in a butane plasma. – Thin Solid Films, 1978, v.48, N2, p.21-23
55. Holland L., Ojha S.M. The growth of carbon films with random atomic structure from ion impact damage in a hydrocarbon plasma. – Thin Solid Film, 1979, v.58, N1, p.107-116.
КІРІСПЕ
Аморфты көміртегі а-С:Н фотоэнергетикаға, жартылайөткізгіштік электроникалары және оптоэлектроникаларда қолайлы қабықша материал ретінде, сонымен қатар басқа да салаларда қолданылуына байланысты қазіргі уақытта ғылым мен техникада тереңдетіліп зерттелуде. Бұл материлға деген қызығушылық тек қана тәжірибе жүзінде жартылай өткізгіштік қасиетінде ғана емес, сонымен қатар ғылыми физикадағы мәселеде: реттелмеген қатты денелерде қолданыс тапты.
Ғалымдар бұл материалдың құрамында сутегі мен көміртегінің химиялық байланысы бар екенің анықтады. Атомдық және электрондық жүйелерімен легирленген механизмде сутегінің қызметі әлі де анықталмаған. Осыған дейін а-С:Н қабықшаларындағы құрылымдық ретсіздіктің пайда болу себебімен қоса, аморфты матрицадағы микрокристалдық және нанокристалдық енгізулердің электрондық қасиеттеріне әсері де анықталмаған.
Аморфты көміртегі а-С:Н легирленетін жоғары фотоөткізгіш көрінетін жарықта жұтқыштық және өткізгіштік қабілеті сияқты физикалық қасиеттерге ие жартылай өткізгіш материал, аспап жасау саласында кеңінен қолданылады. Соңғы жылдары жаңа конструкциялы құрылғылар жасауға бағытталған интенсивті зерттеулер мен аспап құрастырулар жүргізілуде. Қолданудың тағы бір бағыты басқа материалдармен салыстырғанда негізі а-С:Н болатын арзан фотоқұрылымдарды жасау болып табылады.
а-С:Н негізінде жасалған фотоқұрылымдардың ерекшелігі мыналарда: қайталанғыштық сипаттамалары бар үлкен ауданды құрылғылар жасау технологиясының қарапайымдылығы және элементтердің параметрлерін басқарудағы кең мүмкіншіліктері, жеңілдігі, мехникалық әсерлерге беріктігі, жоғарғы радиоацияға шыдамдылығы және алғашқы параметрлерінің жылдам термиялық өңдеуден кейін қайта түзілуі.
Дипломдық жұмыстың мақсаты тұрақты токтың күлгін разрядында алынған аморфты көміртекті қабықшалар мен оның қоспаларының электрондық және құрылымдық қасиеттерін зерттеп, басқара білу және фотоқұрылымдар жасау.
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ
КӨМІРТЕГІНІҢ ПОЛИМОРФТЫ ТҮРЛЕНДІРУЛЕРІНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ
Көміртегінің (алмаз, графит, карбин) белгілі түрленлірулері атомдар арасындағы байланыстың құрылыу әдісіне қарай үш құрылымдық формаға бөлінеді. Тетраэдр құрылымда, оған кубтық және гексогональды алмаздар жатады, көміртгеі атомдары төрт өзара тең бір біріне 109˚28'16'' бұрышта бағытталған, валенттік электрондардың sp³-гибридизация кезінде құрылған σ- байланыстармен байланысқан. Қабаттық құрылымдарда (гексогональды және ромбоэдрлі графит) электрондардың sp²- гибритизациямен байланыс құрылады. Көміртегінің әрбір атомы бір жазықтықта 120˚ бұыршпен үш σ- байланыс құрайды. Сонымен қатар әр бір атомның буландырылмаған электрондары байланыс жасайды. Карбиндардағы тізбекті құрылымға жататын сызықты кеңістікті байланысты іске асыру кезінде әр бір атомдардың екі орбиталін жапқан кезде екі PI-байланыс орнайды. Көміртегінің аморфты және белгілі бір бөлігі кристаллдық ауыспалы формалары (ыс, кокс, шыны көміртегі және т.б.) бар, оларда аталған байланыс түрлерінің әр түрлі үйлесімділігі орындалады.
Көміртегі әр түрлі түрленідірулерінің кристаллографикалық байланысын сызба түрінде көрсетуге болады (сурет 1).
Политүрлер
Қаптау ақаулары
Қаптау ақаулары
Турбостратты
Қаптау ақаулары
Политүрлерер
Негізгі формалар
Көміртегі
ГРАФИТ
КАРБИН
Ромбоэдрлі графит
Екі өлшемді құрылымдар
Гексагональді алмаз
Кубтық алмаз
АЛМАЗ
Гексагональді
графит
Үш өлшемді құрылымдар
Сурет 1-Көміртегінің әр түрлі түрлендірулерінің кристоллографикалық байланысы
Көміртегінің әр түрлі түрлендірулерінің кристаллохимиялық сипаттамалары Кубытық және гексогональды алмаздардың құрылымының негізгі -координаттық тетраэдр. Идеалды торда тетраэдрлар дұрыс, барлық байланыстардың ұзындықтар мен бұрыштары өзара тең. Кубтық алмаздың элементар ұяшығы (сурет 2а) сегіз атомнан тұрады, гекогональды тетраэдр торда төрт атом бар (сурет 2б)
а б
Сурет 2-Кубтық (а) және Гексогональды (б) алмаздардың элементар ұяшықтары
Егер алмаздың тізбектес екі еселенген гексогональды қабаттары түріндегі ((111) жазықтықтар кубтық алмаз үшін және (001) гексогональды алмаз үшін ) торын қарастырсақ кубтық және гексогональды алмаздардың торлары қабаттардың қаптаоуымен ажыратылады.
Кесте1 - Көміртегінің әр түрлі түрлендірулерінің негізгі кристаллохимиялық графиттің илеалданған тор модельдері
Түрлендіру
Кеңістіктік топ
Z
n
a, A0
c. A0
I, A0
V,A0
P,
Tcm3
Графит I
P63mmc
3
4
2.4611
6.7076
1.4210
35.2
2.265
Графит II
R3m
3
6
2.46
10.05
1.42
52.7
2.26
АлмазI
rd3m
4
8
3.5670
-
1.5445
45.4
3.515
АлмазII
P63mmc
4
4
2.52
4.12
1.545
22.7
3.51
-карбин
-
2
18
5.08
7,80
-
175.0
1.95
-карбин
-
2
6
4.76
2.58
-
58.3
2.25
Дұрыс гексагондардан құрылған және бір бірінен қабаттар арасындағы атом аралық қысқа қашықтығынан 2,5 есе артық 1,42 Å орналасқан. Гексагональды және ромбоэдрлі графиттің торлары қабаттардың қатысты орналасуымен ажыратылады (сурет 3).
Сурет 3-Гексагональды (а) және ромбоэдрлі (б) графиттің құрылымы
Көміртегінің сызықты құрылымының кеңістіктік торлары қазіргі таңда аяғына дейін орналаспады. Карбиннің белігі алты түрлендіруінен тек екеуі ғана зерттелді: поли ионды немесе -С≡С- байланыс типі бар α-карбин және поли кумулендік немесе =С=С= байланыс типі бар β-карбин . Мәліметтерге сай α-карбиннің элементар ұяшығы С осіне параллель үш алты атомды көміртегі тізбегі болып табылады. β -карбиннің элементар ұяшығы С осіне параллель ұяшық арқылы өтетін, үш кумуленді тізбектен екі =С=С=- байланысы бар алты атомнан тұрады. Сызықты құрылым сонымен қатар карбиннің бір формасы болып табылатын чаоитта бар.
Аталған көміртегінің аллотроптық түрлендірулеріндегі атомдар арасындағы байланыстарындағы айырмашылықтар , материалдардың әр түрлі электрондық құрылымын анықтайды. Әрбір атомында төрт σ- байланысы бар алмаз рұқсат етілмеген зона аумағы 5,6 эВ болатын диэлектрик болып табылады. Графиттің электро- физикалық қасиеттері валентті зона мен өткізу зонасын 0,03-0,04 эВ жабатындарды тудыратын PI-электрондардың тәртібімен анықталады. Көміртегінің сызықты құрылымдары рұқсат етілмеген зона ені ~ 1,55 эВ болатын жартылай өткізгіштер болып табылады. Соныдақтан көміртегі материалдардың электро- физикалық қасиеттерін зерттеу құрылымдардың идентификациясы үшін қолданылады. Бұл әсіресе құрылымын орнату мүмкін емес материалдар үшін өзекті.
2 АМОРФТЫ КӨМІРТЕК
Иондақ сәулелену шартында алынған кқміртек қабыршағының құрылымы көміртектің мүмкін барлық модификациясының кристалдарында қосқандағы әртүрлі фазалық құрамның ұсақ дисперсті (аморфты) негізін көрсетеді. Осыған байланысты дәстүрлі әдістерме, сондай-ақ аморфты құрылымдарды шифрлеу үшін қолданылатын әдістермен алынған көміртектің аморфты қабыршағынының жақын реттіліктің түрлерін қарастыру да орынды. Мұндай материалдардың электронды- және рентгенограммадағы дифференциалдық сызықтары соншалықты бұзылған, олардың бұрыштық аумақтары графит, сондай-ақ алмаздың бірнеше сызықтары бар интервалдарды қамтиды. Сондықтан мұндай құрылымдарды дәстүрлі иондармен шифрлеу - қиын тапсырма. Белгілі өлшемде оны шешетін әдістердің ішінен атомдарырының тығыздығының таралуының радиальді функциясы [20] - ТРФ - деп қысқартылған әдісін; байланыстың әр түрлі сипатты фрагментте атомдары саны шектелген және интенсивті I(s) шашырау қисығының одан арғы есептеулері бар кеңістікті конфигурациясының алуандығы және экспериментті есептелген қисықтарын салыстыру бар құрылымдардың фрагменттерін модельдеу әдісін атап өтуге болады. Ең соңғысын және көміртекті материалдардың аморфты құрылымын шифрлеу үшін Эрган [21] ұсынған.
Күйе, көмір, кокс және т.б. сияқтыграфит тәрізді материалдарды зерттеу үшін ТРФ әдісін қолдану олардың құрылымының екі өлшемді сипатын орнатуға септігін тигізді[20]. Мұндай құрылымдар параллель, эквивавлентті пакеттерден графиттің өзара бағытталған, бірақ кристаллографиялық өзара байланыспаған жеке хаостық графиттерден тұра алады[22]. Екі өлшемді реттелгенкристаллит тәрізді болып келген поликристалдың құрылымын турбостратты деп аталған [23]. Турбостратты пакеттегі элементарлы атомдық қабаттың құрылымы графитті қабаттың құрылымынан едәуір ерекшеленуі мүмкін [24]. Пакеттегі қабаттар арасындағы қашықтық өзінің орташа мәніне (3,440 А) қатысты кейбір таралумен сипатталынады[25]. Жазықтықтағы атомдардың қозғалу нәтижесінде қабаттардың өздері бұрмаланады[25]. Орташа қозғалу (жылжу) айтарлықтай үлкен және 0,14-0,17 А құрайды. Автордың ойы бойынша ұқсас жылжуларды [24] егер турбостратты құрылымдағы көміртек атомдары sp2-гибризидациядан басқа валенттік күйде деп жорамалдасақ түсіндіруге болады.
Көміртекті материалдардағы турбостратты құрылымның пайда болуы және дамуы графиттенудің кристаллизация алдындағы стадиясы үшін тән [26]. Графитизация кезеңдері 2300 К температурада басталады. Бұл кезеңдерде көміртекті торлардың азимутты бағытталуы және олардың турбостратты құрылым пакеттеріне жылжуы өтеді.
Басында әдістің көмегімен ТРФ түзіледі, одан соң басқа әдістермен кейбір аморфты көміртекті материалдардағы байланыстың тетраэдрлік түрін байқаған. Сонымен, жұмыста [27] көміртекті вакуумде тозаңдатумен алынған пакеттерде алмаз бен графит (сәйкесінше) торларындағы байланыстардың ұзындығына тең 1,54 және 1,42 А екі қысқа атомаралық арақашықтық анықталған.
Сурет 4-Вакуумды - тозаңдатылған көміртекті қабыршақ құрылымының моделі
Сурет 4 алмазтәрізді құрылымда біріккен көміртегі атомдарының үшөлшемді изотропты пайда болуын көрсететін көміртекті қабыршақтың құрылымының мүмкін моделі көрсетілген. Бұл модель алмаз бен графиттің кеңістіктері арасындағы аралық қабыршақтың тығыздығы жоғары (2,4 гсм3) екенін көрсетеді. Жұмыстардың авторлары [28] басқа әдістермен алынған аморфты көміртекті қабыршақты алмаздың байланысты байқаағанын атап өту керек. Интенсивті шашыраудың экспериментальды қисығы бойынша ТРФ есептелінген және келесі қорытындылар жасалынған: аморфты көміртектің қабыршақтары макроқұрылымды бойынша грануланың орташа өлшемді немесе олардың саңылауларының қатынасы ~12А болатын гранульды объект болады; грануладағы атомдар орналасуының жақын реті графит құрылымындай. Бұл қорытындылар жұмыста өткізілген вакуумды - тозаңдатылған көміртек қабыршақтарының құрылымын, зерттеу нәтижелері расталынады [29]. Автордың мәліметі бойынша қабыршақтар графит тәрізді. Байланыстың аралас түрі бар ретсіз көміртекті құрылымның басқа мысалы жұмыста зертелінген. Шыныкөміртек [30] оның құрылысының моделі 5-суретте келтірілген.
Сурет 5. Шыныкөміртек құрылымының моделі
Мұнда графитті (г) және тетраэдрлік (Т) байланыс түрі бар домендер шыныкөміртекте 5-6% болатын қышқылмен өзара байланысқан.
Тетраэдрлік, мүмкін графитті байланыспен қатар карбинді байланыс түрлері, сондай-ақ графиттелмейтін көміртектерде [31] көміртекті талшықтарда [31] және басқа да ауысатын формаларда да [31, 33] бақыланады. Аталған барлық материалдар ретсіз графит тәрізді құрылымнан айтарлықтай үлкен электрөткізгіштігімен және электркедергісімен ерекшеленеді,бұл олардың құрылымында графитті емес байланыстардың болуымен түсіндіріледі. Дифракциялық суреттерді өңдеу әдісін қолданумен кіші кластерлердің интерференциялық функцияның нәтижесінің көмегімен жұмыста [19] графитті және алмазды нысананы тозаңдату әдісімен алынған аморфты көіртекті қабыршақтың құрылымы зерттелінген. Қабыршақтың құрылымы графитті, карбинді және алмазды байланыс түрлері бар когерентті шашырау аймағының (КША) бар болуымен сипатталынады. Ұқсас тәсілдермен алынған көміртекті қабыршақтың құрылымын зерттеу жұмыста молекулалық рефрактометрия әдісінің қатысуымен ТРФ әдісімен [34]. Бұл жұмыстардың авторлары біртұтас үлгілердің шегінде көміртектің аморфты қабыршағының құрылымын суреттеу мүмкін емес деген қорытындыға келді. Бұл қорытынды белгілі құрылымға (алмаз, графит) алып келуі міндетті емес кристалдық күй түрінде аморфты көміртекті материалдардың құрылымдарының алуан түрлілігі туралы ұсынысқа жаңа жол ашты [35].
Соңғы жылдары тетраэдрлік байланыс түрі ерекше көміртекті қабыршақтарды алуға мүмкіндік беретін жаңа әдістер жасауға күш салынуда. Мұндай қабыыршақтар алмазға жақын қасиеттерге ие және олар әдебиетте алмаз тәрізділер деп жиі аталады. Алмаз тәрізді қабыршақтардың құрыллымдық ерекшеліктері жеке қарастырылады.
2.Көміртегі фазалық ауысуларға термодинамикалық көзқарас
Полиморфты ауысу кезіндегі құрылымның өзгеруге күйдің термодинамикалық функциясының өзгеруі ұқсас. Полиморфты ауысу фазалық аысыдың бірінші тегіне жатады және ауысу нүктесінде энтальпия секірмелі түрде өзгеретінімен сиппаттталынады. Есептер көрсеткендей [9,10] қалыпты қысыммен кез келген температура кезіндегі алмаздың термодинамикалық потенциалы G графиттікіне қарағанда көбірек. Сондықтан графиттің алмазға қалыпты жағдайда ауысуы мүмкін емес. Бұл ауысу ΔG теріс болатын жоғары қысым кезінде мүмкін болады. Графит=алмаз ауысуының термодинамикалық шарттарын ең алғаш рет О.И.Леипунский есептеген [9]. Тәжірибе жүзінде графит=алмаздың тепе-тең сызықтарын ең алғаш рет Банди қызметкерлерімен бірге Банди балқытылған металдың қатысуында алмаз кристалдарының өсуін қатамасыз етеді. қысым мен температураның өлшеу жолымен анықтаған [36]. Көміртектің күй диаграммасының қазіргі түрін (сурет 6) Банди ұсынған [37]. Күй диаграммасында графит=алмаз тепе-теңдігінің сызығына боялған аумақ 3 тұтасады, ол арнай ыенгізілетін катализаторлар - еріткіштердің қатысуында графит=алмаз практикада өзгеру шартын іске асырумен сәйкес келеді. бұл қоспаларды қолдану тепе-теңдікке пайда болуының шарттарын жақындатуға мүмкіндік береді және соның арқасында өте үлкен кристалдар алуға мүмкіндік береді. Графиттің катализатор-еріткіштің көмегінсіз тығыз модификацияға өтуін Банди тура өту деп атаған [37]. Күй диаграммасында тура фазалық ауысудың [37] табалдырықтық қысымның температуралық интервалы мәліметтер бойынша [37], көмескі сызықтар мен 4 көрсетілген. Тепе-теңдік үстіндегі қысымның айтарлықтай өсуі тура ауысудың құрылымды-кинетикалық ерекшеліктерімен түсіндіріледі [11].
Сурет 6-Көміртектің күй диаграммасы
Көп ретті зерттеулер тепе-теңсіз сызықтан төмен қысым кезінде көміртектің тұрақты термодинамикалық модификациясы графит-алмаз гексогональды графит екенін көрсеткен.
Ромбоэдрлік график термодинамикалық тұрақтылық аумағына ие емес [38]. Көміртегі-карбиннің тізбектік құрылымынң алу бойынша соңғы нәтижелері көміртектің бұл модификациясы тепе-теңдік сызығынан төмен термодинамикалық тұрақтылық аумағына да ие екенін көрсетеді [16]. Күй диаграммасында бұл аумақ боялған [6] және мәлімет бойынша [16] 2600К = Т = 3800К, 4 Па = Р= 6*109 Па шектеулерге ие тура фазалық ауысулардың нәтижесінде айтарлықтай жоғары қысымда қабатта құрылым тетраэдрлік құрылымға ауысады, төмен температуралық аумақта гексагональды алмаз, ал жоғары температуралық аумақта-кубтық алмаз түзіледі. Кубтық және гексогоналды тетраэдрлік фазалардың пайда болуының облыстары арасындағы лездік тепературалық шекара болмайды, әдетте екі модификация бәрге түзіледі.соңғы механизмдерінің зерттелуі мен тура фазалық ауысуының кинетикасының нәтижесінде көміртегінде [11] термодинамиканың тұрақты тетраэдрлік құрылымы тек алмаз болатын көрсеткен. Метастабильді юбфазалардың - алмаздардың бөлу аумағы күй диаграммаларды боялған 60 ГПа жоғары қысым кезінде 8-аймақ көміртегінің металдық формасы жатыр. Бұл көміртектің гипотезалық модификациясы тәжірибелі түрде жұмыста алынған [39,40]. Қысымда алған соң екі экспериментте көміртегінің металдық формасы сақталынбаған.
Көміртегінің күй диаграммасынан шығатын қалыпты жағдайларда (Р0,Т0) жалғыз термодинамикалық тұрақты модификация болып гексогональды графит қалады. Дегенмен, көміртегі фазалық өзгеруінің кмнетикалық ерекшеліктерінің арқасында шынайы тұрақты болып негізгі метастабильді модификациялар қалады, олар: кубтық алмаз, карбин және басқада көміртегінің ауыспалы формалары. Метастабильді модификацияның тұрақтылығының температуралық интервалы құрылымының жетілуіне айтарлықтай тәуелді. сонымен, мысалы, алмаздың жетілген монокристалдарының графитизациясы вакуумде 2000К жобасындағы температура кезінде басталады, сол уақытта синтетикалық алмаздың кристалдары сияқты сол жағдайда 700К температурадан бастап графиттелінеді [1].
3.КӨМІРТЕКТІҢ АЛМАЗТӘРІЗДІ ҚАБЫРШАҚТАРЫНЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
3.1.Электрөткізгіштігі
Электрондық қасиеттер, электрөткізгіштікті де қосқанда, а-С:Н құрамы мен құрылымының ерекшеліктеріне тәуелді. а-С:Н электрөткізгіштігі монокристалды көміртегі электрөткізгішінен төмен, және құрылымында Н болуына байланысты. Аморфты көміртекте Н концентрациясының көбеюіне байланысты Еg өсетіндіктен, а-С:Н үшін Еа активация энергиясы Еg-ның жартысына тең. Жоғары температуралар кезіндегі электрөткізгіштік, негізінен, ол өткізу аймақ күйлері бойынша Ферми деңгейіне жақын бекітілген күйлерден термиялық қозған зарядты тасымалдаушылардың қозғалысымен түсіндіріледі. Ес шетінен жоғары өңір - валенттік өңірдің бекітілмеген күйлері бойынша зарядты тасымалдауды болжайтын а-С:Н өткізгіштігінің механизмі, uс - заряд тасымалдаушылардың макроскопиялық қозғалғыштық шамасы және аймақ шегіне жақын Nc=N(Ec)kT эффективті күй санымен суреттеледі. Бұл параметрлер минималды электрөткізгіштік өрнегіне кіргізілген:
Smin= eN(Ec) kT uс (3.1)
Ec - дан жоғары күйлер бойынша электрондардың диффузиялық қозғалысы үшін қозғалғыштық: uс=16(екТ)а2Vel,
мұндағы Vel - атомдар арасындағы заряд алмасу жиілігі, ол 5*1015 с-1 тең,
а=0,4 нм - атомдар арасындағы қашықтық.
uс=30 см[2]Вс кезіндегі Ес шегі маңайындағы N(Ес) күйінің тығыздығы N(Ес)=8*1021 см[-3]эВ болуы қажет. Температура бөлме температурасынан төмендеген кезде, өткізу өнірінің (валенттік зонаға) бекітілген күйлерден заряд тасымалдаушылардың термиялық қозу ықтималдылығы азаяды және рұқсат етілген аймақ күйлері бойынша заряд тасымалдау қармаушы ұсталған электрондардың секірмелі өткізгіштігіне ауысады. Бекітілген күйлер Еt-дан, Ес белгілі бір интервалында орналасқан. Еt-параметрі, ол құрылымның ретсіздік дәрежесіне, қоспа атомдарымен ақаулардың (қозғалмалы байланыстар) концентрациясына тәуелді, бекітілген күйлердің орналасуын сипаттайды. Бекітілген күйлер тығыздығының өсуіне байланысты секірмелі өткізгіштік механизмі орны алатын температуралық аумақта жоғарғы температураға қарай ығысады. а-С:Н жағдайындағы заряд тасымалдаушылардың, көбіне электрондардың, секірісімен түсіндірілетін ақаулар арасындағы электрөткізгіш үшін қатынас мынадай:
δ=еN(Ec-Et)u0exp(-ΔE uкТ). (3.2)
Еt және Ес арасындағы бекітілген күйлер бойынша термиялық активті секірмелі өткізгіштікке қатысатын электрондар саны өте аз болған жағдайға сәйкес келетін төмен температуралар (200 К төмен) аумағында а-С:Н-қа зарядты тасымалдау Ферми деңгейіне жақын күйлер бойынша электрондардың секіруі жолымен жүзеге асады. Бұл жағдайда Т температурасынан δ тәуелдігінің қатынасы мынадай:
Трақты То=19,4 кN(Ef) бекітілген күйлердің таралуына байланысты кең аймақтарда өзгере алады, N(Ef) - Ферми деңгейіне жақын бекітілген күйлердің тығыздығы, ph - фотондар жиілігі,
- спектрлік аймақтағы жұтылу коэффициенті.
Қазіргі таңда аморфты көміртектің электрөткізгіштігінің негізгі ерекшеліктері зерттелген.
Жоғарлатылған энергиялы көміртек иондарынан тұндырылған алмаз тәрізді көміртекті қабыршақтар морфология бойынша тегіс қабыршақ, төсеніштің қайталанушы рельефтері тұндыру процесінде тегістелуі мүмкін [41]. Кей жағдайларда беттің ақаулары көміртектің әртүрлі фазаларының кристалдарының туылуына көмектеседі [43]. Конденсаттың құрылымы мен қасиеттеріне төсеніш күйінің қандай да бір әсері байқалмаған. Алайда жұмыста [67,93] енгізудің артықшылығы бар бағытталған кристалдарына төсеніштің әсері бар екені көрсетілген. Көптеген авторлар сапалы деңгейде төсенішке көміртекті қабыршақтарының жоғарлатылған адгезиясы олардың материалдарына тәуелсіз екенін көрсетеді, әсіресе суық төсенішті қолдану кезінде. Жұмыстағы өлшеу нәтижелері бойынша [45] бөлмелік температура кезіндегі төсеніште иондық шоғырдан тұндырылған көміртекті қабыршақтарының адгезиясы 310кгсм2 жетеді.
Бөлмелік температура кезінде көміртекті қабыршақтар қышқылмен концентрацияланған органикалық еріткіш пен сілті әсеріне тұрақты болып келеді [71,93,101]. .
Жоғарыда аталған бірнеше құрылымдық зерттеулер көрсеткендей, конденсаттың алмаздық қасиеттері жақын орналасу деңгейінде атом байланысының (sp3- валенттік электронның гибридтенуі) тетраэдрлік сипатының шағылуы болып табылады. Ал нақтырақ айтатын болсақ, көміртектің алмаздық немесе алмаздық емес қасиеттері конденсаттың зоналық құрылымын қалыптастыратын валенттік электрондардың түрлі гибридтенуі бар (SP3:SP2:SP) атомдар өлшемінің қатынастарымен анықталынады. Одан басқа, зоналық құрылым (толығырақ, мысал,[90]) белгілі түрде құрылымның ақаулық деңгейіне (кеуек, үзілген байланыс, қоспа атомдарының және т.б. болуы) тәуелді. Осылайша көміртекті қабыршақ қасиеттерінің сараптамасы ионды - плазмалық технологиялық әртүрлі әдістерінде жүзеге асырылатын шарттарды принципиалды әртүрлілігінің есебімен жүргізіледі. Таблица 2-де алмаз тәрізді қабыршақтардың фактілік қасиеттері электрлік кедергімен, конденсаттың тығыздылығымен, сыну көрсеткішімен және тыйым салынған аумақтың енімен мысал келтірілген.
Кесте 2- Әртүрлі әдістермен алынған алмаз тәрізді қабыршақтардың кейбір қасиеттері
Конденсация әдісі
Тығызд-ығы, гсм3
Меншікті кедергі,
Ом см
Тыйым салынған аумақтың ені, Эв
Сыну көрсеткіші
Әдебиет-тер
Иондық-плазмалық тұндыру осаждение
Плазмада
Көмірсутекте-рдің деструкциясы
Қосымшаатқылауыбар иондықтозаңд-ату
-
2,36
3,5
-
-
4
1,7
1,9-2,0
3,5-4
-
2,2
1,55
1,91
-
1011
1011-1012
107-1012
108
1013
1010
1012
109
1010
105
-
1012
1011
-
-
-
-
-
5,5
2
-
-
-
-
12
-
-
2,2
2
2,36
-
2,3
2,4-2,8
-
-
2,7
1,8-2,0
-
1,93
2,10
-
6
101
93,122
107
69
75,76
123
118
87
71,73,74
81,82
34
89
34
71,73
Әдіспен 1 алынған (Кесте 2) көміртекті қабыршақтарының оптикалық қасиеттерін зерттеу кең диапазондағы - 0,3-10 мкм жұқа қабыршақтардың жұтылуы төмен екенін көрсетті [101,120,121]. Алайда мекшікті жұтылу аумағы боялған табиғи алмаздарға тән λ~0,5мкм кезінде пайда болады. Алмаз тәрізді қабыршақтың жұтылу шекарасы шамамен 5,5эВ болатын тыйым салынған аумақ ені ұқсайтын, λ=0,2-0,25 мкм кезінде жатады. Мұндай конденсаттар ИҚ-спектрінде алмаздың торлық екі фононды жұтылу спектріне тән λ =4,5 мкм болатын әлсіз шың тіркелген [122,123].
Плазмада көмірсутектердің бұзылуымен алынған көміртекті қабыршақтардың оптикалық қасиеттерін зерттеу мұндай қабыршақтар гидрогенеризацияланған болып табылатынын көрсетті [89,124]. Қабыршақтар 2,5-50 мкм инфрақызыл диапазонда мөлдір [118,125]. 39 атомдық мөлшерге дейінгі сутек бар қабыршақта конденсаттағы көмірсутек байланыстарының әртүрлі конфигурациясына ұқсайтын жұтылу жолақтары табылған (3-кесте) [89].
Кесте 3-а - С:Н есептелген және тәжірибелік С - Н - валенттік жұтылуы
Жолақтар нөмірі
Конфигурация
Жиілік, см-1
Бақыланатын жартылай ен,
см-1
есептелген
тәжірибелік
1
2
3а
4
5а
3с
6а
7
5с
6с
sp1CH
sp2CH
sp2CH2
sp2CH2
sp3CH3
sp3CH2
sp3CH2
sp3CH
sp3CH3
sp3CH3
3305
3050
3020
3000
2960
2950
2925
2915
2870
2855
3300
3045
-
3000
-
-
2920
2920
-
2850
44
68
-
78
-
-
-
88
-
78
Екі- және үшсутекті жолақтар - тербелістің симметриялы (с) және ассимметриялы (а) дублетті.
Алайда жұмыс авторларымен [126] 25 атомдық мөлшерге дейінгі сутек бар қабыршақтардың ИҚ-спектрінің сараптамасы негізінде С-Н-байланыстың барлығы үзілген деген қортынды жасаған. Бұл қабыршақтарда λ=3,45; 5,9; 6,3 мкм болатын жұтылудың әлсіз шыңдары бақыланған.
Гидрогенеризацияланған қабыршақтарда алудың белгілі режимі кезінде меншікті кедергісінің ( 1015Ом*см) [127] жоғары мәнін қамтамасыз ететін полимеризация өтеді.
Жүрістің температуралық тәуелділігін зерттеу алмаз тәрізді қабыршақтардың электр кедергісі олардың ақаулығының жоғары екенін дәлелдейді. Бұны реттелген құрылымға тән Т-14 болатын секірудің айнымалы ұзындығы бар секірмелі өткізгіш деп аталуы дәлелдейді [90]. Гидрогенеризацияланған қабыршақтар үшін электр кедергінің температураға мұндай тәуелділігі 500К төсеніш температурасы кезіндегі жұмыста [128]қабылданған.
Өте жоғары температура кезінде (500К) қабыршақтың графитизациясы өтеді [138] және өткізгіштік сипаты активацияланбаған болады [82,118].
Плазмадан тұндырумен алынған қабыршақтарда өткізілген ұқсас зерттеулер мұндай қабыршақтар жартылай өткізгіштікке тән температуралық тәуелділікке ие екенін көрсетті [146]. Барлық зерттеу температурасы аралығында элек,тр кедергінің термиялық коэффициенті теріс болады (сурет 7).
Сурет 7-Алмаз тәрізді көміртекті қабыршақтың электр кедергісінің температураға тәуелділігі.
(1Т) тәуелділігі иілудің әртүрлі бұрышты қамтитынаумақтарына тән. Қабыршақтың өткізгіштігінің активация энергиясының Еа есептелген мәндері 4-кесте - де келтірілген.
Кесте 4-Алмаз тәрізді қабыршақтармен алмаздың әртүрлі топтарының активация энергиясы [126]
Алмаз тәрізді қабыршақ
I-IV әртүрлі алмаздары
Температуралық интервал, К
Еа, эВ
Температуралық интервал, К
Еа, эВ
300-383
383-513
513-653
653-823
0,3-0,35
0,85+-0,1
1,25+-0,1
1,6-1,9
323-473
473-353
553-673,873
873
0,15-0,34
1,0
1,4-1,7
2-2,5
Сол авторлардың нәтижелері бойынша 653К температура кезінде қабыршақтың графитизациясы басталады, ал 513-653К аумақтарында электр кедергісінің температуралық тәуелділігінің аз гистерезисі болады [109].
Қабыршақтың микроқаттылығын анықтайтын бірыңғай әдістеменің болмауы көміртекті қабыршақтың бұл көрсеткішін салыстыруға мүмкіндік бермейді. Алайда әдебиетте бар нәтижелер плазмада көмірсутектердің бұзылуымен алынған аз қатты көміртекті қабыршақтар 500кгмм2 жететін айтарлықтай микроқаттылыққа ие болса да, қорытынды жасауға мүмкіндік береді [71,74]. Көміртекті плазмадан тұндырудан алынған қабыршақтардың үлкен микроқаттылығы табиғи алмаздың микроқаттылығынан асып түседі.
Микроқаттылықты өлшеу нәтижелері таблица 10 - да келтірілген. Автордың ойынша [100], қабыршақтың қаттылығы көміртек фазалары (алмаз, α-,β - карбин, графит)арасындағы қатынаспен анықталынады.
Кесте 5-Көміртекті үлгілердің микроқаттылық өлшемі, кммм2 [100]
Виккерсаинденторы(Р=200г)
Кнуппаинденторы(Р=200г)
Алмаздың қыры
Алмаз тәрізқді қабыршақ
Алмаздың қыры
Алмаз тәрізқді қабыршақ
13000+-15%
2400+-15%
16000+-15%
Ешқандай белгілер тіркелмеген
3.2.Аморфты көміртектің фотоөткізгіштігі
а-С:Н фотоөткізгіштік шамасы, электрөткізгіш сияқты, тыйым салынған аймақтағы бекітілген күйлер тығыздығының таралуына тәуелді және қабықшаның өсіру, және термоөңдеу шарттарына да тәуелді. а-С:Н тың бф фотоөткізгіштігі құрылымдық ақау (қозғалмалы байланыстар) концентрациясының көбеюімен төмендейтіндіктен, оны зерттеу үшін паромагниттік центрлерінің концентрациясы аз қабықшалар пайдаланылады. Фотоөткізгіштік келесі қатынаспен анықталады:
бф = е G , (3.2.1)
мұндағы - заряд тасымалдаушылардың дрейфті қозғалғыштығы,
- фотоөткізгіштің pекомбинация уақыты немесе зарядтың тепе-теңдіксіз заряд тасымалдаушылар өмір ұзақтығының pекомбинациялық уақыты.
Бірлік көлемдегі электронды - кемтікті жұптарының генерация жылдамдығы:
G = F(1-R) n , (3.2.2)
онда бф = е F (1-R) n ,
мұндағы F(1-R) - аморфты қабықшаға енген фотондар ағыны,
R - шағылу коэффициенті ,
- жарық жұту коэффициенті ,
n = 1 - кванттық шығыс.
Осылайша бф спектралді тәуелділігі келесі параметрлерге тәуелділігімен анықталады: n, R, , , .
БЕТТІК ҚАБАТЫН ӨҢДЕУ ТЕХНОЛОГИЯСЫН ҚОЛДАНЫЛАТЫН ӘДІСТЕР
4. Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
Материалдардың беткі қабатын өңдеу технологиясы қазіргі уақытта материалдарды зерттейтін қарқынды дамып келе жатқан ғылымдардың бірі. Материалдардың, негізінде металдық, түрленген қабаттардың бетінде түзумен байланысқан әдістер айтарлықтай жақсы зерттелінген, өңделген және практикада кең қолданылады [74,94-101]. Мұндай әдістердің көбісі немесе жетілген нұсқаларын наноөлшемді жәненемесе наноқұрылымды қабаттарды материал бетіне енгізуге, нанокомпонент бар копозициялық материал құруға, нано және микробұйымдар түріндегі наноматериалдар құруға мүмкіндік беретін нанотехнология әдістері ретінде қарастыруға болады.
Беттік қабатты өңдеудің нанобағдарланған технологиялық жобалық классификациялық үлгісі сурет 8 де берілген. Аталған әдістерді шартты түрде екі үлкен топқа бөлуге болады - физикалық процестерге негізделінген технологиялар және химиялық процестерге негізделінген технологиялар. Беткі қабатты өңдеудің нанобағдарланған технологияларының ішінде перспективтілігі жоғары болып келетіні - жабынды қаптаудың ионды-вакуумдық технологиясы (PVD и CVD технологиялары деп аталынады) [100-111]. Мұндай тәсілмен алынған қабаттар жоғары адгезиямен, материал негізіне температуралық әсердің ережеге сай төмен болуымен ерекшеленеді. Әдебиетте берілген, жұмыста алынған нәтиже [111] - вакуумдық қаптау технологиясы бойынша алынған қабыршақтағы кристаллитттер өлшемдері 1-3 нм-ге жетуі мүмкін.
Суретте 8 келтірілген беткі қабатты өңдеудің нанобағытталған технологиялар орындалуының кейбір негізгі нұсқаларын толығырақ қарастырайық.
Сурет 8-Бетті өңдеудің нанобағытталған технологиясының мысалдық классификациялық схемасы
4.1.Физикалық процестерге негізделінген технологиялар
Булы фазадан физикалық тұндыру әдістері
Бұл әдістің тобы әдетте PVD (Physical Vapour Deposition) ағылшын әріптерімен белгіленеді. Бұл әдіс тобында жабынмен қаптаудың жалпы сұлбасы мен вакуум біріккен (сурет 9). Алдымен қаптау үшін материал конденсияланған күйден алынады, сосын булы фазадан қаптау материалының тұндырылуы мен қаптаудың қалыптасуы өтетін төсенішке (қаптау енгізілетін материал) оны тасымалдау өтеді. Вакуумды қолдану материалды көшіруді жеңілдетеді.
Бұл әдіс буландыруды, тасымалдау және тұндыру әдістерін қолдануына байланысты жіктеледі. PVD-әдісінің кең түрде таралуы мына себептерге негізделінген: өте жақсы өндіргіштік қасиеті бар 1-20 мкм қалыңдықты өте бірқалыпты беттік қабаттарды алу мүмкіндігі; төсеніш қапталынатын беттің өлшемі шектеулі болуы мүмкін, бірқатар жағдайларда (магнетронды тозаңдату) жолақтар шектелген ұзындықтан құралған болуы мүмкін, белгіленген аумақта селективті соққылау мүмкіндігі; төсеніш материалын таңдаудың барынша шексіздігі (төсеніш ретінде кез-келген матреиал бола алады); төсеніштің температура бойынша шартқа жеткілікті иілгіштігі; беттік қабат үшін материалдардың кең таңдалымы(металдар, қоспалар, химиялық байланыстар); әртүрлі қалыңдықтағы қабатты және әртүрлі материалдардан көп қабатты жабындыларды алу мүмкіндігі; енгізудің технологиялық параметрлерін өзгерту жолымен қабаттың құрамын, құрылымын және қасиеттерінің өзгерту; жабынды материалының жоғары тазалық шарттарын орындау мүмкіндігі; қоршаған ортаның аз ластануы. Ал кемшіліктеріне: технологиялық және бақылау қондырғыланың қиындығы мен қымбаттылығы; персоналға өте жоғары квалификацияның керектігі; өнімділіктің салыстырмалы төмендігі; жабындыны алудың нақты жағдайлары үшін технологиялық режимді
Сурет 9 - PVD әдіспен қаптаманы орнатуының типтік қондырғысының схемасы
Бұл суретте көрстетігендей 1-қаптама материалы, 2-материалдыоң фазаға көшіру системасы, 3-буланған заттың ағыны, 4-төсеніш, 5-байда болып келе жатқан қаптама, 6-төсенішке қарай оң фазаға материал қаптамасының орын ауыстыру системасы, 7-төсенішке қонатын зат ағынының фокусталу системасы, 8-төсеніштің бекітілу және басқарыла орын ауыстыруының схемасы, 9-төсеніштің қыздырылу температурасының басқарылу системасы, 10-технологиялық параметрлерді басқару және қадағалау системасы, 11-вакуумдық камера, 12-жоғары вакуумды жасайтын және ұстап тұруды қамтамасыз ететін система (вакуумдық жылжымалар системасы, форвакуумдық және жоғары вакуумдық насостар системасы, азоттық тұзақ және т.б.), 13-шлюздік камера және төсеніштерді жеткізтен және ауыстыратын система, 14-қарауға арналған басқарылатын терезе, 15-суыту системасы болып табылады.
4.1.1.Иондық - реактивті тозаңдату.
Иондық тозаңдату әдістері жайлы толық мағлұматтар бар:
1) Ж.Ж. - катодтық тозаңдату (жоғарғы жиілікті);
2) Ж.Ж. - магнетрондық тозаңдату;
3) Тұрақты токтагы магнетрондық тозаңдату;
4) Иондық шоқтармен тозаңдату.
Иондық реактивтің тозаңдату әдісінің мынадай артықшылықтары бар:
а) көміртекті шикізаттың толығымен қолданылуы ;
б) жоғарғы жылдамдықта орналыстырылған а-С:Н қабықшаны алу;
в) қабықшадағы сутегі концентрациясын кеңейтілген аралықта өзгерту;
г) ауданы үлкен қабықшаның бірқалыпты қалыңдықта алынуы.
Ионды реактивті орналастыру кезіндегі негізгі технологиялық параметрлер мыналар: орналастыру температурасы, аргонды сутектік қоспаның құрамы, орналастыру қуаты, орналастыру кернеуі, төсеніш пен нысанаға дейін арақашықтық, жіктелетін газдар мен нысананың тазалығы.
Зерттеу барысында аморфты көміртекті орналастыру кезінде қабықшаның негізгі сипаттамалырына технологиялық параметрлердің әсері электірлік және оптикалық қасиеттерінің сутегі қысымынан тәуелді.
Тәжірбиелерде Ar-H қоспасындағы сутегі мөлшерінің көбеюі Cн 40%- тен жоғары болғанда , қабықша кристаллданып активация энергиясы 0,75-0,1 эВ дейін тез төмендеуіне әкеледі.
Графит пен мыс нысандарын аргон- сутегі (80% Ar және 20% H2) газдарының қоспасының атмосферасында ионды- плазмалық магнетронды бірге шашырату әдісі арқылы мыс қоспалары бар а-С:Н қабыршақтары алынды. a-С:НCu қабыршақтарының микроқұрылымы, электрлік және оптикалық қасиеттері зерттелді. Тәжірибе нәтижесі мен теорияны қолдану негізінде келесідей қорытынды жасалды: мыстың кейбір табалдырық концентрациясына дейін қабыршақтардағы мыстың нанокластерлері әр түрлі формада болған,
4.1.1.1.Магнетронды буландыру
Қондырғының құрылымдық схемасы және әдіс сипаттамасы
Магнетронды буландыру материалды иондық атқылау арқылы буландыру әдісіне жатады.
Магнетронды буландыру жүйесінің схемасы сурет 10да көрсетілген.
1 - оқшаулағыш,
2 - магнетопровод,
3 - сумен суыту жүйесі,
4 - катодтық түйін корпусы,
5 - тұрақты магнит,
6 - вакуумдық камера қабырғасы,
7 - магниттік өрістің күш сызықтары,
8 - шеңберлік сумен суытылатын анод,
9 - буланатын катодтың эрозия аумағы.
Сурет 10-Магнетронды буландыру қондырғысы
Негізгі элементі болып буландыратын материалдан жасалған жалпақ катод, катод периметрі бойынша орналатын анод, әдетте тұрақты магнитте болатын магниттік жүйе, және сумен суыту жүйесі. Магниттік өрістің күш сызықтары полюстар аралығында тұйықталып электрөрісі сызықтарымен қиылысады. Қондырғының жұмыс істеу приципі электрлік және магниттік өрістердің қиылысу жеріндегі электрондардың тежелуіне негізделген.
Электр өрісінде қозғалып бара жатқан зарядқа Лоренц күші әсер ететіні белгілі, оның бағыты кұштер қосындысы ережесі бойынша олардың құраушыларының баңғыттарына байланысты болады. Сонымен қатар, магнит өрісінің әсерінен пайда болған Лоренц күшінің бір бөлігі жұмыс жасамайды, тек және перпендикуляр жазықтық бойынша дөңгелек бойымен қозғалуға мәжбүрлеп траекториясын қисайтады.
Нысана (кері потенциал) мен анод (оң потенциал) арасында тұрақты кернеу берген кезде бір текті емес электр өрісі және тлеющий разряд пайда болады. Буландырылатын нысана бетіне тұйықталған магнит өрісінің бар болуы разряд плазмасын нысана маңында шектеуге мүмкіндік береді. Электрон электр өрісінен алған энергияны жұмыс газының бір атомымен соқтығысып, энергияны жоғалтқанша электромагниттік тұзақта айналып жүреді. Осылайша, электронның энергиясының көп бөлігі анодқа жеткенше ионизация процессінің эффективтілігін арттыратын және нысана бетіндегі оң зарядталған иондар концентрациясының артуына көмектесетін қоздыру мен ионизацияға қолданылады. Бұл өз кезегінде нысананың иондық атқылауының интенсивтілігін арттыруына және қаптаманың қону жылдамдығының артуына алып келеді.
Осылайша, магнетрондық құрылғылардағы электрлік және магниттік өрістердің бір уақыттағы жұмысы электронның қозғалу траекториясын өзгертеді. Катодпен эмитирленген және ионизация кезінде пайда болған электрондар тұйық магнит өрісі нәтижесінде буландырылатын материалдың беткі жағындажиналады. Олар бір шетінен бетке жақын маңайда циклотронды траектория бойынша электрондарды қозғалысқа келтіретін магниттік өріс әсерінен, екінші шетінен оларды анодқа қарай катодтың электр өрісінің тебуі нәтижесінде пайда болатын тұзаққа түседі. Электрондардың аргон молекулаларымен соқтығысының саны және олардың иондалуының ықтималдығы күрт өседі. Электрлік және магниттік өрістердің әсерінің біртексіздігі нәтижесіндекатод алды аумақта иондалу интенсивтілігі әр жерде әр түрлі. Максималды мәні магнит өірісінің индуктивтілігінің сызығы электр өірісінің кернеуінің векторларына перпендикуляр болатын аумағында байқалады, ал минималды мәні олардың бағыттары сәйкес келген жерде.
Магнит өрісінің күш сызықтарының кірісі мен шығысы жүйесі арасында орналасқан нысана беті интенсивті буланады және магниттік жүйе полюстарының формасына қарай геометриясы анықталатын тұйық жолды құрайды. Катод алды аумақтағы плазманың оқшаулануы кіші жұмыс қысы кезінде иондық токтың тығыздығының үлкен мәнін алуға және сәйкесінше, буланудың үлкен жылдамдығын қамтамасыз етуге мүмкіндік берді.
Магнетрондық құрылғы иондық буландырудың кіші вольттік жүйесіне жатады. Тұрақты ток қорек көзінің кернеуі 1000-1500 В-тан аспайды. Катодқа теріс потенциал берілген кезде электродтар арасында аргон ортасында аномальді тлеющий разряд пайда болады. магниттік тұзақтың бар болуы диодтық жүйемен салыстырғанда төмен кернеуде газдың бірдей температураларында разрядтың пайда болуын қамтамасыз етеді. Разряд кернеуі 300-700 В-ті құрайды.
Магнетрон жұмыс газының 10-2-нен 1Па және одан үлкен қысым аралығында жұмыс жасай алады. Газ қысымы және магнит өрісінің индукциясы разряд сипаттамасына үлкен әсерін тигізеді. Қысымның төмендеуі жұмыс кернеуінің өсуіне себепкер болады. Дәл сол уақытта әр магнетрондық жүйе үшін қысымның ауытқуы разрядтың параметрлері үлкен әсерін бермейтін мәндер интервалы болады, әдетте 10-1-1 Па. Магнит өрісінің әсері газдық ортаның әсеріне пара-пар. Сол себепті магнетрондардағы төмен жұмыс қысымы катод бетіндегі мәні 0,03-0,1 Тл құрайтын магнит өрісінің индукциясын өсуін қамтамасыз етеді. Меншікті қуаттың өсуі төмен қысым аумағында разрядтың тұрақталуына сбепкер болады
.
4.1.1.2.Катодты тозаңдаттыру
Аморфтық қабаттарды катодтық тозаңдату(sputtering ) әдiсімен алған кезде инертті газдың атмосферасында, көбінесе төмендетiлгенiлген қысымда ( (10 - 10-2) Па)) аргонда жүзеге асатын газды разряд қолданылады. Бұл әдістің ең қарапайым нұсқасы - екі электродты (4.20а-сурет). 1-0,1 Па қысым кезінде вакуумда ұшқын разрядтың плазмаларын қолдануға негізделінген [94,100]. Процесті бастар алдында реактивті газдарды жою мақсатында вакуумдық камерада 10-2-10-3 Па-ға дейінгі вакуум түзеді, сосын камераға инертті газды жібереді де жұмыстық мәнге дейінгі қысым беріледі. Көбінесе аргон қолданылады. Катод (тозаңдатылатын материалдың нысанасы) мен анод (ережеге сай, қаптау енгізілетін төсенішті ұстағыш) арасында 1-5 кв тұрақты кернеу тіркелінеді. Кернеудің мұндай шамасы нонизация потенциал мен саңылау кернеуін арттырады, сондықтан екінші электрондардың жеткілікті саны катодпен эмиттерленеді. Бұл электрондар катодтан анодқа қарай қозғалу арқылы газ атомдарымен соқтығысып, оларды иондайды.
Сурет 11-Катодты тозаңдатудың негізгі принципті сұлбасы.
Катодтық тозаңдату әдістері екі немесе аданда көп электроттар арқылы жүзеге асады олар: а) екі электродты әдіс , б) төрт электродты әдіс
Cуретте көрсетілгендей құрамдық барсы 1- вакуумдық камера, 2- төсенішті ұстағыш (екі электродты әдісте анод болып келеді),3- төсеніш, 4- ұшқын разряд плазмасының аумағы, 5- нысана (тозаңдатылатын материал), 6-негізгі катод, 7- жылулық катод ,8-тұрақтандырғыш электрод,9- анод сяақты бөліктерден тұрады.
Сурет 12-Катодты шашырату екі(а) немесе үш (б) электродтан тұратын қондырғы
Нәтижесінде ұшқын разряд пайда болады. Инертті газдың пайда болатын иондары нысана-катодты атқылайды. Және одан жабынды атомдары шығарылады. Соңынан төсенішке жақын орналасқанға тұндырылады. Ұстағышпен бірге төсеніш массаға тұйықталған, бірақ бірқатар жағдайларда анод пен төсенішті ұстағыш функцияларының беттесуі болуы мүмкін. Жоғарғы мәнді энергиясы бар иондардың жеткілікті ықтималдығын қамтамасыз ету үшін (сәйкесінше тозаңдату процесінің жеткілікті өнімділігін қамтамасыз ету үшін) анод пен катод бір-біріне жеткілікті түрде жақын орналасуы тиіс. Әдетте арақашықтық анод теріс жарық аумағына түспейтіндей етіп таңдалынады. Бір жағынан, егер анодты қара кеңістік аумағына жылжытсақ, онда катод пен анод арасындағы арақашықтық аз болады, электрондардың еркін жүру жолының шамасы, газдың ионизациясы болмайды [100]. Әдістің аталған нұсқасында тұндыру жылдамдығы өте төмен (0,1 мкммин).
Катодтық тозаңдатудың бір түрі - жоғары жиілікті тозаңдату. Олардың ортақ сұлбасы 4.20а-суретпен ұқсас, тек тұрақты токтың орнына айнымалы жоғары жиілікті ток - 0,3-2 кв, 13-14 МГц жиілік қолданылады. Кейбір жағдайларда газды қоспасы бар материал төсенішіне енетін тозаңдарды азайтуға мүмкіндік беретін анодқа -0,1-0,5кв қосымша қозғалыс потенциалын береді.
Процестің өнімділігін арттыру үшін өте күрделі сұлбалар қолданылады, оның ішінде төртэлектродты әдіс пен магнетронды тозаңдату әдістері.
Төрт электродты сұлба кезінде (4.20б-сурет) разряд кернеуі өте төмен болуы мүмкін, ал разрядты ток пен кернеу нысанаға бір-біріне тәуелсіз реттеледі. Разряд жылулық катод пен анод арасындағы потенциалдар айырмасының есебінен туындайды, ал тозаңдату кері потенциал берілетін катод-нысанамен газ иондарының соқтығысуы кезінде өтеді. Электрондардың жылулық эмиссиясын қамтамасыз ететін температураға дейін қыздырылатын жылулық катодты енгізу плазманың пайда болуын айтарлықтай жеңілдетеді және процестің өте жоғары вакуум (0,1Па) кезінде өтуін қамтамасыз етеді, сәйкесінше тозаңдатылатын материалдың тазалығын қамтамасы етеді. Тұндыру жылдамдығы 1мкммин-ты құрайды. Бұл нұсқаның кемшілігі кей жағдайларда 300-500 оС-қа жететін төсенішті қыздыру [94].
Катодты тозаңдату, негізінде, металдық материалдардан қабаттарды алу үшін қолданылады.
4.1.2.Ионды- сәулелік әдістер
Аталған әдіс тобы жақында ғана даму алған және иондардың концентрацияланған ағынды қолдануға негізделінген. Ионды-сәулелік технология жоғары технология деп аталатын технологияға жатады және ғылым мен техниканың әртүрлі салаларының жетістігіндегі пәнаралық амалдың нәтижесі.
4.1.2.1.Ионды-сәулелік тозаңдаттыру
Катодты және магнетронды тозаңдату әдістерінің айтарлықтай дамыған нұсқасы. Әдістің артықшылығы - инертті газдың иондары жеке орналасқан тәуелсіз ионды көзден 1-10кэВ энергиялы концентрацияланған ағын түрінде тозаңдатылатын материалға (нысанаға) беріледі [103,109,117] (4.23-сурет). Процесс 10-3...10-2 Па қысымды вакуумда өтеді. Ионды сәуленің пайда болуы тозаңдатылатын материалмен қаншалықты байланыспаған болса, онда металдық сияқты диэлектрлік материалдардың тозаңдатуды жүзеге асыруға болады (нысананың бетінде оң потенциалдардың жиналуын толтыратын құрылғыларын қолдану кезінде). Иондармен тозаңдатылатын нысана материалы иондалуы мүмкін және төсенішке қосымша жылжу потенциалын қосу кезінде қосымша үдетілуі мүмкін. Разряд плазмасының концентрациясы ион көзінің ішінде төсеніш материалының қатты ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Аморфты көміртегі а-С:Н фотоэнергетикаға, жартылайөткізгіштік электроникалары және оптоэлектроникаларда қолайлы қабықша материал ретінде, сонымен қатар басқа да салаларда қолданылуына байланысты қазіргі уақытта ғылым мен техникада тереңдетіліп зерттелуде. Бұл материлға деген қызығушылық тек қана тәжірибе жүзінде жартылай өткізгіштік қасиетінде ғана емес, сонымен қатар ғылыми физикадағы мәселеде: реттелмеген қатты денелерде қолданыс тапты.
Ғалымдар бұл материалдың құрамында сутегі мен көміртегінің химиялық байланысы бар екенің анықтады. Атомдық және электрондық жүйелерімен легирленген механизмде сутегінің қызметі әлі де анықталмаған. Осыған дейін а-С:Н қабықшаларындағы құрылымдық ретсіздіктің пайда болу себебімен қоса, аморфты матрицадағы микрокристалдық және нанокристалдық енгізулердің электрондық қасиеттеріне әсері де анықталмаған.
Аморфты көміртегі а-С:Н легирленетін жоғары фотоөткізгіш көрінетін жарықта жұтқыштық және өткізгіштік қабілеті сияқты физикалық қасиеттерге ие жартылай өткізгіш материал, аспап жасау саласында кеңінен қолданылады. Соңғы жылдары жаңа конструкциялы құрылғылар жасауға бағытталған интенсивті зерттеулер мен аспап құрастырулар жүргізілуде. Қолданудың тағы бір бағыты басқа материалдармен салыстырғанда негізі а-С:Н болатын арзан фотоқұрылымдарды жасау болып табылады.
а-С:Н негізінде жасалған фотоқұрылымдардың ерекшелігі мыналарда: қайталанғыштық сипаттамалары бар үлкен ауданды құрылғылар жасау технологиясының қарапайымдылығы және элементтердің параметрлерін басқарудағы кең мүмкіншіліктері, жеңілдігі, мехникалық әсерлерге беріктігі, жоғарғы радиоацияға шыдамдылығы және алғашқы параметрлерінің жылдам термиялық өңдеуден кейін қайта түзілуі.
Дипломдық жұмыстың мақсаты тұрақты токтың күлгін разрядында алынған аморфты көміртекті қабықшалар мен оның қоспаларының электрондық және құрылымдық қасиеттерін зерттеп, басқара білу және фотоқұрылымдар жасау.
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ
КӨМІРТЕГІНІҢ ПОЛИМОРФТЫ ТҮРЛЕНДІРУЛЕРІНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ
Көміртегінің (алмаз, графит, карбин) белгілі түрленлірулері атомдар арасындағы байланыстың құрылыу әдісіне қарай үш құрылымдық формаға бөлінеді. Тетраэдр құрылымда, оған кубтық және гексогональды алмаздар жатады, көміртгеі атомдары төрт өзара тең бір біріне 109˚28'16'' бұрышта бағытталған, валенттік электрондардың sp³-гибридизация кезінде құрылған σ- байланыстармен байланысқан. Қабаттық құрылымдарда (гексогональды және ромбоэдрлі графит) электрондардың sp²- гибритизациямен байланыс құрылады. Көміртегінің әрбір атомы бір жазықтықта 120˚ бұыршпен үш σ- байланыс құрайды. Сонымен қатар әр бір атомның буландырылмаған электрондары байланыс жасайды. Карбиндардағы тізбекті құрылымға жататын сызықты кеңістікті байланысты іске асыру кезінде әр бір атомдардың екі орбиталін жапқан кезде екі PI-байланыс орнайды. Көміртегінің аморфты және белгілі бір бөлігі кристаллдық ауыспалы формалары (ыс, кокс, шыны көміртегі және т.б.) бар, оларда аталған байланыс түрлерінің әр түрлі үйлесімділігі орындалады.
Көміртегі әр түрлі түрленідірулерінің кристаллографикалық байланысын сызба түрінде көрсетуге болады (сурет 1).
Политүрлер
Қаптау ақаулары
Қаптау ақаулары
Турбостратты
Қаптау ақаулары
Политүрлерер
Негізгі формалар
Көміртегі
ГРАФИТ
КАРБИН
Ромбоэдрлі графит
Екі өлшемді құрылымдар
Гексагональді алмаз
Кубтық алмаз
АЛМАЗ
Гексагональді
графит
Үш өлшемді құрылымдар
Сурет 1-Көміртегінің әр түрлі түрлендірулерінің кристоллографикалық байланысы
Көміртегінің әр түрлі түрлендірулерінің кристаллохимиялық сипаттамалары Кубытық және гексогональды алмаздардың құрылымының негізгі -координаттық тетраэдр. Идеалды торда тетраэдрлар дұрыс, барлық байланыстардың ұзындықтар мен бұрыштары өзара тең. Кубтық алмаздың элементар ұяшығы (сурет 2а) сегіз атомнан тұрады, гекогональды тетраэдр торда төрт атом бар (сурет 2б)
а б
Сурет 2-Кубтық (а) және Гексогональды (б) алмаздардың элементар ұяшықтары
Егер алмаздың тізбектес екі еселенген гексогональды қабаттары түріндегі ((111) жазықтықтар кубтық алмаз үшін және (001) гексогональды алмаз үшін ) торын қарастырсақ кубтық және гексогональды алмаздардың торлары қабаттардың қаптаоуымен ажыратылады.
Кесте1 - Көміртегінің әр түрлі түрлендірулерінің негізгі кристаллохимиялық графиттің илеалданған тор модельдері
Түрлендіру
Кеңістіктік топ
Z
n
a, A0
c. A0
I, A0
V,A0
P,
Tcm3
Графит I
P63mmc
3
4
2.4611
6.7076
1.4210
35.2
2.265
Графит II
R3m
3
6
2.46
10.05
1.42
52.7
2.26
АлмазI
rd3m
4
8
3.5670
-
1.5445
45.4
3.515
АлмазII
P63mmc
4
4
2.52
4.12
1.545
22.7
3.51
-карбин
-
2
18
5.08
7,80
-
175.0
1.95
-карбин
-
2
6
4.76
2.58
-
58.3
2.25
Дұрыс гексагондардан құрылған және бір бірінен қабаттар арасындағы атом аралық қысқа қашықтығынан 2,5 есе артық 1,42 Å орналасқан. Гексагональды және ромбоэдрлі графиттің торлары қабаттардың қатысты орналасуымен ажыратылады (сурет 3).
Сурет 3-Гексагональды (а) және ромбоэдрлі (б) графиттің құрылымы
Көміртегінің сызықты құрылымының кеңістіктік торлары қазіргі таңда аяғына дейін орналаспады. Карбиннің белігі алты түрлендіруінен тек екеуі ғана зерттелді: поли ионды немесе -С≡С- байланыс типі бар α-карбин және поли кумулендік немесе =С=С= байланыс типі бар β-карбин . Мәліметтерге сай α-карбиннің элементар ұяшығы С осіне параллель үш алты атомды көміртегі тізбегі болып табылады. β -карбиннің элементар ұяшығы С осіне параллель ұяшық арқылы өтетін, үш кумуленді тізбектен екі =С=С=- байланысы бар алты атомнан тұрады. Сызықты құрылым сонымен қатар карбиннің бір формасы болып табылатын чаоитта бар.
Аталған көміртегінің аллотроптық түрлендірулеріндегі атомдар арасындағы байланыстарындағы айырмашылықтар , материалдардың әр түрлі электрондық құрылымын анықтайды. Әрбір атомында төрт σ- байланысы бар алмаз рұқсат етілмеген зона аумағы 5,6 эВ болатын диэлектрик болып табылады. Графиттің электро- физикалық қасиеттері валентті зона мен өткізу зонасын 0,03-0,04 эВ жабатындарды тудыратын PI-электрондардың тәртібімен анықталады. Көміртегінің сызықты құрылымдары рұқсат етілмеген зона ені ~ 1,55 эВ болатын жартылай өткізгіштер болып табылады. Соныдақтан көміртегі материалдардың электро- физикалық қасиеттерін зерттеу құрылымдардың идентификациясы үшін қолданылады. Бұл әсіресе құрылымын орнату мүмкін емес материалдар үшін өзекті.
2 АМОРФТЫ КӨМІРТЕК
Иондақ сәулелену шартында алынған кқміртек қабыршағының құрылымы көміртектің мүмкін барлық модификациясының кристалдарында қосқандағы әртүрлі фазалық құрамның ұсақ дисперсті (аморфты) негізін көрсетеді. Осыған байланысты дәстүрлі әдістерме, сондай-ақ аморфты құрылымдарды шифрлеу үшін қолданылатын әдістермен алынған көміртектің аморфты қабыршағынының жақын реттіліктің түрлерін қарастыру да орынды. Мұндай материалдардың электронды- және рентгенограммадағы дифференциалдық сызықтары соншалықты бұзылған, олардың бұрыштық аумақтары графит, сондай-ақ алмаздың бірнеше сызықтары бар интервалдарды қамтиды. Сондықтан мұндай құрылымдарды дәстүрлі иондармен шифрлеу - қиын тапсырма. Белгілі өлшемде оны шешетін әдістердің ішінен атомдарырының тығыздығының таралуының радиальді функциясы [20] - ТРФ - деп қысқартылған әдісін; байланыстың әр түрлі сипатты фрагментте атомдары саны шектелген және интенсивті I(s) шашырау қисығының одан арғы есептеулері бар кеңістікті конфигурациясының алуандығы және экспериментті есептелген қисықтарын салыстыру бар құрылымдардың фрагменттерін модельдеу әдісін атап өтуге болады. Ең соңғысын және көміртекті материалдардың аморфты құрылымын шифрлеу үшін Эрган [21] ұсынған.
Күйе, көмір, кокс және т.б. сияқтыграфит тәрізді материалдарды зерттеу үшін ТРФ әдісін қолдану олардың құрылымының екі өлшемді сипатын орнатуға септігін тигізді[20]. Мұндай құрылымдар параллель, эквивавлентті пакеттерден графиттің өзара бағытталған, бірақ кристаллографиялық өзара байланыспаған жеке хаостық графиттерден тұра алады[22]. Екі өлшемді реттелгенкристаллит тәрізді болып келген поликристалдың құрылымын турбостратты деп аталған [23]. Турбостратты пакеттегі элементарлы атомдық қабаттың құрылымы графитті қабаттың құрылымынан едәуір ерекшеленуі мүмкін [24]. Пакеттегі қабаттар арасындағы қашықтық өзінің орташа мәніне (3,440 А) қатысты кейбір таралумен сипатталынады[25]. Жазықтықтағы атомдардың қозғалу нәтижесінде қабаттардың өздері бұрмаланады[25]. Орташа қозғалу (жылжу) айтарлықтай үлкен және 0,14-0,17 А құрайды. Автордың ойы бойынша ұқсас жылжуларды [24] егер турбостратты құрылымдағы көміртек атомдары sp2-гибризидациядан басқа валенттік күйде деп жорамалдасақ түсіндіруге болады.
Көміртекті материалдардағы турбостратты құрылымның пайда болуы және дамуы графиттенудің кристаллизация алдындағы стадиясы үшін тән [26]. Графитизация кезеңдері 2300 К температурада басталады. Бұл кезеңдерде көміртекті торлардың азимутты бағытталуы және олардың турбостратты құрылым пакеттеріне жылжуы өтеді.
Басында әдістің көмегімен ТРФ түзіледі, одан соң басқа әдістермен кейбір аморфты көміртекті материалдардағы байланыстың тетраэдрлік түрін байқаған. Сонымен, жұмыста [27] көміртекті вакуумде тозаңдатумен алынған пакеттерде алмаз бен графит (сәйкесінше) торларындағы байланыстардың ұзындығына тең 1,54 және 1,42 А екі қысқа атомаралық арақашықтық анықталған.
Сурет 4-Вакуумды - тозаңдатылған көміртекті қабыршақ құрылымының моделі
Сурет 4 алмазтәрізді құрылымда біріккен көміртегі атомдарының үшөлшемді изотропты пайда болуын көрсететін көміртекті қабыршақтың құрылымының мүмкін моделі көрсетілген. Бұл модель алмаз бен графиттің кеңістіктері арасындағы аралық қабыршақтың тығыздығы жоғары (2,4 гсм3) екенін көрсетеді. Жұмыстардың авторлары [28] басқа әдістермен алынған аморфты көміртекті қабыршақты алмаздың байланысты байқаағанын атап өту керек. Интенсивті шашыраудың экспериментальды қисығы бойынша ТРФ есептелінген және келесі қорытындылар жасалынған: аморфты көміртектің қабыршақтары макроқұрылымды бойынша грануланың орташа өлшемді немесе олардың саңылауларының қатынасы ~12А болатын гранульды объект болады; грануладағы атомдар орналасуының жақын реті графит құрылымындай. Бұл қорытындылар жұмыста өткізілген вакуумды - тозаңдатылған көміртек қабыршақтарының құрылымын, зерттеу нәтижелері расталынады [29]. Автордың мәліметі бойынша қабыршақтар графит тәрізді. Байланыстың аралас түрі бар ретсіз көміртекті құрылымның басқа мысалы жұмыста зертелінген. Шыныкөміртек [30] оның құрылысының моделі 5-суретте келтірілген.
Сурет 5. Шыныкөміртек құрылымының моделі
Мұнда графитті (г) және тетраэдрлік (Т) байланыс түрі бар домендер шыныкөміртекте 5-6% болатын қышқылмен өзара байланысқан.
Тетраэдрлік, мүмкін графитті байланыспен қатар карбинді байланыс түрлері, сондай-ақ графиттелмейтін көміртектерде [31] көміртекті талшықтарда [31] және басқа да ауысатын формаларда да [31, 33] бақыланады. Аталған барлық материалдар ретсіз графит тәрізді құрылымнан айтарлықтай үлкен электрөткізгіштігімен және электркедергісімен ерекшеленеді,бұл олардың құрылымында графитті емес байланыстардың болуымен түсіндіріледі. Дифракциялық суреттерді өңдеу әдісін қолданумен кіші кластерлердің интерференциялық функцияның нәтижесінің көмегімен жұмыста [19] графитті және алмазды нысананы тозаңдату әдісімен алынған аморфты көіртекті қабыршақтың құрылымы зерттелінген. Қабыршақтың құрылымы графитті, карбинді және алмазды байланыс түрлері бар когерентті шашырау аймағының (КША) бар болуымен сипатталынады. Ұқсас тәсілдермен алынған көміртекті қабыршақтың құрылымын зерттеу жұмыста молекулалық рефрактометрия әдісінің қатысуымен ТРФ әдісімен [34]. Бұл жұмыстардың авторлары біртұтас үлгілердің шегінде көміртектің аморфты қабыршағының құрылымын суреттеу мүмкін емес деген қорытындыға келді. Бұл қорытынды белгілі құрылымға (алмаз, графит) алып келуі міндетті емес кристалдық күй түрінде аморфты көміртекті материалдардың құрылымдарының алуан түрлілігі туралы ұсынысқа жаңа жол ашты [35].
Соңғы жылдары тетраэдрлік байланыс түрі ерекше көміртекті қабыршақтарды алуға мүмкіндік беретін жаңа әдістер жасауға күш салынуда. Мұндай қабыыршақтар алмазға жақын қасиеттерге ие және олар әдебиетте алмаз тәрізділер деп жиі аталады. Алмаз тәрізді қабыршақтардың құрыллымдық ерекшеліктері жеке қарастырылады.
2.Көміртегі фазалық ауысуларға термодинамикалық көзқарас
Полиморфты ауысу кезіндегі құрылымның өзгеруге күйдің термодинамикалық функциясының өзгеруі ұқсас. Полиморфты ауысу фазалық аысыдың бірінші тегіне жатады және ауысу нүктесінде энтальпия секірмелі түрде өзгеретінімен сиппаттталынады. Есептер көрсеткендей [9,10] қалыпты қысыммен кез келген температура кезіндегі алмаздың термодинамикалық потенциалы G графиттікіне қарағанда көбірек. Сондықтан графиттің алмазға қалыпты жағдайда ауысуы мүмкін емес. Бұл ауысу ΔG теріс болатын жоғары қысым кезінде мүмкін болады. Графит=алмаз ауысуының термодинамикалық шарттарын ең алғаш рет О.И.Леипунский есептеген [9]. Тәжірибе жүзінде графит=алмаздың тепе-тең сызықтарын ең алғаш рет Банди қызметкерлерімен бірге Банди балқытылған металдың қатысуында алмаз кристалдарының өсуін қатамасыз етеді. қысым мен температураның өлшеу жолымен анықтаған [36]. Көміртектің күй диаграммасының қазіргі түрін (сурет 6) Банди ұсынған [37]. Күй диаграммасында графит=алмаз тепе-теңдігінің сызығына боялған аумақ 3 тұтасады, ол арнай ыенгізілетін катализаторлар - еріткіштердің қатысуында графит=алмаз практикада өзгеру шартын іске асырумен сәйкес келеді. бұл қоспаларды қолдану тепе-теңдікке пайда болуының шарттарын жақындатуға мүмкіндік береді және соның арқасында өте үлкен кристалдар алуға мүмкіндік береді. Графиттің катализатор-еріткіштің көмегінсіз тығыз модификацияға өтуін Банди тура өту деп атаған [37]. Күй диаграммасында тура фазалық ауысудың [37] табалдырықтық қысымның температуралық интервалы мәліметтер бойынша [37], көмескі сызықтар мен 4 көрсетілген. Тепе-теңдік үстіндегі қысымның айтарлықтай өсуі тура ауысудың құрылымды-кинетикалық ерекшеліктерімен түсіндіріледі [11].
Сурет 6-Көміртектің күй диаграммасы
Көп ретті зерттеулер тепе-теңсіз сызықтан төмен қысым кезінде көміртектің тұрақты термодинамикалық модификациясы графит-алмаз гексогональды графит екенін көрсеткен.
Ромбоэдрлік график термодинамикалық тұрақтылық аумағына ие емес [38]. Көміртегі-карбиннің тізбектік құрылымынң алу бойынша соңғы нәтижелері көміртектің бұл модификациясы тепе-теңдік сызығынан төмен термодинамикалық тұрақтылық аумағына да ие екенін көрсетеді [16]. Күй диаграммасында бұл аумақ боялған [6] және мәлімет бойынша [16] 2600К = Т = 3800К, 4 Па = Р= 6*109 Па шектеулерге ие тура фазалық ауысулардың нәтижесінде айтарлықтай жоғары қысымда қабатта құрылым тетраэдрлік құрылымға ауысады, төмен температуралық аумақта гексагональды алмаз, ал жоғары температуралық аумақта-кубтық алмаз түзіледі. Кубтық және гексогоналды тетраэдрлік фазалардың пайда болуының облыстары арасындағы лездік тепературалық шекара болмайды, әдетте екі модификация бәрге түзіледі.соңғы механизмдерінің зерттелуі мен тура фазалық ауысуының кинетикасының нәтижесінде көміртегінде [11] термодинамиканың тұрақты тетраэдрлік құрылымы тек алмаз болатын көрсеткен. Метастабильді юбфазалардың - алмаздардың бөлу аумағы күй диаграммаларды боялған 60 ГПа жоғары қысым кезінде 8-аймақ көміртегінің металдық формасы жатыр. Бұл көміртектің гипотезалық модификациясы тәжірибелі түрде жұмыста алынған [39,40]. Қысымда алған соң екі экспериментте көміртегінің металдық формасы сақталынбаған.
Көміртегінің күй диаграммасынан шығатын қалыпты жағдайларда (Р0,Т0) жалғыз термодинамикалық тұрақты модификация болып гексогональды графит қалады. Дегенмен, көміртегі фазалық өзгеруінің кмнетикалық ерекшеліктерінің арқасында шынайы тұрақты болып негізгі метастабильді модификациялар қалады, олар: кубтық алмаз, карбин және басқада көміртегінің ауыспалы формалары. Метастабильді модификацияның тұрақтылығының температуралық интервалы құрылымының жетілуіне айтарлықтай тәуелді. сонымен, мысалы, алмаздың жетілген монокристалдарының графитизациясы вакуумде 2000К жобасындағы температура кезінде басталады, сол уақытта синтетикалық алмаздың кристалдары сияқты сол жағдайда 700К температурадан бастап графиттелінеді [1].
3.КӨМІРТЕКТІҢ АЛМАЗТӘРІЗДІ ҚАБЫРШАҚТАРЫНЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
3.1.Электрөткізгіштігі
Электрондық қасиеттер, электрөткізгіштікті де қосқанда, а-С:Н құрамы мен құрылымының ерекшеліктеріне тәуелді. а-С:Н электрөткізгіштігі монокристалды көміртегі электрөткізгішінен төмен, және құрылымында Н болуына байланысты. Аморфты көміртекте Н концентрациясының көбеюіне байланысты Еg өсетіндіктен, а-С:Н үшін Еа активация энергиясы Еg-ның жартысына тең. Жоғары температуралар кезіндегі электрөткізгіштік, негізінен, ол өткізу аймақ күйлері бойынша Ферми деңгейіне жақын бекітілген күйлерден термиялық қозған зарядты тасымалдаушылардың қозғалысымен түсіндіріледі. Ес шетінен жоғары өңір - валенттік өңірдің бекітілмеген күйлері бойынша зарядты тасымалдауды болжайтын а-С:Н өткізгіштігінің механизмі, uс - заряд тасымалдаушылардың макроскопиялық қозғалғыштық шамасы және аймақ шегіне жақын Nc=N(Ec)kT эффективті күй санымен суреттеледі. Бұл параметрлер минималды электрөткізгіштік өрнегіне кіргізілген:
Smin= eN(Ec) kT uс (3.1)
Ec - дан жоғары күйлер бойынша электрондардың диффузиялық қозғалысы үшін қозғалғыштық: uс=16(екТ)а2Vel,
мұндағы Vel - атомдар арасындағы заряд алмасу жиілігі, ол 5*1015 с-1 тең,
а=0,4 нм - атомдар арасындағы қашықтық.
uс=30 см[2]Вс кезіндегі Ес шегі маңайындағы N(Ес) күйінің тығыздығы N(Ес)=8*1021 см[-3]эВ болуы қажет. Температура бөлме температурасынан төмендеген кезде, өткізу өнірінің (валенттік зонаға) бекітілген күйлерден заряд тасымалдаушылардың термиялық қозу ықтималдылығы азаяды және рұқсат етілген аймақ күйлері бойынша заряд тасымалдау қармаушы ұсталған электрондардың секірмелі өткізгіштігіне ауысады. Бекітілген күйлер Еt-дан, Ес белгілі бір интервалында орналасқан. Еt-параметрі, ол құрылымның ретсіздік дәрежесіне, қоспа атомдарымен ақаулардың (қозғалмалы байланыстар) концентрациясына тәуелді, бекітілген күйлердің орналасуын сипаттайды. Бекітілген күйлер тығыздығының өсуіне байланысты секірмелі өткізгіштік механизмі орны алатын температуралық аумақта жоғарғы температураға қарай ығысады. а-С:Н жағдайындағы заряд тасымалдаушылардың, көбіне электрондардың, секірісімен түсіндірілетін ақаулар арасындағы электрөткізгіш үшін қатынас мынадай:
δ=еN(Ec-Et)u0exp(-ΔE uкТ). (3.2)
Еt және Ес арасындағы бекітілген күйлер бойынша термиялық активті секірмелі өткізгіштікке қатысатын электрондар саны өте аз болған жағдайға сәйкес келетін төмен температуралар (200 К төмен) аумағында а-С:Н-қа зарядты тасымалдау Ферми деңгейіне жақын күйлер бойынша электрондардың секіруі жолымен жүзеге асады. Бұл жағдайда Т температурасынан δ тәуелдігінің қатынасы мынадай:
Трақты То=19,4 кN(Ef) бекітілген күйлердің таралуына байланысты кең аймақтарда өзгере алады, N(Ef) - Ферми деңгейіне жақын бекітілген күйлердің тығыздығы, ph - фотондар жиілігі,
- спектрлік аймақтағы жұтылу коэффициенті.
Қазіргі таңда аморфты көміртектің электрөткізгіштігінің негізгі ерекшеліктері зерттелген.
Жоғарлатылған энергиялы көміртек иондарынан тұндырылған алмаз тәрізді көміртекті қабыршақтар морфология бойынша тегіс қабыршақ, төсеніштің қайталанушы рельефтері тұндыру процесінде тегістелуі мүмкін [41]. Кей жағдайларда беттің ақаулары көміртектің әртүрлі фазаларының кристалдарының туылуына көмектеседі [43]. Конденсаттың құрылымы мен қасиеттеріне төсеніш күйінің қандай да бір әсері байқалмаған. Алайда жұмыста [67,93] енгізудің артықшылығы бар бағытталған кристалдарына төсеніштің әсері бар екені көрсетілген. Көптеген авторлар сапалы деңгейде төсенішке көміртекті қабыршақтарының жоғарлатылған адгезиясы олардың материалдарына тәуелсіз екенін көрсетеді, әсіресе суық төсенішті қолдану кезінде. Жұмыстағы өлшеу нәтижелері бойынша [45] бөлмелік температура кезіндегі төсеніште иондық шоғырдан тұндырылған көміртекті қабыршақтарының адгезиясы 310кгсм2 жетеді.
Бөлмелік температура кезінде көміртекті қабыршақтар қышқылмен концентрацияланған органикалық еріткіш пен сілті әсеріне тұрақты болып келеді [71,93,101]. .
Жоғарыда аталған бірнеше құрылымдық зерттеулер көрсеткендей, конденсаттың алмаздық қасиеттері жақын орналасу деңгейінде атом байланысының (sp3- валенттік электронның гибридтенуі) тетраэдрлік сипатының шағылуы болып табылады. Ал нақтырақ айтатын болсақ, көміртектің алмаздық немесе алмаздық емес қасиеттері конденсаттың зоналық құрылымын қалыптастыратын валенттік электрондардың түрлі гибридтенуі бар (SP3:SP2:SP) атомдар өлшемінің қатынастарымен анықталынады. Одан басқа, зоналық құрылым (толығырақ, мысал,[90]) белгілі түрде құрылымның ақаулық деңгейіне (кеуек, үзілген байланыс, қоспа атомдарының және т.б. болуы) тәуелді. Осылайша көміртекті қабыршақ қасиеттерінің сараптамасы ионды - плазмалық технологиялық әртүрлі әдістерінде жүзеге асырылатын шарттарды принципиалды әртүрлілігінің есебімен жүргізіледі. Таблица 2-де алмаз тәрізді қабыршақтардың фактілік қасиеттері электрлік кедергімен, конденсаттың тығыздылығымен, сыну көрсеткішімен және тыйым салынған аумақтың енімен мысал келтірілген.
Кесте 2- Әртүрлі әдістермен алынған алмаз тәрізді қабыршақтардың кейбір қасиеттері
Конденсация әдісі
Тығызд-ығы, гсм3
Меншікті кедергі,
Ом см
Тыйым салынған аумақтың ені, Эв
Сыну көрсеткіші
Әдебиет-тер
Иондық-плазмалық тұндыру осаждение
Плазмада
Көмірсутекте-рдің деструкциясы
Қосымшаатқылауыбар иондықтозаңд-ату
-
2,36
3,5
-
-
4
1,7
1,9-2,0
3,5-4
-
2,2
1,55
1,91
-
1011
1011-1012
107-1012
108
1013
1010
1012
109
1010
105
-
1012
1011
-
-
-
-
-
5,5
2
-
-
-
-
12
-
-
2,2
2
2,36
-
2,3
2,4-2,8
-
-
2,7
1,8-2,0
-
1,93
2,10
-
6
101
93,122
107
69
75,76
123
118
87
71,73,74
81,82
34
89
34
71,73
Әдіспен 1 алынған (Кесте 2) көміртекті қабыршақтарының оптикалық қасиеттерін зерттеу кең диапазондағы - 0,3-10 мкм жұқа қабыршақтардың жұтылуы төмен екенін көрсетті [101,120,121]. Алайда мекшікті жұтылу аумағы боялған табиғи алмаздарға тән λ~0,5мкм кезінде пайда болады. Алмаз тәрізді қабыршақтың жұтылу шекарасы шамамен 5,5эВ болатын тыйым салынған аумақ ені ұқсайтын, λ=0,2-0,25 мкм кезінде жатады. Мұндай конденсаттар ИҚ-спектрінде алмаздың торлық екі фононды жұтылу спектріне тән λ =4,5 мкм болатын әлсіз шың тіркелген [122,123].
Плазмада көмірсутектердің бұзылуымен алынған көміртекті қабыршақтардың оптикалық қасиеттерін зерттеу мұндай қабыршақтар гидрогенеризацияланған болып табылатынын көрсетті [89,124]. Қабыршақтар 2,5-50 мкм инфрақызыл диапазонда мөлдір [118,125]. 39 атомдық мөлшерге дейінгі сутек бар қабыршақта конденсаттағы көмірсутек байланыстарының әртүрлі конфигурациясына ұқсайтын жұтылу жолақтары табылған (3-кесте) [89].
Кесте 3-а - С:Н есептелген және тәжірибелік С - Н - валенттік жұтылуы
Жолақтар нөмірі
Конфигурация
Жиілік, см-1
Бақыланатын жартылай ен,
см-1
есептелген
тәжірибелік
1
2
3а
4
5а
3с
6а
7
5с
6с
sp1CH
sp2CH
sp2CH2
sp2CH2
sp3CH3
sp3CH2
sp3CH2
sp3CH
sp3CH3
sp3CH3
3305
3050
3020
3000
2960
2950
2925
2915
2870
2855
3300
3045
-
3000
-
-
2920
2920
-
2850
44
68
-
78
-
-
-
88
-
78
Екі- және үшсутекті жолақтар - тербелістің симметриялы (с) және ассимметриялы (а) дублетті.
Алайда жұмыс авторларымен [126] 25 атомдық мөлшерге дейінгі сутек бар қабыршақтардың ИҚ-спектрінің сараптамасы негізінде С-Н-байланыстың барлығы үзілген деген қортынды жасаған. Бұл қабыршақтарда λ=3,45; 5,9; 6,3 мкм болатын жұтылудың әлсіз шыңдары бақыланған.
Гидрогенеризацияланған қабыршақтарда алудың белгілі режимі кезінде меншікті кедергісінің ( 1015Ом*см) [127] жоғары мәнін қамтамасыз ететін полимеризация өтеді.
Жүрістің температуралық тәуелділігін зерттеу алмаз тәрізді қабыршақтардың электр кедергісі олардың ақаулығының жоғары екенін дәлелдейді. Бұны реттелген құрылымға тән Т-14 болатын секірудің айнымалы ұзындығы бар секірмелі өткізгіш деп аталуы дәлелдейді [90]. Гидрогенеризацияланған қабыршақтар үшін электр кедергінің температураға мұндай тәуелділігі 500К төсеніш температурасы кезіндегі жұмыста [128]қабылданған.
Өте жоғары температура кезінде (500К) қабыршақтың графитизациясы өтеді [138] және өткізгіштік сипаты активацияланбаған болады [82,118].
Плазмадан тұндырумен алынған қабыршақтарда өткізілген ұқсас зерттеулер мұндай қабыршақтар жартылай өткізгіштікке тән температуралық тәуелділікке ие екенін көрсетті [146]. Барлық зерттеу температурасы аралығында элек,тр кедергінің термиялық коэффициенті теріс болады (сурет 7).
Сурет 7-Алмаз тәрізді көміртекті қабыршақтың электр кедергісінің температураға тәуелділігі.
(1Т) тәуелділігі иілудің әртүрлі бұрышты қамтитынаумақтарына тән. Қабыршақтың өткізгіштігінің активация энергиясының Еа есептелген мәндері 4-кесте - де келтірілген.
Кесте 4-Алмаз тәрізді қабыршақтармен алмаздың әртүрлі топтарының активация энергиясы [126]
Алмаз тәрізді қабыршақ
I-IV әртүрлі алмаздары
Температуралық интервал, К
Еа, эВ
Температуралық интервал, К
Еа, эВ
300-383
383-513
513-653
653-823
0,3-0,35
0,85+-0,1
1,25+-0,1
1,6-1,9
323-473
473-353
553-673,873
873
0,15-0,34
1,0
1,4-1,7
2-2,5
Сол авторлардың нәтижелері бойынша 653К температура кезінде қабыршақтың графитизациясы басталады, ал 513-653К аумақтарында электр кедергісінің температуралық тәуелділігінің аз гистерезисі болады [109].
Қабыршақтың микроқаттылығын анықтайтын бірыңғай әдістеменің болмауы көміртекті қабыршақтың бұл көрсеткішін салыстыруға мүмкіндік бермейді. Алайда әдебиетте бар нәтижелер плазмада көмірсутектердің бұзылуымен алынған аз қатты көміртекті қабыршақтар 500кгмм2 жететін айтарлықтай микроқаттылыққа ие болса да, қорытынды жасауға мүмкіндік береді [71,74]. Көміртекті плазмадан тұндырудан алынған қабыршақтардың үлкен микроқаттылығы табиғи алмаздың микроқаттылығынан асып түседі.
Микроқаттылықты өлшеу нәтижелері таблица 10 - да келтірілген. Автордың ойынша [100], қабыршақтың қаттылығы көміртек фазалары (алмаз, α-,β - карбин, графит)арасындағы қатынаспен анықталынады.
Кесте 5-Көміртекті үлгілердің микроқаттылық өлшемі, кммм2 [100]
Виккерсаинденторы(Р=200г)
Кнуппаинденторы(Р=200г)
Алмаздың қыры
Алмаз тәрізқді қабыршақ
Алмаздың қыры
Алмаз тәрізқді қабыршақ
13000+-15%
2400+-15%
16000+-15%
Ешқандай белгілер тіркелмеген
3.2.Аморфты көміртектің фотоөткізгіштігі
а-С:Н фотоөткізгіштік шамасы, электрөткізгіш сияқты, тыйым салынған аймақтағы бекітілген күйлер тығыздығының таралуына тәуелді және қабықшаның өсіру, және термоөңдеу шарттарына да тәуелді. а-С:Н тың бф фотоөткізгіштігі құрылымдық ақау (қозғалмалы байланыстар) концентрациясының көбеюімен төмендейтіндіктен, оны зерттеу үшін паромагниттік центрлерінің концентрациясы аз қабықшалар пайдаланылады. Фотоөткізгіштік келесі қатынаспен анықталады:
бф = е G , (3.2.1)
мұндағы - заряд тасымалдаушылардың дрейфті қозғалғыштығы,
- фотоөткізгіштің pекомбинация уақыты немесе зарядтың тепе-теңдіксіз заряд тасымалдаушылар өмір ұзақтығының pекомбинациялық уақыты.
Бірлік көлемдегі электронды - кемтікті жұптарының генерация жылдамдығы:
G = F(1-R) n , (3.2.2)
онда бф = е F (1-R) n ,
мұндағы F(1-R) - аморфты қабықшаға енген фотондар ағыны,
R - шағылу коэффициенті ,
- жарық жұту коэффициенті ,
n = 1 - кванттық шығыс.
Осылайша бф спектралді тәуелділігі келесі параметрлерге тәуелділігімен анықталады: n, R, , , .
БЕТТІК ҚАБАТЫН ӨҢДЕУ ТЕХНОЛОГИЯСЫН ҚОЛДАНЫЛАТЫН ӘДІСТЕР
4. Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
Материалдардың беткі қабатын өңдеу технологиясы қазіргі уақытта материалдарды зерттейтін қарқынды дамып келе жатқан ғылымдардың бірі. Материалдардың, негізінде металдық, түрленген қабаттардың бетінде түзумен байланысқан әдістер айтарлықтай жақсы зерттелінген, өңделген және практикада кең қолданылады [74,94-101]. Мұндай әдістердің көбісі немесе жетілген нұсқаларын наноөлшемді жәненемесе наноқұрылымды қабаттарды материал бетіне енгізуге, нанокомпонент бар копозициялық материал құруға, нано және микробұйымдар түріндегі наноматериалдар құруға мүмкіндік беретін нанотехнология әдістері ретінде қарастыруға болады.
Беттік қабатты өңдеудің нанобағдарланған технологиялық жобалық классификациялық үлгісі сурет 8 де берілген. Аталған әдістерді шартты түрде екі үлкен топқа бөлуге болады - физикалық процестерге негізделінген технологиялар және химиялық процестерге негізделінген технологиялар. Беткі қабатты өңдеудің нанобағдарланған технологияларының ішінде перспективтілігі жоғары болып келетіні - жабынды қаптаудың ионды-вакуумдық технологиясы (PVD и CVD технологиялары деп аталынады) [100-111]. Мұндай тәсілмен алынған қабаттар жоғары адгезиямен, материал негізіне температуралық әсердің ережеге сай төмен болуымен ерекшеленеді. Әдебиетте берілген, жұмыста алынған нәтиже [111] - вакуумдық қаптау технологиясы бойынша алынған қабыршақтағы кристаллитттер өлшемдері 1-3 нм-ге жетуі мүмкін.
Суретте 8 келтірілген беткі қабатты өңдеудің нанобағытталған технологиялар орындалуының кейбір негізгі нұсқаларын толығырақ қарастырайық.
Сурет 8-Бетті өңдеудің нанобағытталған технологиясының мысалдық классификациялық схемасы
4.1.Физикалық процестерге негізделінген технологиялар
Булы фазадан физикалық тұндыру әдістері
Бұл әдістің тобы әдетте PVD (Physical Vapour Deposition) ағылшын әріптерімен белгіленеді. Бұл әдіс тобында жабынмен қаптаудың жалпы сұлбасы мен вакуум біріккен (сурет 9). Алдымен қаптау үшін материал конденсияланған күйден алынады, сосын булы фазадан қаптау материалының тұндырылуы мен қаптаудың қалыптасуы өтетін төсенішке (қаптау енгізілетін материал) оны тасымалдау өтеді. Вакуумды қолдану материалды көшіруді жеңілдетеді.
Бұл әдіс буландыруды, тасымалдау және тұндыру әдістерін қолдануына байланысты жіктеледі. PVD-әдісінің кең түрде таралуы мына себептерге негізделінген: өте жақсы өндіргіштік қасиеті бар 1-20 мкм қалыңдықты өте бірқалыпты беттік қабаттарды алу мүмкіндігі; төсеніш қапталынатын беттің өлшемі шектеулі болуы мүмкін, бірқатар жағдайларда (магнетронды тозаңдату) жолақтар шектелген ұзындықтан құралған болуы мүмкін, белгіленген аумақта селективті соққылау мүмкіндігі; төсеніш материалын таңдаудың барынша шексіздігі (төсеніш ретінде кез-келген матреиал бола алады); төсеніштің температура бойынша шартқа жеткілікті иілгіштігі; беттік қабат үшін материалдардың кең таңдалымы(металдар, қоспалар, химиялық байланыстар); әртүрлі қалыңдықтағы қабатты және әртүрлі материалдардан көп қабатты жабындыларды алу мүмкіндігі; енгізудің технологиялық параметрлерін өзгерту жолымен қабаттың құрамын, құрылымын және қасиеттерінің өзгерту; жабынды материалының жоғары тазалық шарттарын орындау мүмкіндігі; қоршаған ортаның аз ластануы. Ал кемшіліктеріне: технологиялық және бақылау қондырғыланың қиындығы мен қымбаттылығы; персоналға өте жоғары квалификацияның керектігі; өнімділіктің салыстырмалы төмендігі; жабындыны алудың нақты жағдайлары үшін технологиялық режимді
Сурет 9 - PVD әдіспен қаптаманы орнатуының типтік қондырғысының схемасы
Бұл суретте көрстетігендей 1-қаптама материалы, 2-материалдыоң фазаға көшіру системасы, 3-буланған заттың ағыны, 4-төсеніш, 5-байда болып келе жатқан қаптама, 6-төсенішке қарай оң фазаға материал қаптамасының орын ауыстыру системасы, 7-төсенішке қонатын зат ағынының фокусталу системасы, 8-төсеніштің бекітілу және басқарыла орын ауыстыруының схемасы, 9-төсеніштің қыздырылу температурасының басқарылу системасы, 10-технологиялық параметрлерді басқару және қадағалау системасы, 11-вакуумдық камера, 12-жоғары вакуумды жасайтын және ұстап тұруды қамтамасыз ететін система (вакуумдық жылжымалар системасы, форвакуумдық және жоғары вакуумдық насостар системасы, азоттық тұзақ және т.б.), 13-шлюздік камера және төсеніштерді жеткізтен және ауыстыратын система, 14-қарауға арналған басқарылатын терезе, 15-суыту системасы болып табылады.
4.1.1.Иондық - реактивті тозаңдату.
Иондық тозаңдату әдістері жайлы толық мағлұматтар бар:
1) Ж.Ж. - катодтық тозаңдату (жоғарғы жиілікті);
2) Ж.Ж. - магнетрондық тозаңдату;
3) Тұрақты токтагы магнетрондық тозаңдату;
4) Иондық шоқтармен тозаңдату.
Иондық реактивтің тозаңдату әдісінің мынадай артықшылықтары бар:
а) көміртекті шикізаттың толығымен қолданылуы ;
б) жоғарғы жылдамдықта орналыстырылған а-С:Н қабықшаны алу;
в) қабықшадағы сутегі концентрациясын кеңейтілген аралықта өзгерту;
г) ауданы үлкен қабықшаның бірқалыпты қалыңдықта алынуы.
Ионды реактивті орналастыру кезіндегі негізгі технологиялық параметрлер мыналар: орналастыру температурасы, аргонды сутектік қоспаның құрамы, орналастыру қуаты, орналастыру кернеуі, төсеніш пен нысанаға дейін арақашықтық, жіктелетін газдар мен нысананың тазалығы.
Зерттеу барысында аморфты көміртекті орналастыру кезінде қабықшаның негізгі сипаттамалырына технологиялық параметрлердің әсері электірлік және оптикалық қасиеттерінің сутегі қысымынан тәуелді.
Тәжірбиелерде Ar-H қоспасындағы сутегі мөлшерінің көбеюі Cн 40%- тен жоғары болғанда , қабықша кристаллданып активация энергиясы 0,75-0,1 эВ дейін тез төмендеуіне әкеледі.
Графит пен мыс нысандарын аргон- сутегі (80% Ar және 20% H2) газдарының қоспасының атмосферасында ионды- плазмалық магнетронды бірге шашырату әдісі арқылы мыс қоспалары бар а-С:Н қабыршақтары алынды. a-С:НCu қабыршақтарының микроқұрылымы, электрлік және оптикалық қасиеттері зерттелді. Тәжірибе нәтижесі мен теорияны қолдану негізінде келесідей қорытынды жасалды: мыстың кейбір табалдырық концентрациясына дейін қабыршақтардағы мыстың нанокластерлері әр түрлі формада болған,
4.1.1.1.Магнетронды буландыру
Қондырғының құрылымдық схемасы және әдіс сипаттамасы
Магнетронды буландыру материалды иондық атқылау арқылы буландыру әдісіне жатады.
Магнетронды буландыру жүйесінің схемасы сурет 10да көрсетілген.
1 - оқшаулағыш,
2 - магнетопровод,
3 - сумен суыту жүйесі,
4 - катодтық түйін корпусы,
5 - тұрақты магнит,
6 - вакуумдық камера қабырғасы,
7 - магниттік өрістің күш сызықтары,
8 - шеңберлік сумен суытылатын анод,
9 - буланатын катодтың эрозия аумағы.
Сурет 10-Магнетронды буландыру қондырғысы
Негізгі элементі болып буландыратын материалдан жасалған жалпақ катод, катод периметрі бойынша орналатын анод, әдетте тұрақты магнитте болатын магниттік жүйе, және сумен суыту жүйесі. Магниттік өрістің күш сызықтары полюстар аралығында тұйықталып электрөрісі сызықтарымен қиылысады. Қондырғының жұмыс істеу приципі электрлік және магниттік өрістердің қиылысу жеріндегі электрондардың тежелуіне негізделген.
Электр өрісінде қозғалып бара жатқан зарядқа Лоренц күші әсер ететіні белгілі, оның бағыты кұштер қосындысы ережесі бойынша олардың құраушыларының баңғыттарына байланысты болады. Сонымен қатар, магнит өрісінің әсерінен пайда болған Лоренц күшінің бір бөлігі жұмыс жасамайды, тек және перпендикуляр жазықтық бойынша дөңгелек бойымен қозғалуға мәжбүрлеп траекториясын қисайтады.
Нысана (кері потенциал) мен анод (оң потенциал) арасында тұрақты кернеу берген кезде бір текті емес электр өрісі және тлеющий разряд пайда болады. Буландырылатын нысана бетіне тұйықталған магнит өрісінің бар болуы разряд плазмасын нысана маңында шектеуге мүмкіндік береді. Электрон электр өрісінен алған энергияны жұмыс газының бір атомымен соқтығысып, энергияны жоғалтқанша электромагниттік тұзақта айналып жүреді. Осылайша, электронның энергиясының көп бөлігі анодқа жеткенше ионизация процессінің эффективтілігін арттыратын және нысана бетіндегі оң зарядталған иондар концентрациясының артуына көмектесетін қоздыру мен ионизацияға қолданылады. Бұл өз кезегінде нысананың иондық атқылауының интенсивтілігін арттыруына және қаптаманың қону жылдамдығының артуына алып келеді.
Осылайша, магнетрондық құрылғылардағы электрлік және магниттік өрістердің бір уақыттағы жұмысы электронның қозғалу траекториясын өзгертеді. Катодпен эмитирленген және ионизация кезінде пайда болған электрондар тұйық магнит өрісі нәтижесінде буландырылатын материалдың беткі жағындажиналады. Олар бір шетінен бетке жақын маңайда циклотронды траектория бойынша электрондарды қозғалысқа келтіретін магниттік өріс әсерінен, екінші шетінен оларды анодқа қарай катодтың электр өрісінің тебуі нәтижесінде пайда болатын тұзаққа түседі. Электрондардың аргон молекулаларымен соқтығысының саны және олардың иондалуының ықтималдығы күрт өседі. Электрлік және магниттік өрістердің әсерінің біртексіздігі нәтижесіндекатод алды аумақта иондалу интенсивтілігі әр жерде әр түрлі. Максималды мәні магнит өірісінің индуктивтілігінің сызығы электр өірісінің кернеуінің векторларына перпендикуляр болатын аумағында байқалады, ал минималды мәні олардың бағыттары сәйкес келген жерде.
Магнит өрісінің күш сызықтарының кірісі мен шығысы жүйесі арасында орналасқан нысана беті интенсивті буланады және магниттік жүйе полюстарының формасына қарай геометриясы анықталатын тұйық жолды құрайды. Катод алды аумақтағы плазманың оқшаулануы кіші жұмыс қысы кезінде иондық токтың тығыздығының үлкен мәнін алуға және сәйкесінше, буланудың үлкен жылдамдығын қамтамасыз етуге мүмкіндік берді.
Магнетрондық құрылғы иондық буландырудың кіші вольттік жүйесіне жатады. Тұрақты ток қорек көзінің кернеуі 1000-1500 В-тан аспайды. Катодқа теріс потенциал берілген кезде электродтар арасында аргон ортасында аномальді тлеющий разряд пайда болады. магниттік тұзақтың бар болуы диодтық жүйемен салыстырғанда төмен кернеуде газдың бірдей температураларында разрядтың пайда болуын қамтамасыз етеді. Разряд кернеуі 300-700 В-ті құрайды.
Магнетрон жұмыс газының 10-2-нен 1Па және одан үлкен қысым аралығында жұмыс жасай алады. Газ қысымы және магнит өрісінің индукциясы разряд сипаттамасына үлкен әсерін тигізеді. Қысымның төмендеуі жұмыс кернеуінің өсуіне себепкер болады. Дәл сол уақытта әр магнетрондық жүйе үшін қысымның ауытқуы разрядтың параметрлері үлкен әсерін бермейтін мәндер интервалы болады, әдетте 10-1-1 Па. Магнит өрісінің әсері газдық ортаның әсеріне пара-пар. Сол себепті магнетрондардағы төмен жұмыс қысымы катод бетіндегі мәні 0,03-0,1 Тл құрайтын магнит өрісінің индукциясын өсуін қамтамасыз етеді. Меншікті қуаттың өсуі төмен қысым аумағында разрядтың тұрақталуына сбепкер болады
.
4.1.1.2.Катодты тозаңдаттыру
Аморфтық қабаттарды катодтық тозаңдату(sputtering ) әдiсімен алған кезде инертті газдың атмосферасында, көбінесе төмендетiлгенiлген қысымда ( (10 - 10-2) Па)) аргонда жүзеге асатын газды разряд қолданылады. Бұл әдістің ең қарапайым нұсқасы - екі электродты (4.20а-сурет). 1-0,1 Па қысым кезінде вакуумда ұшқын разрядтың плазмаларын қолдануға негізделінген [94,100]. Процесті бастар алдында реактивті газдарды жою мақсатында вакуумдық камерада 10-2-10-3 Па-ға дейінгі вакуум түзеді, сосын камераға инертті газды жібереді де жұмыстық мәнге дейінгі қысым беріледі. Көбінесе аргон қолданылады. Катод (тозаңдатылатын материалдың нысанасы) мен анод (ережеге сай, қаптау енгізілетін төсенішті ұстағыш) арасында 1-5 кв тұрақты кернеу тіркелінеді. Кернеудің мұндай шамасы нонизация потенциал мен саңылау кернеуін арттырады, сондықтан екінші электрондардың жеткілікті саны катодпен эмиттерленеді. Бұл электрондар катодтан анодқа қарай қозғалу арқылы газ атомдарымен соқтығысып, оларды иондайды.
Сурет 11-Катодты тозаңдатудың негізгі принципті сұлбасы.
Катодтық тозаңдату әдістері екі немесе аданда көп электроттар арқылы жүзеге асады олар: а) екі электродты әдіс , б) төрт электродты әдіс
Cуретте көрсетілгендей құрамдық барсы 1- вакуумдық камера, 2- төсенішті ұстағыш (екі электродты әдісте анод болып келеді),3- төсеніш, 4- ұшқын разряд плазмасының аумағы, 5- нысана (тозаңдатылатын материал), 6-негізгі катод, 7- жылулық катод ,8-тұрақтандырғыш электрод,9- анод сяақты бөліктерден тұрады.
Сурет 12-Катодты шашырату екі(а) немесе үш (б) электродтан тұратын қондырғы
Нәтижесінде ұшқын разряд пайда болады. Инертті газдың пайда болатын иондары нысана-катодты атқылайды. Және одан жабынды атомдары шығарылады. Соңынан төсенішке жақын орналасқанға тұндырылады. Ұстағышпен бірге төсеніш массаға тұйықталған, бірақ бірқатар жағдайларда анод пен төсенішті ұстағыш функцияларының беттесуі болуы мүмкін. Жоғарғы мәнді энергиясы бар иондардың жеткілікті ықтималдығын қамтамасыз ету үшін (сәйкесінше тозаңдату процесінің жеткілікті өнімділігін қамтамасыз ету үшін) анод пен катод бір-біріне жеткілікті түрде жақын орналасуы тиіс. Әдетте арақашықтық анод теріс жарық аумағына түспейтіндей етіп таңдалынады. Бір жағынан, егер анодты қара кеңістік аумағына жылжытсақ, онда катод пен анод арасындағы арақашықтық аз болады, электрондардың еркін жүру жолының шамасы, газдың ионизациясы болмайды [100]. Әдістің аталған нұсқасында тұндыру жылдамдығы өте төмен (0,1 мкммин).
Катодтық тозаңдатудың бір түрі - жоғары жиілікті тозаңдату. Олардың ортақ сұлбасы 4.20а-суретпен ұқсас, тек тұрақты токтың орнына айнымалы жоғары жиілікті ток - 0,3-2 кв, 13-14 МГц жиілік қолданылады. Кейбір жағдайларда газды қоспасы бар материал төсенішіне енетін тозаңдарды азайтуға мүмкіндік беретін анодқа -0,1-0,5кв қосымша қозғалыс потенциалын береді.
Процестің өнімділігін арттыру үшін өте күрделі сұлбалар қолданылады, оның ішінде төртэлектродты әдіс пен магнетронды тозаңдату әдістері.
Төрт электродты сұлба кезінде (4.20б-сурет) разряд кернеуі өте төмен болуы мүмкін, ал разрядты ток пен кернеу нысанаға бір-біріне тәуелсіз реттеледі. Разряд жылулық катод пен анод арасындағы потенциалдар айырмасының есебінен туындайды, ал тозаңдату кері потенциал берілетін катод-нысанамен газ иондарының соқтығысуы кезінде өтеді. Электрондардың жылулық эмиссиясын қамтамасыз ететін температураға дейін қыздырылатын жылулық катодты енгізу плазманың пайда болуын айтарлықтай жеңілдетеді және процестің өте жоғары вакуум (0,1Па) кезінде өтуін қамтамасыз етеді, сәйкесінше тозаңдатылатын материалдың тазалығын қамтамасы етеді. Тұндыру жылдамдығы 1мкммин-ты құрайды. Бұл нұсқаның кемшілігі кей жағдайларда 300-500 оС-қа жететін төсенішті қыздыру [94].
Катодты тозаңдату, негізінде, металдық материалдардан қабаттарды алу үшін қолданылады.
4.1.2.Ионды- сәулелік әдістер
Аталған әдіс тобы жақында ғана даму алған және иондардың концентрацияланған ағынды қолдануға негізделінген. Ионды-сәулелік технология жоғары технология деп аталатын технологияға жатады және ғылым мен техниканың әртүрлі салаларының жетістігіндегі пәнаралық амалдың нәтижесі.
4.1.2.1.Ионды-сәулелік тозаңдаттыру
Катодты және магнетронды тозаңдату әдістерінің айтарлықтай дамыған нұсқасы. Әдістің артықшылығы - инертті газдың иондары жеке орналасқан тәуелсіз ионды көзден 1-10кэВ энергиялы концентрацияланған ағын түрінде тозаңдатылатын материалға (нысанаға) беріледі [103,109,117] (4.23-сурет). Процесс 10-3...10-2 Па қысымды вакуумда өтеді. Ионды сәуленің пайда болуы тозаңдатылатын материалмен қаншалықты байланыспаған болса, онда металдық сияқты диэлектрлік материалдардың тозаңдатуды жүзеге асыруға болады (нысананың бетінде оң потенциалдардың жиналуын толтыратын құрылғыларын қолдану кезінде). Иондармен тозаңдатылатын нысана материалы иондалуы мүмкін және төсенішке қосымша жылжу потенциалын қосу кезінде қосымша үдетілуі мүмкін. Разряд плазмасының концентрациясы ион көзінің ішінде төсеніш материалының қатты ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz