Көміртектің құрылымды модификациясы
КІРІСПЕ
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
1.1 Көміртектің құрылымды модификациясы
1.2 Кристалдық емес көміртегінің түрлері
1.3 Алмазтектес көміртегінің электрондық қасиетінің қазіргі заманғы мәселелер модификациясы
1.4 Аморфты фаза туралы ұғым
2 ЗЕРТХАНАЛЫҚ БӨЛІМ
2.1 Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
2.2 Магнетрондық әдіс
2.3 Жұқа қабыршақтардың вакуумдағы технологиясы
2.4 Раманспектроскопиясы (жарықтыңкомбинациялықшашырауы)
2.5 Комбинациялық шашыраудың негіздері, әдістері, қолданылуы
3 ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕЛЕРІН ТАЛДАУ
3.1 Aморфтыкөміртек қабықшаларының раман спектроскопиясында зерттеу нәтижелері.
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
1.1 Көміртектің құрылымды модификациясы
1.2 Кристалдық емес көміртегінің түрлері
1.3 Алмазтектес көміртегінің электрондық қасиетінің қазіргі заманғы мәселелер модификациясы
1.4 Аморфты фаза туралы ұғым
2 ЗЕРТХАНАЛЫҚ БӨЛІМ
2.1 Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
2.2 Магнетрондық әдіс
2.3 Жұқа қабыршақтардың вакуумдағы технологиясы
2.4 Раманспектроскопиясы (жарықтыңкомбинациялықшашырауы)
2.5 Комбинациялық шашыраудың негіздері, әдістері, қолданылуы
3 ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕЛЕРІН ТАЛДАУ
3.1 Aморфтыкөміртек қабықшаларының раман спектроскопиясында зерттеу нәтижелері.
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Көміртек әртүрлі электрондық конфигурация байланысын түзу қасиетінің арқасында ерекше зат болып табылады. Қарапайым модельде осы конфигурацияның гибридизациясы sp,sp2 және sp3түсіндіріледі.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.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.Өндірісте жартылай өткізгішті дискретті құрал,сонымен қатар технологиялық процесстер мен интегралды микросхемада жинақталады (эпитакциялар, фотолитографиялар, травления, диффузия, пленкаларды отырғызу және тағы сол сияқты). Барлық жартылай өткізгішті приборларды дайындау барысында вакуумде жұқа пленкаларды буландыру әдісі қолданылады (жұқа пленкаларды алу технологиясында).Маңызды айта кететін мәселе, жартылай өткізгішті материалдардың барлық түрін технологиялық отырғызу просестері жұқа пленкалардың вакуумде жүруі - жұқа пленкалы технология деп аталады.Пленкаларды отырғызу барысында вакуум генерация әсерінен ағын бөлшегімен, жинағыш төшеніш жаққа қарай және олардың жіберілетін тоқ арқылы үстін жауып тұратын қабаттардан құралады.Сонымен, осы вакуумде жұқа пленкаларды алу келесі негізгі элементтерден құралады.
o вакуумдық системадан;
o тұндырылған материалдың сақталуы;
o технологиялық процесстерді өткізуін қамтамасыз етуі;
o транспорттық позициялық құрылғы;
o пленкамен жабу зонасына төсеніштерін енгізуін қамтамасыз етеді және жабындалатын материалдың бөлшек ағындарына қатысты беттік өңдеу.
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.Өндірісте жартылай өткізгішті дискретті құрал,сонымен қатар технологиялық процесстер мен интегралды микросхемада жинақталады (эпитакциялар, фотолитографиялар, травления, диффузия, пленкаларды отырғызу және тағы сол сияқты). Барлық жартылай өткізгішті приборларды дайындау барысында вакуумде жұқа пленкаларды буландыру әдісі қолданылады (жұқа пленкаларды алу технологиясында).Маңызды айта кететін мәселе, жартылай өткізгішті материалдардың барлық түрін технологиялық отырғызу просестері жұқа пленкалардың вакуумде жүруі - жұқа пленкалы технология деп аталады.Пленкаларды отырғызу барысында вакуум генерация әсерінен ағын бөлшегімен, жинағыш төшеніш жаққа қарай және олардың жіберілетін тоқ арқылы үстін жауып тұратын қабаттардан құралады.Сонымен, осы вакуумде жұқа пленкаларды алу келесі негізгі элементтерден құралады.
o вакуумдық системадан;
o тұндырылған материалдың сақталуы;
o технологиялық процесстерді өткізуін қамтамасыз етуі;
o транспорттық позициялық құрылғы;
o пленкамен жабу зонасына төсеніштерін енгізуін қамтамасыз етеді және жабындалатын материалдың бөлшек ағындарына қатысты беттік өңдеу.
1. Yang P., Kwok S.C.H., Fu R.K.Y., Leng Y.X., Wang J., Wan G.J., Huang N., Leng Y., Chu P.K. Structural and properties of annealed amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) films for biomedical applications // Surface and coatings technology. – 2004. –V.177-178. –P. 747-751.
2. Green D.C., Mckenzie D.R., Lukins P.B. The microstructure of carbon thin films// Material science forum. –1989. –V.52-53. –P.103-124.
3. Robertson J. Electronic structure and bonding of a-C:H// Material science forum. –1989. –V.52-53. –P.125-150.
4. Pesin L.A., Baitinger E.M. A new structural model of glass-like carbon// Carbon. –2002. –V.40. –P.295-306.
5. Schiffmann K. Microwear experiments on metal-containg amorphous hydrocarbon hard coatings by AFM: Wear mechanics and models for the load and time dependence // Wear. –1998. –V.216. –P.27-34.
6. Серов И. Н., Жабреев. В. А., Марголин В. И. Проблемы нанотехнологии в современном материаловедении // Физика и химия стекла. 2003 Т. 29. №2. С.54-56
7. Иванов-Омский В.И., Ястребов С.Г., Голубок А.О., Масалов С.А., Розанов В.В. Исследование поверхности пленок алмазоподобного углерода, легированного медью // Письма в ЖТФ. –1998. –T.24. –С.28-34.
8. Sarsembinov Sh.Sh., Prikhodko O. Yu., Ryaguzov A. P., Maksimova S. Ya., Manabaev N. K., Mahmoud F. A. Electronic properties of diamondlike amorphous carbon films // Proc. Second Intern. Symposium “Physics and Chemistry of Carbon Materials”. –Almaty, 2002. –P. 51-53.
9. Wang W.J., Wang T.M., Jing C. Characterization of diamond like carbon films before and after heavy energetic ion implantations // Diamond and related materials. –1996. –V.5. –P.1418-1423.
10. Klibanov L., Oksman M., Seidman A., croitoru N. The drift mobility and decay of photocurrent in doped amorphous diamond-like carbon films // Diamond and related materials. –1997. –V.6. –P.1152-1156.
11.Данченков А.А., Лигачев В.А., Попов А.И. Морфология, проводимость и эффект псевдолегирования в аморфных и аморфно-кристаллических пленках C:H // ФТП. –1993, – 158 с.
11. Grill A. Electrical and optical properties of diamond like carbon // Thin solid films. – 1999. –V.355-356. –P.189- 193.
12. Girogis F., Giuliani F., Pirri C.F. Tagliaferro A., Tresso E., Correlation between gap density of states and recombination processes in high electron quality a-C:H // J. Non-Cryst. Solids. –1998. –V.227-230. –P.565-569.
13. Meunier C., Tomasella E., Vives S., Mikhailov S. X-Ray reflectometry study of diamond like carbon films obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition // Diamond and related materials. –2001. –V.10. –P.1491-1496.
14. Enke K. Amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) for optical , electrical and mechanical application // Material science forum. –1989. –V.52-53. –P.559-567.
15. Popescu B., Tagliaferro A., DeZan F., Davis E.A. Hydrogen incorporation and its structural effect on a-C:H films deposited by magnetron sputtering // Journal of non-crystalline solids. –2000. –V.266-269. –P. 803-807.
16. Звонарева Т.К., Иванов-Омский В.И., Нащекин А.В., Шаронова Л.В. Особенности роста пленок а-С:Н и а-С:Н(Сu) при магнетронном распылении // ФТП. –2000. – T. 34. –С.96-101.
17. Yoshikao M. Raman spectra of diamond like amorphous carbon films // Material Science forum. –1989. –V.52-53. –P.365-386.
18. Gilkes K.W.R., Sands H.S., Batchelder D.N., Milne W.I., Roberson J. Direct observation of sp3 bonding in tetrahedral amorphous carbon UV Raman spectroscopy // J. Non-Cryst. Solids. –1998. –V.230. –P.612-616.
19. Szekrenyes Zs., Nemes-Incze P., Darbont Al. et.al. Synthesis and Raman characterization of single-walled carbon nanotubes growth by injection chemical vapour deposition//Journal of optoelectronics and advanced materials. – 2007. – V. 9, № 3, Р.106-108.
20. С. Тихомиров, Т. Кимстач. Спектроскопия комбинационного рассеяния –перспективный метод исследования углеродных наноматериалов. Научно –технический журнал «Аналитика».– 1997. – V. 9, № 3, Р.67-69.
21. Комбинационное Рассеяние Унт, Полученных Различными Методами О.С.Тимофеев, Н.Г.ЧеченинНаучно-исследовательский институт ядерной физики МГУ. – 2002. – V. 18, № 4, Р.83-86
22. S. Costa1, E. Borowiak-Palen, M. Kruszyñska, A. Bachmatiuk, R J. Kalenczuk “Characterization of Carbon Nanotubes by Raman spectroscopy Centre of Knowledge Based Nanomaterials and Technologies”. – 2007. – V. 9, № 3, Р.91-93
23. Resonant Raman spectroscopy on enriched 13C carbon nanotubes/Sara D. Costa, Cristiano Fantini, ArieteRighi ,AlicjaBachmatiuk , Mark H. Ru¨ mmeli, RiichiroSaito , Marcos A. Pimenta/CARBON49.– 2011 –P.471 9 –4723.
24. J. F. Xu, W. Ji, Z. X. Shen et al., “Raman spectra of CuO nanocrystals”, Journal of Raman Spectroscopy, –1999 – V.30, №. 5, P. 413-415.
25. “Raman Spectroscopy as a Probe of Graphene and Carbon Nano¬tubes”, M.S. Dresselhaus, Phil. Trans. R. Soc. A –2008 – 28 V.366 №. 18, P 63, 2008.
26. “Raman Spectroscopy of Carbon Materials: Structural Basis Of Ob¬served Spectra”, Y.Wang, D.C Alsmeyer and R. McCreery, Chem.Matter, 2, – 1990 – V.30, P. 413-415.
27. Andrea Carlo Ferrari and John Robertson. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon and nanodiamond. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A – 2004– V.362, P.2477–2512.
28. Liule Li., Haiquan Zhang., Yanhua Zhang., Paul K. Chu., Xiubo Tian., Lifang Xia., Xinxin Ma. Structural analysis of arc deposited diamond like carbon films by Raman and X-ray photoelectron spectroscopy // Material science and engineering B. –2002. –V. 94. –P.95-101.
29. Allon- Alaluf M., Klibanov L., Seidman A., Croitoru N. Metal contact and electrical processes in amorphous diamond like carbon films // Diamond and related materials. –1996. –V.5. –P.1275-1281.
30. Ferrari A.C., Kleinsorge B., Adamopoulos G., Robertson J., Milne W.I., Stolojan V., Brown L.M., Libassi A., Tanner B.K. Determination of bonding in amorphous carbons by electron energy loss spectroscopy, Raman scattering and X-Ray reflectivity // J. Non-Cryst. Solids. –2000. –V.266-269. –P.765-768.
31. Scheibe H.-J., Drescher D., Jackel R. Characterization by UV-visible and IR spectroscopy of thin diamond like carbon films by laser-arc // Diamond and related materials. –1994. –V.3. –P.732-736.
32. Mominzzaman Sh.M. Krishna K.M., Soga T., Jimbo T., Umeno M., Raman spectra of ion beam sputtered amorphous carbon// Carbon. –2000. –V.38. –P.127-131.
33. Koos M., Moustafa S.H., Szilagyi E., Pocsik I. Non-Arrhenius temperature dependence of direct-current conductivity in amorphous carbon (a-C:H) above room temperature // Diamond and related materials. –1999. –V.8. –P.1919-1926.
34. Цэндин,К.Д.Нелинейностьвольт–амперныххарактеристикхалькогенидныхстеклообразныхполупроводников,обусловленнаямногофононнойтуннельнойионизациейU–минусцентров/К.Д.Цэндин//Физикаитехникаполупроводников.–2009.– Том 43.– 297 с.
2. Green D.C., Mckenzie D.R., Lukins P.B. The microstructure of carbon thin films// Material science forum. –1989. –V.52-53. –P.103-124.
3. Robertson J. Electronic structure and bonding of a-C:H// Material science forum. –1989. –V.52-53. –P.125-150.
4. Pesin L.A., Baitinger E.M. A new structural model of glass-like carbon// Carbon. –2002. –V.40. –P.295-306.
5. Schiffmann K. Microwear experiments on metal-containg amorphous hydrocarbon hard coatings by AFM: Wear mechanics and models for the load and time dependence // Wear. –1998. –V.216. –P.27-34.
6. Серов И. Н., Жабреев. В. А., Марголин В. И. Проблемы нанотехнологии в современном материаловедении // Физика и химия стекла. 2003 Т. 29. №2. С.54-56
7. Иванов-Омский В.И., Ястребов С.Г., Голубок А.О., Масалов С.А., Розанов В.В. Исследование поверхности пленок алмазоподобного углерода, легированного медью // Письма в ЖТФ. –1998. –T.24. –С.28-34.
8. Sarsembinov Sh.Sh., Prikhodko O. Yu., Ryaguzov A. P., Maksimova S. Ya., Manabaev N. K., Mahmoud F. A. Electronic properties of diamondlike amorphous carbon films // Proc. Second Intern. Symposium “Physics and Chemistry of Carbon Materials”. –Almaty, 2002. –P. 51-53.
9. Wang W.J., Wang T.M., Jing C. Characterization of diamond like carbon films before and after heavy energetic ion implantations // Diamond and related materials. –1996. –V.5. –P.1418-1423.
10. Klibanov L., Oksman M., Seidman A., croitoru N. The drift mobility and decay of photocurrent in doped amorphous diamond-like carbon films // Diamond and related materials. –1997. –V.6. –P.1152-1156.
11.Данченков А.А., Лигачев В.А., Попов А.И. Морфология, проводимость и эффект псевдолегирования в аморфных и аморфно-кристаллических пленках C:H // ФТП. –1993, – 158 с.
11. Grill A. Electrical and optical properties of diamond like carbon // Thin solid films. – 1999. –V.355-356. –P.189- 193.
12. Girogis F., Giuliani F., Pirri C.F. Tagliaferro A., Tresso E., Correlation between gap density of states and recombination processes in high electron quality a-C:H // J. Non-Cryst. Solids. –1998. –V.227-230. –P.565-569.
13. Meunier C., Tomasella E., Vives S., Mikhailov S. X-Ray reflectometry study of diamond like carbon films obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition // Diamond and related materials. –2001. –V.10. –P.1491-1496.
14. Enke K. Amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) for optical , electrical and mechanical application // Material science forum. –1989. –V.52-53. –P.559-567.
15. Popescu B., Tagliaferro A., DeZan F., Davis E.A. Hydrogen incorporation and its structural effect on a-C:H films deposited by magnetron sputtering // Journal of non-crystalline solids. –2000. –V.266-269. –P. 803-807.
16. Звонарева Т.К., Иванов-Омский В.И., Нащекин А.В., Шаронова Л.В. Особенности роста пленок а-С:Н и а-С:Н(Сu) при магнетронном распылении // ФТП. –2000. – T. 34. –С.96-101.
17. Yoshikao M. Raman spectra of diamond like amorphous carbon films // Material Science forum. –1989. –V.52-53. –P.365-386.
18. Gilkes K.W.R., Sands H.S., Batchelder D.N., Milne W.I., Roberson J. Direct observation of sp3 bonding in tetrahedral amorphous carbon UV Raman spectroscopy // J. Non-Cryst. Solids. –1998. –V.230. –P.612-616.
19. Szekrenyes Zs., Nemes-Incze P., Darbont Al. et.al. Synthesis and Raman characterization of single-walled carbon nanotubes growth by injection chemical vapour deposition//Journal of optoelectronics and advanced materials. – 2007. – V. 9, № 3, Р.106-108.
20. С. Тихомиров, Т. Кимстач. Спектроскопия комбинационного рассеяния –перспективный метод исследования углеродных наноматериалов. Научно –технический журнал «Аналитика».– 1997. – V. 9, № 3, Р.67-69.
21. Комбинационное Рассеяние Унт, Полученных Различными Методами О.С.Тимофеев, Н.Г.ЧеченинНаучно-исследовательский институт ядерной физики МГУ. – 2002. – V. 18, № 4, Р.83-86
22. S. Costa1, E. Borowiak-Palen, M. Kruszyñska, A. Bachmatiuk, R J. Kalenczuk “Characterization of Carbon Nanotubes by Raman spectroscopy Centre of Knowledge Based Nanomaterials and Technologies”. – 2007. – V. 9, № 3, Р.91-93
23. Resonant Raman spectroscopy on enriched 13C carbon nanotubes/Sara D. Costa, Cristiano Fantini, ArieteRighi ,AlicjaBachmatiuk , Mark H. Ru¨ mmeli, RiichiroSaito , Marcos A. Pimenta/CARBON49.– 2011 –P.471 9 –4723.
24. J. F. Xu, W. Ji, Z. X. Shen et al., “Raman spectra of CuO nanocrystals”, Journal of Raman Spectroscopy, –1999 – V.30, №. 5, P. 413-415.
25. “Raman Spectroscopy as a Probe of Graphene and Carbon Nano¬tubes”, M.S. Dresselhaus, Phil. Trans. R. Soc. A –2008 – 28 V.366 №. 18, P 63, 2008.
26. “Raman Spectroscopy of Carbon Materials: Structural Basis Of Ob¬served Spectra”, Y.Wang, D.C Alsmeyer and R. McCreery, Chem.Matter, 2, – 1990 – V.30, P. 413-415.
27. Andrea Carlo Ferrari and John Robertson. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon and nanodiamond. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A – 2004– V.362, P.2477–2512.
28. Liule Li., Haiquan Zhang., Yanhua Zhang., Paul K. Chu., Xiubo Tian., Lifang Xia., Xinxin Ma. Structural analysis of arc deposited diamond like carbon films by Raman and X-ray photoelectron spectroscopy // Material science and engineering B. –2002. –V. 94. –P.95-101.
29. Allon- Alaluf M., Klibanov L., Seidman A., Croitoru N. Metal contact and electrical processes in amorphous diamond like carbon films // Diamond and related materials. –1996. –V.5. –P.1275-1281.
30. Ferrari A.C., Kleinsorge B., Adamopoulos G., Robertson J., Milne W.I., Stolojan V., Brown L.M., Libassi A., Tanner B.K. Determination of bonding in amorphous carbons by electron energy loss spectroscopy, Raman scattering and X-Ray reflectivity // J. Non-Cryst. Solids. –2000. –V.266-269. –P.765-768.
31. Scheibe H.-J., Drescher D., Jackel R. Characterization by UV-visible and IR spectroscopy of thin diamond like carbon films by laser-arc // Diamond and related materials. –1994. –V.3. –P.732-736.
32. Mominzzaman Sh.M. Krishna K.M., Soga T., Jimbo T., Umeno M., Raman spectra of ion beam sputtered amorphous carbon// Carbon. –2000. –V.38. –P.127-131.
33. Koos M., Moustafa S.H., Szilagyi E., Pocsik I. Non-Arrhenius temperature dependence of direct-current conductivity in amorphous carbon (a-C:H) above room temperature // Diamond and related materials. –1999. –V.8. –P.1919-1926.
34. Цэндин,К.Д.Нелинейностьвольт–амперныххарактеристикхалькогенидныхстеклообразныхполупроводников,обусловленнаямногофононнойтуннельнойионизациейU–минусцентров/К.Д.Цэндин//Физикаитехникаполупроводников.–2009.– Том 43.– 297 с.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
6
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
9
1.1 Көміртектің құрылымды модификациясы
9
1.2 Кристалдық емес көміртегінің түрлері
11
1.3 Алмазтектес көміртегінің электрондық қасиетінің қазіргі заманғы мәселелер модификациясы
15
1.4 Аморфты фаза туралы ұғым
20
2 ЗЕРТХАНАЛЫҚ БӨЛІМ
21
2.1 Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
21
2.2 Магнетрондық әдіс
22
2.3 Жұқа қабыршақтардың вакуумдағы технологиясы
24
2.4 Раман спектроскопиясы (жарықтың комбинациялық шашырауы)
27
2.5 Комбинациялық шашыраудың негіздері, әдістері, қолданылуы
31
3 ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕЛЕРІН ТАЛДАУ
39
3.1 Aморфтыкөміртек қабықшаларының раман спектроскопиясында зерттеу нәтижелері.
39
ҚОРЫТЫНДЫ
43
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
44
КІРІСПЕ
Көміртек әртүрлі электрондық конфигурация байланысын түзу қасиетінің арқасында ерекше зат болып табылады. Қарапайым модельде осы конфигурацияның гибридизациясы sp,sp2 және sp3түсіндіріледі.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.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.Өндірісте жартылай өткізгішті дискретті құрал,сонымен қатар технологиялық процесстер мен интегралды микросхемада жинақталады (эпитакциялар, фотолитографиялар, травления, диффузия, пленкаларды отырғызу және тағы сол сияқты). Барлық жартылай өткізгішті приборларды дайындау барысында вакуумде жұқа пленкаларды буландыру әдісі қолданылады (жұқа пленкаларды алу технологиясында).Маңызды айта кететін мәселе, жартылай өткізгішті материалдардың барлық түрін технологиялық отырғызу просестері жұқа пленкалардың вакуумде жүруі - жұқа пленкалы технология деп аталады.Пленкаларды отырғызу барысында вакуум генерация әсерінен ағын бөлшегімен, жинағыш төшеніш жаққа қарай және олардың жіберілетін тоқ арқылы үстін жауып тұратын қабаттардан құралады.Сонымен, осы вакуумде жұқа пленкаларды алу келесі негізгі элементтерден құралады.
o вакуумдық системадан;
o тұндырылған материалдың сақталуы;
o технологиялық процесстерді өткізуін қамтамасыз етуі;
o транспорттық позициялық құрылғы;
o пленкамен жабу зонасына төсеніштерін енгізуін қамтамасыз етеді және жабындалатын материалдың бөлшек ағындарына қатысты беттік өңдеу.
o Вакуумде алынатын жұқа пленкаларды алу негізгі келесі операциялардан тұрады:
o жұмыс камерасын жабу және оны қажетті вакуумге дейін айдау;
o төселінетін заттан атомды (молекулаларды) ағын тудыратын қорек көзін қосу;
o вакуумды система және тұрақты жұмыс істейтін қорек көзі кезінде белгіленген қалыңдықтағы жабындымен жабу;
o бөлшек ағындарының қорек көзін өшіру, төсенішті суыту және жұмыс камерасына атмосфералық қысымға дейін ауамен толтыру;
o колпакты көтереді және өңделген төсеніштерді төсеніш көтергіштен алады.
o Кейбір жағдайларда қосымша операциялар жүргізіледі мысалы, төсенішті алдын ала қыздыру.
а-С:Н және оның қоспаларын орналастыру үшін әр түрлі әдістер қолданылады: магнетрондық әдісі, метанның буландыру фазасында химиялық орналастыру әдісі, иондық реактивті тозаңдату, күлгін жоғары жиілікті разрядты және тұрақты токтың күлгін разрядында метаннан орналастыру әдісі .
Құрылымы реттелмеген конденсирленген ортадағы алмазтектес қабықшалар, аморфты гидрогенирленген көміртегі (а-С:H) негізіндегі, магнетрондық тозаңдату әдісімен алынған.
Тозаңдату процесі - нысананы жоғарғы энергиялы иондармен атқылағанда, нысана материалдың бетінен атымдардың ұшып шығу процесі болып келеді. Сонымен қатар, жоғарыдағы анықтамаға сәйкес, тозаңдату процесі улау (травление) процесі ретінде қарастырылып, бетті тазалау және оны профильдеу үшін қолданылады.
Жұмыстың өзектілігі мен практикалық маңызы: жоғарыда қарастырылған аморфты көміртек пленкаларының құрылымы, қасиеттері және алу әдістерінен бұл материалдарды ерекшеқасиеттеріне, қолданылуына қарай бөліп қарастыруымызға болады.Тұндыру шарттарын (иондардың энергиясын, ағын құрамын,төсеніш температурасын және тағы басқа) өзгертіп, пленкалардың құрлымын басқару арқылы әр түрлі диапозандағы қасиетке ие болатын көміртек материалдарын алуға болады. Алынган пленкаларды раман спектроскопиясында және оптикалық қасиеттерін зерттеуге усынылады. Раман спектроскопиясы - серпімсіз монохроматты жарықтың шашырауын зерттейтін жүйе.Бұл әдістің мағынасы осы зерттелініп отырған зат өзінен белгілі бір толқын ұзындығына байланысты сәуле өткізеді. Алынған сәулелер линза көмегімен бір шұңқырға шоғырланып жарық фильтрі арқылы өтеді.Романовтың спктроскопиясында үлгі монохраматтық жарықпен сәулеленеді (әдетте сәулелендіру көзі лазер болып табылады). Үлгімен шашыраған сәулеленудің көп бөлігі түскен сәуле сияқты жиілікке ие болады, бұл процесс Релейше шашырау деп белгілі. Осыған қарамастан үлгіден шашыраған сәулеленудің кейбір мөлшері, шамамен миллионнан бір фотон (0.0001 %) ашғашқы лазерден сәулеленген жиілікке қарағанда ауысқан жиілікке ие болады.
o Жұмыстың мақсаты:Аморфты көміртек қабықшаларын магнетрон әдісімен жұқа пленкаларды вакуумде алу және раман спектроскопиясында зерттеу;
o Әдістің жұмыс істеу принципімен танысу;
o ВУП-5-те жоғарғы және төменгі вакуум алу;
o тозаңдату арқылы жұқа пленкаларды алуды тәжірибе түрінде көру.
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
1.1 Көміртектің құрылымды модификациясы
Көміртек әртүрлі электрондық конфигурация байланысын түзу қасиетінің арқасында ерекше зат болып табылады. Қарапайым модельде осы конфигурацияның гибридизациясы sp,sp2 және sp3түсіндіріледі және олар 1 суретте көрсетілген. Көміртегінің кеңінен таралған құрылымды модификациясы гибридтелген құрылымды байланыспен sp3құрылымы анықталған, алмаз және sp2гибридтелген байланысты графит (сурет 1). Графит қабатты құрылымды және қабаттар арасындағы байланысы Ван-дер -Валльс типті болады (сурет 2). Графит құрылымында айтарлықтай өзгерулер болады: қабаттардың қисаюы, атомдардың орналасуындағы сызықты иілуі, құрылымдардағы нүктелік ақаулардың пайда болуы [1].
Көміртегі атомы С2H2 ацетилен және карбин (C≡C)n секілді үштік байланыспен байланысқан. Мұнда көміртегі атомы sp-гибридтелген. Көміртегі әртүрлі қасиеті бар қатты денедегі кристалдық және кристалдық емес қатарын түзе алады. Кейбіреулері 1 кестеде көрсетілген.
Сурет 1 - Көміртегінің s және p атомдық орбиталдың гибридизацияның диаграммалық схемасы [1]
Сурет 2 - Көміртегінің құрылымдық модификациясы [1]
Бұл қасиеттер жартылай металдың графитпен (тиым салынған аумақта Eg 0эВ ретімен) оқшауланған алмазға (Eg 4эВ) дейінгі интервалда кеңінен реттеледі.
Сондықтан, жартылай өткізгіштік электроникада көміртегіні қолдануға себеп болады. Криталдық емес көміртегінің әртүрлі формасы 1.кестеде көрсетілген.
Кесте 1 - Әртүрлі формадағы көміртегінің кейбір механикалық және электрондық параметрлері [2]
Көміртегінің түрлері
Тығыздығы
гcм3
Қаттылық
кгмм2
sp3 %
ат.% H
Аумақ ені, эВ
Алмаз
3,515
10000
00
5.5
Графит
2,267
Төмен
0
-0,04
Шыны
Тәріздес
1,3-1,55
800-1200
~ 0
0,01
a-C,
~ 2
20-50
5
0,4-0,7
a-C:H, сутек ендірілген алмазтектес көміртегі
1,6-2,0
5000
40-70
10-40
0,8-2,7
a-C:H, полимер
1,2-1,6
Төмен
35-60
1,7- 4
Полиэтилен
1,0
Төмен
67
6
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 [3].
Қазіргі уақытта ретсіз құрылымды көміртектің көп түрлері бар. Оларға шыны тәрізді көміртек аморфты фторлы көміртек a-C:F, нитрогенизирленген көміртек a-C:N, графиттектес және полимертектес көміртек, гидрогенизирленген алмазтектес көміртек және тағы басқалары жатады. Зерттеушілер сутек енгізілген аморфты алмазтектес көміртекке ерекше көңіл бөліп отыр. Бұл материалдың маңыздылығы механикалық және электрондық қасиетіне байланысты. a-C:H қаттылығы табиғи алмаздың қаттылығына жақынырақ болып отыр. Сондықтан, ол алмазтектес көміртек деп аталады. Мұндай қасиет sp³ координерленген байланыстағы аморфты матрицада a-C:H басымдылығымен түсіндіріледі. Қазіргі уақытта ретсіз құрылымды алмазтектес көміртекті тәжірибеде қабықшаны нығайту, антифрикционды қорғау, жарықтандыру, изомерлер және поссиверлеу есебінде кеңінен қолданылады. a-C:H жоғары механикалық берікті және сенімді. a-C:H қабықшасынан жасалынған электронды құрылғылар жоғары температурада жұмыс істей алады. Болашақта алмазтектес көміртек күн энергиясында және медицинада биоматриал есебінде қолдануы мүмкін.
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 [4].
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.
1.2. Кристалдық емес көміртегінің түрлері
Шынытәріздес көміртегі. Бұл ақаулы графитті қабатты құрылымды көміртегі формасы. Қабат бойындағы атомның құрылым ретіндегі корреляцияланған ұзындық La 40A0 құрайды [4].
Шынытәріздес көміртегі 12000C-та фенол формальдегидті резина карбонизация жолымен алынуы мүмкін және 1 сағат бойында 1500, 2000, 2500, 2700 және 30000C инертті атмосферасында сатылы жылулық өңделу болуы мүмкін.Қорытындысы рентгендік дифракциясы, диамагниттік сезімталдығы , термо-эқк және электрондық эмиссиясы негізінде авторлар. шынытәріздес құрылымды көміртегінің жаңа модель және оны жылумен өңдеу жолымен модификациялау ұсынды. Бұдан басқа, экспериментті түрде пиролиздің бастапқы сатысында көптеген жіңішке графиттектес көміртекті қабаттар шынжырлы-қабатты матрицамен қоршалған. Бұл жылулық өңдеудегі жүйе тәртібін анықталудың негізгі факторы болып табылады. Ұсынылған модельдіңнегізгі ерекшелігі 20000C жоғары температурада бір уақытта құрылғаншынжырлы қабатты бөлікшедеструкциясы (бөлінуі, жіктелінуі) болып табылады.
Аморфты көміртегі графитті тозаңдату немесе оны электронды сәулемен буландыру арқылы жасалуы мүмкін. Оның құрылымы дифракция әдісімен зерттелді, электрондық және рентгендік үздіксіз ретсіз ортада әртүрлі қатынастағы sp2 және sp3 координацияланған байланысы бар деп моделденген [4]. Бұл модель (a-C)-де sp3 байланыстың максималды концентрациясы 5% құрайды деп санайды. a-C жарықтың комбинациялық шашырауының екі ерекшілігі бар: 1550 см-1 жалпақ негізгі шың және 1350 см-1қосымша шың болуы. Сондай ақ бұл ерекшеліктер олардың үш координирленген торда және жеке оқшауланған графиттің пайда болуын түсіндіретін, оған ұқсас КРС микрокристаллдық графиттің спектрінен бақылаймыз. а-С негізінен графиттің ретсіз қабатты кластерінен тұрады деп болжам жасалды [4].
Аморфты көміртегі бөлме температурасында табиғи көміртегіден қарапайым ионды-сәулелі тозаңдатумен кварц және монокристал кремний төсенішінде алады. Егер жылу өңдеуінен кейін үлгіде кристалл біртіндеп пайда болуы және құрылымның өзгеруі оптикалық тиым салынған аумағының ені және көміртегі атомының күйі sp3 байланысы арасында коррелияция байқалады. Ол КРС спектрінің зерттелумен қалыптасады.
Алмазтектес көміртегі (а-C) үлкен үлесті sp3байланысында жоғары қаттылығымен, химиялық инерттілігімен,оптикалық мөлдірлігімен және жоғары меншікті кедергісімен сипатталады. CVD импульсті лазермен тозаңдатылған және буландырылған әдістерімен жасалған а-С типтік қабықшалар сыну коэффициенті 1,8-2,2,оптикалық тиым салынған аумағының ені 1-2 эВ және меншікті кедергісі - 104-108 Ом·см. a-C КРС спектрінің негізгі жолағы 1530 см-1 маңында, үлкен интенсивтілігінен және әлсіз интенсивті қосымша жолағы 1400 см-1 маңында. Үлкен құрамды sp3 (87%-ке дейін) байланыстағы аморфты көміртегінің қабықшасын сипаттау үшін тетраэдрлік деген термин қолданылады және ta-С сәйкес белгіленуі ендіріледі [5].
Тетраэдрлік аморфты көміртегін магнитті фильтрлі магнетронды тозаңдату жүйесімен алуға болады. Үлкен үлесті sp3 байланысты қабықшаның құралуы төсеніште 10-нан 50 В-ке дейін ығысу кернеуінде болады. Алынған қабықшаның оптикалық тиым салынған аумағының ені 3 эВ-ті құрайды. Атомдық күштік микроскоппен алынған беттік қыртысының көрінісі қабықша біртекті және тегіс екенін көрсетті[6].
Тетраэдрлік аморфты көміртегінің КРС спектрін толқын ұзындығы 244 нм ультракүлгін лазермен тербелмелі модты қоздыру үшін қолданылады. Зерттеу ta-С спектрі sp2 және sp3күйіне сәйкес екі жақын жолақтан, яғни 1100 см-1 және 1600 см-1 тұратынын көрсетті. ta-С қабықшаның басты кемшілігі құрылымының тұрақсыздығы және сол үшін өзінің керемет қасиетіне қарамастан, бұл материал болашақта тәжірибеде кеңінен қолданысқа ие болмайды.
Гидрогенизирленген аморфты көміртегі - a-C:H aлмазтектес көміртегі DLC(diamond like carbon) ,графиттектес және полимертектес (PLC) сияқты әртүрлі модификацияға ие. a-C:H құрылымы мен қасиеті үштік фазалы диаграммада көрсетілгендей жасалу шартына тәуелді [7].
Полимертектес көміртегі - Полимертектес көміртегі қабықшасы 35-50 ат% сутегі құрамымен алынады. Олар төмен тығыздыққа (1,2-1,7гсм-3), кең тиым салынған аумаққа (2,5 - 4 эВ) және аз сыну коэффициентіне (1,2-1,7) ие [7]. PLC қабықшасын әдетте сутек көміртегі газдардың плазма-химиялық әдіспен жіктеп орналастыру (Plasma enhanced chemical vapour deposition-PLECVD) қолданылады.
Сурет 3 - a-C:H фазалық күйдің үштік диаграммасы [7]
Кесте 2 - Алмазтектес және полимертектес a-C:H-ң физикалық параметрлері [8]
Параметр
DLC
PLC
Оптикалық рұқсат етілмеген өңірдің еніEg, эВ
1,1
3,0
Сыну көрсеткіші
2,1
1,65
Тығыздығы, гcм[3]
1,9
1,3
Сутек концентрациясыH, aт.%
27
50
PLC қабықшасын CH4 метан және H2 сутегі газ қоспасынан, H2сутегі және C2H3 ацетиленнің әртүрлі компонентті сутегінен (R):R=CH4(CH4+H2) және R=C2 H6(C2 H6+H2) PLECVD әдісі арқылы алынды. Мұндағы R 0,25-1,0 дейін түрленді және газдың толық қысымы 133 Па [8]. Қабықша бөлме температурасында 13,56 МГц жиілікпен және ВЧ-қуатының тығыздығы 2,8 Втсм2. PLC қабықшасының қасиеті сутегі концентрациясынан сондай ақ, қабықшадағы CHn топ концентрациясына тәуелді болды. Бұл концентрациялар PLC қабықшасынан сутегі шығу эффекті R қатынасының төмендеуінен азайды. Бұл қабықшаның меншікті кедергісі 3·1013 Ом·см жоғары. Қабықшада сутегі концентрациясының өсуімен сыну коэффициенті кемиді, сондықтан CH4 немесе C2 H6 пайыздық құрамының көбеюімен оптикалық тиым салынған аумағының ені өседі. PLC қабықшасының өрістік электрондық эмиссиясының электрлік өрісі 18Bсм құрайды, сондықтан PLC қабықшасы электронды эмиттер есебінде қолдануға болатынын қорытындылауға мүмкіндік береді [8].
PLC жұқа қабықша фотолюминесценция спектрінде төменгі температуралы төсенішке өсірілген және а ион энергиясы жоғары сапалы плазмохимиялық қондыру әдісі арқылы үш энергиялы шың пайда болады: 2,28, 2,65 және 2,95 эВ, олар қоздырылған жарықтың 3,54 және 4,13 эВ энергия квантына тәуелді емес болады. Технологиялық параметрді түрлендіріп қабықша алу эмиссиялық спектрдің салыстырмалы интенсивті шыңның өзгеруіне әкеп соғады және олардың энергетикалық жағдайында әсер етпейді.
Алмазтектес көміртегі a-C:H - a-C:H қабықшасы оның болашақта тәжірибелік қолданыста кеңінен қолданылатынымен назарға ие.
a-C:H қабықшасы тетраэдрлік sp3 және көміртегі атомымен байланысты тригональды фаза sp2 қоспасынан тұрады және осы екі фазаның өзара қатынасы тұндыру шартына тәуелді (сурет 4). Қабықшаның электрлік және оптикалық қасиеті өткізгіштік аумақтың шетін және валентті аумақты қалыптастыратын, Ферми деңгейіне жақын орналасатын sp2 позициялыPI-күйдегі электрондар арқылы анықталады. Бұл sp2 байланыстары бірнеше атомнан тұратын, sp3 матрицасына байланысқанσ тұрғызылған кластерлерден құрастырылады. Көміртегі атомымен байланысқан sp2 және sp3 ара қатынасы a-C:H қабықшаның қасиетін анықтайды .
Сурет 4 - Алмазтектес көміртегінің a-C:H құрылымы [9]
Қабықшаның орналастыру шартын бақылай отырып, қабықшадағы sp3және sp2байланыс ара қатынасын ұсынуға болады.
Алмазтектес қабықшамен a-C:H шынайы монокристалдық алмаз арасындағы фундаментальды ерекшелігі ауыспалы тригональ санымен немесе графитті байланысының қатысуы, сондай-ақ сутегінің аса жоғары құрамы болып табылады (сутегінің 5-50 ат. %).
Таза алмаз кристалының синтезі жоғары температура мен қысымды талап еткеніне қарағанда, жасанды алмаздың алу процесі едәуір технологиялық қиындықтан болады [10].
1.3 Алмазтектес көміртегінің электрондық қасиетінің қазіргі заманғы мәселелер модификациясы
Соңғы жылдары ретсіз құрылымды көміртегіге және оның қасиетінің модифицирлеу мәселесіне жалпы қызығушылық байқалып отыр. Қазіргі уақытта, ретсіз құрылыммен әртүрлі көміртегіге көп көптүрлілік қалыптасты және тек қана аморфты көміртегі емес, соның негізінде құралған толық материал класы туралы айтуға болады. сол себепті, аморфты көміртегі электронды қасиетінің модификация мәселесі, алғашқы зерттеулерге қарағанда көбірек обширной болады. осы мәселе шешімінің әр түлі жолы бар екені белгілі. Әрбір жағдайда a-C электронды қасиетінің модификацияға әректі жасап шығарылады. Бұған әдістің көп көптүрлілігі және a-C аморфты қабықшаның алу спецификасы қосылады.
Аморфты көміртегінің көптүрлілігі формасынан өзінің қызықты қасиетімен a-C:H гидрогенизирленген аморфты алмазтектес көміртегі боп көрінеді. Ең алдымен,бұл өзінің механикалық қасиетімен табиғи алмазға , оны материал негізінде алу мүмкіндігіне байланысты. Аморфты гидрогенизерленген көміртегі, антифрикционды қасиетке оптикалық және қатты мөлдірлік покрытиясын алу үшін перспективалық материал болып табылады. Бұдан басқа, a-C:H қабықшасы квантты өлшемді эффектілер пайда болатын наноқұрылымды материал сияқты маңызды қызуғышылық көрсетеді.
КРС пен ИҚ спекроскопиямен берілген үлгі алмазтектестe a-C:H наноқұрылымды бірлік sp2 валентті байланысының конфегурациясымен 5 ден 20A0 дейінгі өлшемнен графиттектес кластерлер болып табылады. Бұл кластерлер sp3 конфигурация байланысымен алмазтектес материалға орналасады. a-C:H қабықшасындағы өлшемді квантталу, графитті жартылай металдан жартылай өткізгішке айналдыра отырып, графиттектес нанокластерді электронды спектрде тиым салынған аумақтың пайда болуына әкеп соғады және a-C:H қабықшасының оптикалық жұтылу шекарасын анықтайды.
a-C:H электронды қасиетінің кең таралған модифкация тәсілі қазіргі күнде қоспалы металлдың ендіруі болып табылады. Ережеге сәйкес, металл қоспасы анықталған дәрежеде a-C:H қабықшаны электронды және механикалық қасиетіне әсер етеді. Сондықтан, бұл әсер көміртегімен металл қалыптасуына байланысты. Әдебиеттерде, аморфты алмазтектес көміртегінің әртүрлі металлқұрамды қабықшасы қарастырылады. Рентгендік зерттеулердің келісімімен Ta,Ti,V,W,Mo,Nb құрамды a-C:H қабықшада, a-C:H матрицасына енгізілген карбид металының аз кристаллдық кластері қалыптастырылады. Au,Ag немесе Cu cияқты некорбидқалыптастырған металл қолдануымен,аморфты алмазтектес көміртегі матрицасында 3 тен 10 нм дейінгі диаметрмен металл кластерлері пайда болады.
Келтірілген мысалға байланысты, a-C:H қабықшаның қасиеті қоспалы металл енгізу жолымен модифицирлеуге болады. Металл типтік немесе a-C:H де пайыздық құрамын өзгерте отырып, жаңа қасиетті алмазтектес көміртегі алуға болады.
Бұдан басқа, күшті дәрежедегі алмазтектес көміртегі қабықшасының қасиеті a-C:Н аморфты матрицадағы координирленген байланысының sp2 және sp3 ара қатынасына тәуелді емес. Сондықтан, бұл ара қатынас a-C:H қабықша тұңдыру шартына тәуелді екені байқалды. Басқа сөзбен айтқанда қабықша тұңдыру шартын өзгертіп, a-C:H құрылымда байланыс sp2 және sp3ара қатынасын өзгертуге болады, нәтижесінде a-C:H қабықшаның қасиетін құрылымды модификацияға жеткізеді. Сондықтан, қоспалы сияқты алмазтектеас көміртегінің электронды қасиетінің құрылымды модификациясын перспективті жүзеге асыру басталады. Қоспа ретінде күміс таңдалынды, ең әлсіз зерттелген металл модификатор сияқты, жаңа электронды қасиетті алмазтектес көміртегі және оның практикалық қолданысының таралу облысы көзімен танымал.
a-C:H электрлік және оптикалық қасиеті:a-C:H қабықшасы қоспадан және химиялық құрылымның тәуеділігінен 103-нен 1012 Ом·см үлес кедергісіне ие болуы мүмкін. Маңызды факторлардың бірі қабықшаның үлесті кедергісіне әсер ететін қабықшадағы sp2 және sp3 байланыс саны қабықшаның өсу шарты болып табылады. a-C:H қабықшасының кедергісі sp2 конфигурациялы байланысының концентрациясы үлкейгенде азаяды. Егер аморфты матрицада sp2 байланысы басым болса, ол графит үшін тән. a-C:H қабықшасы материалдың өткізгіші болады. sp3 байланысы басым болған жағдайында аморфты көміртегі өткізгіші диэлектрикөткізгішіне жақындайды.Ұстамды арақатынас sp2 және sp3 байланысында алмазтектес көміртегінің қабықшасының өткізгіштігі жартылайөткізгішті материалға тән белсенді мінездемеге ие. Бұл қабықшалардың тиым салынған аумағының ені 1-ден 2 эВ аралығын құрайды.
a-C:H қабықшасының өткізгіштігінің температура төсенішіне тәуеділігі зерттелінді. Қабықшалар 1500C-4000C температура төсенішінде ионды-плазмалы магнетронды тозаңдату әдісімен дайындалды. a-C:H қабықшасының өткізгіштігінің маңызды тәуелділігі температура төсенішінен табылды. Қабықша өткізгіштігінің шамасы бөлме температурасында 10-10-10-9 -нен 10-5-10-9 Ом·см-1 дейінгі аралықта төсеніш температура өзгерісімен өзгереді.[11]
Металл атмосферасында ВЧ-ионды плазманы тозаңдатумен дайындалған материал электродының a-C:H қабықшаның электрлік қасиетіне әсері зерттелінеді. Al, Cu және Au жоғары электродпен және төменгі Al-электродпен ауыспалы тоқта көп қабатты құрылым үлгісінің өткізгіштігі зерттелінді. a-C:H қабықша өткізгіштігі жоғары жиілікте V типтегі σ~(V)s функция жиілігі болады, мұнда S-жиілікті тәуелді параметр болады. Болжамдағы түсіндірме қорытындысы a-C:H қабықшасында өткізгіш таратушы процесінде терең орны мен 0,34 эВ торға түсіріледі. Торға таратушы зарядының түсіру есебі S жиілік тәуелділігін анықтауға мүмкіндік береді.
Қараңғы тоқтың фототоктың жылжымалылығы таратушы зарядының темперетуралық тәуелділігі, легирленген және легирленбеген a-C:H қабықшасының фототок басылу уақыты зерттелінді. Қабықшалар легирленген қоспа есебінде, көміртегі және иод ретінде CH4 метанды пайдалануымен жоғары жиілікті күлгін разряд әдісімен дайындалды. Легирленбеген қабықшалар температура интервалында фотоөткізгіштікті қасиетке ие болды. T=140K легирленген қабықшада максималды фотосезімталдығы (мұнда, - жарықтандырудағы өткізгіштік, -қараңғы өткізгіштік). Таратушы зарядтың дрейфтік қозғалысының максималды шамасы, 4,2*10-7см2(В*С) тең, болме температурасына жетті. Жоғары темпертура облысында дрейфтік таратушы ауысуының активация энергиясы легирленген қабықша үшін 0,16эВ және 0,13эВ легирленбеген қабықша үшін құрды. Таратушы зарядының дрейфтік ауысуының активационды сипаттамасы тиым салынбаған зона күйіндегі төмен созылып жатқан, төмен еркін әрекетпен таратушы зарядына түсіндіріледі. Төмен температура облысы үшін секірмелі механизм ауысуымен түсіндірілетін , температурадан таратушы зарядының дрейфтік ауысуының әлсіз тәуелділігі орналастырылды.
Eg sp2 кластер өлшемінен және сол сияқты sp2sp3 байланыс арақатынасынан тәуелді және сутегі концентрациясынан sp3 байланыс концентрациясы анықталған тәуелділік екені анықталды. Сондықтан, сутегі оптикалық қасиетке әсер етпейді, бірақ sp2 концентрация жағдайына және сол сияқты sp2 кластерінің өлшеміне тура әсер етпейді.
a-C:H тәжрибелік қолдануының маңыздысы оптикалық жұтылуының аз мағыналы коэффициенті және сыну облысындағы оптикалық қасиет болып табылады. Бұл коэффициенттің аз мағынасы a-C:H қабықшасының негізінде жарықтандырылған төсеніш құрауға мүмкіндік береді.
Молекулада атомдар қатты фиксирленген болмайды. Серіппеге бекітілген сияқты олар бірнеше тегіс жағдайдан кейін тербеліс жасай алады, қорытындысында мұндай тербелістер сол немесе басқа байланыс деформация түрінде болуы мүмкін, мысалы иілу және созылу (5 сурет). Егер молекула анық бір жиілікпен (300-4000см-1) ИҚ-сәулесімен жылжыса, онда резонанста молекула атомының тербеліс жиілігі және сәуле жиілігі өте жоғары энергиямен келесі күйге тербеліс күйден төмен энергиямен энергетикалық ауысуы және энергияның жұтылуы мүмкін. Сондықтан, ИҚ спектрде оның құрылымды элементі үшін сипаттамалар жолақпен немесе жұтылу жолағымен бақыланады. Белгісіз материалмен белгілі этолонның спектрімен ИҚ спектрін салыстыру дұрыс зерттеу инструменті болып табылады. Идентификация материалы ушін этолон спектірінің қатыспауын, көптеген құрылымды элементтері сипаттамалы жұтылу жолағына ие болғаны үшін қолдануға болады. Бұл ИҚ спектроскопия заттың атомдар байланысының мәліметін беретінін және біз дайын аморфты сутектендірілген көміртекті қабықшаның құрылымды элементтері жайлы білуіміз мүмкіндігін білдіреді.
Сурет 5 - Молекуланың тербеліс схемасы (тербеліс процесіндегі атомдардың ауысуы нұсқағышпен көрсетілген) [11]
Егер атом тербелісі иілуде немесе созылуда болатындай, молекуланың дипольды моменті өзгеріспен алып жүрілсе, онда молекула сәулені жұтады. Энергия жұтылған квант жиілігін есептеу үшін әдетте Хук заңын пайдаланады.
(1)
мұнда, К - байланыс энергиясын сипаттайтын тұрақты, m1жәнеm2 - молекуладағы атом массалары. Бұл теңдеуден К үлкен болғанда, яғни байланыс күшті кезде жарық кванты өте үлкен жиілікпен жұтылады. Сол себепті, екілік байланыс жағдайында , мысалы С=С қарапайым байланысына қарағанда С-C жарық кванты өте жоғары энергиямен жұтылады. Бұдан басқа молекула атомының массасы қанша көп болса, жарық квантының жұтылу жиілігі сонша аз болады. Химиялық байланыстың негізгі құрылымды бірлігі жұтылу ИҚ спектріндегі жолақ жағдайымен анықталады. Орналастыру процесіндегі a-C:H қабықшасында ендірілген сутегі, көміртегі атом күйіндегі sp2 және sp3 байланысын көрсетеді және талапқа сай C-H және C-C a-C:H қабықшасындағы байланысын анықтайды [12].
Көптеген зерттеулерде аморфты көміртегінің қабықшасы сутегі мөлшерін тұрақты ұстай алады (HC1, 50%-тен жоғары) . Сутегі концентрациясы әдетте детектирленген және ИҚ спектрлік әдістері арқылы анықталады.
Қабықшадағы сутегінің құрамын анықтау үшін ИҚ әдісінде С-Н тербелісті байланыстың жалпы жұтылуын қолданылады. Сондықтан, ИҚ әдісі қатысты концентрацияны білу инструменті болады, абсалютті үйлестіру өте қиын болып табылады. Егер ИҚ әдісі тек қана сутегінің химиялық байланысын анықтағанда, басқа әдістердің көбісі сутегінің толық құрамын анықтай алады. Сутегінің 30-50% көміртегімен байланысты емес, сондықтан сутегі химиялық активті емес [13]. Бұл әлсіз байланысты сутегі ішкі қабатқа жұтып алунемесе ішкі кластерде бар болуы мүмкін.
ИҚ спектрлік әдісімен сутегі байланысының концентрациясын ғана емес, байланыстың ерекшелігін де анықтауға болады. С-Н байланысындағы тербеліспен байланысқан ИҚ спетріндегі жұқа құрылымнан қабықшасындағы сутегі, моногидрид сияқты енгізілді. Бұған кері сутегі құрамды жұмсақ полимертектес қабықшада дигидридтің қатысты жоғары концентрациясына әкеледі.
6-cуретте a-C:H қабықшасының ИҚ жұтылу спектірінің жолағы 3100-ден 2850 см-1 арасындағы С-Н және С-С суперпозиция 1620 және 700 см-1 облысыдағы иілген тербелісі келтірілген [14].
a-C:H қабықша жұтылуы және 2800-ден 3100 см-1 интервалындағы табылғандар CH, CH2 және CH3 байланыс тобындағы созылған тербеліске қатысты жолақ табылды. Әрбір қабықша үшін толық шың жұтылуы кестеде келтірілген, толқын ұзындығында, Гауссты функциямен көрсетілгендер жеке шыңда орналастырылды.
Барлық байланыстар бірдей жұтылу ықтималдылығына ие екендігін болжайды. a-C:H қабықшадағы сутегінің толық құрамы ИҚ жұтылу спектіріндегі жолақ ықпалдау жолымен анықталды. Elastic recoil detection analysis (ERDA) әдісімен байланысқан және байланыспаған сутегі сияқты конценрациясы анықталды, сонымен сутегі конценрациясы қабықшадан қабықшаға ерекшеленеді.
Сурет 6 - а-С:Н қабыршағының ИҚ жұтылу спектрі [14]
1.4. Аморфты фаза туралы ұғым.
Біз аморфты қабыршақ жайлы сөз қозғағаннан кеиін, аморфтыдене, аморфты күй туралы айтып кеткеніміз жөн. Аморфты күй заттың конденсирленген күйі ең басты ерекшелігі атомдық және молекулалық тордың болмауы, кристалдық күйге тән үшөлшемді периодтық құрлымның болмауы. Аморфты денелердің белгілі бір балқу нүктесі жоқ. Атомдық құрлымына тән ерекшелік алыс реттіліктің емес жақын реттіліктің болуы. Аморфты денелер изотропты, яғни олардың қасиеттері белгілі бір бағытқа тәуелді емес. Барлық заттардың балқымалары балқу температурасынан жоғары күйде термодинамикалық тепе - теңдік күйде орналасады.Ол кезде кез келген күйдің термодинамикалық функциясы температурамен, қысыммен және басқа параметрлермен анықталады. Балқу температурасы кезінде зат тепе - теңдіктегі қатты күйге өтеді сол жерде кристалданады. Алайда кейбір балқу температурасынан төмен жағдайда тепе - теңсіз күйдегі қайта суытылған сұйықтық алынады. Ал шынылыу температурасынан төмен температурада тепе - теңсіз қатты аморфты күй алынады. Бұл күйде зат ұзақ уақыт бойы тұрақты болады.Мәселен вулкандық шыны - обсидиан олардың жастары миллион жыл. Шыны тәріздес аморфты күйдің термодинамикалық функциясы тек температурамен және қысыммен анықталмайды.Шыны тәріздес аморфты күйдің физикалық және химиялық қасиеттері сол заттың кристалдық модификациясының қасиетіне жақын болады, алйда айырмашылық жасауыды мүмкін [15].
2 ЗЕРТХАНАЛЫҚ БӨЛІМ
2.1 Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
o Жұмысқа керекті приборлар және материалдар:
o ВУП-5,
o Форвакуумдық(BHP-55 УХЛЧ) және диффузиялық насос
o Қабықшаларды алу үшін пиролиттік поликристалдық тазалығы 99,99% графит қолданылады
o Соңғы жылдары әлемдегі дамыған мемлекеттердің алдыңғы қатарлы ғылыми және технологиялық орталықтарындағы зерттеушілерді аморфты көміртегі негізінде алынатын арзан фотоқұрылымдар, жарықсезгіш экрандар, электрофотографиялық құрылғылар, фотодиодтар, түс датчиктері, сканистирлер алуда қолданылуы үлкен қызығушылық тудырады[16].
o а-С:Н және оның қоспаларын орналастыру үшін әр түрлі әдістер қолданылады: магнетрондық әдісі, метанның буландыру фазасында химиялық орналастыру әдісі, иондық реактивті тозаңдату, күлгін жоғары жиілікті разрядты және тұрақты токтың күлгін разрядында метаннан орналастыру әдісі .
o Құрылымы реттелмеген конденсирленген ортадағы алмазтектес қабықшалар, аморфты гидрогенирленген көміртегі (а-С:H) негізіндегі, магнетрондық тозаңдату әдісімен алынған [16].
2.2Магнетрондықәдіс
Тозаңдату процесі - нысананы жоғарғы энергиялы иондармен атқылағанда, нысана материалдың бетінен атымдардың ұшып шығу процесі болып келеді. Сонымен қатар, жоғарыдағы анықтамаға сәйкес, тозаңдату процесі улау (травление) процесі ретінде қарастырылып, бетті тазалау және оны профильдеу үшін қолданылады. Тозаңдату кезінде нысана материалдың жойылуы және орын ауыстыруы (транспортировка) болатындықтан, бұл әдіс жұқа қабықшаларды алу әдісі ретінде де қолданылады. Қазіргі кезде осы әдіс әр түрлі материалдардан қабықшаларды алудың алдыңғы қатарында.
7-суретте ВУП-5 вакуумдық қондырғының вакуумдық камерасына орналастырылған тұрақты токтағы магнетрондық тозаңдату жүйесінің сүлбесі көрсетілген. Қондырғыда вакуумдық камера алдын ала форвакуумдық және диффузиялық насоспен р=5* 10-3 Па қысымға дейін сорып алынады, кейін камераға жұмыстық аргон және сутек газы беріледі [17].
1 - тозаңдату камерасы, 2 - төсенішті ұстағыш, 3 - төсеніш (подложка), 4 - анод, 5 - нысана (катод), 6 - анодтың тефлондық ұстағышы, 7 - магнит, 8 - газ жіберілетін түтікше, 9 - тұрақты ток көзі, 10 - сору (откачка) түтікшесі.
Сурет - 7 Тұрақты токтағы магнетрондық тозаңдату жүйесінің сүлбесі [17]
CN - жұмысшы аудан; ND - диффузионды насос; NL - форвакуумды насос; BF - форвакуумды баллон; V1-V8 - вакуумды жүйені коммутациялау клападары; P1,P2,P4 - термопарлы датчиктер ПМТ-2; P3 - ионизациялы датчик ПМИ-2.
Сурет - 8 Вакуумдық әмбебап пост схемасы [17]
Нысана тұрақты магнитке орнатылып, қалыңдығы 2 мм және диаметрі 10 см пиролиттік поликристалдық графиттен құралған. Қабықшаларды алу үшін тазалығы 99,99% графит қолданылады. Анод тотықпайтын болаттан цилиндірлік пішінде жасалған және тұрақты кернеу көзіне қосылған. Төсенішті ұстағыштың конструкциясы төсеніштің температурасын сақтап және 100-3500 С интервалында өзгертеді. Тозаңдату анодта тұрақты оң кернеу кезінде жүзеге асады [17].
Сурет 9 - Аморфты көміртегінің қабықшаларының раман спектрі [18]
Модель a-C - дағы sp3 байланыстардың максимал концентрациясы екі ерекшеліктерге ие: 1550 см-1 -дегі кең негізгі шың және 1350 см-1-дегі қосымша шың болатын болжайды.
Бұл ерекшеліктер микрокристаллиттік графиттың KPC спектріне байқалған ерекшеліктерге ұқсас. Ол жақта бұл жағдай үшкоординациялық тордың және графиттың оңашаланған аралшықтарының болуымен түсіндіріледі. a-C негізінен реттелмеген қаббатты графиттың кластерінінен тұратыны ұйғарылады Көміртегінің аморфты қабықшалары бөлме температурасында ионды-сәулелі әдіспен кварцтан немесе кремний монокристаллынан тұратын төсемедеге табиғи көміртегіден тозаңдандыру арқылы алынады [18]. КРС спектрелерінің зерттеулері үлгілердегі жылулық өңдеуден кейін біртіндеп кристалиттердің түзілуі болатынын және құрылымның өзгеруі, тыйым салынған аймақтың оптикалық ені және sp3байланыстағы көміртегі атомдарының күйлері арасындағы корреляцияны анықтады.
Сонымен қатар аморфты көміртегілердің қабықшаларын жақыннан тасымалдау әдісімен алынады. Әдіс материалдың сублимациясы және одан кейін болатын будың жақын орналасқан төсемеге конденсациясы принципіне сүйеніп, атмосфералық қысымдағы жақын арақашықтықтағы сублимацияға негізделген. Осы кезде қабықшалардың өсу жылдамдығы, морфологиясы мен құрылымы, оптикалық қасиеттері, анықталған сипаттамалардың тұндыру температурасымен төсеме материалына тәуелділігі зерттелінді. Бұл мақсаттар үшін атомдық-күштік микроскопия, көпбұрышты эллипсометрия, рентенодифракциондық талдау және тағы да басқа әдістер қолданылды. Тәжірибе нәтижесінде тыйым салынған аймағының оптикалық ені 5,4 эВ - ға жететін қабықшалар алынған. Атомдық-күштік микроскопия көмегімен зерттеу кезінде шыны төсемеде алынған қабықшалардың біртексіздігі 8 нм болса, ситталды төсемеде алынған қабықшалардың біртексіздіктері небәрі 0,5 нм құрады [19].
Өндірісте және лабораторияда алынатын аморфты көміртегі, көп жағдайда көміртегінің қосылыстарынан (H, O, N, S атомдарымен), күлді компоненттерден және адсобрцияланған газдардан немесе булардан тұрады .
2.3 Жұқа қабыршақтардың вакуумдағы технологиясы
Комбинациялық шашырау спектроскопиясы дипольдық моменті бар немесе мүлдем жоқ болатын жоғарысимметриялы ковалентті байланыстарға сезімтал. Көміртек - көміртекті байланыс толығымен осы критерийге сәйкес келеді, сол себепті ең бағалы әдіс болып табылатын КШ материал құрылысының өте ұсақ өзгерісін көрсете алады.
Әртүрлі көміртекті наноқұрылымдар бар екені белгігі. Олар бірыңғай көміртек атомдарынан тұрғызылған және аллотропиялық модификацияға ие. Оларға тек алмаз бен графит қана жатпайды, фуллерендер, графен және оның күрделі құрылымдары, сонымен қатар нанотүтікшелерді жатқызамыз. Осы материалдардың барлығы көміртек - көміртек байланысымен түсіндіріледі, олардың кеңістіктік ориентациясы әр материалда әртүрлі байланыста, сол үшін полярлы емес байланыс ориентациясының кішкене өзгерісін бақылау үшін осы әдіс қолданылуы тиіс.
КШ спектроскопиясы көміртекті материал құрылысын зерттеуге арналған әдіс. Спектрдегі әрбір жолақ молекуланың нақты бір тербелісіне сәйкес келедіжәне де оның жиілігі атомның массасы мен кеңістіктік ориентациясы бар байланысқа өте сезімтал [20].
Романовтың спктроскопиясында үлгі монохраматтық жарықпен сәулеленеді (әдетте сәулелендіру көзі лазер болып табылады). Үлгімен шашыраған сәулеленудің көп бөлігі түскен сәуле сияқты жиілікке ие болады, бұл процесс Релейше шашырау деп белгілі. Осыған қарамастан үлгіден шашыраған сәулеленудің кейбір мөлшері, шамамен миллионнан бір фотон (0.0001 %) ашғашқы лазерден сәулеленген жиілікке қарағанда ауысқан жиілікке ие болады.
Сурет 10 - Конфокальді КРС микроскоптағы сигналды тіркеу сұлбасы [20]
o Лазерлі сәуле үлгіні қоздырады
o Бұл сәуе барлық бағытта шашырайды
o Жарық жартылай детекторға түседі, оны Раман-спектр тіркейді
o Спектрде лазердің бастапқы жиілігіндегі жарық және әрбір бірегей үлгіге тән спектрлік ерекшеліктер көрсетілген.
Төмендегі энергетикалық күй диаграммасында көрсетілгендей, ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
КІРІСПЕ
6
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
9
1.1 Көміртектің құрылымды модификациясы
9
1.2 Кристалдық емес көміртегінің түрлері
11
1.3 Алмазтектес көміртегінің электрондық қасиетінің қазіргі заманғы мәселелер модификациясы
15
1.4 Аморфты фаза туралы ұғым
20
2 ЗЕРТХАНАЛЫҚ БӨЛІМ
21
2.1 Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
21
2.2 Магнетрондық әдіс
22
2.3 Жұқа қабыршақтардың вакуумдағы технологиясы
24
2.4 Раман спектроскопиясы (жарықтың комбинациялық шашырауы)
27
2.5 Комбинациялық шашыраудың негіздері, әдістері, қолданылуы
31
3 ТӘЖІРИБЕ НӘТИЖЕЛЕРІН ТАЛДАУ
39
3.1 Aморфтыкөміртек қабықшаларының раман спектроскопиясында зерттеу нәтижелері.
39
ҚОРЫТЫНДЫ
43
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
44
КІРІСПЕ
Көміртек әртүрлі электрондық конфигурация байланысын түзу қасиетінің арқасында ерекше зат болып табылады. Қарапайым модельде осы конфигурацияның гибридизациясы sp,sp2 және sp3түсіндіріледі.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.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.Өндірісте жартылай өткізгішті дискретті құрал,сонымен қатар технологиялық процесстер мен интегралды микросхемада жинақталады (эпитакциялар, фотолитографиялар, травления, диффузия, пленкаларды отырғызу және тағы сол сияқты). Барлық жартылай өткізгішті приборларды дайындау барысында вакуумде жұқа пленкаларды буландыру әдісі қолданылады (жұқа пленкаларды алу технологиясында).Маңызды айта кететін мәселе, жартылай өткізгішті материалдардың барлық түрін технологиялық отырғызу просестері жұқа пленкалардың вакуумде жүруі - жұқа пленкалы технология деп аталады.Пленкаларды отырғызу барысында вакуум генерация әсерінен ағын бөлшегімен, жинағыш төшеніш жаққа қарай және олардың жіберілетін тоқ арқылы үстін жауып тұратын қабаттардан құралады.Сонымен, осы вакуумде жұқа пленкаларды алу келесі негізгі элементтерден құралады.
o вакуумдық системадан;
o тұндырылған материалдың сақталуы;
o технологиялық процесстерді өткізуін қамтамасыз етуі;
o транспорттық позициялық құрылғы;
o пленкамен жабу зонасына төсеніштерін енгізуін қамтамасыз етеді және жабындалатын материалдың бөлшек ағындарына қатысты беттік өңдеу.
o Вакуумде алынатын жұқа пленкаларды алу негізгі келесі операциялардан тұрады:
o жұмыс камерасын жабу және оны қажетті вакуумге дейін айдау;
o төселінетін заттан атомды (молекулаларды) ағын тудыратын қорек көзін қосу;
o вакуумды система және тұрақты жұмыс істейтін қорек көзі кезінде белгіленген қалыңдықтағы жабындымен жабу;
o бөлшек ағындарының қорек көзін өшіру, төсенішті суыту және жұмыс камерасына атмосфералық қысымға дейін ауамен толтыру;
o колпакты көтереді және өңделген төсеніштерді төсеніш көтергіштен алады.
o Кейбір жағдайларда қосымша операциялар жүргізіледі мысалы, төсенішті алдын ала қыздыру.
а-С:Н және оның қоспаларын орналастыру үшін әр түрлі әдістер қолданылады: магнетрондық әдісі, метанның буландыру фазасында химиялық орналастыру әдісі, иондық реактивті тозаңдату, күлгін жоғары жиілікті разрядты және тұрақты токтың күлгін разрядында метаннан орналастыру әдісі .
Құрылымы реттелмеген конденсирленген ортадағы алмазтектес қабықшалар, аморфты гидрогенирленген көміртегі (а-С:H) негізіндегі, магнетрондық тозаңдату әдісімен алынған.
Тозаңдату процесі - нысананы жоғарғы энергиялы иондармен атқылағанда, нысана материалдың бетінен атымдардың ұшып шығу процесі болып келеді. Сонымен қатар, жоғарыдағы анықтамаға сәйкес, тозаңдату процесі улау (травление) процесі ретінде қарастырылып, бетті тазалау және оны профильдеу үшін қолданылады.
Жұмыстың өзектілігі мен практикалық маңызы: жоғарыда қарастырылған аморфты көміртек пленкаларының құрылымы, қасиеттері және алу әдістерінен бұл материалдарды ерекшеқасиеттеріне, қолданылуына қарай бөліп қарастыруымызға болады.Тұндыру шарттарын (иондардың энергиясын, ағын құрамын,төсеніш температурасын және тағы басқа) өзгертіп, пленкалардың құрлымын басқару арқылы әр түрлі диапозандағы қасиетке ие болатын көміртек материалдарын алуға болады. Алынган пленкаларды раман спектроскопиясында және оптикалық қасиеттерін зерттеуге усынылады. Раман спектроскопиясы - серпімсіз монохроматты жарықтың шашырауын зерттейтін жүйе.Бұл әдістің мағынасы осы зерттелініп отырған зат өзінен белгілі бір толқын ұзындығына байланысты сәуле өткізеді. Алынған сәулелер линза көмегімен бір шұңқырға шоғырланып жарық фильтрі арқылы өтеді.Романовтың спктроскопиясында үлгі монохраматтық жарықпен сәулеленеді (әдетте сәулелендіру көзі лазер болып табылады). Үлгімен шашыраған сәулеленудің көп бөлігі түскен сәуле сияқты жиілікке ие болады, бұл процесс Релейше шашырау деп белгілі. Осыған қарамастан үлгіден шашыраған сәулеленудің кейбір мөлшері, шамамен миллионнан бір фотон (0.0001 %) ашғашқы лазерден сәулеленген жиілікке қарағанда ауысқан жиілікке ие болады.
o Жұмыстың мақсаты:Аморфты көміртек қабықшаларын магнетрон әдісімен жұқа пленкаларды вакуумде алу және раман спектроскопиясында зерттеу;
o Әдістің жұмыс істеу принципімен танысу;
o ВУП-5-те жоғарғы және төменгі вакуум алу;
o тозаңдату арқылы жұқа пленкаларды алуды тәжірибе түрінде көру.
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
1.1 Көміртектің құрылымды модификациясы
Көміртек әртүрлі электрондық конфигурация байланысын түзу қасиетінің арқасында ерекше зат болып табылады. Қарапайым модельде осы конфигурацияның гибридизациясы sp,sp2 және sp3түсіндіріледі және олар 1 суретте көрсетілген. Көміртегінің кеңінен таралған құрылымды модификациясы гибридтелген құрылымды байланыспен sp3құрылымы анықталған, алмаз және sp2гибридтелген байланысты графит (сурет 1). Графит қабатты құрылымды және қабаттар арасындағы байланысы Ван-дер -Валльс типті болады (сурет 2). Графит құрылымында айтарлықтай өзгерулер болады: қабаттардың қисаюы, атомдардың орналасуындағы сызықты иілуі, құрылымдардағы нүктелік ақаулардың пайда болуы [1].
Көміртегі атомы С2H2 ацетилен және карбин (C≡C)n секілді үштік байланыспен байланысқан. Мұнда көміртегі атомы sp-гибридтелген. Көміртегі әртүрлі қасиеті бар қатты денедегі кристалдық және кристалдық емес қатарын түзе алады. Кейбіреулері 1 кестеде көрсетілген.
Сурет 1 - Көміртегінің s және p атомдық орбиталдың гибридизацияның диаграммалық схемасы [1]
Сурет 2 - Көміртегінің құрылымдық модификациясы [1]
Бұл қасиеттер жартылай металдың графитпен (тиым салынған аумақта Eg 0эВ ретімен) оқшауланған алмазға (Eg 4эВ) дейінгі интервалда кеңінен реттеледі.
Сондықтан, жартылай өткізгіштік электроникада көміртегіні қолдануға себеп болады. Криталдық емес көміртегінің әртүрлі формасы 1.кестеде көрсетілген.
Кесте 1 - Әртүрлі формадағы көміртегінің кейбір механикалық және электрондық параметрлері [2]
Көміртегінің түрлері
Тығыздығы
гcм3
Қаттылық
кгмм2
sp3 %
ат.% H
Аумақ ені, эВ
Алмаз
3,515
10000
00
5.5
Графит
2,267
Төмен
0
-0,04
Шыны
Тәріздес
1,3-1,55
800-1200
~ 0
0,01
a-C,
~ 2
20-50
5
0,4-0,7
a-C:H, сутек ендірілген алмазтектес көміртегі
1,6-2,0
5000
40-70
10-40
0,8-2,7
a-C:H, полимер
1,2-1,6
Төмен
35-60
1,7- 4
Полиэтилен
1,0
Төмен
67
6
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 [3].
Қазіргі уақытта ретсіз құрылымды көміртектің көп түрлері бар. Оларға шыны тәрізді көміртек аморфты фторлы көміртек a-C:F, нитрогенизирленген көміртек a-C:N, графиттектес және полимертектес көміртек, гидрогенизирленген алмазтектес көміртек және тағы басқалары жатады. Зерттеушілер сутек енгізілген аморфты алмазтектес көміртекке ерекше көңіл бөліп отыр. Бұл материалдың маңыздылығы механикалық және электрондық қасиетіне байланысты. a-C:H қаттылығы табиғи алмаздың қаттылығына жақынырақ болып отыр. Сондықтан, ол алмазтектес көміртек деп аталады. Мұндай қасиет sp³ координерленген байланыстағы аморфты матрицада a-C:H басымдылығымен түсіндіріледі. Қазіргі уақытта ретсіз құрылымды алмазтектес көміртекті тәжірибеде қабықшаны нығайту, антифрикционды қорғау, жарықтандыру, изомерлер және поссиверлеу есебінде кеңінен қолданылады. a-C:H жоғары механикалық берікті және сенімді. a-C:H қабықшасынан жасалынған электронды құрылғылар жоғары температурада жұмыс істей алады. Болашақта алмазтектес көміртек күн энергиясында және медицинада биоматриал есебінде қолдануы мүмкін.
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 [4].
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.
1.2. Кристалдық емес көміртегінің түрлері
Шынытәріздес көміртегі. Бұл ақаулы графитті қабатты құрылымды көміртегі формасы. Қабат бойындағы атомның құрылым ретіндегі корреляцияланған ұзындық La 40A0 құрайды [4].
Шынытәріздес көміртегі 12000C-та фенол формальдегидті резина карбонизация жолымен алынуы мүмкін және 1 сағат бойында 1500, 2000, 2500, 2700 және 30000C инертті атмосферасында сатылы жылулық өңделу болуы мүмкін.Қорытындысы рентгендік дифракциясы, диамагниттік сезімталдығы , термо-эқк және электрондық эмиссиясы негізінде авторлар. шынытәріздес құрылымды көміртегінің жаңа модель және оны жылумен өңдеу жолымен модификациялау ұсынды. Бұдан басқа, экспериментті түрде пиролиздің бастапқы сатысында көптеген жіңішке графиттектес көміртекті қабаттар шынжырлы-қабатты матрицамен қоршалған. Бұл жылулық өңдеудегі жүйе тәртібін анықталудың негізгі факторы болып табылады. Ұсынылған модельдіңнегізгі ерекшелігі 20000C жоғары температурада бір уақытта құрылғаншынжырлы қабатты бөлікшедеструкциясы (бөлінуі, жіктелінуі) болып табылады.
Аморфты көміртегі графитті тозаңдату немесе оны электронды сәулемен буландыру арқылы жасалуы мүмкін. Оның құрылымы дифракция әдісімен зерттелді, электрондық және рентгендік үздіксіз ретсіз ортада әртүрлі қатынастағы sp2 және sp3 координацияланған байланысы бар деп моделденген [4]. Бұл модель (a-C)-де sp3 байланыстың максималды концентрациясы 5% құрайды деп санайды. a-C жарықтың комбинациялық шашырауының екі ерекшілігі бар: 1550 см-1 жалпақ негізгі шың және 1350 см-1қосымша шың болуы. Сондай ақ бұл ерекшеліктер олардың үш координирленген торда және жеке оқшауланған графиттің пайда болуын түсіндіретін, оған ұқсас КРС микрокристаллдық графиттің спектрінен бақылаймыз. а-С негізінен графиттің ретсіз қабатты кластерінен тұрады деп болжам жасалды [4].
Аморфты көміртегі бөлме температурасында табиғи көміртегіден қарапайым ионды-сәулелі тозаңдатумен кварц және монокристал кремний төсенішінде алады. Егер жылу өңдеуінен кейін үлгіде кристалл біртіндеп пайда болуы және құрылымның өзгеруі оптикалық тиым салынған аумағының ені және көміртегі атомының күйі sp3 байланысы арасында коррелияция байқалады. Ол КРС спектрінің зерттелумен қалыптасады.
Алмазтектес көміртегі (а-C) үлкен үлесті sp3байланысында жоғары қаттылығымен, химиялық инерттілігімен,оптикалық мөлдірлігімен және жоғары меншікті кедергісімен сипатталады. CVD импульсті лазермен тозаңдатылған және буландырылған әдістерімен жасалған а-С типтік қабықшалар сыну коэффициенті 1,8-2,2,оптикалық тиым салынған аумағының ені 1-2 эВ және меншікті кедергісі - 104-108 Ом·см. a-C КРС спектрінің негізгі жолағы 1530 см-1 маңында, үлкен интенсивтілігінен және әлсіз интенсивті қосымша жолағы 1400 см-1 маңында. Үлкен құрамды sp3 (87%-ке дейін) байланыстағы аморфты көміртегінің қабықшасын сипаттау үшін тетраэдрлік деген термин қолданылады және ta-С сәйкес белгіленуі ендіріледі [5].
Тетраэдрлік аморфты көміртегін магнитті фильтрлі магнетронды тозаңдату жүйесімен алуға болады. Үлкен үлесті sp3 байланысты қабықшаның құралуы төсеніште 10-нан 50 В-ке дейін ығысу кернеуінде болады. Алынған қабықшаның оптикалық тиым салынған аумағының ені 3 эВ-ті құрайды. Атомдық күштік микроскоппен алынған беттік қыртысының көрінісі қабықша біртекті және тегіс екенін көрсетті[6].
Тетраэдрлік аморфты көміртегінің КРС спектрін толқын ұзындығы 244 нм ультракүлгін лазермен тербелмелі модты қоздыру үшін қолданылады. Зерттеу ta-С спектрі sp2 және sp3күйіне сәйкес екі жақын жолақтан, яғни 1100 см-1 және 1600 см-1 тұратынын көрсетті. ta-С қабықшаның басты кемшілігі құрылымының тұрақсыздығы және сол үшін өзінің керемет қасиетіне қарамастан, бұл материал болашақта тәжірибеде кеңінен қолданысқа ие болмайды.
Гидрогенизирленген аморфты көміртегі - a-C:H aлмазтектес көміртегі DLC(diamond like carbon) ,графиттектес және полимертектес (PLC) сияқты әртүрлі модификацияға ие. a-C:H құрылымы мен қасиеті үштік фазалы диаграммада көрсетілгендей жасалу шартына тәуелді [7].
Полимертектес көміртегі - Полимертектес көміртегі қабықшасы 35-50 ат% сутегі құрамымен алынады. Олар төмен тығыздыққа (1,2-1,7гсм-3), кең тиым салынған аумаққа (2,5 - 4 эВ) және аз сыну коэффициентіне (1,2-1,7) ие [7]. PLC қабықшасын әдетте сутек көміртегі газдардың плазма-химиялық әдіспен жіктеп орналастыру (Plasma enhanced chemical vapour deposition-PLECVD) қолданылады.
Сурет 3 - a-C:H фазалық күйдің үштік диаграммасы [7]
Кесте 2 - Алмазтектес және полимертектес a-C:H-ң физикалық параметрлері [8]
Параметр
DLC
PLC
Оптикалық рұқсат етілмеген өңірдің еніEg, эВ
1,1
3,0
Сыну көрсеткіші
2,1
1,65
Тығыздығы, гcм[3]
1,9
1,3
Сутек концентрациясыH, aт.%
27
50
PLC қабықшасын CH4 метан және H2 сутегі газ қоспасынан, H2сутегі және C2H3 ацетиленнің әртүрлі компонентті сутегінен (R):R=CH4(CH4+H2) және R=C2 H6(C2 H6+H2) PLECVD әдісі арқылы алынды. Мұндағы R 0,25-1,0 дейін түрленді және газдың толық қысымы 133 Па [8]. Қабықша бөлме температурасында 13,56 МГц жиілікпен және ВЧ-қуатының тығыздығы 2,8 Втсм2. PLC қабықшасының қасиеті сутегі концентрациясынан сондай ақ, қабықшадағы CHn топ концентрациясына тәуелді болды. Бұл концентрациялар PLC қабықшасынан сутегі шығу эффекті R қатынасының төмендеуінен азайды. Бұл қабықшаның меншікті кедергісі 3·1013 Ом·см жоғары. Қабықшада сутегі концентрациясының өсуімен сыну коэффициенті кемиді, сондықтан CH4 немесе C2 H6 пайыздық құрамының көбеюімен оптикалық тиым салынған аумағының ені өседі. PLC қабықшасының өрістік электрондық эмиссиясының электрлік өрісі 18Bсм құрайды, сондықтан PLC қабықшасы электронды эмиттер есебінде қолдануға болатынын қорытындылауға мүмкіндік береді [8].
PLC жұқа қабықша фотолюминесценция спектрінде төменгі температуралы төсенішке өсірілген және а ион энергиясы жоғары сапалы плазмохимиялық қондыру әдісі арқылы үш энергиялы шың пайда болады: 2,28, 2,65 және 2,95 эВ, олар қоздырылған жарықтың 3,54 және 4,13 эВ энергия квантына тәуелді емес болады. Технологиялық параметрді түрлендіріп қабықша алу эмиссиялық спектрдің салыстырмалы интенсивті шыңның өзгеруіне әкеп соғады және олардың энергетикалық жағдайында әсер етпейді.
Алмазтектес көміртегі a-C:H - a-C:H қабықшасы оның болашақта тәжірибелік қолданыста кеңінен қолданылатынымен назарға ие.
a-C:H қабықшасы тетраэдрлік sp3 және көміртегі атомымен байланысты тригональды фаза sp2 қоспасынан тұрады және осы екі фазаның өзара қатынасы тұндыру шартына тәуелді (сурет 4). Қабықшаның электрлік және оптикалық қасиеті өткізгіштік аумақтың шетін және валентті аумақты қалыптастыратын, Ферми деңгейіне жақын орналасатын sp2 позициялыPI-күйдегі электрондар арқылы анықталады. Бұл sp2 байланыстары бірнеше атомнан тұратын, sp3 матрицасына байланысқанσ тұрғызылған кластерлерден құрастырылады. Көміртегі атомымен байланысқан sp2 және sp3 ара қатынасы a-C:H қабықшаның қасиетін анықтайды .
Сурет 4 - Алмазтектес көміртегінің a-C:H құрылымы [9]
Қабықшаның орналастыру шартын бақылай отырып, қабықшадағы sp3және sp2байланыс ара қатынасын ұсынуға болады.
Алмазтектес қабықшамен a-C:H шынайы монокристалдық алмаз арасындағы фундаментальды ерекшелігі ауыспалы тригональ санымен немесе графитті байланысының қатысуы, сондай-ақ сутегінің аса жоғары құрамы болып табылады (сутегінің 5-50 ат. %).
Таза алмаз кристалының синтезі жоғары температура мен қысымды талап еткеніне қарағанда, жасанды алмаздың алу процесі едәуір технологиялық қиындықтан болады [10].
1.3 Алмазтектес көміртегінің электрондық қасиетінің қазіргі заманғы мәселелер модификациясы
Соңғы жылдары ретсіз құрылымды көміртегіге және оның қасиетінің модифицирлеу мәселесіне жалпы қызығушылық байқалып отыр. Қазіргі уақытта, ретсіз құрылыммен әртүрлі көміртегіге көп көптүрлілік қалыптасты және тек қана аморфты көміртегі емес, соның негізінде құралған толық материал класы туралы айтуға болады. сол себепті, аморфты көміртегі электронды қасиетінің модификация мәселесі, алғашқы зерттеулерге қарағанда көбірек обширной болады. осы мәселе шешімінің әр түлі жолы бар екені белгілі. Әрбір жағдайда a-C электронды қасиетінің модификацияға әректі жасап шығарылады. Бұған әдістің көп көптүрлілігі және a-C аморфты қабықшаның алу спецификасы қосылады.
Аморфты көміртегінің көптүрлілігі формасынан өзінің қызықты қасиетімен a-C:H гидрогенизирленген аморфты алмазтектес көміртегі боп көрінеді. Ең алдымен,бұл өзінің механикалық қасиетімен табиғи алмазға , оны материал негізінде алу мүмкіндігіне байланысты. Аморфты гидрогенизерленген көміртегі, антифрикционды қасиетке оптикалық және қатты мөлдірлік покрытиясын алу үшін перспективалық материал болып табылады. Бұдан басқа, a-C:H қабықшасы квантты өлшемді эффектілер пайда болатын наноқұрылымды материал сияқты маңызды қызуғышылық көрсетеді.
КРС пен ИҚ спекроскопиямен берілген үлгі алмазтектестe a-C:H наноқұрылымды бірлік sp2 валентті байланысының конфегурациясымен 5 ден 20A0 дейінгі өлшемнен графиттектес кластерлер болып табылады. Бұл кластерлер sp3 конфигурация байланысымен алмазтектес материалға орналасады. a-C:H қабықшасындағы өлшемді квантталу, графитті жартылай металдан жартылай өткізгішке айналдыра отырып, графиттектес нанокластерді электронды спектрде тиым салынған аумақтың пайда болуына әкеп соғады және a-C:H қабықшасының оптикалық жұтылу шекарасын анықтайды.
a-C:H электронды қасиетінің кең таралған модифкация тәсілі қазіргі күнде қоспалы металлдың ендіруі болып табылады. Ережеге сәйкес, металл қоспасы анықталған дәрежеде a-C:H қабықшаны электронды және механикалық қасиетіне әсер етеді. Сондықтан, бұл әсер көміртегімен металл қалыптасуына байланысты. Әдебиеттерде, аморфты алмазтектес көміртегінің әртүрлі металлқұрамды қабықшасы қарастырылады. Рентгендік зерттеулердің келісімімен Ta,Ti,V,W,Mo,Nb құрамды a-C:H қабықшада, a-C:H матрицасына енгізілген карбид металының аз кристаллдық кластері қалыптастырылады. Au,Ag немесе Cu cияқты некорбидқалыптастырған металл қолдануымен,аморфты алмазтектес көміртегі матрицасында 3 тен 10 нм дейінгі диаметрмен металл кластерлері пайда болады.
Келтірілген мысалға байланысты, a-C:H қабықшаның қасиеті қоспалы металл енгізу жолымен модифицирлеуге болады. Металл типтік немесе a-C:H де пайыздық құрамын өзгерте отырып, жаңа қасиетті алмазтектес көміртегі алуға болады.
Бұдан басқа, күшті дәрежедегі алмазтектес көміртегі қабықшасының қасиеті a-C:Н аморфты матрицадағы координирленген байланысының sp2 және sp3 ара қатынасына тәуелді емес. Сондықтан, бұл ара қатынас a-C:H қабықша тұңдыру шартына тәуелді екені байқалды. Басқа сөзбен айтқанда қабықша тұңдыру шартын өзгертіп, a-C:H құрылымда байланыс sp2 және sp3ара қатынасын өзгертуге болады, нәтижесінде a-C:H қабықшаның қасиетін құрылымды модификацияға жеткізеді. Сондықтан, қоспалы сияқты алмазтектеас көміртегінің электронды қасиетінің құрылымды модификациясын перспективті жүзеге асыру басталады. Қоспа ретінде күміс таңдалынды, ең әлсіз зерттелген металл модификатор сияқты, жаңа электронды қасиетті алмазтектес көміртегі және оның практикалық қолданысының таралу облысы көзімен танымал.
a-C:H электрлік және оптикалық қасиеті:a-C:H қабықшасы қоспадан және химиялық құрылымның тәуеділігінен 103-нен 1012 Ом·см үлес кедергісіне ие болуы мүмкін. Маңызды факторлардың бірі қабықшаның үлесті кедергісіне әсер ететін қабықшадағы sp2 және sp3 байланыс саны қабықшаның өсу шарты болып табылады. a-C:H қабықшасының кедергісі sp2 конфигурациялы байланысының концентрациясы үлкейгенде азаяды. Егер аморфты матрицада sp2 байланысы басым болса, ол графит үшін тән. a-C:H қабықшасы материалдың өткізгіші болады. sp3 байланысы басым болған жағдайында аморфты көміртегі өткізгіші диэлектрикөткізгішіне жақындайды.Ұстамды арақатынас sp2 және sp3 байланысында алмазтектес көміртегінің қабықшасының өткізгіштігі жартылайөткізгішті материалға тән белсенді мінездемеге ие. Бұл қабықшалардың тиым салынған аумағының ені 1-ден 2 эВ аралығын құрайды.
a-C:H қабықшасының өткізгіштігінің температура төсенішіне тәуеділігі зерттелінді. Қабықшалар 1500C-4000C температура төсенішінде ионды-плазмалы магнетронды тозаңдату әдісімен дайындалды. a-C:H қабықшасының өткізгіштігінің маңызды тәуелділігі температура төсенішінен табылды. Қабықша өткізгіштігінің шамасы бөлме температурасында 10-10-10-9 -нен 10-5-10-9 Ом·см-1 дейінгі аралықта төсеніш температура өзгерісімен өзгереді.[11]
Металл атмосферасында ВЧ-ионды плазманы тозаңдатумен дайындалған материал электродының a-C:H қабықшаның электрлік қасиетіне әсері зерттелінеді. Al, Cu және Au жоғары электродпен және төменгі Al-электродпен ауыспалы тоқта көп қабатты құрылым үлгісінің өткізгіштігі зерттелінді. a-C:H қабықша өткізгіштігі жоғары жиілікте V типтегі σ~(V)s функция жиілігі болады, мұнда S-жиілікті тәуелді параметр болады. Болжамдағы түсіндірме қорытындысы a-C:H қабықшасында өткізгіш таратушы процесінде терең орны мен 0,34 эВ торға түсіріледі. Торға таратушы зарядының түсіру есебі S жиілік тәуелділігін анықтауға мүмкіндік береді.
Қараңғы тоқтың фототоктың жылжымалылығы таратушы зарядының темперетуралық тәуелділігі, легирленген және легирленбеген a-C:H қабықшасының фототок басылу уақыты зерттелінді. Қабықшалар легирленген қоспа есебінде, көміртегі және иод ретінде CH4 метанды пайдалануымен жоғары жиілікті күлгін разряд әдісімен дайындалды. Легирленбеген қабықшалар температура интервалында фотоөткізгіштікті қасиетке ие болды. T=140K легирленген қабықшада максималды фотосезімталдығы (мұнда, - жарықтандырудағы өткізгіштік, -қараңғы өткізгіштік). Таратушы зарядтың дрейфтік қозғалысының максималды шамасы, 4,2*10-7см2(В*С) тең, болме температурасына жетті. Жоғары темпертура облысында дрейфтік таратушы ауысуының активация энергиясы легирленген қабықша үшін 0,16эВ және 0,13эВ легирленбеген қабықша үшін құрды. Таратушы зарядының дрейфтік ауысуының активационды сипаттамасы тиым салынбаған зона күйіндегі төмен созылып жатқан, төмен еркін әрекетпен таратушы зарядына түсіндіріледі. Төмен температура облысы үшін секірмелі механизм ауысуымен түсіндірілетін , температурадан таратушы зарядының дрейфтік ауысуының әлсіз тәуелділігі орналастырылды.
Eg sp2 кластер өлшемінен және сол сияқты sp2sp3 байланыс арақатынасынан тәуелді және сутегі концентрациясынан sp3 байланыс концентрациясы анықталған тәуелділік екені анықталды. Сондықтан, сутегі оптикалық қасиетке әсер етпейді, бірақ sp2 концентрация жағдайына және сол сияқты sp2 кластерінің өлшеміне тура әсер етпейді.
a-C:H тәжрибелік қолдануының маңыздысы оптикалық жұтылуының аз мағыналы коэффициенті және сыну облысындағы оптикалық қасиет болып табылады. Бұл коэффициенттің аз мағынасы a-C:H қабықшасының негізінде жарықтандырылған төсеніш құрауға мүмкіндік береді.
Молекулада атомдар қатты фиксирленген болмайды. Серіппеге бекітілген сияқты олар бірнеше тегіс жағдайдан кейін тербеліс жасай алады, қорытындысында мұндай тербелістер сол немесе басқа байланыс деформация түрінде болуы мүмкін, мысалы иілу және созылу (5 сурет). Егер молекула анық бір жиілікпен (300-4000см-1) ИҚ-сәулесімен жылжыса, онда резонанста молекула атомының тербеліс жиілігі және сәуле жиілігі өте жоғары энергиямен келесі күйге тербеліс күйден төмен энергиямен энергетикалық ауысуы және энергияның жұтылуы мүмкін. Сондықтан, ИҚ спектрде оның құрылымды элементі үшін сипаттамалар жолақпен немесе жұтылу жолағымен бақыланады. Белгісіз материалмен белгілі этолонның спектрімен ИҚ спектрін салыстыру дұрыс зерттеу инструменті болып табылады. Идентификация материалы ушін этолон спектірінің қатыспауын, көптеген құрылымды элементтері сипаттамалы жұтылу жолағына ие болғаны үшін қолдануға болады. Бұл ИҚ спектроскопия заттың атомдар байланысының мәліметін беретінін және біз дайын аморфты сутектендірілген көміртекті қабықшаның құрылымды элементтері жайлы білуіміз мүмкіндігін білдіреді.
Сурет 5 - Молекуланың тербеліс схемасы (тербеліс процесіндегі атомдардың ауысуы нұсқағышпен көрсетілген) [11]
Егер атом тербелісі иілуде немесе созылуда болатындай, молекуланың дипольды моменті өзгеріспен алып жүрілсе, онда молекула сәулені жұтады. Энергия жұтылған квант жиілігін есептеу үшін әдетте Хук заңын пайдаланады.
(1)
мұнда, К - байланыс энергиясын сипаттайтын тұрақты, m1жәнеm2 - молекуладағы атом массалары. Бұл теңдеуден К үлкен болғанда, яғни байланыс күшті кезде жарық кванты өте үлкен жиілікпен жұтылады. Сол себепті, екілік байланыс жағдайында , мысалы С=С қарапайым байланысына қарағанда С-C жарық кванты өте жоғары энергиямен жұтылады. Бұдан басқа молекула атомының массасы қанша көп болса, жарық квантының жұтылу жиілігі сонша аз болады. Химиялық байланыстың негізгі құрылымды бірлігі жұтылу ИҚ спектріндегі жолақ жағдайымен анықталады. Орналастыру процесіндегі a-C:H қабықшасында ендірілген сутегі, көміртегі атом күйіндегі sp2 және sp3 байланысын көрсетеді және талапқа сай C-H және C-C a-C:H қабықшасындағы байланысын анықтайды [12].
Көптеген зерттеулерде аморфты көміртегінің қабықшасы сутегі мөлшерін тұрақты ұстай алады (HC1, 50%-тен жоғары) . Сутегі концентрациясы әдетте детектирленген және ИҚ спектрлік әдістері арқылы анықталады.
Қабықшадағы сутегінің құрамын анықтау үшін ИҚ әдісінде С-Н тербелісті байланыстың жалпы жұтылуын қолданылады. Сондықтан, ИҚ әдісі қатысты концентрацияны білу инструменті болады, абсалютті үйлестіру өте қиын болып табылады. Егер ИҚ әдісі тек қана сутегінің химиялық байланысын анықтағанда, басқа әдістердің көбісі сутегінің толық құрамын анықтай алады. Сутегінің 30-50% көміртегімен байланысты емес, сондықтан сутегі химиялық активті емес [13]. Бұл әлсіз байланысты сутегі ішкі қабатқа жұтып алунемесе ішкі кластерде бар болуы мүмкін.
ИҚ спектрлік әдісімен сутегі байланысының концентрациясын ғана емес, байланыстың ерекшелігін де анықтауға болады. С-Н байланысындағы тербеліспен байланысқан ИҚ спетріндегі жұқа құрылымнан қабықшасындағы сутегі, моногидрид сияқты енгізілді. Бұған кері сутегі құрамды жұмсақ полимертектес қабықшада дигидридтің қатысты жоғары концентрациясына әкеледі.
6-cуретте a-C:H қабықшасының ИҚ жұтылу спектірінің жолағы 3100-ден 2850 см-1 арасындағы С-Н және С-С суперпозиция 1620 және 700 см-1 облысыдағы иілген тербелісі келтірілген [14].
a-C:H қабықша жұтылуы және 2800-ден 3100 см-1 интервалындағы табылғандар CH, CH2 және CH3 байланыс тобындағы созылған тербеліске қатысты жолақ табылды. Әрбір қабықша үшін толық шың жұтылуы кестеде келтірілген, толқын ұзындығында, Гауссты функциямен көрсетілгендер жеке шыңда орналастырылды.
Барлық байланыстар бірдей жұтылу ықтималдылығына ие екендігін болжайды. a-C:H қабықшадағы сутегінің толық құрамы ИҚ жұтылу спектіріндегі жолақ ықпалдау жолымен анықталды. Elastic recoil detection analysis (ERDA) әдісімен байланысқан және байланыспаған сутегі сияқты конценрациясы анықталды, сонымен сутегі конценрациясы қабықшадан қабықшаға ерекшеленеді.
Сурет 6 - а-С:Н қабыршағының ИҚ жұтылу спектрі [14]
1.4. Аморфты фаза туралы ұғым.
Біз аморфты қабыршақ жайлы сөз қозғағаннан кеиін, аморфтыдене, аморфты күй туралы айтып кеткеніміз жөн. Аморфты күй заттың конденсирленген күйі ең басты ерекшелігі атомдық және молекулалық тордың болмауы, кристалдық күйге тән үшөлшемді периодтық құрлымның болмауы. Аморфты денелердің белгілі бір балқу нүктесі жоқ. Атомдық құрлымына тән ерекшелік алыс реттіліктің емес жақын реттіліктің болуы. Аморфты денелер изотропты, яғни олардың қасиеттері белгілі бір бағытқа тәуелді емес. Барлық заттардың балқымалары балқу температурасынан жоғары күйде термодинамикалық тепе - теңдік күйде орналасады.Ол кезде кез келген күйдің термодинамикалық функциясы температурамен, қысыммен және басқа параметрлермен анықталады. Балқу температурасы кезінде зат тепе - теңдіктегі қатты күйге өтеді сол жерде кристалданады. Алайда кейбір балқу температурасынан төмен жағдайда тепе - теңсіз күйдегі қайта суытылған сұйықтық алынады. Ал шынылыу температурасынан төмен температурада тепе - теңсіз қатты аморфты күй алынады. Бұл күйде зат ұзақ уақыт бойы тұрақты болады.Мәселен вулкандық шыны - обсидиан олардың жастары миллион жыл. Шыны тәріздес аморфты күйдің термодинамикалық функциясы тек температурамен және қысыммен анықталмайды.Шыны тәріздес аморфты күйдің физикалық және химиялық қасиеттері сол заттың кристалдық модификациясының қасиетіне жақын болады, алйда айырмашылық жасауыды мүмкін [15].
2 ЗЕРТХАНАЛЫҚ БӨЛІМ
2.1 Аморфты көміртекті қабықшаларды алу әдістері
o Жұмысқа керекті приборлар және материалдар:
o ВУП-5,
o Форвакуумдық(BHP-55 УХЛЧ) және диффузиялық насос
o Қабықшаларды алу үшін пиролиттік поликристалдық тазалығы 99,99% графит қолданылады
o Соңғы жылдары әлемдегі дамыған мемлекеттердің алдыңғы қатарлы ғылыми және технологиялық орталықтарындағы зерттеушілерді аморфты көміртегі негізінде алынатын арзан фотоқұрылымдар, жарықсезгіш экрандар, электрофотографиялық құрылғылар, фотодиодтар, түс датчиктері, сканистирлер алуда қолданылуы үлкен қызығушылық тудырады[16].
o а-С:Н және оның қоспаларын орналастыру үшін әр түрлі әдістер қолданылады: магнетрондық әдісі, метанның буландыру фазасында химиялық орналастыру әдісі, иондық реактивті тозаңдату, күлгін жоғары жиілікті разрядты және тұрақты токтың күлгін разрядында метаннан орналастыру әдісі .
o Құрылымы реттелмеген конденсирленген ортадағы алмазтектес қабықшалар, аморфты гидрогенирленген көміртегі (а-С:H) негізіндегі, магнетрондық тозаңдату әдісімен алынған [16].
2.2Магнетрондықәдіс
Тозаңдату процесі - нысананы жоғарғы энергиялы иондармен атқылағанда, нысана материалдың бетінен атымдардың ұшып шығу процесі болып келеді. Сонымен қатар, жоғарыдағы анықтамаға сәйкес, тозаңдату процесі улау (травление) процесі ретінде қарастырылып, бетті тазалау және оны профильдеу үшін қолданылады. Тозаңдату кезінде нысана материалдың жойылуы және орын ауыстыруы (транспортировка) болатындықтан, бұл әдіс жұқа қабықшаларды алу әдісі ретінде де қолданылады. Қазіргі кезде осы әдіс әр түрлі материалдардан қабықшаларды алудың алдыңғы қатарында.
7-суретте ВУП-5 вакуумдық қондырғының вакуумдық камерасына орналастырылған тұрақты токтағы магнетрондық тозаңдату жүйесінің сүлбесі көрсетілген. Қондырғыда вакуумдық камера алдын ала форвакуумдық және диффузиялық насоспен р=5* 10-3 Па қысымға дейін сорып алынады, кейін камераға жұмыстық аргон және сутек газы беріледі [17].
1 - тозаңдату камерасы, 2 - төсенішті ұстағыш, 3 - төсеніш (подложка), 4 - анод, 5 - нысана (катод), 6 - анодтың тефлондық ұстағышы, 7 - магнит, 8 - газ жіберілетін түтікше, 9 - тұрақты ток көзі, 10 - сору (откачка) түтікшесі.
Сурет - 7 Тұрақты токтағы магнетрондық тозаңдату жүйесінің сүлбесі [17]
CN - жұмысшы аудан; ND - диффузионды насос; NL - форвакуумды насос; BF - форвакуумды баллон; V1-V8 - вакуумды жүйені коммутациялау клападары; P1,P2,P4 - термопарлы датчиктер ПМТ-2; P3 - ионизациялы датчик ПМИ-2.
Сурет - 8 Вакуумдық әмбебап пост схемасы [17]
Нысана тұрақты магнитке орнатылып, қалыңдығы 2 мм және диаметрі 10 см пиролиттік поликристалдық графиттен құралған. Қабықшаларды алу үшін тазалығы 99,99% графит қолданылады. Анод тотықпайтын болаттан цилиндірлік пішінде жасалған және тұрақты кернеу көзіне қосылған. Төсенішті ұстағыштың конструкциясы төсеніштің температурасын сақтап және 100-3500 С интервалында өзгертеді. Тозаңдату анодта тұрақты оң кернеу кезінде жүзеге асады [17].
Сурет 9 - Аморфты көміртегінің қабықшаларының раман спектрі [18]
Модель a-C - дағы sp3 байланыстардың максимал концентрациясы екі ерекшеліктерге ие: 1550 см-1 -дегі кең негізгі шың және 1350 см-1-дегі қосымша шың болатын болжайды.
Бұл ерекшеліктер микрокристаллиттік графиттың KPC спектріне байқалған ерекшеліктерге ұқсас. Ол жақта бұл жағдай үшкоординациялық тордың және графиттың оңашаланған аралшықтарының болуымен түсіндіріледі. a-C негізінен реттелмеген қаббатты графиттың кластерінінен тұратыны ұйғарылады Көміртегінің аморфты қабықшалары бөлме температурасында ионды-сәулелі әдіспен кварцтан немесе кремний монокристаллынан тұратын төсемедеге табиғи көміртегіден тозаңдандыру арқылы алынады [18]. КРС спектрелерінің зерттеулері үлгілердегі жылулық өңдеуден кейін біртіндеп кристалиттердің түзілуі болатынын және құрылымның өзгеруі, тыйым салынған аймақтың оптикалық ені және sp3байланыстағы көміртегі атомдарының күйлері арасындағы корреляцияны анықтады.
Сонымен қатар аморфты көміртегілердің қабықшаларын жақыннан тасымалдау әдісімен алынады. Әдіс материалдың сублимациясы және одан кейін болатын будың жақын орналасқан төсемеге конденсациясы принципіне сүйеніп, атмосфералық қысымдағы жақын арақашықтықтағы сублимацияға негізделген. Осы кезде қабықшалардың өсу жылдамдығы, морфологиясы мен құрылымы, оптикалық қасиеттері, анықталған сипаттамалардың тұндыру температурасымен төсеме материалына тәуелділігі зерттелінді. Бұл мақсаттар үшін атомдық-күштік микроскопия, көпбұрышты эллипсометрия, рентенодифракциондық талдау және тағы да басқа әдістер қолданылды. Тәжірибе нәтижесінде тыйым салынған аймағының оптикалық ені 5,4 эВ - ға жететін қабықшалар алынған. Атомдық-күштік микроскопия көмегімен зерттеу кезінде шыны төсемеде алынған қабықшалардың біртексіздігі 8 нм болса, ситталды төсемеде алынған қабықшалардың біртексіздіктері небәрі 0,5 нм құрады [19].
Өндірісте және лабораторияда алынатын аморфты көміртегі, көп жағдайда көміртегінің қосылыстарынан (H, O, N, S атомдарымен), күлді компоненттерден және адсобрцияланған газдардан немесе булардан тұрады .
2.3 Жұқа қабыршақтардың вакуумдағы технологиясы
Комбинациялық шашырау спектроскопиясы дипольдық моменті бар немесе мүлдем жоқ болатын жоғарысимметриялы ковалентті байланыстарға сезімтал. Көміртек - көміртекті байланыс толығымен осы критерийге сәйкес келеді, сол себепті ең бағалы әдіс болып табылатын КШ материал құрылысының өте ұсақ өзгерісін көрсете алады.
Әртүрлі көміртекті наноқұрылымдар бар екені белгігі. Олар бірыңғай көміртек атомдарынан тұрғызылған және аллотропиялық модификацияға ие. Оларға тек алмаз бен графит қана жатпайды, фуллерендер, графен және оның күрделі құрылымдары, сонымен қатар нанотүтікшелерді жатқызамыз. Осы материалдардың барлығы көміртек - көміртек байланысымен түсіндіріледі, олардың кеңістіктік ориентациясы әр материалда әртүрлі байланыста, сол үшін полярлы емес байланыс ориентациясының кішкене өзгерісін бақылау үшін осы әдіс қолданылуы тиіс.
КШ спектроскопиясы көміртекті материал құрылысын зерттеуге арналған әдіс. Спектрдегі әрбір жолақ молекуланың нақты бір тербелісіне сәйкес келедіжәне де оның жиілігі атомның массасы мен кеңістіктік ориентациясы бар байланысқа өте сезімтал [20].
Романовтың спктроскопиясында үлгі монохраматтық жарықпен сәулеленеді (әдетте сәулелендіру көзі лазер болып табылады). Үлгімен шашыраған сәулеленудің көп бөлігі түскен сәуле сияқты жиілікке ие болады, бұл процесс Релейше шашырау деп белгілі. Осыған қарамастан үлгіден шашыраған сәулеленудің кейбір мөлшері, шамамен миллионнан бір фотон (0.0001 %) ашғашқы лазерден сәулеленген жиілікке қарағанда ауысқан жиілікке ие болады.
Сурет 10 - Конфокальді КРС микроскоптағы сигналды тіркеу сұлбасы [20]
o Лазерлі сәуле үлгіні қоздырады
o Бұл сәуе барлық бағытта шашырайды
o Жарық жартылай детекторға түседі, оны Раман-спектр тіркейді
o Спектрде лазердің бастапқы жиілігіндегі жарық және әрбір бірегей үлгіге тән спектрлік ерекшеліктер көрсетілген.
Төмендегі энергетикалық күй диаграммасында көрсетілгендей, ... 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