CC BY
98
Список литературы
1. Kirovskaya I. A., Podgornyi. S. O. Adsorption of gases on binary and multicomponent semiconductors of the ZnSe-CdTe system // Russian journal of physical chemistry A. 2011.Vol. 85, № 11. P. 1971-1976.
2. Podgornyi S.O. [et al.]. Adsorption properties of the components of the ZnSe-CdTe system. Size effects // Omsk scientific bulletin. 2013. №. 3(123). P. 50-52.
3. Firsov K.N. [et al.]. Room-temperature laser on a ZnSe : Fe2+ polycrystal with undoped faces, excited by an elec-trodischarge HF laser //, Laser Physics Letters. 2016. Vol. 13, № 5. P. 1-5
4. Kephart J.M. [et al.]. Band alignment of front contact layers for high-efficiency CdTe solar cells // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2016. Vol. 157. P. 266-275.
5. S. Ishikawa S. [et al.]. Fine-pitch CdTe detector for hard X-ray imaging and spectroscopy of the Sun with the FOXSI rocket experiment // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2016. Vol. 121. Iss. 7. P. 6009-6016.
6. Niraula M. [et al.]. Surface Processing of CdTe Detectors Using Hydrogen Bromide-Based Etching Solution // IEEE Electron device letters. 2015. Vol. 36. Iss. 8. P. 856-858.
7. Kirovskaya I. A., Podgornyi S. O. New catalysts for the oxidation of carbon monoxide // Russian journal of physical chemistry A. 2012. Vol. 86, no № 1. P. 14-18.
8. Podgornyi S. O. [et al.]. Zink selenide nanofilms application in carbon monoxide detection // Procedia Engineering. 2016. Vol. 152. P. 474-477
УДК 537.311.31
ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК ИЗ МЕДИ И СЕРЕБРА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Д. А. Полонянкин, А. И. Блесман, Д. В. Постников
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-204-208
Аннотация - Формирование методом магнетронного распыления тонких проводящих пленок из меди и серебра благодаря их уникальным электрическим и оптическим свойствам является одним из высокотехнологичных направлений промышленного производства преобразователей солнечной энергии, энергосберегающих покрытий, экранов с плоским дисплеем и сенсорных панелей управления. К основным физическим характеристикам металлических пленок, обусловливающим их проводимость, относятся шероховатость и пористость поверхности, средний размер зерна, внутренние микронапряжения, ориентация и тип решетки, также степень кристалличности пленки. В зависимости от толщины пленок доминирующим механизмом проводимости в них могут выступать обусловленная потоком электронного газа объемная проводимость, а также проводимость по границе зерна. В работе методами сканирующей электронной и лазерной микроскопии, а также методом рентгеновской дифрактометрии проводится исследование влияния микроструктуры и шероховатости поверхности на электрическую проводимость тонких пленок из меди и серебра. Наибольшие значения удельной проводимости 78 МСм-м"1 и 84 МСм-м"1 соответственно для пленок из меди и серебра толщиной 350 нм получены при минимальных значениях шероховатости поверхности и средних размерах зерна.
Ключевые слова: электропроводность, тонкие пленки, медь, серебро.
I. Введение
Применение серебра в промышленном производстве электронных и оптических устройств обусловлено его высокой отражательной способностью, достигающей 98% при длине волны 500 нм, и наименьшим удельным сопротивлением по сравнению с другими металлов [1]. Высокая отражательная способность в видимом диапазоне длин волн, а также большая электропроводность определяют широкое применение покрытий из чистого серебра в производстве оптических отражателей и электрических контактов в микропроцессорной технологии [2].
Медные тонкопленочные покрытия широко используются в микроэлектронике благодаря низкому удельному электрическому сопротивлению, высокой теплопроводности и температуре плавления [3]. Наноструктури-рованные тонкие пленки из меди, сформированные на кремниевых подложках методом магнетронного распыления, используются для изготовления защитных электромагнитных экранов [4-5]. Тонкие медные пленки
с высокими оптическими и электрическими свойствами широко используются в производстве светодиодов, оптических волокнах и фильтрах, фотоэлектрических диодах и датчиках разных типов [6].
Таким образом, получение тонких проводящих медных и серебряных пленок методом магнетронного распыления является актуальной проблемой современного материаловедения и нанотехнологий благодаря высокой практической значимости этого метода и материалов в технологиях производства тонкопленочных покрытий с высокими физическими, химическими и эксплуатационными характеристиками [7].
II. Постановка задачи
Электрические свойства медных и серебряных пленок значительно зависят от таких технологических параметров их производства, как температура [1], материал подложки [8], давление в камере [9], тип распыления (высокочастотное распыление [10, 11] или распыление с магнетрона постоянного тока [12]) и мощность [13], скорость осаждения [7], конфигурация электромагнитного поля и площадь мишени [14].
Анализ публикаций по проблеме формирования тонких проводящих пленок из меди и серебра методом магнетронного распыления позволяет провести их классификацию по толщине и механизму проводимости:
1) ультратонкие пленки толщиной менее 40 нм, в которых преобладает зернограничный механизм проводимости, обусловленный размерным эффектом [15];
2) пленки субмикронной толщины (от 50 до 800 нм [10]), механизм проводимости которых определяется преимущественно объемной составляющей.
Целью данной работы является исследование влияния микроструктуры и шероховатости поверхности на электропроводность тонких пленок, полученных методом высокочастотного магнетронного распыления меди и серебра в субмикронном диапазоне толщин.
III. Методика эксперимента
Нанесение тонких медных и серебряных пленок толщиной от 100 до 500 нм и с шагом в 50 нм проводилось методом магнетронного распыления на установке ADVAVAC VSM-200 в высокочастотном режиме при мощности источника 100 Вт, давлении аргона от 0.32 до 0.34 Па и предварительной ионной очистке камеры в течение 10 минут.
Исследование электропроводности пленок проводили в диапазоне субмикронных толщин, для которого механизм проводимости определяется преимущественно объемной составляющей. Сопротивление тонких пленок, нанесенных на подложки из натрий-кальциевого силикатного стекла в среде аргона с использованием мишеней из меди и серебра диаметром 50 мм, измеряли цифровым мультиметром DT-9208A, затем рассчитывали их удельную электропроводность.
Качественный и количественный элементный анализ проводили на растровом электронном микроскопе JEOL JCM-5700, оснащенном энергодисперсионным спектрометром JED-2300. Рентгенофазовое исследование серебряных и медных пленок проводили в Cu-Ka (Х=0.154 нм) излучении методом скользящего пучка: фиксированный угол трубки дифрактометра составлял 0=5°, угол 20 варьировался в диапазоне от 40° до 80° для пленок из меди и от 30° до 80° для пленок из серебра. Расчет средних размеров зерна серебряных и медных пленок проводился по формуле Дебая-Шеррера. Измерение шероховатости поверхности пленок проводилось методом лазерной интерференционной микроскопии на бесконтактном неразрушающем микроскопе MIM-340, оснащенном лазером с длиной волны 405 нм.
IV. Результаты и их обсуждение
Результаты количественного энергодисперсионного анализа показали, что пленки из меди и серебра не содержат примесных атомов, что также подтверждается результатами РФА. Как видно из рис. 1 и 2, рентгенограммы пленок из меди и серебра во всем диапазоне толщин содержат рефлексы, отраженные кристаллографическими плоскостями (111), (200), (220) и (311) серебра, а также плоскостями (111), (200) и (220) меди.
Применение методики скользящего пучка позволило зарегистрировать характеристическое излучение атомов кристаллической решетки пленок и исключить возникновение рефлексов, соответствующих решетке подложки (толщина пленки больше, чем глубина проникновения рентгеновского излучения).
Как показывают результаты РФА, тонкие пленки из меди и серебра, полученные методом высокочастотного магнетронного распыления, обладают поликристаллической структурой с ГЦК решеткой. Интенсивность рефлексов, отраженных плоскостью (111) существенно превосходит интенсивности других пиков, что позволяет сделать вывод о высокой степени структурированности кристаллической решетки пленок.
На основе измерений сопротивления пленок меди и серебра, сформированных на подложках из покровного стекла длиной 7.5 мм и шириной 2.5 мм, рассчитаны значения их удельной проводимости.
и : I. -;
III 40 50 20, град 60 70 80
Рис. 1. Рентгенограммы пленок серебра толщиной от 100 нм до 500 нм и шагом 50 нм
Си_50_пт лпаа = Си_1 00_пт = 5.0000
О I.........I.........I.........I...................I.........I.........I.........
40 50 2 0, град 70 80
Рис. 2. Рентгенограммы пленок меди толщиной от 100 нм до 500 нм и шагом 50 нм
Зависимости шероховатости поверхности, а также средних размеров зерна от толщины серебряных и медных пленок представлены на рис. 3. Зависимость удельной проводимости от толщины серебряных и медных пленок представлена на рис. 4.
Рис. 3. Зависимость шероховатости поверхности и средних размеров зерна от толщины серебряных и медных пленок
Рис. 4. Зависимость удельной проводимости от толщины серебряных и медных пленок
Значения шероховатости поверхности серебряных пленок, полученные методом лазерной интерференционной микроскопии, варьируется в диапазоне от 3.59 нм (при толщине пленки 350 нм) до 4.86 нм (при толщине пленки 100 нм), тогда как соответствующие значения шероховатости медных пленок составляют 5.44 нм и 7.69 нм.
Средний размер зерен серебряных пленок, рассчитанный по формуле Дебая - Шеррера, варьируется от минимального значения 10.02 нм (при толщине пленки 350 нм) до максимального значения 11.12 нм (при тол -щине пленки 500 нм), тогда как соответствующие значения средних размеров зерна медных пленок составляют 11.43 нм и 13.24 нм.
По результатам расчетов наибольшая удельная проводимость принимает значение 78.3 МСм м-1 и 84.2 МСмм-1 соответственно для медных и серебряных пленок толщиной 350 нм.
V. Выводы и заключение
Полученные нелинейные зависимости шероховатости поверхности, средних размеров зерна и электропроводности серебряных и медных пленок от их толщины имеют экстремальный характер и могут быть проанализированы с точки зрения механизма островкового роста. По мере роста толщины пленок субмикронного диапазона сила и энергия их адгезии к подложке становится больше энергии взаимодействия осажденных атомов между собой, что приводит к изменению шероховатости поверхности пленок, а также относительного вклада зернограничного и объемного механизмов проводимости в полное удельное электрическое сопротивление.
Наибольшая удельная проводимость 78.3 МСмм-1 и 84.2 МСмм-1 соответственно для медных и серебряных пленок толщиной 350 нм получена при минимальных значениях шероховатости их поверхности и размеров зерна, а также высокой степени структурированности кристаллической решетки. Таким образом, эффективность формирования тонких проводящих медных и серебряных пленок методом магнетронного распыления обусловливает высокую практическую значимость его применения в технологиях производства тонкопленочных покрытий с высокими физическими, химическими и, как следствие, эксплуатационными характеристиками.
Источник финансирования. Благодарности Работа выполнена в рамках НИР № 17053В в ОмГТУ.
Список литературы
1. Suzuki T., Abe Y., Kawamura M., Sasaki K., Shouzu T., Kawamata K. Optical and electrical properties of pure Ag and Ag-based alloy thin films prepared by RF magnetron sputtering // Vacuum. 2002. Vol. 66(3 -4). P. 501-504.
2. Nakanishi Y., Kato K., Omoto H., Yonekura M. Correlation between microstructure and salt-water durability of Ag thin films deposited by magnetron sputtering // Thin Solid Films. 2013. Vol. 532. P. 141 -146.
3. Cao B., Yang T. R., Li G. P., Cho S. J., Kim H. Surface morphology and roughness of Cu thin films prepared by ionized cluster beam deposition // Adv. Mater. Res. 2012. Vol. 430. P. 419-422.
4. Desideri D., Natali M., Cavallin T., Maschio A. Characterisation of copper thin films deposited on machinable glass-ceramic and glass by DC magnetron sputtering // IET Sci. Meas. Technol. 2014. Vol. 8(1). P. 1-8.
5. Mech K., Kowalik R., Zabinski P. Cu thin films deposited by DC magnetron sputtering for contact surfaces on electronic components // Arch. Metall. Mater. 2011. Vol. 56(4). P. 903-908.
6. Ansari Z. A., Hong K., Lee C. Structural and electrical properties of porous silicon with RF-sputtered Cu films // Mater. Sci. Eng. 2002. B 90(1-2). P. 103-109.
7. Kelly P. J., Amell R. D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications // Vacuum. 2000. Vol. 56(3). P. 159-172.
8. Yang J., Huang Y., Xu K. Effect of substrate on surface morphology evolution of Cu thin films deposited by magnetron sputtering // Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201(9-11). P. 5574-5577.
9. Del Re M., Gouttebaron R., Dauchot J. P., Leclère P., Lazzaroni R., Wautelet M., Hecq M. Growth and morphology of magnetron sputter deposited silver films // Surf. Coat. Technol. 2002. Vol. 151-152. P. 86-90.
10. Maréchal N., Quesnel E., Pauleau Y. Silver thin films deposited by magnetron sputtering // Thin Solid Films. 1994. Vol. 241(1-2). P. 34-38.
11. Jiang H., Klemmer T., Barnard J, Doyle W., Payzant E. Epitaxial growth of Cu(111) films on Si(110) by magnetron sputtering: orientation and twin growth // Thin Solid Films. 1998. Vol. 315(1 -2). P. 13-16.
12. Chan K-Y., Luo P-Q., Zhou Z-B., Tou T-Y., Teo B-S. Influence of direct current plasma magnetron sputtering parameters on the material characteristics of polycrystalline copper films // Appl. Surf. Sci. 2009. Vol. 255(10). P. 5186-5190.
13. Chan K.Y., Teo B.S. Investigation into the influence of direct current (DC) power in the magnetron sputtering process on the copper crystallite size // Microelectron. J. 2007. Vol. 38(1). P. 60.
14. Promros N., Sittimart P., Patanoo N., Kongnithichalerm S., Horprathum M., Bhathumnavin W., Paosawatyan-yong B. Physical properties of copper films deposited by compact-size magnetron sputtering source with changing magnetic field strength // Key Eng. Mater. 2016. Vol. 675-676. P. 193-196.
15. Ke Y., Zahid F., Timoshevskii V., Xia K., Gall D., Guo H. Resistivity of thin Cu films with surface roughness // Physical Review B. 2009. Vol. 79. P. 155406.
УДК 620.1.08: 537.311.33
ГАЗОВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
Е. Д. Скутин, С. О. Подгорный, О. Т. Подгорная, Н. С. Коляничев, А. А. Катков
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-208-214
Аннотация — Показана возможность применения углеродных нанотрубок DEALTOM в качестве проводящего наполнителя для композитных сенсоров на основе полисилоксанов. Сенсоры показывают прогнозируемые результаты по чувствительности и селективности. По своим химическим, физическим и механическим свойствам нанотрубки подходят для модифицирования указанных композиционных материалов и пригодны для работы с достаточно агрессивными реагентами.
Ключевые слова: аналит, газовый сенсор, полимерный композит, полисилоксан, нанотрубки.
I. Введение
Взаимное влияние и взаимопроникновение таких областей науки как нанотехнологии, биотехнологии, информационные и когнитивные технологии (N -нано; B -био; I -инфо; C -когно) породили явление, называемое в настоящее время NBIC-конвергенция и заключающееся в ускорении научно-технического развития за счёт синергетического взаимодействия указанных областей [1]. Когнитивная наука при этом представляет собой научное направление, объединяющее теорию познания, нейрофизиологию, лингвистику, и имеющее целью построение теории искусственного интеллекта. ¡Совмещение в одной цепи нано- и биотехнологий, компьютерных информационных и когнитивных технологий способствует появлению новых научных направлений по созданию саморазвивающихся интеллектуальных систем из неживой материи, которые могут быть использованы в широком ряде областей от промышленного производства до экологии и медицины.
Одним из таких новых направлений является химический анализ с использованием мультисенсорных газоаналитических систем, называемых «электронный нос» [2]. Эти системы, как правило, строятся на основе массива сенсоров, характеризующихся чувствительностью к широкому набору или целому классу анализируемых веществ (аналитов). Селективность каждого из сенсоров массива по отношению к отдельным аналитам не имеет решающего значения, достаточно чтобы сенсоры массива имели уникальный профиль откликов на аналиты
