Особливості формування плівок системи С60-Вi під час осадження молекулярних та низькоенергетичних іонних потоків - Автореферат

Особливе місце в матеріалознавстві фуллеренів займає напрямок, повязаний з синтезом та дослідженням властивостей металофуллеренів, особливо інтеркалятів, у структурі яких атоми металу під час заповнення порожнин кристалічної ґратки фуллериту формують впорядковані структури, невластиві даній речовині в чистому вигляді. Їх застосування дає можливість здійснити імплантацію іонів у фуллерит із досягненням концентрації легуючих компонентів, що перевищує рівноважну межу їх розчинності, призводити до формування ендоедральних комплексів Ме@С60, викликати полімеризацію або фрагментацію молекул С60 і активувати низку інших складних процесів, протікання яких неможливе при термічних енергіях осаджуваних часток. Експериментальне дослідження та кількісний опис процесів, які виникають у фуллериті під впливом термодинамічних та кінетичних чинників, вимагають також уточнення даних щодо параметрів сублімації чистого фуллерену, оскільки значення тиску насиченої пари, що наводяться в літературі, достатньо суперечливі і часто є лише результатом усереднення різних експериментальних даних. Таким чином, низка процесів, що протікають у фуллериті під час іонного бомбардування, механізми їх виникнення, особливості аналізу структури металофуллеренів, та специфіка їх утворення під час осадження потоків компонентів з підвищеною енергією іонів металу, є вельми актуальним предметом досліджень. Параметри сублімації плівок фуллериту; процеси, що протікають у фуллериті під час його опромінення низькоенергетичними іонами вісмуту; склад, структура та особливості конденсації плівок системи С60 - Bi, одержаних осадженням у вакуумі одно-і двокомпонентних потоків сублімованих молекул фуллерену і прискорених іонів вісмуту; особливості дифракції рентґенівських променів кристалами металофуллеренових клатратів з атомами металу в октаедричних, тетраедричних і внутрішньомолекулярних порожнинах кристалу фуллериту.Розглянуто способи і механізми полімеризації фуллериту, методи синтезу металофуллеренів і ідентифікації їх структури. У третьому розділі «Визначення тиску насиченої пари фуллериту» представлені результати досліджень параметрів сублімації чистих плівок С60, що випаровувалися у вакуумі безпосередньо після їх конденсації, в ході яких в інтервалі температур 250 °С-290 °С були експериментально виміряні швидкості випаровування і визначені значення коефіцієнтів у рівнянні , що звязує температуру і тиск насиченої пари (B = 8856 ± 785, А = 13,17 ± 1,15). Порівняння одержаних значень з такими характерними величинами як порогові енергії іонів, за яких відбувається зсув атомів вуглецю E(EDC), їх розпилення E(Thc), а також розпилення нефрагментованих молекул С60 E(Thc60) з урахуванням коефіцієнта передачі імпульсу атомам вуглецю і молекулам С60 дасть можливість обґрунтовано вибирати інтервали енергій бомбардуючих іонів для збудження в мішені тих або інших домінуючих процесів. Аналіз електронно-мікроскопічного зображення плівок, виготовлених шляхом конденсації потоку речовини, котрий емітується еродуючою мішенню, показав, що досліджувані обєкти є двофазними конденсатами, які складаються з вісмуту і ГЦК - фуллериту. Підвищення енергії часток, що осаджуються при фіксованій температурі підкладок Тп = 270 °С, приводить до появи стрибка коефіцієнта конденсації іонів до k = 0,6 при збільшенні енергії іонів від 20 ЕВ до 35 ЕВ (рис.3), що вказує на протікання на поверхні підкладки деякого процесу з пороговою енергією Тк = 25 ЕВ, нижче за яку конденсації не відбувається.У дисертаційній роботі вирішено поставлену задачу щодо експериментального встановлення фізичних закономірностей формування одно-та двокомпонентних плівок системи С60 - Ві, визначення їх структурного стану та фізичної суті процесів, що протікають в них за наявності в осаджуваних потоках іонів металу підвищеної енергії. За швидкістю випаровування у вакуумі плівок фуллерита, які не піддавалися впливу атмосферного кисню і ультрафіолетового опромінення, встановлено, що експериментально одержана температурна залежність тиску насиченої пари фуллерена еквідистантно зміщена приблизно на 100 градусів убік низьких температур відносно даних, що наводяться в довідковій літературі. Запропоновано критерій парної взаємодії прискорених часток з молекулою С60, виходячи з якого вказаний інтервал енергій іонів вісмуту (8,8 ЕВ <ЕВЇ <365 ЕВ), в якому може бути здійснене фізичне молекулярне розпилення фуллериту. Експериментально виявлено, що в умовах опромінення фуллеритової мішені іонами вісмуту в інтервалах енергії іонів (50 - 200) ЕВ при температурах (100 °С - 270 °С) відбувається вихід речовини з мішені у вигляді нефрагментованих молекул С60. Сумісне осадження потоків сублімованих молекул С60 і іонів вісмуту з енергією вище деякого порогового рівня приводить до появи ефекту іонно-стимульованої конденсації фуллерену при температурі підкладок вище за критичну.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі вирішено поставлену задачу щодо експериментального встановлення фізичних закономірностей формування одно- та двокомпонентних плівок системи С60 - Ві, визначення їх структурного стану та фізичної суті процесів, що протікають в них за наявності в осаджуваних потоках іонів металу підвищеної енергії.

Основними і найбільш важливими науковими результатами є такі: 1. Шляхом осадження у вакуумі термічно випарених молекул С60, прискорених іонів вісмуту та їх сумісної конденсації синтезовані одно- і двокомпонентні плівки системи С60 - Bi. Рентгенографічними і електронно-оптичними методами вивчена структура сформованих конденсатів.

2. За швидкістю випаровування у вакуумі плівок фуллерита, які не піддавалися впливу атмосферного кисню і ультрафіолетового опромінення, встановлено, що експериментально одержана температурна залежність тиску насиченої пари фуллерена еквідистантно зміщена приблизно на 100 градусів убік низьких температур відносно даних, що наводяться в довідковій літературі.

3. Запропоновано критерій парної взаємодії прискорених часток з молекулою С60, виходячи з якого вказаний інтервал енергій іонів вісмуту (8,8 ЕВ < ЕВЇ < 365 ЕВ), в якому може бути здійснене фізичне молекулярне розпилення фуллериту. Експериментально виявлено, що в умовах опромінення фуллеритової мішені іонами вісмуту в інтервалах енергії іонів (50 - 200) ЕВ при температурах (100 °С - 270 °С) відбувається вихід речовини з мішені у вигляді нефрагментованих молекул С60. При цьому ерозія фуллериту є суперпозицією домінуючих в різних температурних інтервалах процесів термічного випаровування, радіаційно-прискореної сублімації і фізичного молекулярного розпилення.

4. Виявлено підвищення критичних температур конденсації при збільшенні енергії іонів вісмуту, що конденсуються, в інтервалі (20 - 120) ЕВ. При цьому швидкість осадження немонотонно залежить від енергії іонів. Сумісне осадження потоків сублімованих молекул С60 і іонів вісмуту з енергією вище деякого порогового рівня приводить до появи ефекту іонно-стимульованої конденсації фуллерену при температурі підкладок вище за критичну.

5. Шляхом проведення розрахунків встановлено, що наявність домішки в октаедричних, тетраедричних і внутрішньомолекулярних порожнинах ГЦК кристала фуллериту істотно впливає на вид дифракційної картини із значним перерозподілом інтенсивностей рентгенівських ліній. Показано, що при формуванні легуючим компонентом періодичних структур, які задаються матрицею фуллерита, величина співвідношення інтенсивностей рентгенівських ліній визначається в основному параметром ґратки, типом переважно сформованої структури фуллериду, сортом легуючих частинок і концентрацією заповнених атомами металу порожнин кристала фуллерита.

6. Досліджена структура плівок системи С60 - Bi, сформованих під час сумісної конденсації компонентів. Встановлено, що під час осадження двокомпонентного потоку сублімованих молекул фуллерену і прискорених іонів вісмуту формуються нетекстуровані металофуллеренові конденсати, ступінь структурної досконалості яких визначається співвідношенням компонентів у плівках. Запропонована модель формування металофуллеренових конденсатів, згідно з якою висока швидкість дифузії компонентів під час їх сумісної конденсації приводить до виділення вісмуту переважно на міжзеренних границях ГЦК кристалу фуллериту у вигляді рентгеноаморфних нанокластерів при результуючому співвідношенні компонентів NBI / NC60 = 1/10 або мікровключень при NBI / NC60 = 1. Накопичення металевої фази пригнічує процеси рекристалізації зростаючих зерен фуллериту, що приводить до погіршення досконалості ГЦК структури фуллериту аж до її аморфізації при NBI / NC60 = 3.

7. Експериментально встановлено, що іонне опромінення сформованих плівок С60 прискореними іонами вісмуту з енергією ~ 100 ЕВ приводить до насичення фуллериту атомами вісмуту, які при результуючому співвідношенні компонентів NBI / NC60 » 1 переважно сегреговані в окрему фазу. При цьому частина атомів вісмуту розташована в октаедричних порожнинах ГЦК кристалу фуллериту, утворюючи металофуллереновий клатрат з інтегральним коефіцієнтом заповнення пор рівним с = 0.1. фуллерен плівка вісмут

1. Пуха В.Е. Влияние нанослоев висмута на ориентированный рост фуллерена С60 на аморфных положках / В.Е. Пуха, В.В. Варганов, И.Ф. Михайлов, А.Н. Дроздов // Физика твердого тела. - 2004. - Т.46, №8. - С.1526-1528.

2. Пуха В.Е. Зависимость коэффициента конденсации висмута от энергии частиц, осаждаемых из ионного пучка на кремниевые подложки / В.Е. Пуха, И.Ф. Михайлов, А.Н. Дроздов, Л.П. Фомина // Физика твердого тела. - 2005.- Т.47, №3.- С.572-574.

3. Pukha V.E. The structure and nanoindentation of C60 films / V.E. Pukha, A.N. Drozdov, A.T. Pugachev, S.N. Dub // Functional Materials. - 2007 - V.14, №2. - P.209-211.

4. Дроздов А.Н. Особенности испарения пленок С60 / А.Н. Дроздов, А.С. Вус, В.Е. Пуха, А.Т. Пугачев // Физика твердого тела. - 2008. - Т.50, В.1. - С. 188-190.

5. Дроздов А.Н. Молекулярное распыление фуллерита низкоэнергетичными ионами висмута / А.Н. Дроздов, А.С. Вус, В.Е. Пуха, Е.Н. Зубарев, А.Т. Пугачев // Физика твердого тела. - 2009. - Т.51, В.5. - С.1034-1038.

6. Дроздов А.Н. Влияние концентрации примеси на соотношение интенсивностей рентгеновских отражений от кристаллов металлофуллеренов / А.Н. Дроздов, А.С. Вус, В.Е. Пуха, А.Т. Пугачев // Физическая инженерия поверхности. - 2009. -Т.7, №1-2. - С.142-147.

7. Дроздов А.Н. Влияние подслоя сурфактанта на совершенство текстуры пленок С60: тези доповідей конференції молодих вчених [«Фізика низьких температур»], (Україна, Харків, 25-27 травня 2004 р.) / Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України. -Х.: ФТІНТ, 2004. - С.36.

8. Пуха В.Е., Михайлов И.Ф., Дроздов А.Н. Влияние ионного ассистироваания на коэффициент конденсации фуллерена на кремниевых подложках: материалы V Международной конференции [«Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении»], (Россия, Воронеж, 3-5 окт. 2004 г., Т. 2) / Министерство образования и науки Российской Федерации, Российская академия наук [и др.]. - Воронеж: ВГТУ, 2004. - С.103-105.

9. А.Н. Дроздов, С.Н. Дуб, А.Т. Пугачев, В.Е. Пуха. Наномеханические испытания (111) - ориентированных пленок С60: матеріали 7-ої Міжнародної конференції [«Фізичні явища в твердих тілах»], (Харків, 14-15 грудня 2005 р.) / М-во освіти і науки України, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна. - Х.: ХНУ, 2005. - С.70.

10. А.Н. Дроздов, А.С. Вус, В.Е. Пуха, В.И. Пинегин, В.В. Варганов, А.Т. Пугачев. Изучение процесса конденсации и структуры пленок системы С60 - Bi, полученных совместным осаждением молекулярного потока фуллерена и ускоренных ионов висмута: материалы 6 Всероссийской школы - конференции [«Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)»], (Россия, Воронеж, 14-20 окт. 2007 г.) / Министерство образования и науки Российской Федерации, отделение химии и наук о материалах РАН [и др.].- Воронеж: Научная книга, 2007. - С.65-67.

11. А.Н. Дроздов, А.С. Вус, В.Е. Пуха. Модификация пленок фуллерита при облучении потоком низкоэнергетичных ионов висмута: Тези доповідей 2 Міжнародної конференції [«Нанорозмірні системи: будова - властивості - технології»], (Київ, 21-23 листопада 2007 р.) / НАН України, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України [та ін.]. - К.: ІМФ НАН України, 2007. - С.335.

12. A.N. Drozdov, A.S, Vus, V.Y. Pukha, A.T. Pugachov. The features of C60 films evaporation: Book of Abstracts 8th Biennial International Workshop [“Fullerenes and Atomic Clasters”], (Russia, St. Petersburg, July 2-6, 2007) / Ioffe Physical - Technical Institute, St. Petersburg Nuclear Physics Institute. - С. Петербург: Издательство ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2007. - С.275.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Фуллерены: учебное пособие / [Л.Н. Сидоров, М.А. Юровская, А.Я. Борщевский и др.] // М.: Экзамен, 2005. - 688с.

2. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Физическое распыление одноэлементных твердых тел / Бериш Р.; пер. с англ. В.А. Молчанова // М.: Мир, 1984. - 253c. - вып.1.

3. Кривоглаз М.А. Теория рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов реальными кристаллами / Кривоглаз М.А. // М.: Наука, 1967. -137с.

Размещено на .ru