2.2 Результати експериментальних досліджень

ПЕМ використовують у різних галузях науки і техніки. Однією із сфер застосування цього приладу є дослідження тонкоплівкових матеріалів на основі різних металів. Прикладом є дослідження впливу температурної обробки на фазовий склад багатошарових плівкових систем на основі Ті та Аl, отриманих магнетронним методом, яке проводилося А.О. Степаненком, Л.В. Дегтяруком та А.М. Чорноусом [10].

Багатошарові системи поєднують в собі властивості шаруватих структур та нанообєктів. Тому вони володіють унікальними властивостями. Багатошарові плівкові системи [Ti/Al]_n (де n - кількість біметалевих шарів, що складала 10, 15, 20, 25) отримували з використанням магнетронної приставки вакуумної установки ВУП - 5М в атмосфері аргону. Плівкові системи проходили температурну обробку протягом декількох циклів «нагрівання-ізотермічне відпалювання протягом 30 хв. - охолодження. Дослідження фазового складу і кристалічної структури плівок проводили з використанням дифракції електронів і просвічуючої електронної мікроскопії.

Результати дослідження впливу температурної обробки на фазовий склад і мікроструктуру багатошарових плівкових систем на основі Ti і Al наведені на рисунку 2.3.

Рисунок 2.3 - Мікроструктура та відповідна їй дифракційна картина від системи [Ti/Al]₂₀ у невідпаленому(а) та відпаленому при різних температурах станах [10]

У результаті проведення експерименту можна зробити наступні висновки:

- багатошарові плівкові системи [Ti/Al]_n (де n = 10, 15, 20, 25), отримані магнетронним осадженням в атмосфері аргону з ефективною товщиною моношару 2 нм, у вихідному стані аморфоподібні, а їх термообробка до Тв = 870 К призводить до утворення оксидної фази з відносною концентрацією зерен Al₂O₃ на площі зразка до 74%.

- відпалювання при Тв = 933 К викликає твердофазні перетворення, в результаті яких формується острівцеві структура TiAl з простою тетрагональною решіткою у аморфній матриці.

У огляді технологічних аспектах нанокластерних і нанокристалічних структур. Авторами якого є Д.М. Фреїк, Б.П. Яцишин, показано що використання наноструктурних матеріалів зробило великий внесок в науку та суттєво змінило думку про зміну властивостей матеріалів у залежності від їх розмірів. Формування наноструктур приводить до фундаментальних змін магнітних, електричних та механічних властивостей, що використовується при створенні приладів мікроелектроніки. Окремий напрямок розвитку елементів мікроелектроніки виник при використанні наноструктурних матеріалів, що компонуються з провідних та непровідних компонент, поєднують фази з різним магнітним впорядкуванням, містять орієнтовано розміщені частинки або нанопровідники. Відсутність класифікації та технологічних характеристик отримання наноматеріалів спричиняє розбіжності у трактуванні їх основних властивостей.

Характерною особливістю застосування вакуум-термічних методів для отримання тонкоплівкових наноматеріалів є залежність структури та властивостей від термодинамічних умов конденсації, видів та способів обробки, після конденсації, властивостей матеріалів, що створюють наносистему.

Так плівкам Ge-Me (Ме: Fe, Ni), які отримували методом дискретного випаровування в вакуумі 2·10^-3Па зі швидкістю 4,5-5 нм/с відповідала аморфна структура. Нагрівання до температур 540-570 К приводить до утворення в аморфній матриці центрів кристалізації та появи нанокристалітних утворень (рис. 2.4). Зародження проходило рівномірно по поверхні; після витримки 10 хв. При Т = 550 К густина зародків складала 8,75·10¹² м^-2, а лінійні розміри кристалітів ? l ? 10^-7 м. Наступне нагрівання приводить до розростання зародків за рахунок коалесценції при контактуванні кристалітів з однаковим хімічним складом і дифузії матеріалу, а також появі нових центрів кристалізації на основі германію. Встановлено, що зміна термодинамічних умов конденсації аморфних плівок приводить до відмінностей у структуроутворенні при їх нагріванні. Осадження при малих термодинамічних пересиченнях та швидкостях росту аморфного конденсату дає змогу при наступному відпалі отримати стабільні в широкому температурному та часовому діапазоні наносистеми типу “аморфна + кристалічна фаза”[11].

Рисунок 2.4 - Мікроструктура плівки NiGe + Ge [11]

Під час розгляду статті «Електрофізичні властивості плівок міді в умовах хімічної взаємодії з газами залишкової атмосфери» метою якої є дослідження процесів хімічної взаємодії плівок Cu з киснем при високотемпературному (до Тв = 1000 К) відпалюванні у вакуумі та їх впливу на електрофізичні властивості. Плівки Cu були отримані термічним методом зі швидкістю щ = 0,1 нм/с у вакуумі ~ 10-3 Па при кімнатній температурі підкладки. Відпалювання плівкових зразків проводилось в температурному інтервалі T = 300-920 К протягом двох-трьох циклів за схемою „нагрівання-охолодження”. Температура визначалася за допомогою хромель-алюмельової термопари.

Дослідження процесів хімічної взаємодії у плівках міді з киснем показує, що зразки, отримані зі швидкістю щ = 0,1 нм/с, у свіжесконденсованому стані мають фазовий склад ГЦК-Cu + ГЦК-Cu₂O. Трансформація ГЦК-Cu у твердий розчин (Cu-O) спостерігається при відпалюванні вище 700 К. Істотна зміна кристалічної структури і фазового складу(рис.2.5), яка впливає на електрофізичні властивості, відбувається при термообробці у температурному інтервалі 800 - 990 К. У плівкових зразках утворюються оксидні кристали розміром до 1500 нм, які розміщуються на тонкому підшарі твердого розчину (Cu-O). Зміна кристалічної структури та фазового складу відбувається при температурах відпалювання вище 800 К. Так, при Тв = 800 і 850 К плівка має гетерогенну структуру. Відпалювання при Тв = 1000 К призводить до того, що на електронограмах зникають лінії, які належать Cu₂O [12].

Рисунок 2.5 - Електронограми від плівок Cu з початковою товщиною d = 30 нм, відпалених при різних температурах Тв [12]