Исследование морфологической структуры пленок с помощью информационных технологий

Исследование морфоструктуры поверхности различных материалов, например, тонких плёнок, на сегодняшний день является актуальной проблемой, поскольку контроль морфоструктуры на наноразмерном уровне позволяет эффективно управлять их свойствами при синтезе. До недавнего времени такой анализ поверхности был затруднён. С появлением атомно-силовых микроскопов и соответствующего программного обеспечения процесс контроля параметров поверхности тонких плёнок на различных технологических этапах значительно упростился. Поэтому целью работы является разработка методики исследования морофостуктуры поверхности тонких плёнок с помощью атомно-силового микроскопа.

Методика получения стекловидных наноплёнок состоит из нескольких этапов. На первом этапе происходила химическая реакция тетраэтоксисилана (ТЭОС, Si(OC₂H₅)₄) с простым спиртом, что приводило к образованию активного комплекса алкоксисоединения.

На втором этапе происходит каталитический гидролиз полученного алкоксисоединения:

.

Полученный продукт гидролиза — ортокремниевая кислота — претерпевает поликонденсацию и образует главную цепь полимерной молекулы. Кинетика поликонденсации определяется законом Смолуховского:

,

где – скорость изменения концентрации молекул в растворе, С0 — начальная концентрация ортокремниевой кислоты, К — константа, зависящая от температуры и вязкости раствора.

Полученный золь наносился методом центрифугирования на подложки из ситалла, а для получения стеклообразной массы отжигался.

Для исследования морфоструктуры поверхности плёнки использовался атомно-силовой микроскоп. Критерием оценки поверхности являются два параметра: диаметр пор и общая пористость поверхности, определяемая плотностью структуры. Факторы, влияющие на данные величины — это температура и время отжига плёнки. Типичная структура морфоструктуры поверхности плёнки приведена на рисунке 1.

Как показали результаты эксперимента, изменением параметров отжига можно добиться значительных изменений морфоструктуры плёнок. Так при увеличении температуры отжига от 500 К до 800 К, средний диаметр поры возрастает от 25 нм до 500 нм. Эта закономерность находится в полном согласии с теоретической моделью, разработанной на основе закона Смолуховского и свойств фрактала Жюльена, выбранного в качестве фигуры роста данного процесса. Согласно этому закону диаметр пор, определяемый как размер поликонденсированной частицы, равен:

,

где τ — время отжига; T — температура отжига; α — размер молекулы ортокремниевой кислоты; k — постоянная Больцмана; С₀ — начальная концентрация ортокремниевой кислоты в золе; η — вязкость раствора. Увеличение времени отжига также приводит к увеличению диаметра пор.

Зависимость пористости от условий получения для данной структуры имеет следующий вид:

,

где D — фрактальная размерность, рассчитанная для фрактала Жюльена, равна . Как видно из зависимости, плотность структуры с увеличением размера агрегата уменьшается, а пористость, соответственно, увеличивается. Однако её большие высокотемпературные значения определяются размером пор, большим 30–50 нм. А как показывает теоретическая модель, основанная на квантовомеханическом туннелировании через многобарьерную поверхностную наноструктуру, оптимальный размер пор, характеризующий максимальный коэффициент прозрачности структуры, находится в пределах 1–30 нм в соответствии с законом:

,

где а — размер пор на поверхности плёнки; m — масса электрона; U₂ — высота потенциального барьера; Е — полная энергия частицы. В плёнках, отожжённых при температурах более 700 К, электроны не могут эффективно туннелировать сквозь потенциальные барьеры структуры.

Продолжительное время отжига вызывает образование агрегатов больших размеров, поры растут и структура становится непригодной для наноэффектов (рисунок 2).

Рис. 2. Морфология поверхности нанопленок в зависимости от времени отжига

Оказалось, что для достижения максимальной нанопористости при размере пор 10–30 нм, оптимальным является отжиг структуры при температурах 500–700 К продолжительностью 15–35 минут.

Данные плёнки получаются квазиоднородными, с разветвлённой нанопористой структурой. Таким образом, получены теоретические физико-химические закономерности, обеспечивающие управление морфоструктурой поверхности плёнок.

Таким образом, за счёт применения современных информационных технологий получена методика управляемого синтеза тонких нанопористых плёнок, определены оптимальные условия их отжига. Работа найдёт широкое применение в производстве современных газовых сенсоров.

Литература:

1. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 3. С. 383–392.
2. Belorus A. O., Maraeva E. V., Spivak Y. M., Moshnikov V. A. The study of porous silicon powders by capillary condensation // Journal of Physics: Conference Series. 2015. Т. 586. № 1. С. 012017.
3. Мошников В. А., Грачева И. Е. Cетчатые газочувствительные нанокомпозиты на основе диоксидов олова и кремния // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2009. № S30. С. 92–98.
4. Андреев Ю. Н., Бестаев М. В., Димитров Д. Ц., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Ярославцев Н. П. Методика исследований субмикровыделений в поликристаллических материалах методом внутреннего трения // Физика и техника полупроводников. 1997. Т. 31. № 7. С. 841–843.