Теоретический метод анализа микро- и наноструктур тонкопленочных покрытий с использованием принципов квантовой механики



Цель данного теоретического исследования — сократить количество экспериментов и тем самым уменьшить время разработки тонкослойных (тонкопленочных) и планарных технологий с помощью моделирования процессов, происходящих на микро- и наноуровне под воздействием излучения.

Ключевые слова: тонкослойные покрытия, тонкопленочные покрытия, взаимодействие излучения с веществом.

Введение.

Сложно себе представить современный мир без тонкослойных и планарных технологий. Эти технологии находятся практически везде — просветляющая оптика, которая используется в большинстве оптических устройств, начиная от устройств бытового предназначения, таких как мобильные телефоны (объективы), бинокли и заканчивая профессиональным оборудованием (например устройства для профессиональной фото- и видеосъемки, газовые датчики и др.) [1]. На базе тонкослойных (тонкопленочных) технологий основана современная технология производства микросхем. Так как технология очень востребована, то во всем мире уделяют большое внимание разработке новых и усовершенствованию существующих технологий в области тонкопленочных технологий [2]. Тонкопленочные технологии относятся к так называемым нанотехнологиям [3].

Тонкие пленки.

Тонкие пленки — слои из разных материалов толщиной от долей нанометра до нескольких микрометров. В качестве наглядного примера из повседневной жизни можно привести радужные разводы пятен бензина или масла на поверхности воды.

Характерной особенностью тонких слоев вещества является то, что они могут иметь свойства, которые сильно отличаются от свойств того же вещества в объекте большей толщины. Причина этого — возникновение квантовых эффектов.

Искусственно созданные тонкие слои используются в электронике, механике и оптике.

Тонкие керамические слои широко используются в механических изделиях. Высокая твердость и инертность тонкослойных керамических покрытий обеспечивают защиту от коррозии, окисления и износа.

В виде тонких пленок материалы обладают полезными свойствами, которые можно использовать на практике — в виде одного слоя или как часть тонкослойной структуры.

В жестких дисках серия тонких слоев, состоящих из неметаллических подслоев, наносится на алюминиевую или стеклянную пластину, что помогает обеспечить правильную кристаллографическую ориентацию и размер зерен последнего, магнитного слоя, в котором хранятся биты информации. Кроме того, на магнитный слой нанесен тонкий защитный слой углерода и очень тонкий слой полимера.

В электронике тонкие слои полупроводников, изоляторов и металлов являются основой планарной технологии и, в частности, изготовления интегральных схем.

При производстве солнечных панелей также используются тонкие слои. Создается p-n переход толщиной в несколько микрон, на подложках из поликристаллического кремния толщиной 0,25–0,30 мм и наносятся антибликовые покрытия наноразмерной толщины, которые увеличивают количество поглощенного света.

В оптике тонкие слои используются в виде оптических и световых покрытий для изготовления оптических элементов с определенными свойствами — фильтров, зеркал, светоделителей. Наиболее распространенными в повседневной жизни являются антибликовые (просветляющие, антибликовые) покрытия на линзах очков, благодаря которым паразитное отражение света можно снизить почти до нуля [4],

В целом тонкие слои можно классифицировать по их предназначению: для использования в электронике и оптике, для покрытий, обеспечивающих химическую и механическую стойкость.

Другой тип классификации может быть сделан по типу материала, из которого состоит тонкий слой — органический и неорганический. Большинство технологий нанесения тонких слоев относятся к вакуумным или так называемым «мокрым» методам [5, 6].

Нанотехнологии и квантовые объекты.

Нанотехнологии — технологии использующие свойства материалов размером менее 1 микрометра по одной, двум или трем пространственным координатам (1 μm = 10– ⁶ метра; 1 nm = 10– ⁹ метра). Наноразмеры объекта сами по себе могут быть причиной появления новых свойств, которые сильно отличаются от свойств того же вещества в объекте большей толщины.

Рис. 1: 1 — модель квантовой точки; 2 — модель квантовой нити; 3 — модель квантовой плоскости (рисунок автора).

Например, кубический нанометр кремния имеет свойства, отличные от кремниевого куба 100x100x100 мм. Различие свойств наноразмерных и макрообъектов объясняется наличием так называемых квантовых эффектов. Квантовые эффекты проявляются, если размеры объекта соизмеримы (квантовые размеры) с длинной волны (де Бройля) или размером частиц (электронов, фотонов и т. д.), которые передвигаются внутри объекта или взаимодействуют с ним. Таким образом, наномасштаб объектов накладывает дополнительные ограничения на движение частиц, что является причиной появления новых свойств.

Квантовые свойства объекта могут проявляться по трем пространственным измерениям (осям X, Y, Z). Такие объекты называют «квантовыми точками». Квантовыми точками являются, например, наночастицы CdSe, которые используются в некоторых моделях светодиодов и при производстве экранов (QLED технология). Если объект наноразмерен по двум пространственным измерениям, он называется «квантовой нитью». В качестве примера квантовых нитей можно привести углеродные нанотрубы и молекулу полиэтилена, так как единичная молекула полиэтилена имеет форму нити. Если же объект обладает квантовыми свойствами только в одном направлении, то это «квантовая плоскость». Хорошим примером, иллюстрирующим квантовую плоскость, является графен, так как он представляет собой плоскость, составленную из атомов углерода, толщиной в один атом [7].

Методы исследования.

При разработке микро- и нанотехнологий, в первую очередь тонкопленочных, учитываются несколько основных факторов. Первый фактор — условия эксплуатации. Если тонкая пленка заключена в корпус микросхемы, то необходимо иметь в виду температурные режимы работы, так как некоторые виды тонких пленок могут быть чувствительны к перегреву, например органические полупроводники на основе фталоцианина. Если же тонкие пленки предполагается использовать в качестве наружного покрытия, как например в случае с просветляющей оптикой, то необходимо учитывать возможные механические повреждения, влияние атмосферной влаги, ультрафиолета и т. д.. Второй фактор — химический состав тонких пленок. Выбор химического состава обусловлен как конечной целью разработки, что накладывает свои ограничения, так и свойствами конкретного химического состава. Третий фактор, который необходимо учитывать, это внутренняя структура проектируемого покрытия. Внутренняя структура покрытия может зависеть от химического состава наносимого вещества, метода нанесения (например: метод испарения в вакууме; методы нанесения из раствора), скорости нанесения, температуры наносимого вещества или смеси наносимых веществ, температуры подложки на которую наносится покрытие. Все указанные факторы влияют на формирование микро- и наноструктур тонкопленочных покрытий.

Метод теоретического определения свойств тонкопленочных покрытий, микро- и нанообъектов.

Для теоретического определения свойств тонкопленочных покрытий и/или свойств микро- и нанообъектов, в первую очередь необходимо понимать, что такие структуры имеют достаточно сложное внутреннее устройство. Тонкопленочное покрытие может быть монокристаллическим, аморфным, пористым и т. д., а также моно- или поликомпонентным. Таким образом, можно рассматривать тонкопленочное покрытие, микро- или нанообъект как совокупность квантовых объектов, каждый из которых имеет определенные свойства. Также следует уделить особое внимание факту, что свойства квантовых объектов отличаются в зависимости не только от их размеров и типа (типы квантовых объектов: квантовая точка, квантовая неть, квантовая плоскость), но и от того являются ли они металлами, неметаллами или полупроводниками.

Пример 1.

Рассмотрим упрощенную модель клетки. Для создания модели принимаем, что имеем правильную сферу диаметром 100 мкм, с толщиной стены 6 мкм. Внутри сферы имеем меньшую по размеру сферу, изображающую ядро и имеющую диаметр 6 мкм (6000 нм), а также нить длинной два метра и диаметром 0.00034 мкм (0.34 нм) играющую роль ДНК. Для того, чтобы понять как такая модель взаимодействует с излучением с длинной волны λ анализируем модель клетки по следующей схеме:

1. Принимаем всю модель как квантовую точку диаметром 100 мкм и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;
2. Принимаем оболочку модели как квантовую плоскость толщиной 6 мкм и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;
3. Принимаем модель ДНК, а именно нить длинной два метра и диаметром 0.00034 мкм как квантовую нить и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;
4. Принимаем модель ядра как квантовую тачку диаметром 6 мкм и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;

С использованием подобной модели можно объяснить как некоторые виды излучения повреждают ДНК живой клетки и не повреждают ее оболочку.

Пример 2.

Рассмотрим микрокаплю воды размером 50–100 мкм (50 000–100 000 нм). Микрокапли воды такого размера присутствуют в воздухе почти повсеместно. Метод анализа:

1. Принимаем микрокаплю воды определенного размера как квантовую точку и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;
2. Принимаем каждую молекулу H ₂ O как квантовую точку и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;

Таким образом можно объяснить ионизацию воды под воздействием ультрафиолета, а также обеззараживание воды под действием ультрафиолета (в этом случае необходимо учитывать параметры микроорганизмов).

Пример 3.

Рассматриваем тонкий слой углерода в виде сажи нанесеный на стеклянную подложку. Отложенная сажа представляет собой конгломераты атомов, с формой близкой к сферической. Указанные конгломераты, соединяясь между собой могут формировать вертикальные „нити“. Метод анализа:

1. Принимаем все тонкослойное покрытие как квантовую плоскость и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;
2. Принимаем сферические углеродные конгломераты как квантовую плоскость анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;
3. Принимаем „нити“ из сферических конгломератов за квантовую нить и анализируем ее взаимодействие с излучением с длинной волны λ;

Разумеется, для каждого конкретного анализа выбирается длинна волны, которая интересует исследователя.

Заключение.

На основании анализа, показанного в примере 3, были сделаны выводы о возможной прозрачности углеродного покрытия вне видимого диапазона. Также было выдвинуто предположение о возможном взаимодействии данного типа покрытия с ультрафиолетом. Данный метод моделирования уже оправдал себя: были опубликованы две статьи [8, 9] (в обоих случаях по идее автора, что и отражено в тексте самих публикаций), которые раскрывают два свойства углеродных покрытий, неизвестных ранее. Данное теоретическое исследование может быть полезно как исследователям, так и разработчикам новых технологий.

Литература:

1. Губанова Л. А., Оптические покрытия. Учебное пособие. — СПб: СПбГУИТМО, 2012. — 101с
2. Л. П. Ануфриев, С. В. Бордусов, Л. И. Гурский, А. П. Достанко, А. Ф. Керенцев, Н. С. Ковальчук, А. О. Коробко, В. Л. Ланин, А. А. Осипов, Л. Я. Портнов, И. И. Рубцевич, Я. А. Соловьев, В. А. Солодуха, В. В. Становский „Технология интегральной электроники: учебное пособие по дисциплине «Конструирование и технология изделий интегральной электроники»“ Минск: «Интегралполиграф», 2009. — с.: ил.
3. Чернышев С. Л. „Моделирование и классификация наноструктур“ URSS. 2020. 216 с.
4. Маскаева, Л. Н., Марков, В. Ф., Туленин, С. С., Форостяная, Н. А. „Гидрохимическое осаждение тонких пленок халькогенидов металлов: практикум“, Министерство образования и науки Российской Федерации, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина. — Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2017. — 284 с. — ISBN 978–5-7996–2141–4.
5. Дунюшкина Л. А. „Введение в методы получения пленочных электролитов для твердооксидных топливных элементов: монография“ Екатеринбург: УРО РАН, 2015. –126 с.ISBN978–5-7691–2428–0
6. Макарчук М. В., Королев А. П. „Физика тонких пленок“, ББКз844–02–5-05я73 К682
7. Прокофьева Н. И. „Физические эффекты нанотехнологий“ Изд-во МИСИ-МГСУ: М.
8. K. D. Esmeryan, C. E. Castano, Y. I. Fedchenko , R. Mohammadi, I. K. Miloushev and K. A. Temelkov, «Adjustable optical transmittance of superhydrophobic carbon soot coatings by in-situ single-step control of their physicochemical profile», Colloids and Surfaces A , 567 , pp. 325–333, 2019 doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.01.048
9. K. D. Esmeryan, Yu. I. Fedchenko , G. P. Yankov and K. A. Temelkov, «Laser irradiation of super-nonwettable carbon soot coatings — physicochemical implications», Coatings 2021, 11(1), 58; Coatings , 2020 doi.org/10.3390/ coatings11010058