Исследование электрических, оптических и микроструктурных свойств наноразмерных плёнок нейзильбера

"Научный аспект №5-2024" - Химия

УДК 538.958

Научный руководитель – Бузько Владимир Юрьевич – кандидат химических наук, доцент Кубанского государственного университета.

Караев Александр Витальевич – магистрант Физико-технический факультет Кубанского государственного университета.

Аннотация: В данной статье были исследованы электрические, оптические и структурные свойства наноплёнок нейзильбера толщиной 60 нанометров в процессе постепенного термического окисления до 450 градусов. В рамках исследования, наноплёнки нейзильбера были подвергнуты термическому окислению при температуре от 25 до 450 ℃, с шагом 25 ℃, в процессе термического отжига проведены измерения электрических и оптических свойств этих пленок с помощью двулучевого спектрофотометра U-3900, а также произведен анализ микроструктуры поверхности плёнок при помощи растрового электронного микроскопа JSM-7500F в режиме наблюдения вторичных электронов.

Ключевые слова: наноплёнка металла, нейзильбер, электрическая проводимость, удельное электрическое сопротивление, коэффициент пропускания.

Металлические наноплёнки, обладающие уникальными свойствами, привлекают внимания исследователей и инженеров. Наномасштабные структуры предоставляют широкий спектр возможностей для применения, начиная от электроники и оптики и заканчивая катализом и медицинскими приборами.

Окисление, в данном контексте, представляет собой процесс взаимодействия металлов с окружающей средой, в результате которого формируются оксидные пленки на поверхности наноплёнок. Этот процесс способен внести существенные изменения в свойства и структуру материала, что, в свою очередь, может иметь как положительные, так и отрицательные последствия в различных сферах применения [1-3].

Нейзильбер представляет собой слав цветных металлов: меди, никеля и цинка. Методом магнетронного напыления из предварительно очищенной и установленной мишени, ионами аргона выбивались металлические нанокластеры и осаждались на стеклянную подложку (параметры: скорость напыления – 34 нм/мин, напряжение смещения – 350 - 400 В, ток – 80 мА). Полученные образцы плёнок нейзильбера толщиной 60 нм имели характерный металлический блеск и низкое удельное электрическое сопротивление.

Далее образец окислялся при температурах от 25 до 450 °C с шагом 25 °C в течении 2 минут. В процессе термического окисления обнаружено что нейзильбер устойчив к температурному окислению и не изменяет своих электрических свойств при температуре до 300 °C. Однако с повышением температуры окисления меняется цвет плёнки и электросопротивление резко возрастает, что свидетельствует об образовании на поверхности оксидной плёнки. Температурная зависимость электросопротивления пленки нейзильбера изображена на рисунке 1.

Как и электропроводимость, до 350 °C коэффициент светопропускания изменяется не значительно, однако выше указанной температуры коэффициент пропускания меньше на длинах волн от 200 до 300 нм и больше в диапазоне от 300 до 900 нм относительно образцов отожжённых при 150 и 250 °C. Так же следует заметить, что у образца окисленного при 450 °C в диапазоне от 400 до 900 нм светопропускание увеличивается с 30 % до 40 % практически линейно. Спектры светопропускания нанопленок нейзильбера толщиной 60 нм, отожжённых при различных температурах представлены на рис. 2.

Рисунок 1. Температурная зависимость электросопротивления пленки нейзильбера

Рисунок 2. Спектры светопропускания нанопленок нейзильбера толщиной 60 нм, отожжённых при различных температурах

Исследование микроструктуры поверхности образцов проводилось в режиме наблюдения вторичных электронов (SEI). Вторичные электроны генерируются при проникновении пучка электронов в образец. Детектируются те из них, которые вышли с небольшой глубины под поверхностью образца, вторичные электроны с более глубоких уровней не достигают поверхности.

На рис. 3 представлены микрофотографии наноразмерных пленок сплава нейзильбера при различных температурах отжига.

Рисунок 3. Микроструктура поверхности нанопленок нейзильбера 60 нм при различных температурах отжига: а – 150 ℃; б – 250 ℃; в – 350 ℃; г – 450 ℃

На основании полученных микрофотографий видно, что в ходе термического окисления изменяется структура нанопленки с образованием пор в ней соизмеримых с размерами наночастиц, что объясняет изменение измеряемого сопротивления при постоянном токе. Так, например, у образцов, подвергшихся термическому окислению при 150 ℃, 250 ℃, 350 ℃ изменения электросопротивления значительно не происходило, однако у наиболее окислившегося образца (450 ℃) сопротивление измерялось уже в сотнях кОм [4].

По данным изображений видно, что на поверхности всех исследованных образцов нанопленок нейзильбера толщиной 60 нм при различной температуре отжига образуются агломераты из наночастиц размеров от 30 до 35 нм. Результаты исследования показали, что термическое окисление нанопленок нейзильбера приводит к изменению их структурных свойств [5]. В частности, наблюдается увеличение их шероховатости, в связи с образованием окисных фаз в структуре пленок [6].

Таким образом, были рассмотрены изменения электрических, оптических и микроструктурных свойств наноразмерных плёнок нейзильбера в процессе термического окисления. Было выяснено, что изменение электропроводящих свойств тесно связаны с их микроструктурой, условиями получения и окисления. Оптические свойства также зависят от их структуры, особенно в области видимого спектра. Анализ микроструктуры дает информацию изменении в размерах и форме зерен.

Список литературы

  1. Исследование наноразмерных пленок никеля методом Зауэрбрея / В.Э. Суровая, Л.Н. Бугерко, Э.П. Суровой, С.В. Бин // Ползуновский вестник. 2015 г. № 4. С. 90–94.
  2. Влияние окисления на электрические свойства гранулированных наноструктур меди / В.М Кожевин, Д.А. Явсин, И.П. Смирнова, М.М. Кулагина, С.А. Гуревич // Физика твердого тела. 2003 г. № 45. С. 1895–1902.
  3. Исмаилов Д. В. Наноструктурированные слои и тонкие пленки на основе оксида цинка: на соискание ученой степени кандидата технических наук // Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2018 г. С. 38–39.
  4. Высокопрозрачный низкоомный омический контакт из оксида Zno/индия-олова на основе GaN p-типа / К. С. Ким, Д. Х. Ким, Т. Г. Ким [и др.] // Факультет электронной инженерии Корейского университета. 2017. Т.90. № 2. С. 101–103.
  5. Определение характеристик тонких пленок никеля после термического окисления на воздухе / А. Ионеску, С. Холмс, Х.У. Барнс [и др.] // Журнал вакуумной науки и техники. 2014.
  6. Закономерности изменения свойств пленок меди при термообработке / Н. В. Борисова, Е. П. Суровой, И. В. Титов // Известия Томского политехнического университета. 2016. Т.309. № 1. С. 86 – 89.
Автор: Караев Александр Витальевич