Помощь студентам в учебе
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКИХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ В ПЛАЗМЕ CH4 И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕРМООБРАБОТКОЙ
|
Введение 4
Глава 1. Обзор современной литературы 11
1.1. Углерод и его аллотропные модификации 11
1.2. Существующие методы получения тонких углеродных пленок 19
1.3. Механизмы формирования углеродных пленок в методах плазменного
осаждения в метане 26
1.4. Структура и электрические, оптические свойства углеродных пленок 34
1.5. Выводы к первой главе 47
Глава 2. Материалы и методы 48
2.1. Формирование углеродных пленок методикой плазменного осаждения в
метане и последующей термообработки 48
2.2. Методики исследования синтезированных пленок 54
2.3. Т ехнико-экономическое обоснование методики синтеза тонких углеродных
пленок осаждением в плазме метана и термообработки 62
Глава 3. Структура углеродных пленок, сформированных осаждением в
плазме метана и термообработкой 69
3.1. Морфология углеродных пленок, полученных осаждением в плазме
метана 69
3.2. Влияние термообработки на морфологию сформированных углеродных
плёнок 74
3.3. Исследование структуры сформированных углеродных пленок методами
рамановской спектроскопии и ИК-Фурье микроскопии 79
3.4. Влияние условий последующей термообработки и материала подложек на
спектры КРС углеродных пленок 84
3.5. Оценка размеров нанокристаллитов графита углеродных пленок 86
3.6. Вывод к 3 главе 90
Глава 4. Электрические и оптоэлектронные свойства сформированных углеродных пленок 92
4.1. Электрические сопротивления синтезированных углеродных пленок 92
4.2. Определение механизма проводимости синтезированных пленок 94
4.3. Фоточувствительности углеродных пленок 100
4.4. Вывод к 4 главе 106
Заключение 108
Благодарности 110
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ
111
Список публикаций по теме диссертации, включенных в рукопись 114
Список публикаций, рекомендованных списком ВАК 116
Список литературы 118
ПРИЛОЖЕНИЯ
Глава 1. Обзор современной литературы 11
1.1. Углерод и его аллотропные модификации 11
1.2. Существующие методы получения тонких углеродных пленок 19
1.3. Механизмы формирования углеродных пленок в методах плазменного
осаждения в метане 26
1.4. Структура и электрические, оптические свойства углеродных пленок 34
1.5. Выводы к первой главе 47
Глава 2. Материалы и методы 48
2.1. Формирование углеродных пленок методикой плазменного осаждения в
метане и последующей термообработки 48
2.2. Методики исследования синтезированных пленок 54
2.3. Т ехнико-экономическое обоснование методики синтеза тонких углеродных
пленок осаждением в плазме метана и термообработки 62
Глава 3. Структура углеродных пленок, сформированных осаждением в
плазме метана и термообработкой 69
3.1. Морфология углеродных пленок, полученных осаждением в плазме
метана 69
3.2. Влияние термообработки на морфологию сформированных углеродных
плёнок 74
3.3. Исследование структуры сформированных углеродных пленок методами
рамановской спектроскопии и ИК-Фурье микроскопии 79
3.4. Влияние условий последующей термообработки и материала подложек на
спектры КРС углеродных пленок 84
3.5. Оценка размеров нанокристаллитов графита углеродных пленок 86
3.6. Вывод к 3 главе 90
Глава 4. Электрические и оптоэлектронные свойства сформированных углеродных пленок 92
4.1. Электрические сопротивления синтезированных углеродных пленок 92
4.2. Определение механизма проводимости синтезированных пленок 94
4.3. Фоточувствительности углеродных пленок 100
4.4. Вывод к 4 главе 106
Заключение 108
Благодарности 110
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ
111
Список публикаций по теме диссертации, включенных в рукопись 114
Список публикаций, рекомендованных списком ВАК 116
Список литературы 118
ПРИЛОЖЕНИЯ
Актуальность работы. Упорядоченные и неупорядоченные формы углерода (С) характеризуются уникальным свойством - полиморфизмом. Данное свойство позволяет пребывать атомам углерода в различных состояниях зрп-гибридизации и обуславливает возможность получения разнообразных материалов как в кристаллическом, так и в аморфном исполнении с заранее заданными свойствами [1]. Развитию исследований подобных структур послужило экспериментальное получение сверхтонкой гексагональной формы углерода из графита - графена в 2004 году А. Геймом и К. Новоселовым. В графене атомы углерода находятся в состоянии зр2-гибридизации (графитоподобная
фаза) и характеризуются высокими показателями электропроводности [2, 3].
Материалы с преобладанием частиц углерода в состоянии зр3-гибридизации (алмазоподобная фаза) характеризуются низкой электропроводностью [4]. Преобладание зр2-гибридизированных атомов углерода в углеродных наноматериалах позволяет применять их при создании элементной базы во многих электронных устройствах нового поколения. За счет переключения механизма проводимости под воздействием внешних факторов (значительные температурные сдвиги, влияние электромагнитного поля и др.) их возможно использовать в устройствах, эксплуатируемых при отрицательных температурах [4]. Тонкие углеродные покрытия с повышенным соотношением зр3/зр2-гибридизированных атомов углерода перспективны для применения в качестве электропроводящих покрытий и светочувствительных материалов [3]. Разработка методики синтеза материалов, обладающих одновременно алмазоподобной и графитоподобной фазами, является весьма актуальной.
Углеродные наноматериалы с различными кристаллическими конфигурациями и с многообразием собственных электрических и оптических свойств могут быть получены методами осаждения из газовой (паровой) фазы (CVD). В качестве источников углерода используют такие соединения, как метан, пропан, ацетилен [5]. Методы осаждения требуют наличия высоких температур (свыше 1000 оС) и необходимости переноса полученных пленок на твердотельные подложки [6]. Для исключения этих недостатков используют метод PECVD (усиленное плазмой осаждение из газовой фазы). Сдерживающим фактором метода является то, что непосредственное осаждение из плазмы способствует неконтролируемому изменению структуры за счет косвенного влияния плазменного поля и добавочно характеризуется высокой степенью дефектообразования [7].
Степень разработанности научного исследования. Первые работы, посвященные разработке методики синтеза, а также исследованию различных характеристик пленочных материалов, включая DLC- и GLC-покрытия, начались с 80-х годов прошлого столетия [8]. Получение двумерных углеродных структур в 2004 г. вызвало большой интерес исследователей всего мира к воспроизводимым методам синтеза тонких углеродных структур. Основные результаты представлены в работах [4-9]. До настоящего времени проблема экономичного, безопасного и контролируемого способа синтеза тонкопленочных углеродных пленок полностью не решена.
В диссертационной работе предложена методика синтеза тонких углеродных пленок, сформированных плазменным осаждением и последующим отжигом в виде двух независимых поэтапных процессов. На первом этапе проводилось осаждение атомов углерода в плазме метана, в ходе которого были получены аморфные гидрогенизированные углеродные пленки. На втором этапе проводилась термообработка в атмосфере инертного газа (аргона) при температурах от 650 оС до 800 оС с целью кристаллизации пленок с различной степенью соотношения гибридизированных фаз (sp2/sp3) углерода.
Целью диссертационной работы являются разработка методики синтеза и исследование свойств сформированных углеродных пленок.
Для достижения цели решены следующие задачи:
1. Разработана методика синтеза тонких углеродных пленок на твердотельной подложке.
2. Исследованы морфологии поверхности углеродных пленок, сформированных при различных параметрах методики.
3. Изучены влияния параметров процесса осаждения углерода в плазме метана и термической обработки на электрические и оптические свойства формируемых пленок.
Объектом исследования в диссертационной работе являются углеродные пленки, сформированные на твердотельных подложках методом плазменного осаждения (до 200 Вт) в метане (30 см3/мин) с последующей термообработкой в атмосфере аргона от 650 оС до 800 оС.
Предметом исследования являются методика формирования и определение электрических, оптических свойств тонких (до 150 нм) углеродных пленок.
Методология и методы исследования включает в себя формирование исходных аморфных углеродных пленок на поверхности твердотельных подложек осаждением в плазме метана и последующую термообработку в атмосфере аргона при температурах до 800 оС. Для исследований полученных пленок использовалась следующая совокупность методов: атомно-силовая (АСМ) и сканирующая электронная (СЭМ) микроскопия, рентгеновская энергодисперсионная спектроскопия (РЭДС), спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС), ультрафиолетовая (УФ) и инфракрасная (ИК) спектроскопия, а также методы исследования электрических свойств.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана методика получения углеродных пленок последовательным двухэтапным синтезом со следующими условиями: осаждение атомов углерода (при Т < 50 oC) в индуктивно-связанной плазме (150-200 Вт) метана при потоке 30 см3/мин с последующей термообработкой при температурах от 650 оС до 800 оС в атмосфере аргона.
Впервые показано, что пленки, сформированные предложенной методикой, после термической обработки от 650 оС до 700 оС имеют при низких температурах (меньше, чем -70 оС) механизм прыжковой проводимости в соответствии с законом Эфроса-Шкловского для двумерных систем.
Использование температуры термообработки 700 оС в процессе синтеза позволяет получать углеродные пленки на подложках Si с максимальной фоточувствительностью 55 мА/Вт.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Новая методика синтеза (осаждение в плазме СН4 и последующая термообработка) углеродных пленок позволяет получать структуры толщиной до 150 нм непосредственно на поверхности твердотельных подложек.
2. Термообработка в диапазоне от 650 оС до 750 оС аморфных углеродных пленок, осажденных на твердотельные подложки, приводит к формированию нанокристаллов преимущественно графитовой структуры с латеральными размерами от 5 до 20 нм.
3. Углеродные пленки, сформированные на твердотельных подложках, имеют линейную зависимость логарифма электрического сопротивления от температуры как 1/Т в диапазоне температур от 200 оС до -70 оС и зависимость сопротивления как 1/Т1/2 в диапазоне от -70 оС до -193 оС.
4. Из углеродных пленок, осажденных на твердотельные подложки, возможно создание фотосенсоров, чувствительных в оптическом диапазоне.
Научная и практическая значимость результатов работы:
Разработана простая эффективная методика формирования тонких углеродных пленок на твердотельной подложке без использования катализаторов. Методика позволяет контролировать толщину пленок, изменяя время осаждения и мощность плазмы, а также температуру и длительность термообработки. Варьируя температуру и длительность обработки можно оказывать влияние на электрическое сопротивление от состояния изолятора до полупроводника (с сопротивлением единицы кОм на квадрат) за счет изменения соотношения зр2/зр3-фаз в структуре материала.
Полученные в рамках диссертационной работы результаты могут быть использованы на предприятиях и в организациях, ведущих разработки в области углеродной электроники и оптоэлектроники. Тонкие углеродные пленки могут использоваться в качестве изолирующих материалов, электропроводящих контактов, сенсоров освещения, а также датчиков температуры.
Достоверность результатов подтверждается многократной повторяемостью и непротиворечивостью с результатами работ других исследователей в данной области, использованием современных и независимых между собой методик/методов исследования с применением высокоточных аттестованных оборудований, квалифицированной апробацией на всероссийских и международных конференциях, публикацией в российских и зарубежных рецензируемых изданиях, в том числе рекомендованных ВАК.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Сильно коррелированные двумерные системы: от теории к практике» (2018 г.), международной научнопрактической конференции «Графен: Молекула и 2D кристалл», г. Новосибирск (2019 г.); международной научно-практической конференции «Графен и
родственные структуры», г. Тамбов, 2019 г., международной научно-практической конференции «Достижение и применение физики плазмы», г. Санкт-Петербург, 2019 г., всероссийском инженерном конкурсе ВИК-2019, г. Симферополь, 2019 г., международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, 21-24 апреля 2020 г., IX международной конференции по математическому моделированию, посвященной 75-летию Владимира Николаевича Врагова, г. Якутск, 27 июля-01 августа 2020 г., IX Евразийском симпозиуме по проблемам прочности в условиях низких климатических температур», посвященном 50-летию образования ИФТПС СО РАН, 14-17 сентября 2020 г., г. Якутск., второй международной научнопрактической конференции "Сильно коррелированные двумерные системы: от теории к практике", г. Казань, 5-7 июля 2021 г., IV международной научнопрактической конференции «Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение» (GRS-2021), 7-8 октября, 2021 г., V международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Новые материалы и технологии в условиях Арктики», посвященной 125-летию нобелевского лауреата Н.Н. Семенова и 100-летию образования Якутской АССР, 14-18 июня 2022 г., г. Якутск., конференции "Молодежная конференция ФИЦ СО РАН, приуроченной к Десятилетию науки и технологий", 9 декабря 2022 г.
Связь работы с научными программами: Грант РФФИ «Аспиранты» №1932-90333, 2019-2021 гг.; Государственная стипендия Министерства образования и науки РС (Я), 2021 г.; Грант Главы Республики Саха (Якутия) «Получение углеродсодержащих пленочных покрытий, полученных осаждением в плазме метана», 2022 г.; Грант Министерства науки и образования Российской Федерации FSRG-2022-0011, 2022-2024 гг.; Грант РНФ № 23-79-00065 «Получение и
комплексное исследование гибридных наносистем на основе контакта переходных металлов и двумерных материалов для разработки физико-технологических основ элементной базы спиновой электроники», 2023-2026 гг.
Личный вклад автора. Основные результаты настоящего исследования были получены автором. Получение тонких углеродных пленок методикой плазменного осаждения атомов углерода с последующей термообработкой, а также исследования, проводимые на установках, проводились соискателем лично. Обработка результатов исследования, обсуждение, постановка цели и задач, выбор литературы, подготовка и публикация научных статей в рейтинговых изданиях были проделаны вместе с научным руководителем.
Публикации по теме исследования. По теме диссертационной работы было издано 20 печатных работ, 8 из них индексируются в рецензируемых отечественных и международных базах данных, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации (ВАК, БД Web of Science, Scopus). Имеется патент РФ на изобретение RU 2794042 C1 «Способ формирования углеродных пленок плазменным осаждением атомов углерода в метане». Имеется свидетельство о государственной регистрации базы данных RU 2022622083 «База данных свойств и параметров углеродных структур (графен, оксид графена, графит, нанографит, алмазоподобный углерод)». Имеется акт внедрения в образовательный процесс на кафедре «Радиофизика и электронные системы» ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» (см. в разделе «Приложения»). На основании результатов диссертационного исследования было издано учебное пособие для учащихся 10-х и 11-х классов специализированных учебно-научных центров (СУНЦ), общеобразовательных школ, учителей школ «Основы наноэлектроники. Физика».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 137 страниц, включая 53 рисунка, 24 таблицы, 189 библиографических источников.
фаза) и характеризуются высокими показателями электропроводности [2, 3].
Материалы с преобладанием частиц углерода в состоянии зр3-гибридизации (алмазоподобная фаза) характеризуются низкой электропроводностью [4]. Преобладание зр2-гибридизированных атомов углерода в углеродных наноматериалах позволяет применять их при создании элементной базы во многих электронных устройствах нового поколения. За счет переключения механизма проводимости под воздействием внешних факторов (значительные температурные сдвиги, влияние электромагнитного поля и др.) их возможно использовать в устройствах, эксплуатируемых при отрицательных температурах [4]. Тонкие углеродные покрытия с повышенным соотношением зр3/зр2-гибридизированных атомов углерода перспективны для применения в качестве электропроводящих покрытий и светочувствительных материалов [3]. Разработка методики синтеза материалов, обладающих одновременно алмазоподобной и графитоподобной фазами, является весьма актуальной.
Углеродные наноматериалы с различными кристаллическими конфигурациями и с многообразием собственных электрических и оптических свойств могут быть получены методами осаждения из газовой (паровой) фазы (CVD). В качестве источников углерода используют такие соединения, как метан, пропан, ацетилен [5]. Методы осаждения требуют наличия высоких температур (свыше 1000 оС) и необходимости переноса полученных пленок на твердотельные подложки [6]. Для исключения этих недостатков используют метод PECVD (усиленное плазмой осаждение из газовой фазы). Сдерживающим фактором метода является то, что непосредственное осаждение из плазмы способствует неконтролируемому изменению структуры за счет косвенного влияния плазменного поля и добавочно характеризуется высокой степенью дефектообразования [7].
Степень разработанности научного исследования. Первые работы, посвященные разработке методики синтеза, а также исследованию различных характеристик пленочных материалов, включая DLC- и GLC-покрытия, начались с 80-х годов прошлого столетия [8]. Получение двумерных углеродных структур в 2004 г. вызвало большой интерес исследователей всего мира к воспроизводимым методам синтеза тонких углеродных структур. Основные результаты представлены в работах [4-9]. До настоящего времени проблема экономичного, безопасного и контролируемого способа синтеза тонкопленочных углеродных пленок полностью не решена.
В диссертационной работе предложена методика синтеза тонких углеродных пленок, сформированных плазменным осаждением и последующим отжигом в виде двух независимых поэтапных процессов. На первом этапе проводилось осаждение атомов углерода в плазме метана, в ходе которого были получены аморфные гидрогенизированные углеродные пленки. На втором этапе проводилась термообработка в атмосфере инертного газа (аргона) при температурах от 650 оС до 800 оС с целью кристаллизации пленок с различной степенью соотношения гибридизированных фаз (sp2/sp3) углерода.
Целью диссертационной работы являются разработка методики синтеза и исследование свойств сформированных углеродных пленок.
Для достижения цели решены следующие задачи:
1. Разработана методика синтеза тонких углеродных пленок на твердотельной подложке.
2. Исследованы морфологии поверхности углеродных пленок, сформированных при различных параметрах методики.
3. Изучены влияния параметров процесса осаждения углерода в плазме метана и термической обработки на электрические и оптические свойства формируемых пленок.
Объектом исследования в диссертационной работе являются углеродные пленки, сформированные на твердотельных подложках методом плазменного осаждения (до 200 Вт) в метане (30 см3/мин) с последующей термообработкой в атмосфере аргона от 650 оС до 800 оС.
Предметом исследования являются методика формирования и определение электрических, оптических свойств тонких (до 150 нм) углеродных пленок.
Методология и методы исследования включает в себя формирование исходных аморфных углеродных пленок на поверхности твердотельных подложек осаждением в плазме метана и последующую термообработку в атмосфере аргона при температурах до 800 оС. Для исследований полученных пленок использовалась следующая совокупность методов: атомно-силовая (АСМ) и сканирующая электронная (СЭМ) микроскопия, рентгеновская энергодисперсионная спектроскопия (РЭДС), спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС), ультрафиолетовая (УФ) и инфракрасная (ИК) спектроскопия, а также методы исследования электрических свойств.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана методика получения углеродных пленок последовательным двухэтапным синтезом со следующими условиями: осаждение атомов углерода (при Т < 50 oC) в индуктивно-связанной плазме (150-200 Вт) метана при потоке 30 см3/мин с последующей термообработкой при температурах от 650 оС до 800 оС в атмосфере аргона.
Впервые показано, что пленки, сформированные предложенной методикой, после термической обработки от 650 оС до 700 оС имеют при низких температурах (меньше, чем -70 оС) механизм прыжковой проводимости в соответствии с законом Эфроса-Шкловского для двумерных систем.
Использование температуры термообработки 700 оС в процессе синтеза позволяет получать углеродные пленки на подложках Si с максимальной фоточувствительностью 55 мА/Вт.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Новая методика синтеза (осаждение в плазме СН4 и последующая термообработка) углеродных пленок позволяет получать структуры толщиной до 150 нм непосредственно на поверхности твердотельных подложек.
2. Термообработка в диапазоне от 650 оС до 750 оС аморфных углеродных пленок, осажденных на твердотельные подложки, приводит к формированию нанокристаллов преимущественно графитовой структуры с латеральными размерами от 5 до 20 нм.
3. Углеродные пленки, сформированные на твердотельных подложках, имеют линейную зависимость логарифма электрического сопротивления от температуры как 1/Т в диапазоне температур от 200 оС до -70 оС и зависимость сопротивления как 1/Т1/2 в диапазоне от -70 оС до -193 оС.
4. Из углеродных пленок, осажденных на твердотельные подложки, возможно создание фотосенсоров, чувствительных в оптическом диапазоне.
Научная и практическая значимость результатов работы:
Разработана простая эффективная методика формирования тонких углеродных пленок на твердотельной подложке без использования катализаторов. Методика позволяет контролировать толщину пленок, изменяя время осаждения и мощность плазмы, а также температуру и длительность термообработки. Варьируя температуру и длительность обработки можно оказывать влияние на электрическое сопротивление от состояния изолятора до полупроводника (с сопротивлением единицы кОм на квадрат) за счет изменения соотношения зр2/зр3-фаз в структуре материала.
Полученные в рамках диссертационной работы результаты могут быть использованы на предприятиях и в организациях, ведущих разработки в области углеродной электроники и оптоэлектроники. Тонкие углеродные пленки могут использоваться в качестве изолирующих материалов, электропроводящих контактов, сенсоров освещения, а также датчиков температуры.
Достоверность результатов подтверждается многократной повторяемостью и непротиворечивостью с результатами работ других исследователей в данной области, использованием современных и независимых между собой методик/методов исследования с применением высокоточных аттестованных оборудований, квалифицированной апробацией на всероссийских и международных конференциях, публикацией в российских и зарубежных рецензируемых изданиях, в том числе рекомендованных ВАК.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Сильно коррелированные двумерные системы: от теории к практике» (2018 г.), международной научнопрактической конференции «Графен: Молекула и 2D кристалл», г. Новосибирск (2019 г.); международной научно-практической конференции «Графен и
родственные структуры», г. Тамбов, 2019 г., международной научно-практической конференции «Достижение и применение физики плазмы», г. Санкт-Петербург, 2019 г., всероссийском инженерном конкурсе ВИК-2019, г. Симферополь, 2019 г., международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, 21-24 апреля 2020 г., IX международной конференции по математическому моделированию, посвященной 75-летию Владимира Николаевича Врагова, г. Якутск, 27 июля-01 августа 2020 г., IX Евразийском симпозиуме по проблемам прочности в условиях низких климатических температур», посвященном 50-летию образования ИФТПС СО РАН, 14-17 сентября 2020 г., г. Якутск., второй международной научнопрактической конференции "Сильно коррелированные двумерные системы: от теории к практике", г. Казань, 5-7 июля 2021 г., IV международной научнопрактической конференции «Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение» (GRS-2021), 7-8 октября, 2021 г., V международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Новые материалы и технологии в условиях Арктики», посвященной 125-летию нобелевского лауреата Н.Н. Семенова и 100-летию образования Якутской АССР, 14-18 июня 2022 г., г. Якутск., конференции "Молодежная конференция ФИЦ СО РАН, приуроченной к Десятилетию науки и технологий", 9 декабря 2022 г.
Связь работы с научными программами: Грант РФФИ «Аспиранты» №1932-90333, 2019-2021 гг.; Государственная стипендия Министерства образования и науки РС (Я), 2021 г.; Грант Главы Республики Саха (Якутия) «Получение углеродсодержащих пленочных покрытий, полученных осаждением в плазме метана», 2022 г.; Грант Министерства науки и образования Российской Федерации FSRG-2022-0011, 2022-2024 гг.; Грант РНФ № 23-79-00065 «Получение и
комплексное исследование гибридных наносистем на основе контакта переходных металлов и двумерных материалов для разработки физико-технологических основ элементной базы спиновой электроники», 2023-2026 гг.
Личный вклад автора. Основные результаты настоящего исследования были получены автором. Получение тонких углеродных пленок методикой плазменного осаждения атомов углерода с последующей термообработкой, а также исследования, проводимые на установках, проводились соискателем лично. Обработка результатов исследования, обсуждение, постановка цели и задач, выбор литературы, подготовка и публикация научных статей в рейтинговых изданиях были проделаны вместе с научным руководителем.
Публикации по теме исследования. По теме диссертационной работы было издано 20 печатных работ, 8 из них индексируются в рецензируемых отечественных и международных базах данных, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации (ВАК, БД Web of Science, Scopus). Имеется патент РФ на изобретение RU 2794042 C1 «Способ формирования углеродных пленок плазменным осаждением атомов углерода в метане». Имеется свидетельство о государственной регистрации базы данных RU 2022622083 «База данных свойств и параметров углеродных структур (графен, оксид графена, графит, нанографит, алмазоподобный углерод)». Имеется акт внедрения в образовательный процесс на кафедре «Радиофизика и электронные системы» ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» (см. в разделе «Приложения»). На основании результатов диссертационного исследования было издано учебное пособие для учащихся 10-х и 11-х классов специализированных учебно-научных центров (СУНЦ), общеобразовательных школ, учителей школ «Основы наноэлектроники. Физика».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 137 страниц, включая 53 рисунка, 24 таблицы, 189 библиографических источников.
В работе исследованы тонкие углеродные пленки, впервые полученные методикой осаждения в плазме метана с последующей термообработкой в атмосфере аргона. В соответствии с целью и задачами работы был проведен комплексный анализ существующих методик получения тонких углеродных пленок, изучены механизмы формирования пленочных структур методом плазменного осаждения, влияние различных температурных режимов термообработок на аморфный углерод, рассмотрены современные методы характеризации углеродных структур. Основными результатами практической части диссертационной работы являются:
1. Предложена методика двухэтапного последовательного синтеза наноструктурированных углеродных пленок на твердотельных подложках (Si, SiO2, кварцевое стекло), включающий 1) осаждение в плазме метана мощностью от 150 до 200 Вт длительностью от 6 до 12 мин, скоростью потока газа CH4 - 30 см3/мин при давлении в реакционной камере ~10-3 мбар; 2) термообработку в атмосфере аргона в диапазоне температур от 650 оС до 800 оС длительностью от 15 до 45 мин.
2. Сформированные предложенной методикой углеродные пленки содержат нанокристаллы графита (зр2-кристаллиты) с латеральными размерами sp2- кристаллитов от 5±0.5 до 20±2 нм. Размеры нанокристаллитов зависят в большей степени от температуры термообработки и достигают максимальных размеров при 700-750 оС. Пленки имеют высокую гладкость поверхности, шероховатость которой в среднем составляет ~1,5 нм.
3. Толщины пленок составляют от 20 до полусотен нанометров и зависят от мощности плазмы и длительности выдержки в ней, а также температуры и длительности термообработки. При использовании других параметров пленки могут не сформироваться из-за преобладания процессов травления в плазме и испарения при термообработке.
4. Сопротивления пленок составляют от единиц кОм до ГОм на квадрат и зависят от температуры и длительности термообработки. При изменении температуры внешней среды образцы, сформированные при Тотж от 650 оС до 750 оС, демонстрируют линейную температурную зависимость логарифма сопротивления от обратной температуры lnR(1/T) при температурах от -70 оС до +200 оС. Такое поведение сопротивления соответствует термоактивационному механизму электропроводности. В области низких температур (от -70 оС до -193 оС) зависимость сопротивления от температуры пропорциональна 1/Т1/2, что соответствует прыжковому механизму электропроводности в двумерных структурах (закон Эфроса-Шкловского). Результаты анализа показали, что основной вклад в электрический транспорт носителей заряда вносят домены размерами от 2 (±0.1) до 10 (±1) нанометров.
5. Установлено, что при использовании температуры термообработки от 650 оС до 750 оС в процессе синтеза на втором этапе в формируемых пленках наблюдается фотопроводимость при действии освещения в широком спектральном диапазоне (от 400 до 800 нм).
6. Использование упорядоченных твердотельных подложек способствует повышению значений фототоков. Пленки, сформированные на кварцевом стекле, проявляют низкую фотопроводимость (~0.075 мкА). Наибольшая фотопроводимость (~2.2 мА/см2) наблюдается в углеродных пленках, сформированных на кремниевых подложках.
1. Предложена методика двухэтапного последовательного синтеза наноструктурированных углеродных пленок на твердотельных подложках (Si, SiO2, кварцевое стекло), включающий 1) осаждение в плазме метана мощностью от 150 до 200 Вт длительностью от 6 до 12 мин, скоростью потока газа CH4 - 30 см3/мин при давлении в реакционной камере ~10-3 мбар; 2) термообработку в атмосфере аргона в диапазоне температур от 650 оС до 800 оС длительностью от 15 до 45 мин.
2. Сформированные предложенной методикой углеродные пленки содержат нанокристаллы графита (зр2-кристаллиты) с латеральными размерами sp2- кристаллитов от 5±0.5 до 20±2 нм. Размеры нанокристаллитов зависят в большей степени от температуры термообработки и достигают максимальных размеров при 700-750 оС. Пленки имеют высокую гладкость поверхности, шероховатость которой в среднем составляет ~1,5 нм.
3. Толщины пленок составляют от 20 до полусотен нанометров и зависят от мощности плазмы и длительности выдержки в ней, а также температуры и длительности термообработки. При использовании других параметров пленки могут не сформироваться из-за преобладания процессов травления в плазме и испарения при термообработке.
4. Сопротивления пленок составляют от единиц кОм до ГОм на квадрат и зависят от температуры и длительности термообработки. При изменении температуры внешней среды образцы, сформированные при Тотж от 650 оС до 750 оС, демонстрируют линейную температурную зависимость логарифма сопротивления от обратной температуры lnR(1/T) при температурах от -70 оС до +200 оС. Такое поведение сопротивления соответствует термоактивационному механизму электропроводности. В области низких температур (от -70 оС до -193 оС) зависимость сопротивления от температуры пропорциональна 1/Т1/2, что соответствует прыжковому механизму электропроводности в двумерных структурах (закон Эфроса-Шкловского). Результаты анализа показали, что основной вклад в электрический транспорт носителей заряда вносят домены размерами от 2 (±0.1) до 10 (±1) нанометров.
5. Установлено, что при использовании температуры термообработки от 650 оС до 750 оС в процессе синтеза на втором этапе в формируемых пленках наблюдается фотопроводимость при действии освещения в широком спектральном диапазоне (от 400 до 800 нм).
6. Использование упорядоченных твердотельных подложек способствует повышению значений фототоков. Пленки, сформированные на кварцевом стекле, проявляют низкую фотопроводимость (~0.075 мкА). Наибольшая фотопроводимость (~2.2 мА/см2) наблюдается в углеродных пленках, сформированных на кремниевых подложках.
