РОЗПОДІЛ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ПОВЕРХНЕВОМУ ШАРІ ІМПЛАНТОВАНИХ ІОНАМИ SI + ПЛІВОК ЗАЛІЗО-ІТРІЄВОГО ГРАНАТУ - PDF

Description
УДК :548.4 РОЗПОДІЛ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ПОВЕРХНЕВОМУ ШАРІ ІМПЛАНТОВАНИХ ІОНАМИ SI + ПЛІВОК ЗАЛІЗО-ІТРІЄВОГО ГРАНАТУ В. М. Пилипів, В. О. Коцюбинський, О. З. Гарпуль, І. М. Гасюк Прикарпатський

Please download to get full document.

View again

of 6
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Research

Publish on:

Views: 89 | Pages: 6

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
УДК :548.4 РОЗПОДІЛ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ПОВЕРХНЕВОМУ ШАРІ ІМПЛАНТОВАНИХ ІОНАМИ SI + ПЛІВОК ЗАЛІЗО-ІТРІЄВОГО ГРАНАТУ В. М. Пилипів, В. О. Коцюбинський, О. З. Гарпуль, І. М. Гасюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна Надійшла до редакції Представлено результати аналізу поверхні імплантованої іонами Si + з дозою см 2 та енергіями кев плівок залізо-ітрієвого ґранату, отримані за допомогою рентґенівської фотоелектронної спектроскопії, встановлено відносний вміст основних хімічних елементів в по верхневому шарі, отримано інформацію про особливості електронних станів атомів на повер хні, валентних і структурних перетворень, що відбуваються в поверхневому шарі під дією ім плантації іонами кремнію з різною енергією. Ключові слова: залізо-ітрієвий гранат, рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, еле к тронні рівні. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ИМПЛАНТИРОВАНЫХ ИОНАМИ SI + ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-ИТТРИЕВОГО ГРАНАТА В. М. Пылыпив, В. О. Коцюбинский, О. З. Гарпуль, И. М. Гасюк Представлены результаты анализа поверхности имплантированных ионами Si + с дозой см 2 и энер гиями кев пленок железно-иттриевого ґраната, полученные с по мо щью рент ґе новской фо тоэлектронной спектроскопии, установлено относительное содержа ние ос новных хими че ских элементов в поверхностном слое, получена информация об особенностях электронных со сто яний атомов на по вер хности, валентных и структурных преобразований, происходящих в поверхностном слое под действием им плантации ионами кремния с разной энергией. Ключевые слова: железо-иттриевый гранат, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, эле ктронные уровни. DISTRIBUTION OF CHEMICAL ELEMENTS IN THE SURFACE LAYER OF THE FILMS IMPLANTED IONS SI + WITH YTTRIUM IRON GARNET V. M. Pylypiv, V. O. Kotsyubinsky, O. Z. Garpul, I. M. Gasyuk We have presented an analysis surface implanted of ions Si + with dose of sm 2 and the energies of kev of iron-yttrium garnet films obtained using X-ray photoelectron spectroscopy, established the relative content of major chemical elements in the surface layer, obtained information abo ut the features of electronic states atoms on the surface, the valence and structural changes oc curring in the surface layer under implanted silicon with different energy. Keywords: iron-yttrium garnet, X-ray photoelectron spectroscopy, electron levels. ВСТУП Залізо-ітрієвий ґранат Y 3 Fe 5 O 12 (ЗІҐ) ба гато функціональний феромагнітний ма те ріал із широкими перспективами за с то сування, зу мовленими унікальним по єд нанням струк турних і магнітних вла с ти востей, якими мож на гнучко керува ти в про цесі синтезу та постобробки. Для більшості напрямів практичного застосування плівок ЗІҐ визначальну роль відіграють властивості поверхневого шару, тому пошук і розробка методів ке рування його параметрами є актуальним зав данням, розв язання якого дозволить опти мізувати та покращити функціональні хара ктеристики мікро- та наноелектронних при строїв. Пилипів В. М., Коцюбинський В. О., Гарпуль О. З., Гасюк І. М., РОЗПОДІЛ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ПОВЕРХНЕВОМУ ШАРІ ІМПЛАНТОВАНИХ ІОНАМИ SI + ПЛІВОК... Одним з найбільш інформативних ме то дів дослідження електронної структу ри та складу поверхні твердих тіл є ме тод рентґенівської фотоелектронної спе к троскопії (РФЕС), який дає детальну ін фор ма цію про особливості еле ктрон них станів ато мів на поверхні, вален тних і структурних пе ретворень, що відбу ваються в поверхнево му шарі під дією різноманітних обробок та впли вів [1, 2]. ОБ ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ В якості модельних зразків до слід жу вались монокристалічні плівки ЗІҐ (з параме т ром гратки a f = 12,3697 Å і товщиною h = 4,28 мкм), які вирощувалися методом рідко фазової епітаксії на підкладці ґа долінійґалієвого ґранату Gd 3 Ga 5 O 12 (a s = 12,3820 Å) в кристалографічному напрямі (111). Імпланта ція проводилася на ус тановці МРВ-202 фірми «Balzers» (Швей царія) по током іо нів Si + з фі ксо ваною дозою D = см 2 та ене р гіями в інтервалі кев. Дослідження проводилися за допомогою рентґенівського фотоелектронного спектрометра Kratos Axis Ultra X-ray, який ви ко ристовує монохроматичне Al K α джерело рент ґенівського випромінювання з енергією 1486,7 eв. Значення енергії зв язку основних рівнів визначалися відносно рівня ву гле цю C1s з енер гією 285,0 eв. Відносний вміст ос но в них хімічних елементів визна чав ся за ін тен си вностями відповідних фо то е ле к трон них лі ній. Метод РФЕС є одним із най більш ефек ти вних методів вивчення стану хі міч них еле ментів у поверхнево му шарі ЗІҐ то в щиною до 50 Å, який до зво ляє, зокрема, встано вити, в якому стані тут перебуває кисень, за лізо та ітрій [3]. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ Оглядовий рентґенівський фотое лек т ро н ний (РФЕ) спектр поверхні не ім пла н то ваної плівки ЗІҐ показано на рис. 1, де чітко ви д но вузькі інтенсивні піки фо тоемісії осно в них електронних рівнів Fe2p, Y3d, O1s. Крім рефлексів, які стосу ю ться еле мен тів досліджуваної сполуки, на спектрі спо сте рі гаються також ін тен си вний пік C1s та слабкий пік Si2p, що підтверджує присутність в поверхне во му шарі домішкових елементів [3]. Детальні спектри емісії фотоелектронів з основних електронних рівнів Fe2p, Y3d, O1s та C1s представлено на рис 2. Наявність пі ку з енергією, значення якої знаходиться між 709 і 723 ев для станів 2р 3/2 і 2р 1/2 від по від но, свід чить про присутність в поверхневому ша рі плівки оксиду Fe 2, тобто за ліза в стані Fe 3+ [4]. Характерне положення піків 3d 3/2, 3d 5/2 на спектрі фотоемісії з основного рівня Y3d за свідчує наявність у плівці ЗІҐ кластерів Y 2. Отримані результати дозволяють встано вити природу основних кластерів (дріб них післяростових частинок фаз Fe 2 та Y 2 з розмірами порядку кіль кох десятків нанометрів), які виявлені в плівці ЗІҐ ме то дом високороздільної рент ґе ні вської ди фрак тометрії [5]. Результати обробки оглядового РФЕ-спе ктру від неімплантованої плівки ЗІҐ пода но в таблиці 1. Найбільш значні варіації роз поді лу хі мі ч них елементів в монокристалі ЗІҐ до і після іо н ної імплантації мають місце в повер хневому шарі «плівка-повітря». Ана ліз ог лядо вих РФЕ-спектрів ім план то ваних іона ми Si + (D = см 2, E = кев) плі вок ЗІҐ дозволив отримати від но сний вміст основних хімічних елементів у по верх не вому шарі досліджуваних зразків, йо го за лежність від енергії імплантації (табл. 2) та встановити наявність в цьому ша рі знач ної нестехіометрії (номінальні від но шен ня хімічних елементів у ЗІҐ складають від по від но Y/Fe = 0,6 і O/Y = 4 [6]). В поверхнево му шарі плівки ЗІҐ, ім план това ної іонами Si + з енергією 150 кев, виявлено збіль шення від носного вмісту кисню, над лишок якого, ймовірно, накопичується в харак терних ізоль ованих ділянках (порах). Іони-імплантанти Si + в процесі опро мі нен ня, оче видно, займають такі пори, однак, ек с пе ри ментальна перевірка цього при пущен ня по требує додаткових до сліджень, ос кільки ме тод РФЕС із-за невеликої ін тен си вності в діапазоні ев для кре м нію не дає мо жливості встановлення йо го заря до вого ста ну (зміни енергії зв я з ку). Найбільше ін фор мації про процеси ім план тації дають 40 ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, 1, vol. 12, No. 1 В. М. ПИЛИПІВ, В. О. КОЦЮБИНСЬКИЙ, О. З. ГАРПУЛЬ, I. М. ГАСЮК 4,00 Е s 3,00 Е ,00 Е + 05 Fe2p C1s Y3d 1,00 Е + 05 Si2p 0,00 Е Енергія зв язку, ев спе ктральні характери сти ки стану оки с лен ня заліза. На рис. 3 пред ставлено отри ма ні РФЕ-спе к три основного рівня Fe2p не імпла н то ва ної плівки ЗІҐ та плівок, ім план тованих іо нами Si + дозою см 2 в ді апазоні енер гій кев. Так, у повер хневому ша рі імплантованих плі вок ЗІҐ залізо при сут нє в основному стані Fe 3+, що видно із ха ра ктерної властивості са те літної структури при енергії зв язку E b = 719 ев [7]. Зміни, які спостерігаються на РФЕ-спе к трах для енергій імплантації іонів Si + в діа пазоні кев, знаходяться в ме жах ін струментальної похибки 0,2 ев. В той же час, ці спектри помітно відрізняються від РФЕ-спектру неімплантованої плівки ЗІҐ, що свідчить про вплив деформації в ім план то ваному шарі та часткового розупорядкування в ньому на зміну енергети ч ного спектру Елемент Рис. 1. Оглядовий РФЕ-спектр поверхні неімплантованої плівки ЗІҐ електронної системи ЗІҐ. Пік Fe2p 3/2 при 710,3 ев вказує на на яв ні сть іонів Fe 2+ (хоча ехо-сателіту в РФЕ-спе к трі не спо сте рігається), які знаходяться в стру ктурі у невеликій кількості, але, на від мі ну від Fe 3+, володіють сильним спін-ор бі таль ним зв я з ком, що є причиною їх знач но го впливу на еле ктронну релаксацію. Існування іонів заліза двох типів при низь кій концентрації іонів-імплантантів Si + мо ж ливе, коли ділянки делокалізації над лиш ко вих електронів, які належать різ ним іонам кре мнію, не перекриті [8]. Іони Fe 3+ при цьому прий ма ють участь у «вну т рішньо-мо ле кулярному» елек трон ному об міні Fe 3+ Fe 2+, і якщо n їх кількість, то в результаті усереднення за часом для іо нів Fe 3+ реалізується стан з проміж ною ва лен т ністю Fe (3-1/n)+. Зі зростанням енергії Спектральні характеристики поверхні неімплантованого зразка Енергія зв язку, кев Півширина піку, ев Площа піку, eв Таблиця 1 Відносний вміст, % O1s 528,98 3, ,23 41,50 Y3d 156,48 4, ,63 11,47 Fe2p 709,37 4, ,56 5,39 C1s 283,45 3, ,88 36,98 ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, 1, vol. 12, No. 1 41 РОЗПОДІЛ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ПОВЕРХНЕВОМУ ШАРІ ІМПЛАНТОВАНИХ ІОНАМИ SI + ПЛІВОК... 2,20Е + 04 Fe2p 3,00Е + 04 Y3d 1,80Е ,60Е + 04 Fe203 Y203 Ebment 1,40Е ,00Е ,20Е ,00Е ,00Е ,00Е + 04 Y3d 2,20Е + 04 С1s 3,00Е + 04 Na KL2 (Element) Metal CO3 Metal oxide 1,80Е ,60Е ,40Е ,20Е + 04 carbonate C-C or C-H carbide 1,00Е ,00Е ,00Е ,00Е Рис. 2. Поелементні РФЕ-спектри фотоемісії основного рівня імплантації спо сте рі гається зменшення рівня ін тенсивності ехо-сателіту до рівня інтен си вності ос но вної лінії, а його зникнення спо стері гається зменшення півширини пі ку 2р 3/2 спе ктру фотоемісії з основного рів ня Fe2p (рис. 4), яке свідчить про вплив де формації Таблиця 2 Відносний вміст хімічних елементів в по верхневому шарі плівок ЗІҐ не ім пла н тованої та імплантованих іонами Si + до зою см 2 при різних енергіях Відносний вміст Вихідний 100 кев 120 кев 130 кев 150 кев Y/Fe 0,46 0,56 0,51 0,57 0,46 O/Y 3,62 3,18 3,06 2,94 4,28 для випадку E = 150 кев свідчить про па рама г ні т ний стан заліза [9] (наявність ве ли кої кіль ко сті не магнітних сусідів) на по вер хні зра зка. Із збільшенням енергії імплантації 42 в імплантованому шарі на енерге ти ч ний спектр електронної системи ЗІҐ, що про я в ля ється у зниженні сили осцилято ра пе рехо ду для резонансних ліній при змен шен ні ФІП ФИП PSE, 2014, т. 12, 1, vol. 12, No. 1 се ред ньої величини деформації в шарі. Iнтенсивнiсть, вiдн. од Fe 2p В. М. ПИЛИПІВ, В. О. КОЦЮБИНСЬКИЙ, О. З. ГАРПУЛЬ, I. М. ГАСЮК неiмплантовани 100 кев 120 кев 130 кев 140 кев 150 кев Рис. 3. РФЕ-спектри Fe2p монокристалічних плівок Y 3 Fe 5 O 12 для різних енергій імплантації Si + Таке зменшення деформації в ім пла н то ваному шарі зі збільшенням енер гії ім план тованих іонів однозначно фі к су ється в рент ґенівських дифракційних ви мірюваннях. пiвширина (FWHM), ев 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2, Е, кев Рис. 4. Залежність півширини піку Fe2p 3/2 плівки ЗІҐ від енергії імплантації Наявності технологічних до мішок Рb і Pt у всьому діапазоні енергій на оглядових РФЕспектрах зразків не виявлено. ВИСНОВКИ 1. На основі аналізу за допомогою РФЕС спе ктрів емісії фотоелектронів з основ них електронних рівнів з поверхні імплан то ваних іонами Si + дозою см 2 та енергіями кев плівок ЗІҐ вста новлена присутність у поверхневому шарі, поряд із Fe 3+, заліза в стані Fe 2+ і від сутність ростових домішок Рb і Pt. 2. При імплантації Si + з енергією 150 кев зро стає відносний вміст кисню, надлишок якого, ймовірно, на ко пичується в ха рактерних областях. 3. Зафіксоване зменшення рівня ін тен си в но сті
Related Search
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks