Метою поданої роботи є створення програмного забезпечення, яке б дало змогу розрахунку втрати речовини та зміни хімічного складу поверхні твердого тіла, що спричинені іонним розпиленням матеріалу. Метод кількісної оже-електронної чи Х-променевої спектроскопії (ОЕС, ХФЕС) дає змогу визначати хімічний склад поверхні речовини і виявляти зміни у її складі, зумовлені як неоднаковістю швидкості розпилення компонент кристалу, так і власною неоднорідністю (негомогенністю) поверхні кристалу [1, 2]. Використовуючи це, та поєднуючи поправки, які вносить в склад поверхні іонне розпилення і негомогенність поверхні кристалу, в роботі розраховується зміна складу поверхні кристалу In4Se3 при іонному розпиленні та поява фази металічного індію (In0) з утворенням наносистем.
1. Метод іонного травлення у нанотехнологіях на поверхні
Метод іонного травлення є універсальним методом видалення з поверхні речовини шляхом її розпилення бомбардуючим іонним (Ar+) променем. Цей метод, на сьогодні, використовується в іонній літографії на напівпровідникових поверхнях з формуванням нанорозмірних систем – квантових шнурів та квантових точок в комбінації з молекулярно-променевою епітаксією. Як джерело додатних іонів Ar+ використовується іонна гармата, яка формує потік іонів з енергіями 0,5-5,0 кеВ та густинами струму 1010-1012 іон.см-2.с-1, контрольовано скеровуючи його на поверхню.
Аргон вибраний як результат компромісу між ефективністю розпилення матеріалу (коефіцієнт розпилення атомів хімічних елементів іонами Ar+ з енергією 1 кеВ знаходиться в діапазоні 0,5-4,5), яка зростає із збільшенням атомної ваги газу в ряду (He, Ar, Кr), і тиском газу при температурі зрідженого азоту. Метод іонного травлення ефективний у випадку видалення значної кількості шарів з поверхні, Останнє дає можливість реалізувати, так званий, пошаровий аналіз елементно-фазового складу поверхні зразка – послідовно розпилюючи певну кількість шарів кристалу і зондуюючи елементний-фазовий склад отриманих поверхонь. Іноді цей процес можна сумістити в єдиний цикл – у процесі іонного розпилення матеріалу одночасно зондувати поверхню електронним чи Х-променем (ОЕС/XФЕС).
Для розрахунку швидкості розпилення атомів багатокомпонентної сполуки (In4Se3) з її поверхні, що бомбардується, під дією іонів, використовуються коефіцієнти розпилення її складових – атомів (In та Se). Ці коефіцієнти залежить від маси та енергії бомбардуючих іонів Ar+, кута їх падіння на поверхню та маси атомів поверхні, що розпилюються
Якщо струм I, падаючих іонами, та час опромінення t зразка відомі, то коефіцієнт розпилення S (атом/іон) можна розрахувати із співвідношення:
 , (1)
де Δm – втрата маси речовини зразка, виражена в мікрограмах, I – в мікроамперах, t – в годинах, A – масове число атомів зразка (кг/моль). Глибина проникнення іонів в процесі травлення поверхні є значною (іони Ar+ при Е=1 кеВ проникають в зразок на глибину £1 нм).
2.1. Основні підходи до створення програмного забезпечення
Метод іонного травлення вносить зміни в хімічний склад поверхні кристалу In4Se3 внаслідок відмінності коефіцієнтів розпилення її складових – атомів (In та Se) бомбардуючими іонами Ar+ та деяких інших параметрів бомбардування, про що говорилось вище.
Тому для розрахунку складу поверхні в процесі іонного травлення потрібно, до отриманого складу речовини внести певні поправки. Ці поправки вносяться, враховуючи масу речовини, що розпилюється. Маса розпиленої речовини залежить від енергії іонів, струму, який вони створюють, кута, під яким падає іонний пучок, часу розпилення та власне від самої речовини, що розпилюється (відповідні (різні) коефіцієнти розпилення та атомна масса для атомів (In та Se)).
Відповідно до початкової маси зразка та визначення маси кожного з елементів речовини, що розпилилась, розраховується частка кожного з елементів (In та Se) у речовині, після певних відліків часу розпилення.
Важливим для отримання наносистем In0/In4Se3 є саме асиметрія в швидкості розпилення складових компонент – атомів (In та Se) зі зміною стехіометрії поверхні у напрямку збільшення кількості атомів індію з подальшим фазовим переходом та формуванням фази металічного індію – In0 на поверхні (100)In4Se3.
2.2. Розрахунок кількості розпиленої речовини при бомбардуванні гомогенного кристалу In4Se3
Для розрахунку кількості речовини, що розпилилась створена програма на мові Паскаль, яка вичислює загальну масу атомів речовини, що розпилились при бомбардуванні поверхні гомогенного кристалу In4Se3 іонами аргону, у залежності від часу розпилення. Обчислення відбувається з використанням наступного співвідношення:
 , (2)
де Δm – втрата маси речовини зразка; A – масове число атомів зразка в кг/моль; I – струм, створений пучком іонів, що бомбардують кристал, в мікроамперах; – коефіцієнт розпилення (береться з табличних даних в залежності від хімічного елемента, що розпилюється та енергії іонів) [2]; α – кут, який утворює іонний пучок з поверхнею, яка розпилюється, t – час опромінення, в хвилинах.
Коефіцієнт розпилення атомів кристалу In4Se3 іонами Ar+ різних енергій
Для прикладу взято іонне розпилення кристалу In4Se3, масою приповерхневого шару 0,1 мкг. Кристал бомбардується іонами аргону з енергією 1 та 2 кeB, що створюють струм 10 мкА та падають під кутом 45 градусів до поверхні. Одержані результати чисельного експерименту подані у таблиці та графічно на Рис. 1 та 2.
Вихідний файл, в який записуються результати розрахунків:
Графічна залежність кількості втраченої речовини з часом буде мати наступний вигляд поданий на Рис 1 та Рис 2:
Рис. 1. Залежність втраченої маси елементів кристалу In4Se3 в залежності від часу розпилення при бомбардуванні іонами аргону з енергією 1 кеВ; струм: 10 мкА; кут падіння іонів: 45O.
Рис. 2. Залежність втраченої маси елементів кристалу In4Se3 в залежності від часу розпилення при бомбардуванні іонами аргону з енергією 2 кеВ; струм: 10 мкА; кут падіння іонів: 45O.
2.3. Розрахунок кількості розпиленої речовини та зміни хімічного складу зразка негомогенного кристалу
Для вирішення цієї задачі створено програму, яка, як і попередня, розраховує втрату маси речовини з часом при іонному травленні (ця втрата не залежить від однорідності кристалу, а лише від елементів, з яких вирощений кристал. Також ця програма дає можливість розрахувати зміну складу кристала у вагових відсотках, тобто ваговий внесок кожного елемента, з часом розпилення. Далі обчисляється вміст кожного з елементів в атомних відсотках.
Враховуючи те, що присутні неоднорідності в кристалі, за рахунок яких склад речовини сам по собі змінюється з глибиною, потрібно через певні відліки часу в процесі розпилення знімати оже-спектр. Після чого отримані результати скореговуються з врахуванням змін, що вносить іонне травлення.
Для прикладу взято іонне розпилення кристалу In4Se3, масою при поверхневого шару 0,1 мкг. Кристал бомбардується іонами аргону з енергією 1 кeB, що створюють струм 10 мкА та падають під кутом 45 градусів до поверхні.
Вихідний файл, в який записуються результати розрахунків при запуску програми поданий таблицею:
Рис. 3. Відстеження зміни складу поверхні (100) кристалу In4Se3 у залежності від часу розпилення, в атомарних відсотках.
Результати роботи демонструють зміну стехіометрії поверхні (100) кристалу In4Se3 у напрямку її збагачення атомами індію при її розпиленні іонами Ar+ та самоорганізацію нанокрапель металічного індію In0 з утворенням наносистем In0/In4Se3, що спостерігались і досліджувались методами СТМ/СТС.
Список використаних джерел:
1. http://home.earthlink.net/~chutko/fundam.htm Fundamentals of Ion Beam Sputtering
2. Барбашов М.Ю., Горелик В.А., Протопопов О.Д., Самсонова Г.М., Яковенко А.В. Атлас оже-спектров для количественого и качественого оже-анализа // Электронная промышленость. – 1984. - №2(130).
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter