Тонкие пленки оксидов металлов
Актуальность и цели исследования
Оксиды, как известно, широко используются в гетерогенном катализе, в микро- и наноэлектро-нике, в конверторах солнечной энергии и т.д. Успех решения многих стоящих здесь задач существенно зависит от того, насколько адекватны и полны сложившиеся представления о физико-химических свойствах различным образом организованных малоатомных и наномасштабных поверхностных комплексов, в состав которых входит кислород. Исследования атомного и электронного строения таких комплексов относятся к числу традиционных и приоритетных проблем физики и химии поверхности. Современный мировой уровень решения этих задач определяют эксперименты, в которых используются методы сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии.
Измерение параметров отдельных стадий окисления металлов и полупроводников — адсорбции кислорода на чистой поверхности, последующего образования малоатомных кластеров хемосорбированного кислорода, роста наномасштабных островков оксидных фаз и тонких поверхностных оксидных плёнок, необходимы для решения многих фундаментальных и прикладных задач физики и химии поверхности.
Результаты
1. Адсорбция воды резко меняет прово-димость туннельного наноконтакта – его сопротивление возрастает (туннельный ток падает).
2. Масштаб изменения проводимости наноконтакта возрастает в 10-100 раз при адсорбции на точечном дефекте воды.
Топографическое изображение поверхности алюминия, покрытой пленкой оксида: I = 2.2 нА, V = -1.5 В.
3. Адсорбция воды приводит к формированию на поверхности Al(111) кластеров двух типов:
- кластеры первого типа имеют два устойчивых зарядовых состояния, переключения между которыми происходит в определенном диапазоне напряжений;
- кластеры второго, типа испытывающие кратко-временные нерегулярные перезарядки, «просветляющие» туннельный наноконтакт.
4. Для кластеров первого типа определена вероятность опустошения как функция напряжения. Нелинейность логарифма вероятности опустошения от напряжения свидетельствует в пользу туннельного механизма перезарядки. Вероятность десорбции кластеров второго типа не превышает S < 0,001.
5. Для кластеров второго типа оценена вероят-ность десорбции, которая составляет S ≈ 0.01.
Диаграмма электронных переходов между двумя состояниями кластера воды второго типа: Ai – электронные состояния кластера, QAi – соответствующие зарядовые состояния.
Карта распределения оксидной фазы на участке поверхности 150 × 150 нм для титанового покрытия, окислявшегося 30 суток на воздухе.
Гистограмма частотного распределения различных значений ширины запрещенной зонына участке поверхности 150 × 150 нм для титанового покрытия, окислявшегося 30 суток на воздухе.
Титановое покрытие, нанесенное на поверхность высокоупорядоченного пиролитического графита методом терморезистивного напыления, представляет собой плёнку из плотно соприкасающихся друг с другом зерен титана с характерными латеральными размерами ~ 30 нм и высотой 3-6 нм. Размеры зерна не зависят от длительности выдержки образца в потоке испаряющегося титана. Прокаливание образцов титанового покрытия в кислороде (PO2 ~ 100 торр) при Т = 500˚С также не приводит к изменению размера зерен.
При взаимодействии с кислородом на поверхности титана происходит образование нестехиометрического оксида TiOx, где 1.75 < x < 2. С увеличением продолжительности прокаливания образца в кислороде наблюдается постепенное увеличение ширины запрещенной зоны оксида, образующегося на его поверхности. С увеличением продолжительности прокаливания титанового покрытия в кислороде наблюдается постепенное увеличение ширины запрещенной зоны покрытия, обусловленное изменением концентрации кислорода в оксиде. Согласно разработанной модели, описывающей изменение ширины запрещенной зоны окислов TiOx (1.75 < x <2) на поверхности титановой пленки в зависимости от длительности и температуры прокаливания в кислороде, эффективная энергия активации диффузии кислорода составляет Еа = 0.21 эВ. Увеличение концентрации кислорода в окисле приводит к слабому уменьшению предэкспоненциального множителя D0 коэффициента диффузии. Изменение температуры и продолжительности прокаливания в кислороде позволяет создавать титанооксидные покрытия с заданным значением ширины запрещенной зоны.
Работа выполнена в рамках государственного задания № 0082-2014-0011 «Нанохимия» (ААААА-А20-120013190076 -0) и при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-33-00020.