Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общие сведения о кристаллах с сильным внутренним изгибом кристаллической решётки 13
1.1 Особенности и получение тонких, в том числе, аморфных плёнок 14
1.2 Кристаллические структуры с переменной кристаллографической ориентировкой 16
1.3 Экспериментальные и модельные представления о структуре кристаллов с сильным внутренним изгибом решётки 18
1.4 Изгибные экстинкционные контуры и их роль в исследовании структуры кристаллов с сильным внутренним изгибом решётки 23
1.4.1 Образование изгибных экстинкционных контуров на электронно-микроскопических изображениях 24
1.4.2 Теоретические основы индицирования картин изгибных экстинкционных контуров 30
1.4.3 Теоретические основы определения кристаллографической ориентировки по картинам изгибных экстинкционных контуров 32
1.4.4 Физические и геометрические основы определения величины внутреннего изгиба кристаллической решётки 33
1.5 Обоснование выбора образцов для исследования 36
1.6 Выводы по главе 1. Формулировка цели работы 40
ГЛАВА 2. Методика 42
2.1 Приготовление образцов 42
2.2 Методы кристаллизации тонких аморфных плёнок и исследования структуры растущих кристаллов 46
2.3 Обзор исследовавшихся тонких плёнок 48
2.4 Использование метода изгибных контуров для анализа электронно-микроскопических микроизображений 48
2.4.1 Индицирование картин изгибных экстинкционных контуров 48
2.4.2 Определение кристаллографической ориентировки кристаллов 50
2.4.3 Определение величины внутреннего изгиба кристаллической решётки методом изгибных контуров 51
2.4.4 Определение толщины кристаллов и плёнок методом изгибных экстинкционных контуров 54
2.5 Методика проведения комбинированных исследований методами просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии 55
2.6 Методика определения компонентного состава тонких бинарных плёнок 58
2.7 Выводы по главе 2. Формулировка задач диссертационной работы 61
ГЛАВА 3. Исследование особенностей внутреннего изгиба в кристаллах теллура, растущих в тонких аморфных плёнках Cu-Те и Sb-Te 63
3.1 Исследование плёнок Cu-Те 63
3.1.1 Краткий обзор исследовавшихся плёнок 63
3.1.2 Влияние толщины плёнки на изгиб кристаллической решётки и морфологию растущих кристаллов теллура . 67
3.1.3 Влияние состава плёнки на изгиб кристаллической решётки и морфологию растущих кристаллов теллура . 71
3.2 Исследование плёнок Sb-Te 73
3.2.1 Краткий обзор исследовавшихся плёнок 73
3.2.2 Внутренний изгиб решётки отдельных микрокристаллов Те 76
3.2.3 Влияние толщины плёнки на величину внутреннего изгиба 78
3.3 Обсуждение результатов 81
3.3.1 Сильный внутренний изгиб решётки кристаллов теллура 81
3.3.2 Анизотропия внутреннего изгиба кристаллической решётки 82
3.3.3 Влияние толщины и состава плёнки на величину внутреннего изгиба и морфологию кристаллов 83
3.4 Краткие выводы 84
ГЛАВА 4. Исследование особенностей внутреннего изгиба решётки кристаллов, растущих в плёнках оксида хрома 86
4.1 Общий обзор плёнок 86
4.2 Исследование особенностей кристаллографической ориентировки серповидных кристаллов aCr Oz методом изгибных экстинкционных контуров 88
4.3 Определение ориентировки серповидных кристаллов гониометрическим методом 96
4.4 Выводы по главе 99
ГЛАВА 5. Исследование особенностей внутреннего изгиба решётки кристаллов, растущих в плёнках оксида тантала 101
5.1 Общий обзор плёнок 101
5.2 Внутренний изгиб решётки кристаллов TaiO^ 103
5.3 Влияние толщины кристаллов на величину внутреннего изгиба их кристаллической решётки 106
5.4 Выводы по главе 109
ГЛАВА 6. Исследование влияния сильного внутреннего изгиба кристаллической решётки на рельеф поверхности кристаллов, растущих в тонких плёнках оксида железа 111
6.1 Краткое изложение ранее полученных результатов 111
6.2 Структура поверхности кристаллов aFe O исследование методами атомно-силовой микроскопии 113
6.3 Глобулярная структура поверхности плёнки Fe^Oz 117
6.4 Выводы по главе 118
ГЛАВА 7. Обсуждение результатов 120
7.1 Обобщение результатов 120
7.2 Влияние толщины на величину внутреннего изгиба 123
7.3 Влияние ориентировки на внутренний изгиб кристаллической решётки 127
7.4 Связь морфологии и изгиба кристаллической решётки 128
Основные выводы
- Экспериментальные и модельные представления о структуре кристаллов с сильным внутренним изгибом решётки
- Методы кристаллизации тонких аморфных плёнок и исследования структуры растущих кристаллов
- Влияние толщины плёнки на изгиб кристаллической решётки и морфологию растущих кристаллов теллура
- Исследование особенностей кристаллографической ориентировки серповидных кристаллов aCr Oz методом изгибных экстинкционных контуров
Введение к работе
Актуальность.
В последние годы активно ведутся поиски новых материалов с необычной структурой и физическими свойствами. К таковым, например, относятся нанотрубки и нанолуковицы, материалы с переменной фазой (Phase Change Materials), другие наноструктуры и материалы.
В 80-х годах в тонких плёнках были обнаружены кристаллы Se с сильным внутренним изгибом кристаллической решётки [1]. Впоследствии было показано, что подобные кристаллы могут наблюдаться в плёнках веществ и соединений, обладающих различной физико-химической природой — халькогенидах (Se, Те), металлах и сплавах (Re, Со - Pd, Си — Se, Си - Те), оксидах металлов (-Ре20з) и полупроводниках (Ge - Те, Sb - S, Sb -Se, Ge - Sb2Sez). Недавно [2] было установлено, что сильным внутренним изгибом могут обладать тонкие кристаллы самых разных размеров — от микро- до нанометров. Такие кристаллы были названы «трансротационными» [3]. Основные обобщающие факторы: формирование кристаллов с внутренним изгибом решётки в тонких плёнках (толщиной до 100 нм), а также кристаллизация из аморфного состояния.
Трансротационные кристаллы необычны по своему строению и, в некотором смысле, близки к нанотрубкам — в них кристаллографические плоскости изгибаются (подобно (001) в нанотрубках), т.е. в соседних областях кристалла ориентировка одной и той же плоскости закономерно изменяется. Анализ ряда экспериментальных данных свидетельствует о том, что зарождение таких кристаллов обусловлено сильным влиянием поверхности в
тонких плёнках, в частности, поверхностной нуклеацией [3]. Также есть мнение, что трансротационное упорядочение не являясь ни строго монокристаллическим, ни полностью разупорядоченным, можно рассматривать как промежуточное между аморфным и кристаллическим упорядочениями.
Изучение необычной структуры, причин и механизмов её возникновения могут дать новые сведения не только о самих трансротационных кристаллах, но также и об особенностях кристаллизации в тонких аморфных плёнках, и об особенностях аморфного состояния вещества. Таким образом, эта необычная структура, причины и механизмы её возникновения представляют большой научный интерес.
Весьма важно также и то, что трансротационными могут быть кристаллы самых разных, в том числе и практически значимых материалов, например, материалов с переменной фазой, используемых для записи и хранения информации. Предположительно, особенности внутреннего устройства трансротационных кристаллов могут влиять на такие важные параметры, как скорость кристаллизации, возможность и лёгкость перехода из кристаллического в аморфное состояние и обратно и многие другие. С этой точки зрения кристаллы с сильным внутренним изгибом могут представлять и значительный практический интерес. Например, кристаллизуемые аморфные плёнки на базе системы Sb — Те. На сегодняшний день плёнки на основе этого соединения активно применяются при производстве перезаписываемых CD, DVD дисков.
На основании вышесказанного сформулируем цель работы:
Целью работы являлось экспериментальное исследование особенностей структуры кристаллов с сильным внутренним
изгибом решётки и факторов, её определяющих, в нескольких кристаллизуемых бинарных аморфных плёнках на основе халькогенидов и окислов.
Исходя из цели работы, были сформулированы следующие задачи исследования:
— методами просвечивающей электронной микроскопии изучить особенности кристаллографической ориентировки, изгиба кристаллической решётки, морфологии кристаллов, растущих в плёнках Си - Те, Sb - Те, Та2Оь, Сг2Оъ;
при помощи электронно-микроскопической методики изгибных экстинкционных контуров, определяя величину изгиба решётки микрокристаллов, выявить примеры кристаллов с сильным внутренним изгибом решётки, а также факторы, влияющие на его величину и характер (толщина и состав плёнки, кристаллографическая ориентировка и другие);
исследовать возможное влияние внутреннего изгиба кристаллической решётки на морфологию наблюдаемых кристаллов;
провести комбинированное исследование структуры (методом просвечивающей электронной микроскопии) и рельефа поверхности (с помощью относительно нового метода атомно-силовой микроскопии) кристаллов одного вещества.
Объекты исследования. Для экспериментального исследования внутреннего изгиба были выбраны плёнки Sb — Те, CV2O3, To^Os, литературные данные и предварительные исследования которых свидетельствовали о возможности роста в них кристаллов с сильным внутренним изгибом кристаллической решётки. Так же, гораздо более подробно, с приготовлением плёнок переменного состава и толщины, изучались фольги Си-Те, в которых кристаллы с сильным внутренним изгибом наблюдались и описывались ранее.
Изучение плёнок Си - Те, Sb - Те, Та205 с градиентом толщины позволило исследовать влияние толщины плёнок на величину внутреннего изгиба решётки растущих в них кристаллов.
Для исследования взаимосвязи сильного внутреннего изгиба решётки с рельефом поверхности кристалла были выбраны плёнки Fe203.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые обнаружен и исследован внутренний изгиб решётки кристаллов CV2O3, Та2Оь-
Получены количественные зависимости величины внутреннего изгиба решётки кристаллов от толщины в плёнках Та А, Си-Те.
Углублена методика изгибных экстинкционных контуров, что позволило определить кристаллографические ориентировки и разориентировки мелких (до 1 мкм) кристаллов Сг20^ с сильным внутренним изгибом кристаллической решётки по электронно-микроскопическим картинам непараллельных и непересекающихся изгибных контуров.
Впервые проведены комбинированные исследования и сопоставление структуры и рельефа отдельных, конкретных кристаллов aFe2Oz методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в выборе материалов для исследования — тонкие плёнки на основе бинарной системы Sb - Те широко применяются в перезаписываемых устройствах оптического хранения информации (CD-RW, DVD-RW).
Благодаря высокой диэлектрической постоянной к, плёнки Та20$ считаются перспективными для использования в тонкоплёночных
микросхемах и устройствах оперативной памяти, наряду с обычно применяемыми материалами типа SiC>2, Si^N^.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Экспериментальные данные о характеристиках внутреннего изгиба решётки, морфологии и структуре поверхности кристаллов, растущих в изначально аморфных плёнках Си —Те, Sb-Te, Сг20з, TCZ2O5, Fe2Oz, полученные методами просвечивающей электронной микроскопии с применением методики изгибных экстинкционных контуров и атомно-силовой микроскопии в бесконтактном режиме.
Выявление сильного внутреннего изгиба решётки кристаллов Сг203, Та2Оъ и Те (в плёнках Си - Те, Sb - Те).
Увеличение внутреннего изгиба с уменьшением толщины кристаллов Та2Об и плёнок Си - Те
Методика детального определения кристаллографической ориентировки мелких (до 1 мкм) серповидных кристаллов Сг20% со сложными для анализа картинами изгибных экстинкционных контуров (непараллельные и непересекающиеся контуры).
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на IX Международном семинаре Актуальные проблемы нанокристаллических материалов: наука и технология (Екатеринбург, 2002); XIX, XX, XXI Российских конференциях по электронной микроскопии (Черноголовка, 2002, 2004, 2006); X, XI, XII Национальных конференциях по росту кристаллов (Москва, 2002, 2004, 2006); IV, V Международных конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2004, 2006); 22th European Crystallographic Meeting (Budapest, 2004); 14th International Conference on Crystal Growth (Grenoble, 2004); 13 European Microscopy Congress (Antwerp, 2004); 12 International Symposium «Nanostructures: physics and technology» (Санкт-Петербург,
2004) X Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005); Всероссийской научной конференции с международным участием «Электроаналитика 2005» (Екатеринбург, 2005); Microscopy Conference (Davos, Switzerland, 2005); 21 International Conference on Amorphous and Nanocrystalline Semiconductors (Lisbon, 2005); IV, V Национальных конференциях по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 2003, 2005); 16 International Microscopy Congress (Saporo, 2006); XV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел РЭМ'2007 (Черноголовка, 2007)
Основные результаты исследований опубликованы в 33 печатных работах, из них 3 статьи во всероссийских печатных изданиях.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в рамках исследований, проводимых в лаборатории электронной микроскопии кафедры физики и ОСЕ Уральского государственного экономического университета, при частичной поддержке грантов РФФИ №01-03-96520, №02-02-26562-зм, №04-02-96072, INTAS №00-100.
Все основные результаты работы были получены лично автором. Выбор направления и задач исследований, отработка эксперимента и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем, профессором каф. физики и ОСЕ Колосовым В.Ю.
Приготовление плёнок Си — Те, Sb — Те проводилось совместно с к.ф.-м.н., доцентом Веретенниковым Л. М. Электронно-микроскопические исследования образцов Си - Те, Sb - Те, Сг203 велись как совместно с Веретенниковым Л. М. и Колосовым В. Ю., так и самостоятельно Электронно-микроскопические исследования
плёнок Ta2Os, -РегОз проводились Колосовым В. Ю., получение первичных данных по плёнкам Fe2Oz методами атомно-силовой микроскопии — Гайнутдиновым Р. В.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитированной литературы, заключения и приложения. Общий объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, включая 51 рисунок, две таблицы и приложение. Список литературы содержит 91 наименование.
Экспериментальные и модельные представления о структуре кристаллов с сильным внутренним изгибом решётки
Внутренний изгиб решётки кристаллов, растущих в тонких плёнках — явление достаточно часто встречающееся, первые упоминания о нём относятся к аморфным плёнкам халькогенидов [20]. Позже, в кристаллах веществ самой разнообразной физико-химической природы, были обнаружены изгибы кристаллической решётки, соответствующие изменению кристаллографической ориентировки в 360 и более. При этом особо отмечено [3, 21, 22], что в кристаллах с сильным внутренним изгибом дефектность (плотность дислокаций, границ зёрен) нередко либо низка, либо эти кристаллы являются практически бездислокационными.
На данный момент основные исследования сильного внутреннего изгиба кристаллической решётки проводились в таких материалах, как: Re [23], Co-Pd [24], aFe2Oz [3], Se [1,25,26], Sb, S62Se3r 56253 [27], Cu-Se [20], Tl-Se [26].
В различных областях кристаллов с сильным внутренним изгибом решётки кристаллографическая ориентировка отличается, что делает их похожими на структуры с переменной ориентировкой, описанные Утевским Л.М. [15]. Однако, значения изгиба (или изменения кристаллографической ориентировки) в данном случае составляют не единицы, а десятки и даже сотни градусов на микрометр, что практически однозначно определяет его внутреннюю, не связанную с внешним прогибом кристалла природу.
Впрочем, ввиду необычности внутреннего изгиба, как правило, требуются более чёткие свидетельства его «внутренности». Достаточно убедительны в этом плане кристаллы с суммарным изгибом кристаллической решётки, превышающим 180, либо данные о структуре поверхности тонкой плёнки, исключающие возможность объяснить изгиб короблением.
Можно говорить, что по своей структуре кристаллические образования с сильным внутренним изгибом кристаллической решётки близки (но не идентичны) к таким более известным типам объектов, как нанотрубки, нанолуковицы и т.п. Проще всего это
представить на примере одностенной длинной нанотрубки [28-30], представляющей из себя «свёрнутую» трубочкой плоскость (001) графита с «запаянными» концами. При диаметре нанотрубки в 1 нм изменение ориентировки в ней достигает 360 град/нм. При этом плоскость (001) становится поверхностью цилиндра, а положения на ней атомов более не могут быть получены друг из друга посредством двух элементарных трансляций. При всем этом, общий характер упорядочения остаётся вполне сопоставим с упорядочением на плоскости (001) обычного графита.
Строгой трёхмерной математической модели расположения атомов внутри кристалла с сильно искривлённой решёткой на данный момент не существует. Однако, в соответствии с рабочей моделью [3], его можно представить как стандартную трансляцию элементарной ячейки с небольшим поворотом вокруг одного, либо нескольких направлений. При этом, что особенно важно, не происходит искривления самого кристалла, или плёнки. В связи с таким представлением о внутреннем устройстве (трансляция с поворотом), в [3] был введён новый термин «трансротационный» кристалл. Математически подобный кристалл в двумерном случае может быть описан при помощи математического аппарата конформных отображений [31].
Модель «трансротационного» кристалла и экспериментально наблюдаемое изменение кристаллографической ориентировки схематично представлены на рисунке 1.1. Из схемы видно, что при таком упорядочении происходит переориентация кристаллических плоскостей, в результате чего одна и та же плоскость может в различных частях кристалла находиться как в отражающем, так и не в отражающем положении.
Методы кристаллизации тонких аморфных плёнок и исследования структуры растущих кристаллов
Для проведения электронно-микроскопических исследований от полученных плёнок отделялись небольшие участки (примерно 1x1 мм), которые в дистиллированной воде под действием сил поверхностного натяжения освобождались от подложки и помещались на сеточки для электронно-микроскопических исследований ( [7], рис. 2.1, 2.4).
Плёнки Fe203 предоставлены А. Л. Толстихиной (Институт кристаллографии им. Шубникова РАН, Москва). Получены методом термического окисления пентакарбонила железа при температуре подложки 390—440К и концентрациях кислорода в газовой фазе 5— 80% [77].
Плёнки Сг20з предоставлены А. Г. Багмутом (Национальный технический университет, более известный как Харьковский политехнический институт, Харьков, Украина). Фольги изготавливались лазерным распылением мишени из высокочистого
Cr при комнатной температуре в атмосфере кислорода с парциальным давлением 10_3 Па [64] с последующим осаждением паров на подложку из КС1.
Плёнки Та2Оь предоставлены J. W. Steeds (Бристольский университет), получены методом анодирования. Металлический тантал полировался химическими (в растворе серной, азотной и фтористоводородной кислот), либо электролитическими методами (в 10% растворе фтористоводородной кислоты). Полученная полированная поверхность использовалась в качестве анода в электрохимической ячейке [65].
Снятие оксидной плёнки с поверхности металла производилось при помощи специальной клейкой ленты «sellotape», приклеиваемой и отдираемой от образца. Оставшиеся на ленте кусочки оксида отделялись вымачиванием в хлороформе, после чего помещались на предметную сеточку.
Кристаллизация плёнок инициировалась термическом отжигом свободных (отделённых от подложки) плёнок {Сг20з), а также воздействием электронного пучка, непосредственно в колонне электронного микроскопа [Fe2Oz, Си - Те, Sb - Те, см. рис. 2.4). В ряде случаев наблюдалась самопроизвольная кристаллизация в результате естественного старения при комнатной температуре.
Отжиг электронным пучком интересен тем, что позволяет проводить наблюдения in situ — можно наблюдать прохождение процесса кристаллизации и, по мере необходимости, влиять на него, изменяя плотность потока электронов и размер облучаемой области Схематичное изображение тонкой аморфной плёнки с градиентами состава и толщины, помещённой на сеточку для электронно-микроскопических исследований. Также схематично изображён процесс отжига электронным пучком в колонне электронного микроскопа. (различная фокусировка и мощность пучка, рис. 2.4). Таким образом, изменяя условия наблюдения и отжига, можно получить несколько изображений одного и того же микрокристалла на различных этапах роста, определить скорость кристаллизации и т.п.
Исследования структуры фолы проводились на просвечивающем электронном микроскопе Tesla BS-613, с ускоряющим напряжением 80—100 кВ и увеличениями от 8000 до 22000 раз. Отдельные исследования проводились также в других лабораториях, на более совершенных приборах JEM 200СХ, JEM 2000FX, ЕМ430.
Поскольку было исследовано достаточно большое количество плёнок различных веществ и бинарных систем, для удобства краткие сведения о них были сведены в таблицу 2.1.
Метод изгибных контуров, описанный в [1,20,21,47], применялся нами при анализе полученных электронно-микроскопических изображений для определения ориентировок исследуемых кристаллов и их частей, оценки внутреннего изгиба их кристаллической решётки, определения толщины кристаллов и плёнок.
Влияние толщины плёнки на изгиб кристаллической решётки и морфологию растущих кристаллов теллура
Толщина плёнки: а — 38 нм, b — 30 нм, с — 22 нм. Картина микродифракции от выделенной области (d) характеристикам градиента толщины, задаваемым геометрией напыления.
При напылении плёнок градиент задавался таким образом, чтобы уменьшение толщины от максимального до минимального значений укладывалось в одну ячейку предметной сеточки. Соответственно, зная направление градиента (по контрасту и яркости электронно-микроскопических изображений), можно оценить толщину в области наблюдения.
Полученные данные представлены в виде графиков на рис. 3.5. Следует отметить, что данные могут быть аппроксимированы различными функциями, выбор именно линейной аппроксимации в данном случае достаточно условен.
Поскольку метод определения толщины плёнки по геометрии градиента обладает большой систематической погрешностью, график может быть целиком сдвинут по оси толщин на 10—20 нм.
Погрешность определения величины внутреннего изгиба — не более 5% от результата.
Из графиков видно, что: — Наблюдаемый внутренний изгиб кристаллической решётки весьма существенный (дотигает 180 град/мкм) и может быть охарактеризован как «двухосевой», т.е. плоскости кристаллов изогнуты вокруг двух направлений (основные оси изгиба соответствуют [001] и перпендикулярному направлению; — уменьшение толщины плёнки ведёт к увеличению изгиба решётки кристаллов, в ней растущих. В данном случае, при изменении толщины плёнки приблизительно в два раза, внутренний изгиб возрастает в среднем в два—три раза, достигая значений больших 180 град/мкм; — наблюдается анизотропия внутреннего изгиба — изгиб вокруг оси [001] в два—четыре раза больше, чем вокруг перпендикулярной оси (ср. верхнюю и две нижних кривые на рис. 3.5); — различие зависимости величины внутреннего изгиба с осью перпендикулярной [001] от толщины в кристаллах с разной кристаллографической ориентировкой достаточно мало (см. нижние две кривые на рис. 3.5).
При изучении тех же кристаллов была обнаружена тенденция к удлинению зёрен при уменьшении толщины плёнки. В качестве параметра, отражающего данный эффект, было выбрано аспектное отношение — отношение длины кристалла к его ширине. Для определения величины аспектного отношения были отобраны наиболее часто встречающиеся кристаллы с ориентацией 120 нормально плоскости плёнки. Кроме того, мы избегали проводить измерения по кристаллам, границы которых выходили за пределы полученных негативов. Всего на 10 фотопластинках, таким образом, было отобрано 55 микрокристаллов (фактически, зёрен).
Результаты расчётов приведены на графике, рис. 3.6. Видно, что с уменьшением толщины плёнки исследовавшиеся кристаллы теллура, растущие в ней, относительно удлиняются, причём в пределах погрешности измерений данная зависимость может быть линейно аппроксимирована.
Как видно из рисунка 3.1, в зависимости от содержания меди в плёнке могут расти кристаллы различной структуры и морфологии, что препятствует уточнению связи состава плёнки с величиной разориентировки кристаллической решётки.
В попытке отследить влияние состава плёнки на величину внутреннего изгиба, нами были отобраны наиболее схожие по картинам контуров (а соответственно и кристаллографическим ориентировкам) и морфологии кристаллы (рис. 3.7).
Исследование особенностей кристаллографической ориентировки серповидных кристаллов aCr Oz методом изгибных экстинкционных контуров
В обеих бинарных системах уменьшение толщины плёнки влияет на величину внутреннего изгиба в растущих кристаллах. При этом в плёнках Си - Те, с уменьшением толщины плёнки на 20 нм внутренний изгиб кристаллической решётки возрастает в два-четыре раза, в плёнках же Sbe зависимость нелинейна, что объясняется влиянием неучтённых факторов (различная скорость кристаллизации, изменения концентрации компонент в плёнке). В качестве оценочного значения можно указать увеличение внутреннего изгиба на 100 град/мкм при уменьшении толщины на 40 нм.
Толщина фольги также влияет на «вытянутость» кристаллов теллура, растущих в плёнках Си — Те. С уменьшением толщины отношение длина/ширина для таких кристаллов увеличивается.
Концентрация второго элемента — Си, в плёнках Си — Те также влияет на величину внутреннего изгиба кристаллической решётки. С увеличением содержания примесного элемента растёт и внутренний изгиб, при этом в вытянутых кристаллах отношение длина/ширина уменьшается. Т.о., корреляции между внутренним изгибом и аспектным отношением (морфологией) не наблюдается.
В кристаллах теллура, растущих в тонких, изначально аморфных плёнках Си —Те, Sb — Te, обнаружен сильный внутренний изгиб кристаллической решётки, достигающий 192 град/мкм в Си-Те и 235 град/мкм в Sbe.
Выявлено влияние расположения осей изгиба относительно основных кристаллографических направлений на величину внутреннего изгиба кристаллической решётки, что можно объяснить анизатропией межатомных связей. В кристаллах Те изгиб вокруг оси, параллельной [001], в два-четыре раза больше, нежели вокруг перпендикулярных осей. При этом ориентировка в центре кристалла оказывает достаточно слабое влияние.
Исследовано влияние толщины плёнки в области наблюдения кристалла на величину внутреннего изгиба его кристаллической решётки. В плёнках Си - Те уменьшение толщины плёнки на 20 нм влечёт увеличение внутреннего изгиба в два-четыре раза. В плёнках Sb — Те зависимость сложная, что, по нашему мнению, связано с влиянием таких факторов, как скорость кристаллизации и изменения концентрации компонент в плёнке.
Установлено, что утонынение плёнок Си — Те на 16 нм. приводит к относительному удлинению кристаллов — их аспектное отношение увеличивается в три раза (от 3 до 10).
Обнаружено, что увеличение концентрации Си в плёнке Си —Те с 18 до 22 процентов приводит к уменьшению аспектного отношения (т.е. относительному укорочению) вытянутых кристаллов в два раза — с 8 до 4.
Плёнки Сг20з были получены в Национальном техническом университете (более известен как Харьковский политехнический институт). Просвечивающей электронной микроскопией нами были исследованы образцы изначально аморфные, частично закристаллизованные в результате отжига в печи, в воздушной атмосфере, при температуре 400С, в течении 5 минут.
В результате отжига в плёнках образовалось большое количество отделённых друг от друга промежутками аморфной плёнки кристаллов оксида хрома аСтіО (рис. 4.1, карточка JCPDS N 38-1479 а=4,96 А, с= 13,59 А, структура корунда). Среди наблюдавшихся кристаллов превалировали округлые (в меньшей степени) и серповидные (большая часть) кристаллы размером до одного микрометра.
На микроизображениях кристаллов обоих морфотипов наблюдаются изгибные экстинкционные контуры, свидетельствующие о возможности наличия сильного внутреннего изгиба в кристаллической решётке исследуемых кристаллов. Индицирование картин контуров при помощи методики тёмных полей показало, что парные контуры соответствуют плоскостям типа {300} и {300}, одиночные же (точнее — парные, но не разрешившиеся), более яркие контуры соответствуют плоскостям типа {110} и {ПО} (рис. 4.2).
Похожие диссертации на Электронно-микроскопическое исследование кристаллов с сильным изгибом решётки в тонких плёнках на основе халькогенидов и оксидов металлов
