Оптические и диэлектрические свойства плёнок ниобата бария - стронция Алиев Ислам Магомедович

Содержание к диссертации

Введение

1 Монокристаллы, керамика и плёнки ниобата бария-стронция (литературный обзор) 9

1.1 Температура Кюри материалов BSN как функция состава и структуры в монокристаллах и керамике 10

1.2 Атомная структура ниобата бария-стронция (BSN) 13

1.3 Граница раздела между плёнкой BSN и подложкой 15

1.4 Способы приготовления плёнок BSN 17

1.5 Выводы раздела 1 19

2 Методика получения и исследования плёнок BSN 20

2.1 Получение керамики мишени BSN-50 21

2.2 Установка для напыления плёнок 22

2.3 Определение параметров ячейки и ориентации атомных плоскостей 28

2.4 Измерение диэлектрических свойств мишеней и плёнок 29

2.5 Установка для измерения угловой зависимости интенсивности зеркального отражения 32

2.6 Оптический in-situ контроль роста плёнок 34

3 Формирование пленок BSN в условиях емкостного высокочастотного разряда 38

3.1 Синтез керамики BSN-50, изготовление мишеней и измерения их диэлектрических характеристик 38

3.2 Получение временной серии тонких пленок BSN(Y) на грани (001) MgO 47

3.3 Выводы раздела 3 54

4 Оптические свойства тонких плёнок BSN(t)//MgO(001) структуры BSN(001)//MgO(001) 56

4.1 Пересечение кривых интенсивностей зеркального отражения в одной точке 57

4.2 Плоская волна в анизотропной среде 64

4.3 Дисперсия материала прозрачных плёнок BSN 66

4.4 Измерение толщины серии плёнок 58

4.5 Условия пересечения кривых зеркального отражения 71

4.6 Выводы раздела 4 77

5 Диэлектрические свойства толстой плёнки в структуре Al/BSN/Pt/Si 78

Заключение 88

Список литературы 90

• Граница раздела между плёнкой BSN и подложкой
• Определение параметров ячейки и ориентации атомных плоскостей
• Получение временной серии тонких пленок BSN(Y) на грани (001) MgO
• Дисперсия материала прозрачных плёнок BSN

Введение к работе

Актуальность темы. Ниобат бария-стронция, Bai.xSr_xNb₂0₆ (BSN, SBN или НБС) [1] входит в довольно многочисленное семейство соединений со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы. Монокристаллы BSN, их свойства [2] и способы их выращивания детально представлены в монографии [3]. Семейство материалов со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы перспективно для практического приложения. Так, согласно литературным данным, материал SBN-75 (или Sr₀.75Bao.25Nb₂06) выделяется своим высоким электрооптическим коэффициентом [4]: при температуре 56С электрооптический коэффициент г₃₃ ⁼ 1350 пм/В, пьезомодуль <і₃₃ ⁼ 670 пКл/Н, диэлектрическая проницаемость є₃з ⁼ 3000. Величина электрооптического коэффициента SBN-75 на порядок выше (в сорок раз по данным работы [3]), чем у промышленного материала состава LiNb0₃. Это обстоятельство лежит в основе большого интереса к приготовлению материала SBN в плёночном исполнении. В работе [5] уже представлен волновод, который значительно превосходит по своим параметрам такой же волновод на базе LiNb0₃.

Система BSN интересна тем, что в зависимости от содержания стронция сегнетоэлектрический фазовый переход происходит в диапазоне температур от 60 до 250 С. Он является одноосным сегнетоэлектриком. Область существования монокристаллов BSN: 0,25 < х < 0,75. При х > 0,5 Bai._xSr_xNb₂0₆ проявляет релаксорные свойства. Относительно низкая критическая температура твёрдых растворов системы BSN позволяет управлять устройствами полупроводниковой технологии с целью выигрыша за счёт высоких пирокоэффициентов. При х = 0,5 Ba^Sro^M^Oe, является одним из классических кристаллических материалов, применяемых в пироэлектрических неохлаждаемых инфракрасных датчиках. Легирование BSN катионами редкоземельных элементов, во-первых, позволяет управлять постоянными кристаллической решётки, и, во-вторых, этот приём

оказаться плодотворным для «настройки» плёнки на нужные свойства. В настоящее время в семействе сложных оксидов со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы можно установить различного рода корреляции [6, 7] между постоянными решётки, такими кристаллохимическими величинами, как размеры катионов, и температурами Кюри.

Потребность в развитии способов получения оксидных плёнок возникла в связи с открытием кислородных соединений со структурами, близкими к структуре перовскита, таких как La2-_xSr_xCu04, УВагСіїу-хОз и некоторых других. В работах [8, 9] с многочисленными ссылками в них развивается стратегия получения оксидных многокомпонентных плёнок на базе лазерного напыления плёнок.

С фундаментальной точки зрения система BSN оказалась также интересной. Благодаря внутреннему распределению своих эффективных зарядов, а также уникальным направлениям поляризации, ниобат бария -стронция допускает модельную систему трёхмерного сегнетоэлектрического случайного поля (модель Изинга [10, 11]). Перечисленные выше известные теоретические и экспериментальные факты позволяют сделать заключение, что исследование проблем, связанных с сегнетоэлектрическими твердыми растворами системы ниобата бария - стронция, традиционными объектами физики конденсированного состояния, остаётся актуальным.

В настоящее время в НИИ физики Южного федерального университета имеются развитые способы приготовления керамических материалов, в частности, керамических мишеней [12] для распыления плёнок BSN, развит газоразрядный способ напыления эпитаксиальных плёнок со структурой перовскита [13]. Этим способом получены, например, плёнки Bai__x Sr_xTi0₃ с высоким структурным совершенством [14] и плёнки ВіБеОз [15]. Одно из важных задач диссертации является развитие этого метода для получения плёнок ниобата бария - стронция. Таким образом, тема диссертации, посвященной получению плёнок ниобата бария - стронция и исследованию их оптических и диэлектрических свойств, является актуальной.

Объекты исследования:

серия плёнок BSN с различной толщиной на подложках (OOl)MgO: BSN(001)/MgO(001);

МДМ структура Al/BSN/Pt(l 11) на подложке Si(001).

Цель исследования: установить особенности формирования структуры, оптических и диэлектрических свойств плёнок ниобата бария-стронция, полученных методом емкостного высокочастотного разряда, и развить оптический метод их текущего контроля (in-situ).

Для достижения цели решались следующие основные задачи:

1. Выбор перспективного состава твёрдого раствора в системе
Bai-_xSr_xNb206 (BSN) для изготовления мишени, пригодной для напыления
плёнок на установке «ПЛАЗМА-50СЭ».

2. Поиск режимов для получения плёнок BSN на установке «ПЛАЗМА-
50СЭ» с контролем параметров элементарной ячейки по рентгенограммам
Брэгга - Брентано.

1. Разработка технических средств текущего (in situ контроля) напыления плёнок применительно к газоразрядной камере установки «ПЛАЗМА-50СЭ».

2. Модификация известных теоретических и экспериментальных методов определения методами оптической спектроскопии зеркального отражения поляризованного оптического излучения оптических констант и толщин серии тонких плёнок BSN, полученных в едином технологическом процессе напыления.

5. Определение температурных и частотных зависимостей
диэлектрических свойств и температуры фазового перехода плёнок BSN
традиционными методами.

Научная новизна. В ходе выполнения работы впервые: 1) измерена зависимость параметра решётки с тонкой плёнки BSN(OOl) на подложке MgO(OOl) от её толщины;

2. предложен оригинальный метод прямого измерения показателя преломления прозрачного материала и её толщины на базе серии плёнок, полученных в едином технологическом процессе напыления;

3. разработана математическая основа для развития технической системы оптического in situ неразрушающего контроля роста плёнки применительно к газоразрядной камере установки «ПЛАЗМА -50 СЭ».

Практическая значимость. Предложенные элементы оптической методики могут быть использованы в развитии технических и математических средств в in situ контроля в технологии изготовления плёнок в таких организациях как НПО «Ангстрем» (Зеленоград), ФГУП «РНИИРС», ЮФУ, Московский институт электронной техники», НИИ точного машиностроения (Зеленоград), НИИ точного приборостроения (Москва).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Для серии плёнок BSN различной толщины в интервале длин волн Х= 600...800 нм обнаружен угол пересечения кривых интенсивностей зеркального отражения Н-поляризованного излучения и показано, что пересечение возможно, если материал плёнок прозрачный, тангенс угла пересечения равен показателю преломления, а шероховатость растущей плёнки менее 3 нм.

2. В плёнках BSN на подложке MgO(OOl) до толщин h < 100 нм параметр элементарной ячейки завышен, с ~ 3.96 А, в то время как в плёнках с h > 100 нм параметр с = 3.94 А и близок к параметру мишени состава Bao.5Sro.5Nb₂0₆.

3. Фазовый переход из сегнетоэлектрической в параэлектрическую фазу в плёнках BSN толщиной 2,9 мкм, согласно результатам диэлектрических измерений, происходит в интервале температур Т = 55 ... 75 С, и как в керамике и монокристаллах соответствующего состава, сильно размыт и имеет релаксорный характер.

Достоверность и надежность полученных основных результатов
обусловлены использованием комплекса взаимодополняющих

зарекомендовавших себя известных и предлагаемых экспериментальных методов и теоретических расчётов, а также использованием сертифицированных установок для получения и исследования полученных тонких и толстых плёнок и тем, что полученные экспериментальные результаты и выводы не противоречат известным в литературе экспериментальным данным и теоретическим представлениям.

Апробация результатов работы проводилась в лабораториях активных сред и материалов и электрофизических и оптических измерений Отдела физики и астрономии Южного научного центра РАН и в отделе интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики Южного федерального университета. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IX Ежегодн. конф. студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону, 2013; 2 и 3 Междунар. молодежном симп. «Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов», Ростов-на-Дону -Туапсе, 2013 и 2014; 2 Всерос. научно-практ. конф. «Молодежь, наука, инновации», Грозный, 2013; X Ежегодн. конф. студ. и асп. баз. кафедр ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону, 2014; XV Всерос. школе - семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества, Екатеринбург, 2014.

Работа выполнена при финансовой поддержке МОН РФ (базовая и проектная части государственного задания: Проект №1927, тема №213.01-2014/012-ВГ, 3.1246.2014/К)иФЦП (Соглашение № 14.575.21.0007).

Публикации. Всего опубликовано по теме диссертации 13 работ, из них 5 статей - в центральных рецензируемых отечественных журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и зарубежном журнале, а также 4 статьи в сборниках всероссийских и международных конференций и 4 тезиса докладов на них.

Личный вклад автора состоит в непосредственном его участии (совместно с научным руководителем Ковтуном А.П. и соавторами опубликованных работ Толмачевым Г.Н. и Резниченко Л.А.) в выборе темы, постановке задач исследования, анализе и обобщении полученных основных результатов и выводов и формулировке основных научных положений, а также в анализе данных оптических и рентгеновских измерений. Выбор режимов напыления плёнок BSN на установке ПЛАЗМА - 50 СЭ осуществлен совместно с Толмачевым Г.Н. Совместно с Зинченко СП. проводились оптические измерения на Брюстер - стенде.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложенных на 100 страницах, включая 49 рисунков, 5 таблиц, список цитируемой литературы из 66 наименований и список основных публикаций автора, снабженных литерой А.

Граница раздела между плёнкой BSN и подложкой

В описании атомной структуры будем отталкиваться от хорошо известной структуры перовскита АВОт, (см., например, [3]). В структуре перовскита оси X, Y и Z равноправны и направление вдоль конкретной оси характеризуется чередованием атомных слоев В02 и АО. Угол В-О-В для всех атомов кислорода в перовските одинаков и равен 180. Атом В находится в центре октаэдра В06. Атом кислорода принадлежит одновременно двум соседним октаэдрам. Существенен факт, согласно которому октаэдр содержится внутри трёх соседних слоев: АО - В02 - АО . Это замечание важно, если октаэдр является элементом химической связи. В этом случае слои не носят характер «изолированных слоев». Это замечание может оказаться важным при разработке тех или иных механизмов роста кристалла, исходя из существования изолированных атомов.

Кристаллическая структура BSN наследует ряд элементов структуры перовскита. Так же, как и в структуре перовскита, атомы кислорода принадлежат одновременно двум соседним октаэдрам. Так же, как и в перовските, атом ниобия (атом типа В в перовските АВО ) по углам связи одинаковый с координационным числом шесть. Однако ось Z в кристалле BSN выделена, и поэтому кристалл принадлежит классу одноосных кристаллов. Вдоль оси Z (с обычной для перовскита периодикой) кристалл представляет собой последовательность двух типов слоев: слоя M Os и слоя SrxBai_xO. Так же, как и в перовските, три соседних слоя (в нашем случае слой Nb205 и два слоя SrxBai_xO сверху и снизу) содержат в себе октаэдры Nb06. Разница с перовскитом в ближнем порядке определяется углами Nb-O-Nb. В кристалле BSN имеем два типа кислорода - кислород с углом Nb-O-Nb -180 (как и в перовските) и кислород с углом Nb-O-Nb -150. Атомы кислорода с углом 180 содержатся только в «перовскитовых островках».

Перовскитовые островки в плоскости XY составлены из четырех сочленённых октаэдров и содержат в себе внутренние атомы кислорода с углами Nb-O-Nb 180. Эти октаэдры образуют вертикальные столбики -перовскитовые столбики. Кроме перовскитовых столбиков имеем ещё один структурный элемент: октаэдрические цепочки вдоль оси Z цепочки. Таким образом, выделяются два элемента структуры BSN: перовскитовые столбики и цепочки. Перовскитовые столбики в кристалле относительно направления [100] (или [010]) элементарной ячейки BSN развернуты на углы а = +18.43. Цепочки октаэдров строго ориентированы вдоль направлений [100] или [010]. Для них а = 0.

Как уже было отмечено, в каждом перовскитовом столбике «внутренние» атомы кислорода имеют угол Nb-O-Nb 180 (так же, как и в перовските). «Внешние» к столбику атомы кислорода и атомы кислорода октаэдрических цепочек принадлежат типу кислорода с углом Nb-O-Nb -150. Таким образом, BSN кристалл имеет три подрешётки, составленные из столбиков с углом а=+18.43 (зеленый цвет на рис. 1.4), с углом а = -18.43 (синий цвет) и подрешётку из октаэдрических цепочек с углом а=0 (жёлтый цвет).

Представления структуры BSN как совокупности перовскитовых столбиков (the perovskite kernel) подробно с позиции роста плёнки обсуждаются в работе [25]. Авторы этой работы связывают механизм роста плёнки SBN вокруг, именно, перовскитовых мест (kernel). Именно, как результат взаимодействия разных перовскитовых столбиков с подложкой (в [25] в качестве подложки использовалась грань (001) кристалла SrTi03) получаются высокотекстурированные пленки. Текстура существует только в плоскости (001) и, по-видимому, связывается с неустойчивостью границы раздела «SBN-подложка» в продолжении роста «перовскита» на перовските. Сами слои № 2С 5 строго параллельны.

В работе [26] проведены детальные исследования границы раздела между плёнкой BSN и подложкой MgO(001)-SBN от катионного состава и показано влияние стехиометрического параметра х в формуле Bai_xSrxNb206 на основные характеристики границы раздела. Авторы исходят из общепринятого характера (рис. 1.6) возможных сопряжений элементарных ячеек MgO(OOl) и BSN(001). [010]

Варианты сопряжений (а) (б) и (в) являются предметом дискуссий в большом числе работ. Различие этих вариантов заключается в следующем. Если исходить из постоянной решётки кубического кристалла MgO, где параметр решётки а = 4.21 А, то сопряжения разного типа требует разных постоянных а решёток BSN: постоянной решётки а = 14.63 А для сопряжения (а), а = 13.31 А для сопряжения (б), а = 12.27 А для сопряжения (в) и а = 11.91 А для сопряжения (г).

Определение параметров ячейки и ориентации атомных плоскостей

Для измерений угловых зависимостей интенсивности зеркального отражения поляризованного излучения с определённой длиной волны от плёнок использовался разработанный в лаборатории активных сред и материалов Отдела физики и астрономии Южного научного центра РАН, в дальнейшем «Брюстер-стенд» (рис. 2.8) [52]. В его состав входят: источник сплошного оптического излучения в диапазон /1 = 300...900 нм (галогеновая лампа), дифракционный спектрограф (монохроматор) МУМ-2 с диапазоном перестройки от 0,3 до 1 мкм. С помощью поляроида выбирается необходимая поляризация зондирующего излучения, скорректированное аттенюатором, которое попадало на объект, который закреплен в гониометре ГУР-5 для обеспечения требуемого взаимного расположения источника излучения, объекта и приёмника излучения по схеме 6-26, (фотоприемник) ФЭУ-100, дифференциальный усилитель У7-6, аналогово-цифровой преобразователь АЦП - ЛА-2М5РСІ, который встроен в компьютер. С гониометром сопряжен шаговый двигатель, который управляется через аналоговый цифровой преобразователь от компьютера. Управление установкой и регистрация экспериментальных данных осуществлялась ПК по специально разработанной программе. Шаговый двигатель управляет изменением длины волны монохроматора, что позволяет при заданном угле падения и отражения оптического излучения измерять дисперсионную зависимость.

Для устранения влияния внешних механических возмущений на результаты измерений интенсивности отражённого сигнала все элементы схемы располагались на голографическом столе. Установка содержит в себе программный комплекс, который позволяет в автоматическом режиме измерять и регистрировать зависимость интенсивности отраженного от объекта сигнала от угла падения зондирующего излучения различной длины волны, поляризации и интенсивности. Рисунок 2.8 - Фото экспериментальной установки «Брюстер-стенд» - вверху и схема экспериментальной установки - внизу: галогеновая лампа (1); монохроматор МУМ-2 (2); поляроид (3); аттенюатор (4); объект (5); гониометр ГУР-5 (6);. фотоприемник ФЭУ-100 (7); усилитель У7-6 (8); компьютер (9); шаговый двигатель (10) Таким образом, на мониторе ПК отображается зависимость интенсивности в относительных единицах отражённого от объекта сигнала как функцию угла падения зондирующего излучения в диапазоне углов

Оптический текущий контроль формируемой пленки в ходе напыления основан на интерференционных явлениях. В качестве измеряемого параметра для текущего контроля использовалась зависимость интенсивности отражённого от объекта плёнка-подложка лазерного излучения Н-поляризации (длина волны X = 650 нм) от времени напыления, то есть фотометрический контроль по экстремумам. Оптический текущий контроль основан на классическом рассмотрении интерференционных эффектов в пленках. Схема напылительной камеры с системой фотометрического контроля приведена на рисунке 2.9. Излучение с длиной волны X = 650 нм от полупроводникового лазера с //-поляризацией под скользящим углом 6 = 8.8 через одно из окон напылительной камеры направлялось на подложку. Зеркально отразившись от подложки, излучение через второе окно выходило из камеры и попадало на монохроматор МУМ-2, настроенный на длину волны X = 650 нм. Монохроматор отсекал излучение от разряда.

Схема установки для напыления пленок с in-situ контролем в процессе их формирования: лазер (1); поляроид (2); -входное и выходное окна камеры (3); камера (4); подложка (5); катодный блок (6); фильтры (7); линза (8); щели (9); монохроматор (10); фотоприемник (11); усилитель (12) и ПК (13) Перед монохроматором на расстоянии L = 10 см располагались две щели диаметром d = 2 мм, которые отсекали все дополнительные отражения лазерного излучения от различных элементов конструкции. Сигнал регистрировался фотоприёмником ФЭУ-100 и подавался на вход дифференциального усилителя У7-6.

Сигнал из усилителя подаётся на аналоговый цифровой преобразователь (АЦП), который встроен в персональный компьютер, и обрабатывается на ПК. Для динамической регистрации изменения отраженного от растущей плёнки лазерного излучения использовалась специально разработанная программа, которая позволяла вести запись отражённого сигнала в процессе всего напыления плёнки BSN от 0 до 4 часов. После окончания напыления результаты заносились в базу данных и обрабатывались программой Origin-7. Принципиальная схема in-situ контроля роста плёнки представлена на рисунке 2.10.

Толщина плёнки определялась из текущей кривой интенсивности зеркально отраженного поляризованного лазерного оптического излучения (X = 650 нм) от подложки с растущей пленкой (рис. 2.11) по методике, представленной в работах [52, 53]. 50 100 150 200 Время напыления, мин. Рисунок 2.11- Зависимость интенсивности зеркального отражения оптического излучения от подложки как функция времени напыления BSN плёнки, Ц , гдеу=1,2,... Д - особенности кривой оптического зеркального отражения Н-поляризации от растущей пленки на подложке Использованный нами скользящий угол падения луча 0 = 8,8 сохраняет информацию о динамике растущего слоя с известным коэффициентом преломления. С другой стороны этот угол не требует технической модификации камеры газоразрядного напыления.

Максимумы интенсивности зеркального отражения, возникающие в процессе напыления пленки, отмеченные моментами времени Ц , гдеу=1,2,...,7У, дают нам информацию о толщине пленки, по следующей формуле:

Здесь 6 81.2 - угол зеркального отражения поляризованного излучения с длиной волны А = 650 + 5 нм и показателем преломления пленки rip{X) -2.24 + 0.015. Максимумы интенсивности зеркального отражения, возникающие в процессе напыления пленки, отмечены моментами времени Ц у-1,2,... .Д. Величина А описывает приращение толщины пленки между двумя соседними максимумами. Достоинство этой формулы заключается в том, что она справедлива при напылении с изменением мощности разряда.

Получение временной серии тонких пленок BSN(Y) на грани (001) MgO

В работе [26] ставится и исследуется задача, связанная с интерфейсом между подложкой MgO(OOl) и плёнкой ниобата бария стронция (BSN, или SBN). Задача вызвана тем, что из нескольких вариантов возможного сочленения "а", "б", "в" и "г" (см. рис. 1.6) плёнки с подложкой сочленяется на базе большого числа работ с большой вероятностью вариант "б" (а = ±18.43 относительно направления [100]MgO). Это странно, так как при таком варианте сочленения несоответствие параметров элементарных ячеек подложки и плёнки наибольшее.

Методом численного моделирования и анализа рентгеноструктурных данных авторы работы [26] склоняются к двум вариантам интерфейса: либо плёнка SBN стыкуется с MgO через некоторую модификацию SrNb206, либо через некоторый слой Nb-O (Nl Os). Общее этих двух вариантов является то, что предполагается существование некоторого профиля от координаты z в стехиометрических коэффициентах x(z), y(z) формулы {SrxBai_xO}i_y{Nb205}y. Поставленный вопрос важен не только в фундаментальном отношении. Вопрос более важен в прикладном отношении: какими средствами можно следить за динамикой такого сочленения в плане совершенствования технологии.

В этом разделе рассматриваются две задачи: доказательство того, что по оптическим характеристикам материал полученных плёнок BSN соответствует монокристаллу BSN и преобразование полученной зависимости параметров элементарной ячейки от времени напыления в зависимость c(h), где h -толщина плёнки. Действительно, зависимость постоянной ячейки плёнки от времени напыления отражает больше способ её приготовления Наоборот, зависимости с(К) и а(К), при малых толщинах h являются уже чистыми характеристиками, связанными со взаимодействием плёнки с подложкой (OOl)MgO. Далее здесь предпринимается попытка дальнейшего исследования оптических методов типа in-situ контроля, представленного в работах [49, 52]. В частности, в работе [49] демонстрируется высокая чувствительность метода зеркального отражения к тонким слоям.

Существенная особенность in-situ контроля заключается в том, что при таком контроле мы всегда имеем дело с серией плёнок, а не с одной плёнкой. Для исследованной серии плёнок были сняты кривые интенсивностей зеркального отражения Н-поляризованного оптического излучения. В рамках этого метода для серии плёнок (в дальнейшем, метода кривых зеркального отражения), мы предлагаем способ прямого измерения показателя преломления материала сверхтонких плёнок и в рамках этого способа доказываем, что дисперсия показателя преломления материала плёнок в окне прозрачности качественно соответствует монокристаллу. Оказалось, что на начальном этапе напыления прозрачных плёнок предлагаемый способ дает зависимость толщины плёнки от времени её напыления, а в конце приведены выработанные в процессе выполнения требования к качеству плёнок, при которых предлагаемый способ работает.

Нами исследовались [А5] угловые зависимости интенсивностей зеркального отражения излучения с длинами волн X = 500, 600, 700 и 800 нм от плёнок BSN (рис. 4.1), и уже были описаны в третьем разделе. Кривые Н-отражения для длин волн в диапазоне X = 800...600 нм для некоторых углов пересекаются в одной точке, которую в дальнейшем будем называть углом пересечения, или узлом. Факт существования угла пересечения в интенсивностях зеркального отражения от плёнок серии, в которой плёнки имеют разные толщины, означает, что при угле пересечения интенсивность Н-отражённого сигнала от толщины плёнки не зависит. Причина существования угла пересечения важна не только в практическом отношении, но и, как это последует ниже, в теоретическом. Интерес к углу пересечения возникает, прежде всего, потому, что далеко не для всех серий плёнок этот угол наблюдается. Приведём результаты, полученные на той серии плёнок, в которой угол пересечения (узел) (рис. 4.1) наблюдается в наиболее явном виде. Причину существования угла пересечения можно выявить из простейшей модели плёнки на подложке, где предполагается, что оптически однородная изотропная плёнка (среда 2) расположена между воздухом/пустотой (среда 1) и произвольной средой 3 (подложка).

Дисперсия материала прозрачных плёнок BSN

До сих пор исследование кривых //-отражения проводилось нами в модели с идеальными границами раздела (ведь мы же использовали формулы Френеля!). Ясно, что реальные объекты гораздо сложнее. Рассмотрим влияние шероховатости границы раздела на факт существования узла в кривых //-отражения. В самом общем случае существует как зеркальная часть Я-отражения, так и диффузная. Диффузная часть связана с рассеянием света элементами структуры, которые сравнимы с длиной волны падающего излучения. Свет, рассеянный этими большими элементами структуры, в окно фотоприемника не попадают. Элементы структуры, которые сравнимы с длиной волны падающего зондирующего излучения, на рисунке 4.9 расположены на поверхности плёнки.

Доля таких элементов рассеяния на плёнке и внутри плёнки в сильной степени определяется технологическим режимом напыления. Выше уже упоминалось, что полученные точки пересечения кривых - узлы (см. рис. 4.1) являются редким явлением. Однако используемый нами метод напыления уже зарекомендовал себя при напылении плёнок Ba-Sri-O и Bi-Fe-O [13 - 15]. В этих работах получали структурно совершенные плёнки с атомарно гладкими поверхностями. Покажем, что и в нашем случае напыления BSN пленок выполняются необходимые условия того, что полученные нами плёнки имеют атомарно гладкую поверхность. Ограничимся элементами шероховатости, размеры которых много меньше длины волны оптического излучения. В этом случае в соответствии с традиционным подходом (детали такого подхода в приложении к пористым материалам представляются в обзоре [63]), вводим оптически однородный слой «шероховатости» с некоторым эффективным показателем преломления. Который является средним по объему п = 2.31\х+(1-.х), где х - доля материала BSN в слое шероховатости. Є, град.

Результаты исследования плёнки BSN с временем напыления 15 мин. на атомно-силовом микроскопе (АСМ) показало (рис. 4.10), что плёнка получилась с шероховатостью 1,107 нм, это говорит о том что плёнка имеет достаточно гладкую поверхность. Остаётся вопрос, почему отсутствует узел при 500 нм?

На рисунке 4.12 представлено поведение узла от поглощения в плёнке. Мы видим, что и коэффициент поглощения также влияет на размытие точки пересечения. Таким образом, можно определенно сказать, что отсутствие узла при зеркальном отражении для длины волны 500 нм является наличие поглощения в материале плёнки. В монокристалле это поглощение отсутствует. Следовательно, это поглощение можно связать с интерфейс слоем между пленкой и подложкой. 0, град.

После проведенных качественных оценок становится понятным получаемый на практике результат, согласно которому далеко не для всех режимов напыления серии плёнок наблюдается узел в их кривых Н-отражения. Отсюда вытекает важнейший результат, согласно которому существует режим разряда, то есть совокупность технологических параметров, таких как давление газа кислорода (-0.5 торр), мощность разряда (140...200 Вт), напряжение, расстояние мишень - подложка (-12 мм) и другие параметры, при которых растут плёнки с практически гладкой поверхностью. Заметим, что полученный результат более сильный, чем аналогичный результат, полученный на атомно-силовом микроскопе. При зеркальном отражении размер светового пятна составляет порядок 1 мм . Площади, доступные АСМ, имеют порядок 10 х10 мкм2. Проведенные выше рассуждения и оценки легли в основу первого научного положения, выносимого на защиту:

Для серии плёнок BSN различной толщины в интервале длин волн X = 600...800 нм обнаружен угол пересечения кривых интенсивностей зеркального отражения Н-поляризованного излучения. Показано, что пересечение возможно, если материал пленок прозрачный, тангенс угла пересечения равен показателю преломления, а шероховатость растущей пленки менее 3 нм. Наблюдаемые же узлы (см. рис. 4.1) характерны только для так называемого в работе [13] режима слоевого роста плёнки. Можно определенно говорить, что в проводимом нами газоразрядном процессе с пространственной конкретной конфигурацией положения мишени и подложки, давлением, составом рабочего газа в камере, мощностью разряда, способом получения мишени реализуется такой слоевой рост плёнок. На размытие узла при X = 500 нм влияет отличный от нуля коэффициент поглощения материала плёнки (рис. 4.12).

Полученные результаты позволяют сформулировать второе научное положение, выносимое на защиту: В плёнках BSN (SBN) на MgO (001) до толщин h 100 нм параметр элементарной ячейки с завышен (3.96 Л), в то время как пленках (с h 100 А) параметр с близок к параметру с = 3.94 Л мишени состава Ba0.5Sr0.5Nb2O6. 4.5 Выводы к разделу 4