Комплексная методика анализа поверхности с нанометровым разрешением на основе электронной спектроскопии Костановский, Илья Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Современные темпы развития потребления энергии в мире, а также оценки запасов ископаемых энергоресурсов (нефти) показывают острую необходимость в поиске новых источников энергии. К таким источникам относят водород (водородная энергетика и термоядерный синтез), как наиболее распространенный элемент в природе. Одной из главных проблем, стоящих на пути создания устройств для управляемого термоядерного синтеза и водородной энергетики, является накопление водорода и его изотопов в конструкционных материалах.

Важной задачей термоядерного синтеза является выбор материалов конструкций, поверхности которых обращены к водородной плазме в связи с, так называемой, «тритиевой проблемой». Углерод рассматривается в качестве одного из наиболее перспективных материалов для «первой стенки» термоядерных установок. Радиоактивный изотоп водорода тритий, образующийся в плазменном шнуре в ходе термоядерной реакции, может взаимодействовать с углеродом, покинувшим стенки камеры в результате их интенсивного химического распыления. В результате взаимодействия образуются углеводородные радикалы, которые осаждаются на стенках термоядерных устройств в виде углеводородных покрытий. Накопление трития, находящегося в связанном состоянии, способствует значительному уровню остаточной радиоактивности конструкционных материалов, что крайне нежелательно для радиационной безопасности. Аналогичный процесс осаждения углеводородных покрытий происходит при напылении углерода плазмохимическим методом, в котором добавление углеводородного газа в плазму приводит к осаждению не чистого углерода, а углеводородных пленок. Этот факт используется для создания систем, моделирующих образование углеводородных пленок при взаимодействии плазмы со стенками термоядерного реактора (плазмогенераторов).

Аналогично в водородной энергетике эффективное хранение водорода можно осуществить путем химического связывания его с углеродом с образованием углеводородных соединений.

Механизм роста углеводородных материалов в виде пленок и покрытий до сих пор плохо изучен, поэтому актуальной задачей для его исследования является определение распределения концентрации элементов и связанных изотопов водорода по глубине поверхностных слоев без нарушения их целостности (неразрушающий анализ). Исследование современных углеродных материалов (фулерены, графеновые структуры, углеродные нанотрубки) также непосредственно связано с анализом содержания в них водородных компонентов. Электронная спектроскопия открывает новые возможности неразрушающего послойного изотопного анализа, которым и посвящена данная работа.

Цель исследования

Целью настоящей работы является разработка методики определения послойного изотопного состава и морфологии покрытий без нарушения их целостности с субмонослойным разрешением от нанометрового до микрометрового диапазона на основе комплексного применения стандартных и новых разрабатываемых методов электронной спектроскопии.

Задачи исследования

1. Разработать методику послойного сканирования поверхностных слоев твердого тела методом спектроскопии пиков упругоотраженных электронов (СПУЭ) с энергетическим и угловым сканированием: а) адаптировать стандартно выпускаемый модуль электронно-ионной спектроскопии для созданной методики послойного сканирования; б) экспериментально исследовать и выбрать оптимальные режимы измерения спектров упругоотраженных электронов; в) применить принцип оптического подобия и классическое квазиоднократное приближение для интерпретации спектров.

2. Апробировать метод СПУЭ (п.1) на различных модельных системах покрытие-подложка: а) распределение одного вещества (примеси) в поверхности подложки; б) плоский слой вещества на подложке; в) плоский слой двухкомпонентного вещества на подложке; г) система с рельефной границей раздела между слоем и подложкой; д) пенистые структуры, покрытые несколькими монослоями вещества.

3. Разработать комплексный подход проведения неразрушающего анализа послойного профиля изотопного состава поверхности с нанометровым разрешением на глубину порядка транспортного пробега электронов методами электронной спектроскопии, включающий последовательное применение: а) стандартных методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и электронной Оже-спектроскопии (ЭОС); б) разработанный метод СПУЭ (п.1-2) совместно с методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ); в) метод спектроскопии отраженных электронов (СОЭ). Исследовать предлагаемым комплексным подходом углеводородные покрытия, содержащие водород и дейтерий.

Методологическая база исследования

Методологическую основу данной работы составляют методы измерения и интерпретации энергетических спектров отраженных электронов, измеренных с различным энергетическим разрешением, в разных энергетических диапазонах энергии электронов.

Метод РФЭС позволяет проводить химический анализ поверхности для определения относительных концентраций элементов с атомной массой > 3. Методы СПУЭ и СХПЭЭ позволяют исследовать структуру и восстановить относительные концентрации легких атомов и изотопов, начиная от водорода, в поверхностных слоях на глубину порядка средней длины неупругого пробега электрона. Изотопный состав поверхностных слоев, определенный методом СПУЭ, используется в качестве начального условия для анализа методом СОЭ на глубину порядка транспортного пробега электронов.

Основные положения, выносимые на защиту

3. 1. Приложение метода спектроскопии упругоотраженных электронов СПУЭ для послойного сканирования приповерхностных слоев твердого тела, а также для диагностики послойного профиля изотопного состава (например, водорода) на Модуле электронно-ионной спектроскопии на базе платформы НаноФаб 25 в диапазоне энергий 0-15 кэВ с углами рассеяния 120 и 45. Результаты: выбора оптимальных режимов измерения спектров отраженных электронов; создания методики определения точного значения угла рассеяния и начальной энергии электронного пучка; оценки относительной погрешности измерения; проведения экспериментальных исследований методами электронной спектроскопии.

   2. Экспериментальная реализация метода спектроскопии упругоотраженных электронов для послойного сканирования по глубине покрытия двумя независимыми подходами: за счет энергетического и углового сканирования. Метод СПУЭ с энергетическим сканированием апробирован для покрытия золота, нанесенного на кремнии и оксидного слоя на поверхности чистого алюминия. Результаты исследования послойного профиля методом СПУЭ, выполненные как энергетическим, так и угловым сканированием хорошо коррелируют, что показано на примере анализа графенового покрытия.

   3. Интерпретация спектров упругоотраженных электронов при анализе многокомпонентных систем проведена с помощью предложенной модели, учитывающей развитую границу раздела между слоем и подложкой. Апробация модели выполнена на примере покрытия из оксида алюминия.

   4. Результаты экспериментального исследования покрытия золота, нанесенного на кремний, оксидного слоя на поверхности чистого алюминия и

   образца пенографена свидетельствуют о высокой чувствительности метода СПУЭ, которая достаточна для определения состава, толщины и изменения структуры покрытия по глубине.

   5. Комплексная методика неразрушающего анализа системы покрытие- подложка, которая позволяет с нанометровым разрешением проводить послойный анализ элементного и изотопного состава покрытия на глубину, ограниченную транспортным пробегом электронов, реализованная на стандартно выпускаемом аналитическом оборудовании с использованием только методов электронной спектроскопии (РФЭС, СПУЭ, СХПЭЭ, СОЭ). Апробация комплексной методики выполнена для углеводородных покрытий, нанесенных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы.

   Научная новизна

   3. 4. 1. Впервые разработана и апробирована комплексная методика неразрушающего анализа с нанометровым разрешением для определения послойного профиля концентрации элементов и изотопов в поверхностных слоях покрытий на глубину порядка транспортного пробега электронов, включающая только методы электронной спектроскопии.

         2. Впервые получены и интерпретированы спектры упругоотраженных электронов с высоким энергетическим разрешением (0.03 эВ в диапазоне энергий 0-15 кэВ) образцов углеводородных и угледейтериевых покрытий, которые позволили определить концентрации элементов (углерод, водород, дейтерий, кислород) в поверхности.

         3. Впервые проведено исследование методом спектроскопии пиков упругоотраженных электронов с энергетическим сканированием образца покрытия золота на кремнии и восстановлено распределение концентрации золота по глубине кремния.

         4. Впервые предложена модель интерпретации спектров, полученных методом спектроскопии пиков упругоотраженных электронов с энергетическим и угловым сканированием, оксидного слоя на поверхности чистого алюминия с учетом развитой границы раздела между слоем и подложкой.

         5. Впервые получены спектры характеристических потерь энергии электронов образца графенового покрытия, нанесенного на пенистую структуру никеля, и определены положения p и p + о плазмонов.

         6. Впервые продемонстрирована возможность применения метода спектроскопии пиков упругоотраженных электронов как с энергетическим, так и угловым сканированием для анализа многослойного графенового покрытия.

         Научная и практическая ценность работы

         Проведенное исследование показало высокую чувствительность метода СПУЭ для анализа различных видов систем покрытие-подложка в нанометровом диапазоне. Особая значимость исследования заключается в том, что была продемонстрирована возможность исследования графенового покрытия. Умение определять число слоев графена и исследовать его структуру без разрушения образца представляет интерес для развития современной наноэлектроники.

         Разработанная комплексная методика неразрушающего анализа поверхности углеводородных покрытий позволяет проводить изотопный анализ по глубине до 160 нм, что необходимо для исследования материалов, использующихся в качестве "первой стенки" термоядерных устройств.

         Применение только методов электронной спектроскопии позволяет существенно снизить стоимость аналитического оборудования для решения задачи определения послойного изотопного состава покрытий в сравнении с традиционными методами — методом ядерных реакций и методом ядер отдачи.

         Апробация результатов исследования

         Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 20 печатных работах, 5 из которых в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК, в том числе: «Вестник МЭИ», «Альтернативная энергетика и экология», «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования». Список основных публикаций по теме исследования представлен в конце работы. Результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 9-ая всероссийская конференция с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, РГТУМАТИ, 2010);3-ий международный нанотехнологический форум Rusnanotech (Москва, 2010); Международная конференция IEEENANO 2011 (США, Портленд, 2011); 20-ая международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2011); 8-ая национальная конференция «Рентгеновское синхротронное излучение, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Когнитивные технологии» (Москва, РНЦ «Курчатовский институт», 2011); 6-ая Курчатовская молодежная научная школа (Москва, РНЦ Курчатовский институт, 2009); 16-ая, 17-ая, международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, радиоэлектроника и энергетика» (Москва, НИУ МЭИ, 20102012); международная молодежная научная конференция 36-ые, 37-ые, 38-ые «Гагаринские чтения» (Москва, РГТУМАТИ, 2010-2012); 8-ая российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико- химия и технология неорганических материалов" (Москва, ИМЕТ РАН, 2011).

         Личный вклад автора

         Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или с соавторами. Личный вклад автора для достижения полученных результатов носит определяющий характер и заключается в наладке и настройке экспериментального модуля электронно-ионной спектроскопии; подготовке исследуемых образцов золота на кремнии и оксида алюминия; проведение экспериментов по ионной очистке исследуемых образцов; разработке режимов измерения и проведении экспериментов по регистрации энергетических спектров отраженных электронов исследуемых образцов в различных энергетических диапазонах; развитии моделей интерпретации измеренных спектров отраженных электронов для изучения структуры поверхности; разработке комплексной методики анализа поверхности методами электронной спектроскопии.

         Структура и объем работы

         Похожие диссертации на Комплексная методика анализа поверхности с нанометровым разрешением на основе электронной спектроскопии

         Методика исследования взаимодействия плазмы с поверхностью на основе спектроскопии ионного рассеяния и установка для ее реализацииМамедов, Никита Вадимович

         

         Послойный анализ водорода в конструкционных материалах на основе спектроскопии отраженных электроновБатраков, Александр Алексеевич

         Разработка нового метода столкновительной электронной спектроскопии для анализа вещества на основе микроплазменных источниковЦыганов, Александр Борисович

         

         Создание, исследование и применение источников рентгеновского излучения на основе Х-пинчей для проекционной рентгенографии и абсорбционной спектроскопии плазменных объектовШелковенко, Татьяна Александровна

         Поляризационная спектроскопия низкотемпературной лазерной плазмы с высоким пространственным и спектральным разрешением на основе когерентного четырехволнового взаимодействияСидоров-Бирюков, Дмитрий Александрович

         Разработка и применение электронно-спектроскопических методик для анализа поверхности многокомпонентных систем, созданных ионной имплантациейМирзаев, Дильмурат Акрамович

         Разработка методики отображения и анализа рельефа поверхности Венеры по данным радиолокатора бокового обзора, установленного на спутниках "Венера 15" и "Венера 16"Синилов, Виктор Павлович

         Разработка способов исследования слоистых структур монолитных интегральных приборов СВЧ на основе спектроскопии и эллипсометрииКрючков Юрий Иванович

         

         Исследование близких к свободным вращений мономеров в молекулярных комплексах на основе микроволновой спектроскопииПанфилов, Виктор Александрович

         Терагерцовая спектроскопия на основе джозефсоновских переходов из высокотемпературных сверхпроводников для исследования электромагнитных структурГундарева, Ирина Игоревна