Особенности формирования пленок системы С60–Bi при осаждении молекулярных и низкоэнергетичных ионных потоков (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи

УДК: 539.216; 539.2; 538.97

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОК СИСТЕМЫ С60–Bi ПРИ ОСАЖДЕНИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ И НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ИОННЫХ ПОТОКОВ

01.04.07 – физика твердого тела

Диссертация на соискание

ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор

Харьков – 2009

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………....5

РАЗДЕЛ 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР……………………………………....13

1.1. Фуллерен как аллотропная форма углерода……………………...13

1.2. Параметры сублимации фуллерита. Конденсация пленок С60…..18

1.3. Полимеризация фуллерита………………………………………....21

1.4. Системы С60–Ме. Синтез, структура, свойства…………………...26

1.5. Модификация фуллерита ионно-лучевыми методами……….......32

1.6. Процессы на мишени при ионной бомбардировке……………….34

1.7. Вакуумно-дуговой метод формирования ионных потоков……....38

1.8. Постановка задачи диссертационного исследования...…….….....43

РАЗДЕЛ 2 ПОЛУЧЕНИЕ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................................47

2.1.  Описание установки……………………………………………...47

2.2.  Источник потока низкоэнергетичных ионов висмута………....48

2.3.  Методика получения высокосовершенных пленок

фуллерита…………………………………………………………….…..49

2.4.  Методика определения скорости испарения фуллерита……….52

2.5.  Определение коэффициента конденсации потока ускоренных ионов висмута…………………………………………………….54

2.6.  Методы исследования образцов…………………………...…….54

2.7.  Наноиндентирование пленок фуллерита………………….……55

2.8.  Выводы к разделу 2……………………………………………....57

РАЗДЕЛ 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННЫХ

ПАРОВ С60……………………………………….…………………………....58

3.1. Результаты исследований и их обсуждение…………………..…..58

3.2. Выводы к разделу 3…………………………………………….…....64

РАЗДЕЛ 4 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОФУЛЛЕРЕНОВЫХ КОНДЕНСАТОВ ПРИ ОСАЖДЕНИИ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ С ПОВЫШЕННОЙ ЭНЕРГИЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОМПОНЕНТЫ …………………………………......66

4.1. Процессы, протекающие в пленках фуллерита при

их облучении низкоэнергетичными ионами висмута …....................66

4.1.1. Теоретический анализ процессов

взаимодействия низкоэнергетичных ионов с

поверхностью фуллерита………………………………………...66

4.1.2. Экспериментальное исследование

процессов взаимодействия ускоренных ионов

висмута с поверхностью фуллерита………………………….....70

4.1.3. Результаты экспериментов и их обсуждение………….....72

4.1.4. Модель формирования двухкомпонентных

пленок системы С60 – Bi при низкоэнергетичном

облучении фуллерита ионами висмута…………………..……..81

4.2. Зависимость коэффициента конденсации висмута

от энергии осаждаемых частиц………………………………………...93

4.3. Особенности конденсации сублимированных молекул

С60, осаждаемых в условиях ионного ассистирования низкоэнергетичными ионами висмута………………………………....97

4.4. Выводы к разделу 4……….………………………………………...99

РАЗДЕЛ 5 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПЛЕНОК

ФУЛЛЕРИТА, ЛЕГИРОВАННЫХ АТОМАМИ ВИСМУТА …………....101

5.1. Краткие теоретические сведения об

особенностях рентгеноструктурного анализа материалов

на основе фуллерена С60……………………………………….............101

5.2. Выбор модельных объектов для изучения

структуры металлофуллеренов………………………………………..103

5.3. Теоретический анализ особенностей дифракции

рентгеновского излучения кристаллами металлофуллеренов……..104

5.4. Экспериментальные данные изучения состава и

структуры металлофуллереновых конденсатов

системы С60 – Bi…………………………………………………...…..114

5.5. Выводы к разделу 5....………..………………………….............120

ВЫВОДЫ ………………………………….………………………….….....122

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………..125

ПРИМЕЧАНИЕ……………………………………………………………...136

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена изучению малоисследованных закономерностей формирования пленок на основе фуллерена. В первую очередь имеются в виду особенности структурообразования осаждаемых в вакууме пленок металлофуллеренов при наличии в конденсируемых потоках ионов металла повышенной энергии. При этом основное внимание в работе уделено изучению процессов, протекающих в пленках фуллерита при их облучении ионами висмута, определению параметров ионной бомбардировки, при которых не происходило бы разрушения углеродного каркаса молекул С60, а также исследованию процессов конденсации одно - и двухкомпонентных потоков термически испаренных молекул фуллерена и ускоренных ионов висмута. Кроме того, в работе изучено влияние факторов внешней среды (атмосферный кислород, ультрафиолетовое излучение) на параметры сублимации пленок фуллерита, проведено исследование особенностей рентгеноструктурного анализа металлофуллереновых клатратов и изучена структура пленок системы С60 – Bi, осажденных из потоков с повышенной энергией металлической компоненты.

Актуальность темы

Открытие фуллеренов и создание технологии получения их в достаточно больших количествах вызвало бум в среде исследователей во второй половине 90–х годов 20–го столетия. Высокий интерес к фуллерену был обусловлен особенностями его строения и рядом привлекательных свойств. Благодаря способности сублимировать при достаточно низких температурах фуллерен является весьма перспективным материалом для получения на его основе пленочных покрытий в вакууме, а большой размер междоузельных и внутримолекулярных пустот в кристалле фуллерита позволяет внедрять в них практически любой элемент таблицы Менделеева и получать материалы с новыми свойствами – фуллериды. В этой связи наибольший интерес для исследований представляет направление, связанное с синтезом и изучением свойств металлофуллеренов, особенно интеркалятов, в структуре которых атомы металла при заполнении пустот кристалла фуллерита формируют упорядоченные структуры, несвойственные данному веществу в чистом виде. Металлофуллерены с таким расположением атомов примеси – это новый класс искусственных объектов, которые могут проявлять уникальные свойства. Большинство известных фуллеридов было получено с использованием методов совместного осаждения в вакууме термически испаренных потоков компонентов. Однако на сегодняшний день в мировой литературе отсутствуют достоверные сведения о получении таким способом металлофуллереновых клатратов на основе переходных металлов, химически слабо взаимодействующих с фуллереном (Bi, Sb, In).

Для легирования фуллерита атомами переходных металлов весьма перспективными могут быть ионноплазменные методы, которые обладают значительно более широкими возможностями модифицирования структуры и свойств фуллерита. Их применение может позволить осуществить имплантацию ионов в фуллерит с достижением концентрации легирующих компонентов, превышающей равновесный предел их растворимости, приводить к формированию эндоэдральных комплексов Ме@С60, вызывать полимеризацию или фрагментацию молекул С60 и активировать ряд других сложных процессов, протекание которых невозможно при термических энергиях осаждаемых частиц. Однако, на сегодняшний день экспериментальные данные по взаимодествию ускоренных частиц с фуллеритом носят достаточно разрозненный характер, что не позволяет выроботать некие критерии выбора параметров ионного облучения фуллерита для его целенаправленной модификации.

В отличие от свойств фуллеридов, образованных щелочными и щелочноземельными элементами, свойства клатратных соединений в основном должны определяться изменением решеточных колебательных спектров взаимно влияющих друг на друга подсистем компонентов, а не переносом заряда с атомов металла на фуллеритовую матрицу. В связи с этим, анализ структуры металлофуллереновых клатратов в первую очередь требует определения концентрации металлической компоненты в них и установления типа пустот кристалла фуллерита, преимущественно заполненных примесными атомами. Однако, анализ литературы показывает, что специфика формирования дифракционных картин от легированных фуллеритов с клатратной структурой в настоящее время недостаточно изучена и требует более детального анализа.

Экспериментальное исследование и количественное описание процессов, протекающих в фуллерите под воздействием термодинамических и кинетических факторов, требуют также уточнения данных о параметрах сублимации фуллерена, поскольку значения давления насыщенных паров, приводимые в литературе, достаточно противоречивы и зачастую являются лишь результатом усреднения различных экспериментальных данных.

Таким образом, спектр процессов, протекающих в фуллерите при ионной бомбардировке, механизмы их возникновения, особенности анализа структуры металлофуллеренов и специфика их формирования при осаждении потоков компонентов с повышенной энергией ионов металла, являются достаточно актуальным предметом исследований.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Работа выполнена на кафедре физики металлов и полупроводников Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» в ходе выполнения госбюджетных НИР:

1. “Фуллеренові композиції, що формуються з потоків часток компонентів підвищенної енергії” (наказ Міносвіти України № 000 від 5.11.02 р., № держреєстрації 0103U001536, 2003 – 2005 р. р)

2. “Синтез, структура і властивості плівок С60 і композицій на їх основі.” (наказ Міносвіти України № 000 від 16.11.05 р., № держреєстрації 0106U001510, 2006 – 2008 р. р)

3. “Дослідження структури і властивостей нанокомпозитів на основі нових форм вуглецю, що сформовані іонно-плазмовими методами.” (наказ Міносвіти України № 000 від 17.11.08 р., № держреєстрації 0109U002416, 2009 – 2011 р. р).

В процессе выполнения вышеуказанных НИР автор диссертации принимал участие как исполнитель на правах стажера – исследователя и младшего научного сотрудника.

Цель и основные задачи исследования

Целью данной работы является установление физических закономерностей формирования одно– и двухкомпонентных пленок системы С60 – Bi, определение их структурного состояния и выявление физической сути протекающих в них процессов при наличии в осаждаемых потоках ионов металла повышенной энергии.