Лекции по специальному курсу “Физика тонких пленок и малых частиц”. Физика тонких пленок

Colors of thin films - grease monkey

Each of us blew bubble, the walls of which have a very beautiful color, continuously changing with time. This phenomenon is caused by the interference of light in thin transparencies, whose thickness does not exceed a few micrometers (micron).

first, find out, how interference occurs in a plane-parallel plate. (Called plane-parallel plate, flat surfaces which are parallel to each other.)

Let's, which is very thin parallel plate thickness d falls parallel beam of monochromatic rays, perpendicular to the surface of the plate (rice. 32.4, а). The light beams are partially reflected from the surface AB and partially penetrate the plate. On the surface, this process is repeated CD. since the beam, reflected from the surface of the CD, after leaving the plates goes along the same path with the beam, reflecting off surface FROM, they interfere, так both are coherent beams.

Note, that in the above case, conditions for the interference rays on the entire surface of the same plate. Поэтому, If the interfering beams are superimposed with opposite phases, then the whole record will seem dark, if the rays will overlap with the same phases, the entire plate is painted with color, corresponds to a wavelength λ of monochromatic rays.

Interference of rays depends on their optical path difference, which is different from the geometric path difference. Consider the case of, when interference occurs in the reflected light, t. it is. an observer looking at the plate from the top (rice. 32.4). Geometric path difference of interfering beams is equal to 2d, as the beam, reflected from the bottom surface of the plate, goes the extra path, equal to double thickness of the plate, It moves downwards as the first, and then up. However, the light rays have a wavelength λ in air, and in the plate due to changes in the propagation velocity of light changes proportionally and wavelength, t. it is. c/v = λv/λ1v, where v and λ1 - respectively the speed of light and the wavelength in the material of the plate. Since the c / v = n, l / L1 and:

λ1 = λn. (32.1)

Since n is greater than one, wavelength plate is reduced (rice. 32.4, б). Следовательно, the path difference of interfering beams will be at 2d, a 2d. Далее, in optics, as well as the mechanics of the reflection of rays from optical media more dense half-loss occurs, but upon reflection the medium is optically less dense half-wave loss is not obtained. In this case the loss of half-wave occurs upon reflection from the top surface. so, optical path difference Δ in this case will:

D = 2dn - lambda / 2.

Recall, that the maximum gain is obtained, when the wave path difference, t. it is. in the optical path difference, It fits an even number of half-waves. In this way, the condition of maximum gain of the interfering beams for the plate, when observing It occurs in the reflected light, It is expressed by:

D = 2dn - lambda / 2 = 2kl / 2, or 2d = (2k + 1)l / 2, (32.2)

where k - integer (1, 2, 3 …).

It is not hard to figure out, that the condition of the maximum light attenuation ratio is expressed by:

D = 2dn - lambda / 2 = (2k – 1) l / 2, or 2dn = 2kλ / 2 = kλ, (32.3)

If you look at the record in the transmitted light, t. it is. from below, these conditions are reversed: соотношение (32.3) will express the condition of maximum gain, and the ratio of (32.2) - maximum light attenuation.

When the surface of the drop plate monochromatic rays at an angle i (rice. 32.5) length difference between the interfering beams changes. for rays 1 and 2 it will be equal (FROM + BC)n – λ/2 (rice. 32.5, б). It should be borne in mind, that is, AC the position of the wave front at the time of the reflection beam 2 by points C(AC↨AB). Можно показать, that by increasing the angle of incidence i optical path difference decreases. Это означает, that rotation of the plate relative to the rays it will alternately appear the dark, the light.

If the plate is illuminated with white light, then the interference rays having one wavelength will be obtained amplification, and for other wavelengths will weakening. Therefore, the record will appear to the observer painted in that color, which is close to the color of the rays, maximizes each other.

Ясно, that rotation of the plate relative to its coloring rays will vary. We emphasize again, that all the foregoing relates to a case, when the plate fell parallel rays.

Поделиться ссылкой:

Liked this:

Like Loading...

Похожее

tehnar.net.ua

Физика тонких пленок: российские разработки

Изучение необычных свойств сверхтонких (в один-два атома толщиной) сегнетоэлектрических пленок поможет повысить эффективность различных электронных устройств. Пока что новые свойства материалов обнаруживаются физиками, по сути, вслепую. Теория же и хорошая модель в случае успеха позволят сократить время и силы на поиски пленок с нужными свойствами.

Источник фото: Splash/All Over

Сегнетоэлектрики — это одно из названий материала таких пленок — послужили основой для создания и развития многих направлений в технике. Широко используется одно из их базовых свойств: под воздействием даже небольшого электрического импульса сегнетоэлектрики деформируются меняют свой объем, сдвигаются и т. д. На основе сегнетоэлектриков получаются компактные частотные фильтры, датчики температуры и смещения, наличия тех или иных газов в атмосфере и многое другое.

Как рассказали Правде. Ру в Южном научном центре РАН (Ростов-на-Дону), можно резко расширить диапазон применения таких материалов, если пленки из них наносить на кристаллы. У таких сложных структур могут возникать совершенно новые свойства. Какие именно? Это напрямую зависит от размерных факторов. Обнаружить эти зависимости и закономерности, постараться описать их языком математики — именно такую задачу поставили перед собой исследователи.

"Мы изучаем свойства пленок из титаната бария. Наши физики научились отлично наносить его на подложку, получая пленки с высоким совершенством. В качестве подложки планируем взять монокристалл окиси магния. Работа над проектом объединила механиков, математиков и физиков.

Проект "Исследование влияния размерных факторов на динамику и процессы контактного взаимодействия макро-, микро- и наноразмерных структурно-неоднородных тел в условиях связанности физических полей различной природы" поддержан грантом Российского научного фонда (РНФ). Он оказался единственным проектом по механике на юге России, поддержанным РНФ. В этом проекте ЮНЦ сотрудничает с Южным федеральным университетом, — рассказывает руководитель проекта, зампредседателя ЮНЦ РАН, доктор физико-математических наук Валерий Калинчук.

Ученые стремятся разработать теорию, которая позволила бы прогнозировать, к чему приведет изменение размерных параметров пленок и их подложек. Пока что новые свойства материалов обнаруживаются физиками, по сути, вслепую — с помощью экспериментов по принципу "а давайте попробуем". Теория же и хорошая модель в случае успеха позволит резко сократить время и силы на поиски пленок с нужными, заранее заданными свойствами.

Как предполагают разработчики, на базе их исследований можно будет создавать перспективные электронные устройства. Например, регулируемый частотный фильтр. Пока что существующие фильтры конструктивно настроены на строго определенную частоту, хочешь изменить ее — ставь новый фильтр. А это недешево.

Так вот, это неудобство, в принципе, преодолимо. Ученые установили: подавая даже слабое напряжение на сегнетоэлектрическую пленку, можно сдвинуть частоту фильтра, причем ощутимо. Правда, чтобы получить все это, предстоит выполнить сложнейшие математические расчеты. Ученым в этом поможет суперкомпьютер, который им удалось приобрести за счет средств гранта.

Планируется также изучить созданные на базе сегнетоэлектрических пленок сверхминиатюрные датчики. Небольшие кусочки фольги с нанесенной пленкой, приклеенные к различным механическим конструкциям, могут чутко реагировать на малейший их изгиб, деформацию, а также регистрировать колебания вплоть до сверхнизкочастотных — в сотые и тысячные доли герца.

За счет детального изучения таких тонкопленочных структур специалисты рассчитывают получить аномально высокий пьезоэффект. Это позволит на его базе создавать датчики значительно более высокого уровня и, возможно, произвести настоящий переворот в метрологии.

Читайте также:

Михаил Ковальчук - физик и лирик кристаллографии

Секретный документ уничтожится сам 

Большой адронный коллайдер: жизнь после Хиггса

www.pravda.ru

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА «ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК И ПОКРЫТИЙ»

Доступные файлы (11):

Вопросы к экзамену.doc

2. Классификация пленок и их основные параметры.

3. Закономерности образования и роста покрытий, формируемых из газовой фазы.

4. Стадии и механизмы роста покрытий при их осаждении из газового потока.

5. Образование адсорбционной фазы и зародышей конденсированной фазы. Теории зародышеобразования.

6. Методы нанесения вакуумных покрытий, их классификация.

7. Закономерности испарения. Уравнение Герца-Кнудсена. Механизмы испарения.

8. Резистивное испарение. Виды испарителей. Испарение сплавов, химических соединений.

9. Лазерное нанесение покрытий. Режимы испарения. Селективность испарения при режиме НИ.

10. Электронно-лучевое испарение. Режимы, преимущества и недостатки.

11. Особенности электронно-лучевого испарения диэлектриков.

12. Вакуумное электродуговое испарение. Конструкции дуговых испарителей. Состав газовой фазы.

13. Генерация летучих продуктов методом ионного распыления. Достоинства и недостатки метода.

14. Катодное распыление. Диодная схема. Достоинства и недостатки.

15. Магнетронное распыление. Основные параметры.

16. Высокочастотное распыление.

17. Плазменное распыление в несамостоятельном газовом разряде. Триодная схема.

18. Расчет толщины покрытий.

19. Методы контроля параметров осаждения пленок.

20. Физико-химические основы вакуумной металлизации полимерных материалов. Кинетика конденсации, влияние температуры.

21. Вакуумная металлизация полимерных материалов.22. Реактивные методы нанесения вакуумных покрытий.

23. Методы нанесения углеродных (алмазоподобных) слоев.

24. Радиационно-стимулированные методы обработки материалов. 25. Плазмохимические методы осаждения тонких покрытий. Классификация методов плазменной полимеризации.

26. Элементарные процессы в плазме. Возбуждение атомов.

27. Элементарные процессы в плазме. Ионизация и рекомбинация.28. Механизмы плазменной полимеризации. Ступенчатая и цепная полимеризация.

29. Получение тонких полимерных покрытий полимеризацией мономера.

30.Формирование неорганических покрытий в плазме.

31. Осаждение покрытий методом диспергирования исходного полимера концентрированным потоком энергии. Основные стадии и закономерности процесса.

32. Физико-механические свойства полимерных покрытий, полученных методом диспергирования исходного полимера.

33. Ионная имплантация. Распределение ионов по толщине слоя. О6орудованне.

34. Разновидности ионной имплантации. Свойства имплантированных слоев.

35. Основы нанесения покрытий методом химических транспортных реакций. Основные стадии процесса.

36.Технологические особенности нанесения покрытий методом химических транспортных реакций. Нанесение покрытий из вольфрама и молибдена методом химических транспортных реакций. Структура и свойства покрытий.

37. Особенности структурного состояния тонких покрытий. Влияние режима и условий осаждения на структуру и свойства вакуумных покрытий.

38. Размерный структурный эффект в тонких покрытиях.

39. Псевдоморфизм в тонких покрытиях. Образование сверхструктур. Свойства сверхструктур.

40. Эпитаксия. Влияние температуры и скорости осаждения на параметры эпитаксии.

41. Электрофизические свойства островковых металлических покрытий. Механизмы переноса заряда в тонких покрытиях.

42. Газотермическое нанесение покрытий. Общая характеристика.

gendocs.ru

Физика тонких пленок - Физика - Точные науки - Каталог файлов

Перевод с английского: М.И. Елинсон, В.Б. Сандомирский

Кол-во томов:

Том: 2

Издательство: Мир

Год: 1967

Страниц: 395

Формат: DJVU

Качество: хорошее

УДК 539.216.2

Книга состоит из шести обзорных статей, написанных американскими и английскими специалистами по следующим вопросам: дефекты структуры в тонких металлических пленках, пленочный полевой триод с изолированным затвором, измерение оптических констант тонких пленок, просветляющие покрытия для видимой и инфракрасной областей спектра, поглощение солнечного излучения и излучательная способность напыленных покрытий, пленочные сх.емы. Статьи содержат полезный справочный материал: таблицы, номограммы, систематизированные сводки формул, обширную библиографию.

Особый интерес для специалистов в области микроэлектроники представляет обзор по пленочным полевым триодам, написанный известным американским специалистом Веймером.

Книга предназначается прежде всего для лиц, занимающихся структурой металлических пленок, микроэлектроникой и ее применениями в космических исследованиях и вычислительной технике, а также оптикой тонких пленок. Она может быть весьма полезна для студентов и аспирантов, специализирующихся в указанных областях.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемая вниманию читателя книга представляет собой второй том серии «Физика тонких пленок» под редакцией Г. Хас-са и Р. Туна, выпускаемой известным издательством «Академик пресс».

Как и первый том, уже выпущенный издательством «Мир», данный том содержит весьма важные обзорные статьи, в которых наряду с общими вопросами физики тонких пленок, такими, как образование, структура, оптические свойства тонких металлических пленок и др., рассматривается ряд важных прикладных вопросов: методы измерения оптических параметров тонких пленок; свойства и технология покрытий космических объектов, используемых для регулирования их термического баланса; применение тонких пленок в микроэлектронике в связи с созданием активных и пассивных элементов пленочных интегральных схем.

Статья известного исследователя К. А. Нейгебауэра «Явления структурного разупорядочения в тонких металлических пленках» посвящена вопросам зарождения пленок, образованию дефектов структуры в процессе их роста, электрическим, магнитным и упругим свойствам пленок и ряду других проблем. Одним из наиболее интересных разделов является описание свойств островковых пленок, изучению которых автор посвятил много времени. Эта статья написана в сжатой форме, но дает достаточно полное представление о рассматриваемых вопросах.

В обзоре П. К. Веймера «Пленочный полевой триод с изолированным затвором» приводится анализ физического механизма работы пленочных активных элементов подобного типа, описываются особенности технологии их изготовления и рассматриваются перспективы практического использования этих приборов в микропленочных устройствах. Автор обзора является, по существу, изобретателем пленочного полевого триода (ППТ) и принадлежит к числу ведущих специалистов в данной области. По нашему мнению, ценность этой работы заключается не только в том, что в ней делается, по-видимому, одна из первых попыток сопоставить наблюдаемые особенности поведения ППТ с технологией их получения, конкретными свойствами используемых материалов и пр., но и в воспроизведении достаточно полной картины современного состояния исследований в весьма актуальной области микроэлектроники, связанной с созданием и исследованием пленочных активных элементов. Это тем более важно, что ППТ является, по крайней мере в настоящий момент, единственным пленочным активным устройством, для которого намечается реальная перспектива практического использования вне рамок лабораторных исследований. За период, прошедший с момента написания данного обзора, появилась обширная литература, посвященная многим аспектам исследований и применений ППТ. Тем не менее обзор Веймера должен представлять для читателя известный интерес, прежде всего в связи с полнотой и последовательностью изложения основных физических процессов, определяющих работу ППТ.

Статья О. С. Хевенса посвящена методам измерения оптических констант тонких пленок. Общеизвестные методы измерений описаны очень кратко, основное внимание уделено новым чувствительным методам.

Дж. Т. Кокс и Дж. Хасс в статье «Просветляющие покрытия для видимой и инфракрасной областей спектра», посвященной применению тонких пленок при просветлении оптики, дают достаточно полный обзор результатов теоретических исследований одно- и многослойных просветляющих покрытий. Кроме того, они приводят довольно много примеров практически изготовляемых покрытий для различных материалов, рассматривают преимущества и недостатки отдельных типов просветляющих покрытий и дают краткое описание технологии изготовления просветляющих покрытий методом напыления в высоком вакууме. В статье много полезных таблиц, а также теоретических и экспериментальных спектральных характеристик различных просветляющих покрытий.

Большой интерес представляет обзор Л. Ф. Друмметера и Г. .Хасса «Поглощение солнечного излучения и тепловое излучение напыленных пленок», посвященный вопросам терморегу-лирующих пленочных покрытий спутников.-В нем содержится весьма четкое введение в проблему и дается краткое изложение основных теоретических вопросов. Детальное критическое описание приборов, используемых для измерения поглощательной и излучательной способностей различных объектов, представляет большой интерес для всех лиц, занимающихся разработкой данной проблемы. В обзоре приведены чрезвычайно полезные сведения об испытаниях и свойствах напыленных металлических пленок с поверхностными покрытиями.

В статье Н. Шварца и Р. У. Берри «Тонкопленочные элементы и схемы» содержится весьма полная сводка используемых в настоящее время веществ и их композиций, а также технологических процессов для изготовления пассивных компонентов микроэлектронных пленочных интегральных схем — сопротивлений и конденсаторов. Ценность статьи — в обобщении накопленного опыта и в большом количестве полезных для практиков рекомендаций. В частности, авторы приводят важные данные о допусках на величины сопротивлений и емкостей. Большое внимание уделено вопросу о выборе и обработке подложек для пленочных схем.

В связи с ограниченным объемом настоящего выпуска в него не вошла статья К. Дж. Колбика «Взаимодействие электронных пучков с тонкими пленками», в которой рассматриваются потери энергии электронов средних энергий в веществе и основы теории электронной микроскопии и электронографии.

Ввиду большого внимания, которое уделяется вопросам исследования и применения тонких пленок, данная книга, несомненно, представит большой интерес для широкого круга советских читателей.

ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ

Для специалистов, работающих в области изучения свойств и применения тонких пленок и решающих весьма различные проблемы, существует много общих вопросов. Сюда относятся прежде всего методы нанесения пленок, процессы кристаллизации и роста, структура пленок и установление корреляции различных физических свойств пленок с их техническими параметрами. Наличие общих интересов, очевидно, становится понятным все большему кругу лиц, что находит выражение в проведении различных симпозиумов по тонким пленкам, а также в создании при Американском вакуумном обществе Секции тонких пленок. Поэтому нам представляется, что публикация серии сборников, посвященных последним достижениям в исследовании и применении тонких пленок, остается столь же актуальной, как и два года назад, когда было принято решение об издании этой серии. Ободренные доброжелательными отзывами о первом томе «Физики тонких пленок» редакторы намерены в дальнейшем придерживаться программы, намеченной в предисловии к тому I. К сведению новых читателей перечислим ниже те цели, которыми мы руководствуемся при издании данной серии.

В настоящее время огромное число статей, посвященных тонким пленкам, рассеяно по многим журналам, так что трудно получить единое представление о новейших работах в данной области. Несмотря на появление учебников, всегда будет ощущаться необходимость в обзорах, отражающих наиболее важные результаты новейших исследований. Эту задачу и должнз выполнить настоящая серия. В публикуемых здесь обзорах будут рассматриваться фундаментальные и прикладные исследования, посвященные методам получения пленок, изучению их свойств и применениям, а также обсуждаться работы, в которых исследования на тонких пленках привели к лучшему пониманию определенных физических и химических явлений. Будут обсуждаться свойства не только напыленных покрытий, но и пленок, полученных другими методами — катодным распылением, химическим осаждением, нанесением из паровой фазы и анодным окислением, поскольку эти методы в ряде случаев имеют определенные преимущества. Большая часть статей предназначена для специалистов, непосредственно занятых исследованиями тонких пленок, но эти статьи представляют также интерес для студентов старших курсов и исследователей, работающих в близких областях и имеющих лишь начальные понятия о данной проблеме.

Том 2 содержит три статьи по фундаментальным вопросам и четыре статьи, посвященные применениям пленок. В этих последних работах рассматривается использование тонких пленок в прикладной оптике и технологии изготовления микросхем.

В 3 и 4 томах внимание будет сконцентрировано на тех применениях пленок, процессах их нанесения и методах измерительной техники, которые были недостаточно полно освещены в первых двух томагх.

Редакторы рады еще раз напомнить, что критика, предложения и общие замечания читателей будут весьма приветствоваться и помогут улучшить качество следующих томов.

vzv-books.ucoz.ru

Физика тонких пленок — Институт физических исследований и технологий РУДН

Лаборатория физики тонких пленок располагает парком технологического оборудования для нанесения тонкопленочных покрытий методами катодного, магнетронного, термического и ионно-лучевого напыления. Наряду с физическими методами нанесения активно разрабатывается новый гель-метод нанесения тонкопленочных покрытий.

Установка вакуумная A550VZK Leybold Heraeus, Германия. Установка предназначена для нанесения пленок металлов и диэлектриков методом ВЧ реактивного катодного распыления. Обеспечивает предельный вакуум 10-6 мбар. Имеет 3 катода диаметром 200мм, что позволяет наносить пленки трех различных материалов в одном цикле.

Установка вакуумная EVA Alcatel, Франция. Установка для термического и магнетронного распыления. Система откачки построена на основе крионасоса, что позволяет обеспечивать предельный вакуум 10-8 мбар. Имеет 3 магнетрона диаметром 150 мм. Благодаря высокому предельному вакууму позволяет получать пленки химически активных металлов, в частности титана.

Установка вакуумная PP-601,Чехия. Установка для ионного травления металлов и диэлектриков. Позволяет осуществлять травление структур на металлических и диэлектрических подложках с помощью источника ионов ИИ-4-015. Также позволяет осуществлять термическое напыление металлов. Благодаря большому размеру рабочей камеры позволяет получать пленки с высокой степенью однородности в плоскости подложки.

Пост вакуумный универсальный ВУП-5.Универсальная вакуумная установка для нанесения тонких пленок металлов методом термического испарения. Обеспечивает предельный вакуум 10-5 мбар. Позволяет обрабатывать подложки диаметром до 100мм.

Эллипсометр ЛЭФ -3М. Измерение оптических констант многослойных структур.

Интерферометр МИИ-4. Измерения параметров шероховатости поверхностей, а также для измерения толщин пленок.

applphys.ru

Физика тонких пленок и низкоразмерных 2D-систем

fs.nashaucheba.ru

Лекции по специальному курсу “Физика тонких пленок и малых частиц”

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (БГУ)

Кафедра физической электроники

ЛЕКЦИИ

по специальному курсу

“Физика тонких пленок и малых частиц”для студентов 4-го курса специальности G.31.04.03 – физическая электроника

специализации наноэлектроника

Разработал

кандидат физико-математических наук,доцент Никифоренко Н.Н.

М и н с к 2006

1. ВВЕДЕНИЕ

Понятие тонкопленочного состояния вещества. Малые частицы, кластеры. Основные определения, Применение тонких пленок в различных областях науки, техники, технологии микроэлектроники.Свойства тонкой пленки могут сильно отличаться от свойств массивного материала, особенно если толщина пленок очень мала. Эти отличия обусловлены спецификой структуры пленки, которая, очевидно, обусловлена процессами, происходящими во время формирования пленки.

Пленку можно получить с помощью таких простых процессов, как ковка или прокатка массивного куска материала. Но как правило, тонкие пленки получают путем осаждения атом за атомом, например путем конденсации из паровой фазы или электролитическое осаждение металлической пленки из раствора. Получение пленок с помощью вакуумного напыления или газотранспортных реакций представляет наибольший интерес с практической точки зрения.

Конденсация означает переход из газообразного состояния в жидкое или твердое. С точки зрения термодинамики, для того, чтобы происходила конденсация необходимо, чтобы парциальное давление соответствующего газообразного материала было равно или больше равновесного давления паров этого материала над конденсированной фазой при данной температуре. Конденсация начинается с соединения нескольких адсорбированных атомов в небольшие скопления, которые называются зародышевыми центрами, или зародышами, а процесс их образования – зародышеобразованием. Процесс увеличения зародышевого центра и образование, в конце концов, однородной пленки называется ростом пленки. Часто образование зародышей и их рост происходят одновременно в процессе образования пленки.

Процесс конденсации нельзя рассматривать просто как случайное падение на подложку липких шариков (атомов или малых частиц, состоящих из группы атомов), которые прилипают там же, где упали. Напротив, адсорбированные атомы обладают большой поверхностной подвижностью, и в результате ярко выраженные островки из материала пленки образуются на подложке даже спустя длительное время после образования зародышей. В конце концов, эти островки сливаются и образуют непрерывную пленку, это происходит, когда средняя толщина пленки составит по крайней мере несколько атомных слоев.

Широкое и разнообразное применение тонких пленок в различных научно-технических областях. Оптика. Машиностроение. Приборостроение. Медицина. Архитектура и строительство. Бытовые приборы. Радиоэлектроника, электроника и микроэлектроника.

^ 2.1. Падение частиц на подложку, адсорбция и термическая аккомодация, процессы при взаимодействии атомов, молекул и радикалов с поверхностьюВо всех теориях зародышеобразования первым этапом считается столкновение атомов или молекул пара с подложкой. В результате столкновения частицы пара могут адсорбироваться и прочно закрепиться на подложке, могут через конечный промежуток времени после адсорбции снова испариться, а могут и мгновенно упруго отразиться от подложки. В общем случае незаряженные нейтральные частицы (НЧ) пара падают на поверхность с энергиями, значительно большими kT, где T – температура подложки. Поэтому возникает вопрос, сможет ли такая частица, например атом пара достаточно быстро придти в равновесие с подложкой так, чтобы смогла произойти его адсорбция, или он отразится от подложки, не отдав ей при этом всей своей энергии. В последнем случае, коэффициент термической аккомодации, который определяется как

T = (Ev – Er) / (Ev – E) = (Tv – Tr) / (Tv – T), (1)

будет меньше единицы. Ev – кинетическая энергия атома пара, падающего на подложку; Er – энергия десорбированного атома до установления равновесия с подложкой; E – энергия десорбированного атома после установления равновесия с подложкой; Tv, Tr, T – соответствующие температуры.

Мак-Фи и Леннард-Джонс показали, что время, необходимое для того, чтобы падающий атом потерял свою избыточную кинетическую энергию и закрепился на подложке, порядка 2/, где  частота колебаний решетки в подлдожке. Таким образом, атом, столкнувшись с подложкой, за несколько колебаний решетки теряет почти всю свою избыточную энергию. Поэтому будем в дальнейшем полагать, что установление равновесия происходит мгновенно.

2.1.1. Классификация процессов.

Процессы взаимодействия НЧ с поверхностью можно разделить на группы:

• процессы, происходящие на поверхности и в тонком приповерхностном слое и приводящие к адсорбции или отражению первичных НЧ, диффузии адсорбированных частиц, внедрению НЧ в приповерхностный слой, нагреву поверхности;
• эмиссионные процессы: эмиссия электронов, физическое и химическое распыление, десорбция первичных НЧ и слабосвязанных физически адсорбированных инородных частиц

2.1.2. Отражение первичных НЧ.

а). Упругое отражение без изменения кинетической энергии НЧ.

Такой процесс наблюдается при энергии падающей на поверхность частицы Е0 от 0,03 до 0,5 эВ. Коэффициент отражения составляет от 10-3 до 10-1 в зависимости от типа НЧ и материала поверхности и растет в этих пределах с уменьшением поляризуемости НЧ.

б). Упругое отражение с обменом кинетической энергией.

Такой процесс наблюдается при Е0

Для многоатомных НЧ в обмене энергией могут принимать участие не только кинетическая энергия, но и вращательная и колебательная. Коэффициент аккомодации в этом случае будет больше, чем для одноатомных НЧ и включает в себя три парциальных коэффициента, соответствующих каждому виду энергии. Для большинства металлических поверхностей при столкновении с молекулами N2, O2, CO2, CnHm, SF6 коэффициент аккомодации лежит в интервале 0,5 – 0,95. Максимальное значение, равное 0,98, он принимает для молекулы h3O.

в). Неупругое отражение с поверхностной ионизацией.

Часть падающих НЧ может покинуть поверхность в ионизованном состоянии, т.е. приобрести или положительный или отрицательный единичный заряд.

Наиболее ярко положительная ионизация наблюдается при столкновении атомов щелочных металлов или их галогенидов (KF, KBr, KCl) с нагретыми поверхностями тугоплавких металлов. Например, при столкновении атомов К с поверхностью Pt, нагретой до температуры 1800 К, коэффициент ионизации (отношение числа отраженных ионов к числу падающих атомов) составляет 0,25.

Отрицательная ионизация наблюдается при столкновении электроотрицательных НЧ с нагретыми поверхностями. В этом случае частица захватывает с поверхности электрон. Типичные примеры таких НЧ – F, Cl, Br, O, NO, O2.

г). Неупругое отражение с поверхностным тушением.

Если падающая НЧ находится в возбужденном состоянии, то в процессе отражения она переходит в основное с вероятностью близкой к единице.2.1.3. Эмиссия электронов.

Обнаружено два механизма эмиссии электронов при взаимодействии НЧ с поверхностями: потенциальная и кинетическая эмиссия. Потенциальная эмиссия происходит при условии, когда НЧ обладает внутренней энергией Ев (энергией возбуждения) и она превышает работу выхода электрона e. Возбужденные НЧ имеют высокую поляризуемость (большой дипольный момент). При их приближении к поверхности на расстояние 2 – 3 Å происходит полевое вырывание электрона и тушение частицы. Максимальная энергия эмитированного электрона равна Ев – e. Коэффициент эмиссии при столкновении метастабильных возбужденных атомов Ar и He с поверхностью металлов порядка 0,05, с поверхностью полупроводников – 0,001.

Кинетическая эмиссия происходит, если не выполняется условие для потенциальной и кинетическая энергия частицы Е0 превышает 500 эВ. Механизм эмиссии сводится к ударной ионизации частицы поверхности. Коэффициент эмиссии растет от 10–3 до 5.10–2 при облучении металлов атомами Ar с Е0 от 0,7 до 2 кэВ.2.1.4. Физическое распыление поверхности.

Это процесс удаления (выбивания) с поверхности атомов (молекул, радикалов), принадлежащих материалу поверхности, под действием падающих НЧ. Процесс относится к пороговым, т.к. Е0 должна быть больше или равна энергии связи частиц поверхности ЕСВ. Для очень широкого круга материалов поверхности (от Be до Au) ЕСВ = 15 – 30 эВ. При Е0 > Есв коэффициент распыления весьма низок и может достигать 10–3 – 10–4 из-за низкой энергии НЧ. Процесс можно наблюдать лишь при использовании ионно-лучевых, ионно-плазменных и ионных источников НЧ.2.1.5. Десорбция слабосвязанных инородных частиц.

Это процесс удаления с поверхности физически адсорбированных инородных частиц, т.е. частиц с энергией связи ЕСВ = 0,01 – 0,5 эВ. Процесс относится к пороговым, т.к. Е0 должно превышать ЕСВ. При их отличии на порядок и более вероятность десорбции превышает 0,5.2.1.6. Адсорбция падающих НЧ.

Это процесс прилипания падающих НЧ к поверхности под действием сил связи (притяжения).

Силы связи при адсорбции.

При приближении НЧ к поверхности на расстояние меньше 10 Å между ней и частицами поверхности возникают силы взаимодействия. Различают три предельных типа сил взаимодействия, приводящих к адсорбции: силы Ван-дер-ваальса, обменные и гетерополярные.

Адсорбцию под действием сил Ван-дер-ваальса называют физической. Силы Ван-дер-ваальса – это электростатически наведенные силы, обусловленные деформацией внешних электронных оболочек. Они относятся к слабым силам. Энергия связи под действием этих сил составляет 0,01 – 0,3 эВ в зависимости от материала поверхности и рода НЧ. Силы проявляются при приближении НЧ к поверхности на расстояние 3 – 10 Å и относятся к дальнодействующим. Особенностью этих сил является отсутствие у них активационного барьера. Силами Ван-дер-ваальса в основном обусловлена физическая адсорбция органических молекул, атмосферных частич, многоатомных молекул и инертных газов.

Силы Ван-дер-ваальса в свою очередь делятся на ориентационные, индукционные и дисперсионные. Ориентационные силы возникают между частицами с постоянными дипольными моментами. Индукционные силы возникают между частицами с постоянным и наведенным дипольным моментом или наведенным зарядом (для металлических и полупроводниковых поверхностей). Дисперсионные силы возникают при корреляции между флуктуирующими дипольными моментами.

При физической адсорбции инертных газов, а также молекул N2, O2, и h3 преобладают дисперсионные силы. При физической адсорбции молекул h3O, CO, и Nh4 преобладают ориентационные силы.

Адсорбция под действием обменных сил называется химической или слабой хемосорбцией. Обменные силы возникают при перекрытии электронных оболочек взаимодействующих частиц и обусловлены электронными переходами между НЧ и частицей поверхности. Эти силы проявляются при расстояниях 1 – 3 Å и относятся к короткодействующим. Обменные силы приводят к образованию химической ковалентной связи между НЧ и частицей поверхности. Такая связь образуется двумя электронами с противоположными спинами, принадлежащими двум атомам. Энергия связи – единицы эВ. Для НЧ, совпадающих с материалом поверхности, энергия связи может достигать 30 эВ.

Для молекулярных НЧ возникновение обменных сил требует энергии активации (например, для разрыва замкнутых поверхностных связей или диссоциации падающей НЧ). Для идеальных поверхностей, например, поверхности Si, полученной сколом в вакууме, химическая адсорбция атомов металла происходит без подвода энергии активации. Причем прочность соединения (силицид) выше прочности каждого из материалов в отдельности.

Адсорбция под действием гетерополярных (или кулоновских) сил называется сильной хемосорбцией. Гетерополярные силы возникают при передаче электрона от НЧ к поверхности или наоборот. На поверхности образуется слой ионов, который индуцирует в материале поверхности заряд обратного знака. Под действием гетерополярных сил возникает ионная связь. Энергия связи превышает эту величину для обменных сил и составляет единицы эВ. Для возникновения гетерополярных сил НЧ должна приблизиться к поверхности на 1 – 2 Å.2.1.7. Потенциальные кривые адсорбции. Десорбция и миграция.

Процесс адсорбции НЧ хорошо иллюстрируется потенциальными кривыми адсорбции, показывающими зависимость потенциальной энергии W НЧ от ее расстояния r до поверхности (рис. 2.1).

На участках кривых 1 и 2, где dW/dr > 0 действуют силы притяжения, при обратном знаке производной – силы отталкивания.

Адсорбция, описываемая кривой 1, происходит при столкновении с поверхностью НЧ, не обладающих внутренней энергией (энергия возбуждения и диссоциации). Примерами таких частиц могут быть молекулы N2, O2, h3, h3O и т.д., атомы инертных газов, атомы металлов и полупроводников, если материал поверхности не совпадает с родом НЧ. Адсорбция, описываемая кривой 2, происходит для НЧ, имеющих внутреннюю энергию. Такими НЧ являются возбужденные химически устойчивые молекулы, молекулярные радикалы в основном и возбужденном состоянии, атомы, обладающие свободными химическими связями (например, N, O, H, OH) и способные образовать химическое соединение с частицами поверхности.

Рис. 2.1. Потенциальные кривые абсорбции: 1 – кривая физической адсорбции; 2 – кривая химической адсорбции; Wф и Wх – глубина потенциальной ямы или энергия связи для физической и химической адсорбции соответственно; Wa – энергия активации; Iд и Iв – энергия (потенциал) диссоциации и возбуждения соответственно.Рассмотрим особенности адсорбции НЧ, используя кривые рис. 2.1.

а). Физическая адсорбция.

В зависимости от Е0 падающей НЧ возможны следующие случаи:

• Е0 > Wф. В этом случае произойдет упругое отражение без передачи кинетической энергии. НЧ совершит одно колебание в потенциальной яме и покинет поверхность. Период колебания t0 порядка 10-12 с. Если Е0 близкок Wф, то НЧ совершит от 2 до 103 колебаний с уменьшающейся амплитудой и произойдет ее упругое отражение с передачей кинетической энергии.
• E0 >> Wф и Wa. В этом случае произойдет внедрение НЧ в поверхность, которое может с малой вероятностью сопровождаться процессом физического распыления или эмиссии электрона.
• Е0 равна или немного превышает величину (Wф + Wа). В этом случае частица достигнет точку М, где возможна ее диссоциация и переход полученных радикалов на кривую 2.
• Е0ф. В этом случае произойдет физическая адсорбция. НЧ будет колебаться в потенциальной яме с конечной установившейся амплитудой rф1 – rф2. НЧ увеличит или уменьшит свою кинетическую энергию в зависимости от температуры поверхности.

Частица, попавшая в потенциальную яму, будет находиться в ней промежуток времени, называемый временем абсорбции ta.

ta = t0exp(Qa/RT)

Например, для НЧ воздуха при Т = 293 К ta порядка 10–10 с, а при Т = 77 К (температура жидкого азота ta порядка секунды. Для паров воды ta порядка 102 с при комнатной температуре.

По истечении времени t > ta происходит самостоятельная десорбция НЧ с поверхности. Если частица покинула поверхность за время t0ta, то этот процесс называют вынужденной десорбцией. Вынужденная десорбция может произойти только при передаче адсорбированной НЧ кинетической энергии путем столкновения с ней другой частицы. Такими частицами могут быть налетающие на поверхность ионы, атомы, молекулы, радикалы, фотоны, электроны. Следует отметить, что при столкновении адсорбированной НЧ с электроном или фотоном наиболее вероятны процессы возбуждения и диссоциации и в итоге переход НЧ на кривую 2.

Глубина потенциальной ямы неоднородна вдоль поверхности. Особенно это проявляется для физически и механически неоднородных поверхностей. Даже для идеальных поверхностей глубина потенциальной ямы больше в местах, соответствующих центрам поверхностных частиц. По этой причине физически адсорбированная НЧ может перемещаться (мигрировать) по поверхности, периодически перескакивая из одной более глубокой ямы в другую. Такой процесс называют миграцией адсорбированных частиц. Время нахождения НЧ в одной яме (время между скачками) называют временем миграции tm. Его величину можно оценить по формуле

tm = t0exp(Qm/RT),

где Qm – теплота миграции. Qma и зависит от типа решетки и степени неидеальности поверхности, возрастая с ростом последней. Например, для идеальной кубической решетки Qm = 0,5Qa и число скачков n за время адсорбции n = ta/tm = 107. Путь, пройденный частицей за время адсорбции, L = nD = 0,5 см при D = 5 Å, где D – постоянная решетки. Для неидеальных поверхностей с высокой плотностью поверхностных дефектов и механической неоднородностью минимумы Wф могут быть аномально большими. Это приводит к резкому росту ta и tm.

Миграция – один из ключевых моментов механизма образования пленочных покрытий на поверхности.

б). Химическая адсорбция.

В зависимости от Е0 падающей НЧ возможны следующие случаи:

• E0 > Wx + Iд (Iв). НЧ упруго или неупруго отразится от поверхности с передачей или нет кинетической энергии.
• E0 >> Wx + Iд (Iв). Произойдет внедрение НЧ в приповерхностный слой.
• E0x + Iд (Iв). Произойдет химическая адсорбция НЧ с установившейся конечной амплитудой колебаний rХ1 – rХ2.

Пересечение кривых 1 и 2 (т. М рис. 2.1) позволяет для нерадикальных НЧ ступенчато переходить от физической к химической адсорбции, преодолев активационный барьер (Wa плюс потенциальная энергия частицы в яме) за счет получения энергии от внешних частиц, включая и частицы твердого тела. В последнем случае это возможно при нагреве поверхности. Конечно, процесс перехода из физической ямы в химическую сопровождается диссоциацией НЧ.2.1.8. Внедрение НЧ (Атомная имплантация).

Процесс наблюдается при Е0 больше единиц эВ. Глубина внедрения ограничивается в основном потерями энергии в процессах упругого рассеяния НЧ при их движении и составляет 5 – 100 Å при Е0 = 10 – 50 эВ. Концентрация внедренных НЧ по направлению, перпендикулярному к поверхности, плавно спадает от максимального значения на поверхности.2.1.9. Диффузия адсорбированных НЧ и растворение газов.

При взаимодействии стационарного потока НЧ с поверхностью на ней устанавливается некоторая поверхностная плотность Ns адсорбированных частиц. Величина Ns зависит от материала поверхности, степени идеальности и температуры, сорта и плотности потока НЧ. При достаточно интенсивных потоках НЧ адсорбированные частицы могут образовывать сплошной моноатомный слой (порядка 1015 см-2). Дальнейший рост плотности потока НЧ может привести к многослойной адсорбции. Указанное создает необходимые условия для диффузии адсорбированных частиц в глубь материала поверхности.

Процесс диффузии хорошо описывается законами Фико:

I = – D(dN/dx),

N/t = D(2N/x2),

где I – плотность диффузионного потока, D – коэффициент диффузии, N – объемная плотность частиц в поверxностном слое, х – координата вглубь твердого тела.

Граничным условием для решения системы уравнений является то, что N(0,t) = Ns = const и при бесконечно большом времени N не может превысить величину N*, где N* – предельная растворимость данного сорта НЧ и данном материале поверхности.

Решение уравнений Фико в рассматриваемом случае имеет вид:

N(x,t) = Ns.erfc[(x/2) (Dt)–0,5]

Графически вид решения представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Распределение плотности диффундированных в поверхность НЧ для различных моментов времени. Здесь τ2 > τ1.Основной трудностью расчета N(x, t) является то, что далеко не всегда известна величина N*, которая зависит от сорта НЧ, материала, структуры и температуры поверхностного слоя, а также то, что величина D зависит от большого числа факторов и параметров процесса. А именно, D пропорционален exp(– 1/T), зависит от материала поверхности и сорта НЧ, кристаллографической ориентации поверхности, степени кристалличности (размер зерен, плотность и вид дефектов), механических напряжении поверхностного слоя.

Практический интерес представляют случаи долговременного контакта поверхностей с газовыми средами, когда концентрация продиффундировавших частиц достигла N*. Для металлов с гомополярной связью величину N* можно рассчитать по формуле:

N* = N0p1/nexp( Qs/RT),

где N0 – постоянный коэффициент, определяемый сортом НЧ, Qs – энергия активации при растворении, n – число атомов в молекуле, знак (+) для НЧ, образующих химическое соединение, знак (–) для НЧ, образующих истинные растворы.

В металлах газы растворяются в атомарном состоянии и перед растворением происходит диссоциация НЧ. Величина N* измеряется в единице (атом НЧ/атом материала поверхности) и может принимать значения от близкой к нулю (например, пары Al – N2 и Ag – N2) до типичных значений порядка 10–2 – 10–4. Максимальное значения N* достигается для пары Ti – h3, изменяющееся от 1до 8 с понижением температуры от 700 оС до 0 оС.

Для материалов с ионной связью (например, LiF) или ковалентной связью (например, Si) растворение НЧ может происходить в молекулярном состоянии. Для таких материалов зависимость N*(T) сложнее, нежели рассмотренная выше. Например, предельная растворимость As и P в Si имеет максимум 2.10-2 атом/атом при температуре 1150 оС.2.1.10. Химическое травление (распыление).

Это процесс удаления с поверхности частиц, принадлежащих материалу поверхности, в результате химических реакций между адсорбированными НЧ и частицами поверхности.

Необходимым условием процесса является возможность образования «летучих» и стабильных при температуре поверхности Тп химических соединений. Термин «летучее» соединение означает, что при Тп продукт реакции испаряется с поверхности, т.е. химическое травление возможно при Тп больше или равной температуре кипения соединения.

Большинство металлов, полупроводников, а также их оксиды и нитриды образуют «летучие» соединения с относительно низкой температурой кипения с продуктами диссоциации фтор- и хлорсодержащих газов (CCl4, CF4, SF6, BCl4 и т.д.). Летучими соединениями являютcя: AlCl3, SiF4, TiF4, MoF6, AuCl3 и т.д. Температура кипения этих соединений лежит в интервале от 180 К (AlCl3) до 557 К (TiF4).

Реакции с образованием летучих соединений могут идти как с участием радикалов, падающих на поверхность, так и с участием молекул, физически адсорбированных на поверхности. В последнем случае должен происходить переход от физической к химической адсорбции путем стимуляции диссоциации потоками электронов, фотонов, ионов.2.1.11. Нагрев поверхности.

Ряд из выше перечисленных процессов взаимодействия НЧ с поверхностью сопровождается выделением тепла. А именно, процесс неупругого отражения, физического распыления, атомной имплантации, адсорбции, химического распыления. Поскольку эти процессы происходят или на поверхности или на очень малых глубинах, меньших 0,01 мкм, то энерговыделение можно считать поверхностным. В уравнении теплопроводности необходимо решать одномерную задачу. Решение уравнения теплопроводности всегда приводит к тому, что максимальная температура достигается на поверхности.

В некоторых случаях химического распыления, а также для процессов поверхностной ионизации и эмиссии электронов происходит снижение температуры поверхности. В этих случаях количество выделенной падающими НЧ энергии меньше энергии затраченной на образование летучих продуктов или ионизацию.

referatdb.ru

• 
  Диэлектрические тонкие пленки
• 
  Пленка цветная тонировочная
• 
  Монтаж пленки ик
• 
  Пленка аэродромная ппа
• 
  Пленка soft touch
• 
  Греющая пленка тм
• 
  Виды атермальная пленка
• 
  Оптическая толщина пленки
• 
  Толщина ламинирующей пленки
• 
  Пленка тонировочная цветная
• 
  Приложение эффект пленки