Современное состояние вопроса в области кремнийсодержащих наноматериалов

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1. Эксперименты проводились в вакуумной камере, которая откачивалась турбомолекулярным насосом до давления 10^-6 Торр. Мишени в виде дисков из монокристаллического кремния закреплялись в оправе и вращались для однородности выработки мишени. Лазерная эрозионная плазма от кремниевой мишени образовывалась под действием излучения твердотельного YAG:Nd³⁺ лазера с модуляцией добротности. Длительность импульса по полувысоте составляла 15 нс, энергия в импульсе 300 мДж. Луч делился на два равных, которые затем фокусировались на поверхность мишеней линзами с фокусным расстоянием 30 см. Площадь пятна фокусировки на мишени 0,65 мм².

Зонд Ленгмюра длиной 5 мм изготавливался из вольфрамовой проволоки диаметром 0,2 мм, которая помещалась в керамическую трубку. Зонд располагался перпендикулярно оси факела. Перемещение зонда в вакуумной камере осуществлялось вдоль оси эрозионного факела в интервале 40-157 мм. Потенциал зонда мог изменяться в пределах от 0 до –18 В. Источником регулируемого напряжения на зонде служила батарея аккумуляторов, которая одним полюсом через потенциометр подключалась к зонду, а другим полюсом через нагрузочный резистор заземлялась [1]. Для стабилизации потенциала зонда во время протекания тока источник регулируемого напряжения шунтировался емкостью 2,5 μФ. Ток зонда регистрировался на резисторе утечки 1 кОм с использованием быстродействующей платы аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) АТ-5102 фирмы International Instruments и записывался на ПК. Отсчет времени прихода зарядов на зонд производился от момента генерации лазерного импульса, регистрируемого фотодиодом, сигнал с которого подавался на канал запуска АЦП.

В режиме перекрещенных пучков угол между мишенями и, соответственно, между факелами составлял 90°. Оси вращения мишеней располагались в одной плоскости. Перпендикулярно биссектрисе угла, образованного осями факелов, устанавливался неподвижный экран с отверстием. Диаметр отверстия выбирался таким, чтобы исключить прямую видимость областей абляции мишеней с места расположения зонда, чем исключалось прямое попадание на зонд заряженных частиц от исходных факелов. При исследовании одного из исходных факелов регистрировался сигнал с зонда, расположенного на оси разлета этого факела, второй луч перекрывался, и экран не устанавливался.

ВПК для обоих случаев имеют один ярко выраженный максимум с резким передним фронтом и более пологим задним фронтом, спадающим до нуля примерно за 30 мкс. Все ВПК были получены в интервале времени от 0 до 50 мкс, но для лучшего разрешения на рисунке 2 интервал времени сокращен до 20 мкс. Амплитуда сигнала ВПК с увеличением расстояния зонд-мишень спадает в результате расширения факела.

Были получены ВПК ионного тока на зонд на разных расстояниях зонд-мишень как для плазменного пучка, образованного при пересечении двух факелов (рисунок 2а), так и для факела от одной мишени кремния (рисунок 2б).

1 – излучение твердотельного ИАГ:Nd³⁺ лазера;

Рисунок 1 – Схема установки зондовых исследований плазменного пучка при абляции кремния

Асимметрия зондовых кривых, представленных на рисунке 2, связана с неравновесным распределением ионов по скоростям в факеле [2]. Наиболее вероятная скорость: L – расстояние зонд-мишень; t – время. Так, ВПК для факела от одной мишени являются суммой четырех групп положительно заряженных частиц, распространяющихся со скоростями, равными 71 км/с; 35,5 км/с; 18 км/с и 9 км/с. На рисунке 3 представлены

Сравнивая ВПК ионов эрозионного факела от одной мишени (рисунок 2б) и пучка, распространяющегося по биссектрисе угла между осями исходных факелов (рисунок 2а), можно видеть, что энергетический спектр отклоненного пучка существенно отличается от энергетического спектра исходных факелов. Максимальная скорость в отклоненном пучке существенно ниже, чем скорость лидирующей группы ионов одиночного факела. Это вызвано тем, что эффективность отклонения ионов в пучках пропорциональна плотности ионов в пересекающихся пучках n(t) и сечению столкновения ионов Q. Аналогичный вид имеет и выражение для тока на зонд в отклоненном пучке.

Был проведен расчет тока на зонд для плазменного пучка, образованного при пересечении двух факелов, для всех исследованных расстояний зонд-мишень. При расчетах были взяты только группы ионов со скоростями 71 км/с и 35,5 км/с, т.к. для более медленных групп ионов время взаимодействия велико [2] и вкладом от них можно пренебречь. Полученные для Q ~ 1/V², где V – скорость ионов, расчетные кривые хорошо совпадают с экспериментальными ВПК для всех исследуемых расстояний. В общем случае, наибольшее отклонение будут испытывать ионы из тех участков факела, для которых произведение концентрации и сечения рассеяния будет максимальным.

На рисунке 4 указаны области осаждения капель и зона, свободная от капель. Кривая а показывает распределение толщины пленки, полученной при абляции только одной мишени, а кривая b описывает распределение толщины пленки при абляции двух мишеней (перекрещенные пучки).

Также было получено распределение времени прихода пика ВПК от координаты относительно биссектральной оси. Для этого зонд перемещался по дуге в плоскости разлета плазменных факелов, причем радиус дуги выбирался так, чтобы расстояние от точки пересечения факелов до зонда составляло 6 см. Плотность энергии на мишени составляла 20 Дж/см². Полученное распределение представлено на рисунке 5.

1 – мишень; 2 – излучение лазера; 3 – биссектральная ось; 4 – подложка; 5 – пленка кремния; 6 – факел

Рисунок 4 – Схема исследования распределения по толщине пленки в плоскости осей факелов относительно биссектральной оси (обозначена пунктиром)

Рисунок 5 – Распределение времени прихода пика ВПК от координаты относительно биссектральной

Методом пересекающихся пучков получены образцы пленок кремния с шероховатостью поверхности менее 1 нм. На рисунке 6 представлено изображение участка тонкой пленки кремния, полученное при помощи атомно-силового микроскопа (АСМ).