Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов зическими, химическими свойствами и функциональным назначе- нием синтезируемых слоев. Существуют следующие методы получения пленок: вакуумное ис- парение, электронно-лучевое испарение, ионно-лучевое осаждение, газофазный синтез, пиролиз аэрозоля, термическое испарение в ва- кууме, магнетронное испарение, твердофазный метод, золь-гель ме- тод и т. д. Кроме того, существуют следующие методы формирования пленок: эпитаксия, метод химической сборки, метод молекулярного наслаивания, метод матричного твердотельного синтеза, трафарет- ная печать, литографические методы, катодное напыление, катодное восстановление, анодное окисление и др. Исторически первым процессом синтеза слоев вещества с про- странственным разделением элементарных стадий является процесс конденсации М. Фарадея (1857), однако необходимость поддерживать определенный вакуум на значительный период задержало использо- вание и совершенствование этого метода. Одним из перспективных научных направлений является использо- вание электрохимического синтеза для конструирования нано- структурных материалов. Суть его заключается в формировании в ходе кинетически контролируемого электровосстановления двухмерных (лэнгмюровских) монослоев металлических наночастиц под монослой- ными матрицами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Основными достоинствами метода являются экспериментальная доступность и воз- можность контроля и управления процессом получения наночастиц. Электрохимический метод связан с выделением на катоде веще- ства в процессе электролиза простых и комплексных катионов и ани- онов. Если в цепь постоянного электрического тока включить систе- му, состоящую из двух электродов и раствора (расплава) электролита, то у электродов будут протекать реакции окисления-восстановления, т. е. в основе электрохимического осаждения лежит электролиз рас- твора, содержащего ионы необходимых веществ. Например, если тре- буется осадить медь, используется раствор медного купороса, а если золото или никель — растворы соответствующих солей металлов. Ионы металлов имеют в растворе положительный заряд, поэтому, чтобы осадить металлическую пленку, подложку следует использо- вать как катод. Если подложка является диэлектриком или имеет низ- кую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металли- 83 2.3. осаждение и напыление на подложку ческий подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанести методом термического или ионно-плазменного напыления. Образу- ющийся на катоде осадок в результате, например, электрокристалли- зации в морфологическом отношении может быть как рыхлым, так и плотным слоем из множества микрокристаллитов. На текстуру осад- ка влияют многие факторы, такие, например, как природа вещества и растворителя, тип и концентрация ионов целевого продукта и по- сторонних примесей, адгезионные свойства осаждаемых частиц, тем- пература среды, электрический потенциал, условия диффузии и др. Большое преимущество электрохимического осаждения перед напы- лением состоит в гораздо большей скорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область примене- ния электролиза в микроэлектронике — это получение сравнитель- но толстых пленок (от 10 мкм и более). Качество наноструктуры та- ких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми. Эффективным методом нанесения покрытий и пленок является импульсное электроосаждение . Оно широко применяется для получения наноструктурированных металлов. Подложка помещает- ся в раствор, содержащий ионы осаждаемого элемента. Между слоем осажденного металла на подложке и электродом, погруженным в рас- твор, создается изменяемая во времени (пульсирующая) разность по- тенциалов. Пульсирующее напряжение способствует созданию од- нородного покрытия. Исследование влияния параметров осаждения на структуру и свойства никелевого покрытия показало, что распреде- ление зерен по размеру является узким, а размер зерен Ni составляет от 13 до 93 нм. При нагреве полученного покрытия до 380 K рост зе- рен отсутствовал, а размер зерен и химический состав нанокристал- лического сплава Ni 1–x Cu x , осажденного при комнатной температуре, можно регулировать изменением параметров импульсного режима и добавлением органических веществ в раствор. Существует группа доступных методов осаждения пленок окислов, нитридов и других соединений различных металлов. Одним из рас- пространенных электрохимических способов проведения такого про- цесса является анодирование: пленка растет на аноде в электроли- тической ванне. Основное уравнение, управляющее ходом процесса, можно записать следующим образом: |