Телефон: +7 (383)-202-16-86

Статья опубликована в рамках: XXXVII Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 24 декабря 2015 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Лазерные технологии

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Сиверцева И.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ ОКСИДА ВАНАДИЯ // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XXXVII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 10(36). URL: http://sibac.info/archive/technic/10(36).pdf (дата обращения: 17.11.2019)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

ИССЛЕДОВАНИЕ  ПРОЦЕССА  ЛАЗЕРНОГО  ФОРМИРОВАНИЯ  ТОНКИХ  СЛОЕВ  ОКСИДА  ВАНАДИЯ

Сиверцева  Ирина  Викторовна

магистрант  кафедры  Физики  и  прикладной  математики,

ВлГУ  им.  А.Г.  и  Н.Г.  Столетовых, 
РФ,  г.  Владимир

Е-mailsiverceva@vlsu.ru

Абрамов  Дмитрий  Владимирович

научный  руководитель,  доцент,  канд.  физ.-мат.  наук,  кафедры  физики  и  прикладной  математики,

ВлГУ  им.  А.  Г.  и  Н.  Г.  Столетовых, 
РФ,  г.  Владимир

 


Введение


В  лазерной  физике  изначально  и  по  сегодняшний  день  важными  элементами  являются  полупроводниковые  источники  (лазеры)  и  приемники  излучения.  В  таких  устройствах  в  качестве  рабочего  материала  используются  полупроводники.


Очень  часто  основой  полупроводниковых  структур  являются  оксиды  переходных  металлов.  При  взаимодействии  переходных  металлов  с  кислородом  в  результате  химической  реакции  образуются  разные  оксиды,  отличающиеся  по  физическим  и  химическим  показателям.


Диоксид  ванадия  представляет  собой  монокристалл.  При  наблюдении  фазового  перехода  в  таком  монокристалле  происходит  изменение  электропроводности  и  оптических  свойств,  но  при  этом  возникают  упругие  напряжения,  приводящие  к  разрушению  монокристаллической  структуры.  Для  исследований  и  различных  практических  применений  более  выгодно  использовать  тонкие  пленки,  которые  не  разрушаются  при  энергетическом  воздействии  на  материал.


Основными  способами  получения  тонких  пленок  являются:


·     реактивное  магнетронное  и  ионно-лучевое  распыление  ванадиевой  мишени  в  кислородно-аргоновой  смеси;


·     вакуумное  распыление  металлического  ванадия  с  последующим  окислением  во  влажной  среде;


·     золь  –  гель  метод;


·     метод  импульсного  лазерного  осаждения  материала.


Для  выполнения  данной  работы  был  выбран  метод  импульсного  лазерного  осаждения  материала,  т.к.  данный  метод  позволяет  получить  наиболее  точные  результаты  слоев  оксида  ванадия.


Множество  различных  способов  получения  указывает  на  существование  в  данный  момент  проблем,  возникающих  при  использовании  VO2,  и  необходимость  продолжения  исследований  в  данном  направлении.


Тонкие  пленки  оксидов  ванадия  находят  широкое  применение,  например,  в  качестве  материала  для  приемников  излучения  инфракрасного  и  террагерцового  диапазона  (в  том  числе  тепловизоров),  ограничителей  лазерного  излучения,  химических  датчиков  [4].


Целью  данной  работы  является  исследование  процесса  лазерного  формирования  тонких  слоев  оксида  ванадия,  путем  формирования  тонких  слоев  оксида  ванадия  методом  импульсного  лазерного  осаждения  при  различных  технологических  режимах.  Также  следует  определить  характеристики  полученных  экспериментальных  образцов  слоев  оксида  ванадия.


Экспериментальная  часть.  Результаты  эксперимента.


В  результате  проведения  эксперимента  была  создана  схема  воздействия  лазерного  излучения  на  мишень.  В  реализованной  схеме  обработка  поверхности  ванадиевой  мишени  производилась  движущимся  пучком  фемтосекундного  лазерного  излучения.  Длина  волны  излучения  λ  =  800  нм,  длительность  импульса  излучения  τ  =  50  фс,  частота  повторения  импульсов  f  =  1  кГц,  энергия  в  импульсе  ε  =  1  мДж.  Поляризация  лазерного  излучения  –  линейная.  Лазерное  излучение  фокусировалось  на  поверхность  ванадиевой  мишени  в  пятно  с  диаметром  100  мкм.  Сканер  обеспечивал  движение  пятна  по  поверхности  мишени  со  скоростью  от  1  мм/с  до  100  мм/с.  После  завершения  линейной  обработки  поверхности  в  мишени  в  пределах  заданной  области  лазерный  пучок  смещался  в  направлении  перпендикулярном  треку  обработки  на  расстояние  100  мкм.  Таким  образом,  плотность  лазерного  воздействия  на  поверхность  мишени  составляла  10  лин/мм,  что  обеспечивает  ее  сплошную  обработку.  Это  необходимо  для  сплошного  покрытия  поверхности  подложки  продуктами  лазерной  абляции.  В  данной  схеме  формирования  наноструктурных  слоев  оксида  ванадия  в  качестве  подложки  использовалось  кварцевое  стекло  толщиной  0,3  мм.


Излучение  фемтосекундного  лазера  проходит  через  оптически  прозрачную  подложку  и  фокусируется  на  поверхности  ванадиевой  мишени,  приводя  к  абляции  ее  материала.  Продукты  абляции  (кластеры  ванадия)  разлетаются  в  направлении  поверхности  подложки.  Обладая  высокой  температурой,  они  активно  вступают  в  химическую  реакцию  с  атмосферным  кислородом  (Рис.  1).

 

Рисунок  1.  Схема  воздействия  лазерного  излучения  на  мишень

 


В  результате  к  поверхности  подложки  приближаются  горячие  кластеры  оксида  ванадия,  которые  прилипают  к  ней,  формируя  поверхностный  слой.  При  наличии  определенной  степени  перекрытия  областей  лазерного  воздействия  на  отдельные  элементы  подложки  оксид  ванадия  осаждается  многократно,  образуя  равномерный  слой.


Обработка  поверхности  экспериментального  образца  осуществлялась  излучением  фемтосекундного  лазера  с  Ti:Sp  активной  средой.  Исследование  сформировавшихся  под  действием  фемтосекундного  лазерного  излучения  наноструктурных  слоев  оксида  ванадия  производилось  на  основе  РЭМ  изображений,  то  есть  изображений,  полученных  при  помощи  растрового  электронного  микроскопа  Quanta  200  3D.


Экспериментальные  исследования  результатов  импульсного  лазерного  осаждения  слоев  оксида  ванадия,  полученных  при  разных  скоростях  сканирования  лазерного  пучка  по  поверхности  мишени,  прежде  всего,  позволили  выявить  допустимый  диапазон  этого  параметра  с  точки  зрения  возможных  дефектов  формируемых  на  поверхности  подложки  структур.


Перед  началом  экспериментов  было  предположение,  что  уже  при  скорости  движения  лазерного  пучка  100  мм/с  удастся  получить  сплошные  слои  оксида  ванадия.  При  такой  скорости  движения  лазерного  пучка  не  происходит  перекрытия  пятен  лазерного  воздействия,  но  они  вплотную  примыкают  друг  к  другу.  Предполагалось,  что  за  счет  разлета  продуктов  лазерной  абляции  будут  получены  сплошные  слои  оксида  ванадия.  Данная  гипотеза  была  опровергнута  при  изучении  сформированных  слоев  оксида  ванадия  при  помощи  растрового  электронного  микроскопа.  Были  обнаружены  нарушения  сплошности  и  существенные  неравномерности  толщины  формируемых  слоев.


Данные  дефекты  нивелировались  с  уменьшением  скорости  движения  лазерного  пучка  по  поверхности  мишени,  то  есть  с  увеличением  степени  перекрытия  областей  лазерного  воздействия.  При  скорости  движения  лазерного  пучка  70  мм/с  полученные  слои  оксида  ванадия  становились  сплошными  и  ровными.


С  другой  стороны,  при  уменьшении  скорости  движения  лазерного  пучка  по  поверхности  мишени  до  40  мм/с  начинает  проявлять  себя  процесс  спекания  зерен  оксида  ванадия,  сопровождающийся  появлением  дефектов  в  виде  складок  (рис.  2).  При  дальнейшем  уменьшении  скорости  сканирования  число  и  площадь  подобных  дефектов  увеличивается.

 


Рисунок  2.  Слой  оксида  ванадия,  сформированный  при  скорости  сканирования  40  мм/с

 

Рисунок  3.  Структура  слоя  оксида  ванадия,  сформированного  при  скорости  сканирования  40  мм/с  (увеличение  х80  000)

 


Несмотря  на  появление  нежелательных  дефектов,  размерные  характеристики  структурных  элементов  слоев  оксида  ванадия  улучшаются.


В  основном  размеры  зерен  оксида  ванадия  лежат  в  диапазоне  от  30  нм  до  40  нм  при  общем  разбросе  размеров  от  20  нм  до  120  нм  (рис.  3).  Число  крупных  зерен  (размер  –  около  100  нм)  незначительно.  Гистограммы  распределения  размеров  зерен  приведены  на  рис.  4.


Уменьшение  среднего  размера  структурных  элементов,  образующих  слой  оксида  ванадия,  может  быть  объяснено  уменьшением  размеров  кластеров  ванадия,  разлетающихся  от  поверхности  мишени  при  ее  абляции  фемтосекундным  лазерным  излучением.  Это  обеспечивается  подогревом  материала  мишени  предыдущими  лазерными  импульсами.


Следовательно,  увеличение  степени  перекрытия  способствует  уменьшению  среднего  размера  зерен,  формирующих  слой  оксида  ванадия.  Однако  следует  устранить  перегрев  подложки  и  осажденного  на  ее  поверхность  слоя  оксида  ванадия.  Для  этого  следует  вернуться  к  геометрии  с  подложкой,  расположенной  за  пределами  пучка  лазерного  излучения.

 

Рисунок  4.  Гистограмма  распределения  размеров  зерен  структуры  слоя  оксида  ванадия,  сформированного  при  скорости  сканирования  40  мм/с  (увеличение  х80  000)

 


Для  сравнения  с  результатами,  полученными  при  предельной  степени  перекрытия  пятен  лазерного  излучения,  рассмотрим  характеристики  слоев  оксида  ванадия,  сформированных  при  большей  скорости  сканирования.


На  рис.  5  приведено  РЭМ  изображение  слоя  оксида  ванадия,  сформированного  при  скорости  сканирования  50  мм/с.  Средний  размер  зерен  оксида  ванадия  40  нм,  при  общем  разбросе  размеров  от  30  нм  до  80  нм.  Встречаются  крупные  зерна  с  поперечными  размерами  вплоть  до  140  нм.


На  рис.  6  приведено  РЭМ  изображения  слоя  оксида  ванадия,  сформированного  при  скорости  сканирования  60  мм/с.  Средний  размер  зерен  оксида  ванадия  60  нм,  при  общем  разбросе  размеров  от  50  нм  до  100  нм.  Встречаются  крупные  зерна  и  куски  осажденного  материала  с  поперечными  размерами  около  150  нм.

 

Рисунок  5.  Зерна  оксида  ванадия,  сформированного  при  скорости  сканирования  50  мм/с  (увеличение  х160  000)

 

Рисунок  6.  Зерна  оксида  ванадия,  сформированного  при  скорости  сканирования  60  мм/с  (увеличение  х160  000)

 


Заключение:


Таким  образом,  исследования  показали,  что  в  процессе  импульсного  лазерного  осаждения  оксида  ванадия  на  поверхность  оптически  прозрачной  подложки  формируются  наноструктурные  слои  оксида  ванадия,  непосредственно  над  областью  лазерной  абляции,  со  средним  размером  зерен  оксида  ванадия  50  нм.  Средний  размер  зерен  уменьшается  с  увеличением  степени  перекрытия  областей  лазерного  воздействия  на  поверхность  ванадиевой  мишени,  связанным  с  уменьшением  скорости  сканирования  лазерного  пучка.  Также,  при  прохождении  лазерного  излучения  через  прозрачную  подложку,  существует  ограничение  снизу  на  скорость  сканирования  лазерного  пучка  по  поверхности  мишени,  составляющее  порядка  40  мм/с,  определяемого  термическим  воздействием  на  сформированный  слой  оксида  ванадия.  При  этом  предельный  средний  размер  зерна  оксида  ванадия  составляет  35  нм.  Для  уменьшения  среднего  размера  зерен,  необходимо  изменить  расположение  подложки  за  пределами  лазерного  пучка.


 


Список  литературы:

  1. Алиев  Р.А.,  Андреев  В.Н.,  Климов  В.А.,  Лебедев  В.М.,  Никитин  С.Е.,  Теруков  Е.И.,  Шадрин  Е.Б.  Влияние  вакуумной  термообработки  тонких  пленок  диоксида  ванадия  на  фазовый  переход  металл-полупроводник  //  Журнал  технической  физики.  –  2005.  –  Т.  75.  –  №  6.  –  С.  81–84.
  2. Джуплин  В.Н.,  Михайличенко  А.В.,  Чередниченко  Д.И.,  исследование  фазообразования  при  формировании  пленок  оксида  ванадия  методом  импульсного  лазерного  осаждения  //  Известия  ЮФУ.  Технические  науки.  2011.  №  4. 
  3. Ильинский  А.В.,  Ханин  С.Д.,  Шадрин  Е.Б.,  Электрические  и  оптические  явления  в  диоксиде  ванадия  вблизи  фазового  перехода  металл-полупроводник  //  Известия  РГПУ  им.  А.И.  Герцена.  –  2006.  –  Т.  6.  –  №  15.  –  С.  100–120.
  4. Пергамент  А.Л.,  Ханин  С.Д.,  «Электронное  переключение  в  тонких  слоях  оксидов  переходных  металлов»  //  Известия  РГПУ  им.  А.И.  Герцена.  №  7(26),  –  с.  69–86.
  5. Попова  И.О.,  Ханин  С.Д.,  Шадрин  Е.Б.,  Структурно-чувствительные  нелинейные  оптические  свойства  слоев  оксидов  и  халькогенидов  переходных  металлов  при  фазовом  переходе  «металл-полупроводник»  //  Известия  РГПУ  им.  А.И.  Герцена.  2005.  №  13.
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

Оставить комментарий