165
BAKI UNİVERSİTETİNİN XƏBƏRLƏRİ
№1
Fizika-riyaziyyat elmləri seriyası
2011
UOT 621.039,6
İMPULS PLAZMA METODU İLƏ BİSMUT SİLİKAT (Bi
12
SiO
20
)
BİRLƏŞMƏSİNİN NAZİK TƏBƏQƏLƏRİNİN
ALINMASI VƏ TƏDQİQİ
B.B.DAVUDOV
Bakı Dövlət Universiteti
davud @ yahoo. Com
İşdə Bi
12
SiO
20
birləşməsinin nazik təbəqələrinin impuls plazma buxarlandırma metodu
ilə alınmasına və tədqiqinə baxılmışdır. Təbəqələr polukristal quruluşa, optik aktivliyə və
yüksək səth müqavimətinə - 10
9
Om/▫ malikdir. Təbəqələrin maksimal spektral həssaslığı 0,9 -
1 mkm intervalında dəyişir.
İşdə, həmçinin böyük sürətli çoxkomponentli plazma selinin onun hərəkəti istiqamətinə
şaquli qoyulmuş bərk altlıq üzərində kondensasiyası mexanizminə baxılmışdır.
Təbəqələrin qalınlığı impuls boşalmalarının gücündən asılı olub, 0,2 – 1 mkm
diapazonunda dəyişir. Bunlar bütün səth boyunca eyni struktura malik olub, 60 – 70 % -i
ölçüləri 100 mkm-dən kiçik olan hissəciklərdən təşkil olunmuşdur.
Açar sözlər: plazma, vismut, silikat, nazik təbəqə.
Sillenit strukturlu birləşmələr (Bi
12
GeO
20
, Bi
12
SiO
20
və Bi
8
TiO
14
), mə-
lum olduğu kimi, bir sıra praktiki əhəmiyyətli xassələrə - geniş diapazonda
şəffaflığa, yüksək elektrooptik, fotokeçiricilik, yaddaş xassələrinə və eyni
zamanda böyük xüsusi müqavimətə malikdir [1, 2]. Bunların optik aktivliyi
kristalın daxili sahəsinin təsiri ilə bismut atomlarının oksigen kompleksini
deformasiyaya uğratması ilə əlaqədardır.
Kristal halında yuxarıda göstərilən birləşmələr məlum Çoxralski metodu
ilə alınır. Lakin bu birləşmələrin nazik təbəqələrinin alınması praktiki cəhət-
dən daha vacibdir. Belə ki, bir çox müasir mikroelektron cihazların əsasında
sillenit strukturlu birləşmələrin nazik təbəqə halında olan aktiv elementləri
durur. Keyfiyyətli, etibarlı və böyük istismar müddətinə malik nazik təbəqə-
lərin alınması müəyyən çətinliklərlə üzləşir. Bunlardan ən ümdəsi məlum sta-
sionar üsullarla bu cür mürəkkəb birləşmələrin nazik təbəqələri formalaşdı-
rılarkən birləşmələrin asan və çətin buxarlanan komponentlərə parçalan-
masıdır. Məsələn, Bi
12
SiO
20
birləşməsi dissosiasiya olunduqda Bi atomları
kimi yüksək təzyiqli buxara (1 mm Hg sütunu) malik komponentlərə və Bi
2
O
3,
SiO, SiO
2
kimi alçaq təzyiqli (təxminən 10
-7
—10
-6
mm Hg sütunu) buxara
166
malik komponentlərə parçalanır. Aydındır ki, komponentlərin buxarlanma təz-
yiqləri müxtəlif olduqda materialın buxarlanması “uyğunsuz” olar və nəticədə
birləşmənin təbəqəsi öz əvvəlki tərkibini saxlamaz, yəni təbəqə stexiometrik
olmaz. Çoxkomponenli mürəkkəb materialların stexiometrlik nazik təbəqələ-
rini formalaşdırmaq üçün
n
n
m
P
m
P
m
P
=
⋅
⋅
⋅
=
=
2
2
1
1
konkruyentlik şərtini ödəmək lazımdır. Burada P
1
, P
2
, P
3
- materialı təşkil
edən 1-ci, 2-ci, n-ci komponentlərin doymuş buxarının təzyiqi, m
1
, m
2
, m
n
- isə
bu komponentlərin nisbi kütləsidir.
Bu işdə bismut silikatın (Bi
12
SiO
20
) nazik təbəqəsini formalaşdırmaq
üçün [2,3] işlərində ətraflı şərh olunmuş İmpuls Buxarlanma Metodundan
(İBM) istifadə olunmuşdur. Bu metodun mahiyyəti qısaca aşağıdakından
ibarətdir: İmpuls plazma buxarlandırıcısı bir-birindən izolyatorla, məsələn,
kvarsla (SiO
2
) ayrılmış koaksial elektrodlar sistemindən ibarətdir. Elektrik
boşalma aralığı buxarlandırılan maddələrdən (SiO
2
, Bi
2
O
3
və ya Bi
12
SiO
20
),
elektrodlar isə təmiz misdən ( Cu) və ya bismutdan ( Bi) hazırlanır. Boşalma,
alışdırıcı elektroda yüksək voltlu gərginlik impulsu verməklə alışdırılır. Qida
mənbəyi olaraq 200 mkF-lıq kondensator batareyası götürülmüşdür. Boşalma
cərəyanı I=4,5 kA (U=1000V), onun davametmə müddəti isə τ=200 mks
olmuşdur. Metal, yarımkeçirici və dielektrik materiallarının atom və molekul-
larından təşkil olunmuş çoxkomponentli plazma seli onun hərəkət istiqamətinə
perpendikulyar qoyulmuş sital və ya kvars altlıqları üzərinə çökdürülmüşdür
(şək.1).
Şək.1. Böyük sürətli plazma selinin onun hərəkət istiqamətinə
perpendikulyar yerləşdirilmiş altlıq üzərində kondensasiyası.
Plazmanın altlıqla qarşılıqlı təsirini əks etdirən fotoşəkillər göstərir ki,
altlıqdan 1-1,5 mm məsafədə qalınlığı 2-3 mm olan parlaq işıldayan plazma
təbəqəsi əmələ gəlir. Bu təbəqənin parlaqlığı (işıqlanma intensivliyi) təxminən
buxarlandırıcının çıxışında plazmanın şüalanması intensivliyi tərtibindədir.
Altlığın önündə işıldayan plazma təbəqəsinin yaranmasına səbəb altlıq
səthini bombardman edən atomların bir hissəsinin elastiki olaraq altlığın sət-
hindən əks olunması, altlığın materialından qazların desorbsiyası, altlıq səthi-
167
nin tozlanması və s. nəticəsində altlığın səthinə düşən əsas selin əksinə
yönəlmiş zərrəciklər selinin bu əsas sellə toqquşmasıdır. İndi zərrəciklər artıq
bu zonadan altlığın səthinə kondensasiya olunmağa başlayır. Əgər zərrəcik-
lərin temperaturunun 1-2 eV, konsentrasiyasının 10
14
sm
-3
olduğunu fərz etsək
λ ≈1,5·10
12
T
2
ifadəsindən zərrəciklərin sərbəst yolunun uzunluğu üçün tapılan
qiymət təxminən 1,5 mm olur ki, bu da təcrübədə fotoqrafik üsullarla təyin
olunan qiymətlə üst-üstə düşür. İşıldayan təbəqə ilə altlıq arasında qaranlıq
zonanın olması onu göstərir ki, yaranan plazma təbəqəsindən elektronlar və
ionlar altlığın səthinə toqquşmasız tam sərbəst şəkildə kondensasiya olunur.
Aydındır ki, altlıq üzərinə eyni zamanda, neytral və həmçinin həyəcanlaşmış
atomlar da heç bir maneəsiz düşə bilər.
Beləliklə, altlıq üzərində plazma selinin kondensasiyası və səthində
nazik təbəqənin əmələ gəlməsi onun səthinin bir-birindən asılı olmadan ayrı-
ayrı elektronlar, ionlar, neytral və həyəcanlaşmış atomlar tərəfindən bombard-
man edilməsinin nəticəsidir. Səth tərəfindən absorbsiya olunan yüklü zərrə-
ciklərin nisbətindən asılı olaraq səthin potensialı müsbət və ya mənfi ola bilər.
Səth potensialının dəyişməsində plazma-altlıq aralığında yaranan elektrik
sahəsinin də böyük rolu vardır.
Neytral atomların altlığın səthində absorbsiyası nəticəsində səthin po-
tensialı dəyişmir. Bu vaxt neytral atomla səth arasında neytral formada rabitə
yaranır. Belə ki, səth üzərinə düşən neytral zərrəciklər London və Van-der-
Vaals cəzbetmə qüvvələrinin təsirinə düşür. Bu qüvvələr isə səth atom və
molekullarının dipol və kavdrupul momentlərinin təsiri nəticəsində yaranır.
Nazik təbəqələrin klassik nəzəriyyəsinə görə altlıqla isitilik tarazlığında
olan səthdə absorbsiya olunmuş atomlar bu və ya digər potensial çuxura dü-
şərək istilik rəqsi hərəkətə başlayır. Altlığın temperaturunun, absorbsiya olun-
muş atomların enerjisinin artması və ya digər fluktuasiyalar nəticəsində zərrə-
ciklərin altlığın səthi boyunca rəqsi hərəkətləri o qədər arta bilər ki, atom
qonşu potensial çuxuruna düşə bilər. Səth boyunca bu cür miqrasiya edən
atomlar bir-birilə rastlaşaraq altlıqla daha uzun müddətdə əlaqədə olan “top-
lular” və ya klasterlər əmələ gətirir. Sonra isə zərrəciklərin kondensasiya
prosesində bu toplular birləşərək nazik təbəqələri formalaşdırır.
İmpuls plazma buxarlandırıcılarında plazma əmələ gətirən işçi maddə
kimi həm metal elektrodlarından (Fe, Al, Cu, Mo və s.), həm müxtəlif dielek-
triklərdən (ftoroplast, polietilen, polipropilen, polistirol, germanium və sili-
sium oksidləri və s.) istifadə oluna bilər. Belə dielektriklər əvəzində böyük
müqavimətə malik yarımkeçirici materiallardan da istifadə etmək olar. Məsə-
lən, Si, Ge, Bi
12
GeO
20
, Bi
12
SiO
20
. Buxarlandırıcıların elektrodları ilə kontaktda
olan dielektrik və yarımkeçirici materiallar onların səthində baş verən səth bo-
şalması nəticəsində yaranan plazma selinin təsirinə məruz qalır ki, bu da on-
ların dağılmasına, buxarlanmasına və nəhayət, plazmaya çevrilməsinə səbəb
olur.
168
Spektroskopik tədqiqatların göstərdiyinə görə plazma, əsasən, elektrod-
larla kontaktda olan dielektrik və ya yarımkeçirici nümunələri təşkil edən
elementlərin həyəcanlaşmış və ionlaşmış atomlardan ibarət olur. Materialların
güclü buxarlanması onun səthində yüksək enerji sıxlığının əmələ gəlməsini
göstərir. Konvektiv istilik seli dielektrik və yarımkeçirici materialların dağıl-
ması üçün kifayət deyildir. Belə enerji sıxlığını yalnız plazmanın şüalanması
təmin edə bilər [4]. Təklif olunan impuls plazma sürətləndiricilərində plazma
şüa seli 5·10
5
Vt/sm
2
-dən çox olur.
İmpuls boşalmalarında alınan enerji sıxlığının lazer şüalanmasının enerji
sıxlığı ilə müqayisəsi göstərir ki, sıxlığı 10
5
Vt/sm
2
-dən böyük olan lazer şüa-
lanmasının təsirilə materialların dağılması, onların impuls boşalmasının təsiri
zamanı olan istilik xarakterli dağılması kimidir.
Boşalma kanalına daxil olan ümumi enerji
ionlaşma enerjisinə - W
1
, molekulyar rabitənin qırılması enerjisinə - W
2
, axı-
nın kinetik enerjisinə - W
3
, elektrodların qızması üçün lazım olan enerjiyə -
W
4
və şüalanma enerjisinə - W
5
sərf olunur. Şüalanma enerjisi ilə kimyəvi
rabitələrin qırılmasına sərf olunan enerji arasında yaxşı uyğunluq var.
Yarımkeçirici və dielektriklərin molekulları tərəfindən işıq şüalanma-
sının udulması dərinliyi müəyyən – h qədər olan səth qatında baş verir. Bu
qatın temperaturu
qədər yüksələ bilər. Burada W
s
– işıq selinin enerjisi, ρ – dielektrikin sıxlığı, c-
xüsusi istilik tutumudur. d, l isə işıq selinin düşdüyü səthin eni və uzunlu-
ğudur.
τ =200mks. plazma şüalanmasının təsir müddətidir. Hesablamalar gös-
tərir ki, bu temperaturun qiyməti baxılan qurğularda kifayət qədər böyükdür:
Δ T > 3000K. Aydındır ki, belə yüksək temperaturlarda mürəkkəb birləş-
mələrin bütün komponentləri eyni bir zamanda ani olaraq buxarlana bilər. Bu
da yuxarıda göstərilən konqruyentlik şərtinin ödənilməsi üçün kifayətdir.
Altlıq üzərində çökdürülən plazma selində, yuxarıda qeyd edildiyi kimi,
bütün atomlar, praktiki olaraq, həyəcanlaşmış və ionlaşmış halda olur. Plazma-
nın spektrində iki və hətta üçqat ionlaşmış oksigen atomları müşahidə olunur.
Formalaşan bismut silikatın (Bi
12
SiO
20
) nazik təbəqələri yüksəkomlu
təbəqələrdir. Bunların səth müqaviməti 10
9
Om/▫-a çatır. Təbəqələrin maksi-
mal spektral həssaslığı 0,9 – 1 mkm intervalında yerləşir.
Təbəqələrin qalınlığı boşalmaların gücündən asılı olub, 0,002 – 0,2 mkm
diapazonunda dəyişir. Bu diapazonun aşağı sərhəd qiyməti tək bir impuls
boşalmasına uyğundur. Bu isə təbəqələrin qalınlıqlarını çox kiçik qiymətlərlə
169
məhdudlaşdırmağa və uyğun olaraq müqavimətləri təbəqələrin qalınlıqlarına
görə tənzim etməyə imkan yaradır.
Bu təbəqələrin atom mikroskopu ilə tədqiqi göstərir ki, təbəqələr, demək
olar ki, bütün səth boyunca eyni struktura malik olub, 60-70%-i 60-100
nanometr ölçülü hissəciklərdən təşkil olunmuşdur (şək. 2).
Şək. 2. Bi
12
SiO
20
nazik təbqəsinin atom mikroskopu ilə çəkilmiş quruluşu.
Bismut silikatın nazik təbəqələrinin elektronoqrafik tədqiqatı göstərir ki,
bunlar kubik polikristal quruluşa malikdir. 150-200
0
C -yə qədər qızdırıldıqda isə
elektronoqramlar üzərində nöqtələr əmələ gəlir, yəni monokristal quruluşa keçir.
Qeyd etmək lazımdır ki, impuls plazma texnologiyası ilə bu cür mürək-
kəb çoxkomponentli materialların nazik təbəqələri məlum üsullara nəzərən
daha böyük sürətlərlə (10 –100 mkm/san) almaq mümkündür ki, bu da mik-
roelektron proseslərinin məhsuldarlığının artması deməkdir. Plazma selinin
böyük temperatura və sürətə malik olması isə daha keyfiyyətli təbəqələrin
alınmasına və onların altlıqlar üzərində daha da möhkəm yapışmasına (adge-
ziyasına) imkan yaradır.
170
ƏDƏBİYYAT
1.
Ковтонюк Н.Ф. Электронные элементы на основе структур полупроводник-ди-
электрик. М.: Энергия, 1976, 184 с.
2.
Давудов Б.Б., Исламов Ф.Ш. Нанесение тонких пленок германо-силленита импульсным
плазменным испарением. Изв. АН Аз. ССР, сер. физ.- тех. и мат. наук, 1982, №4, с.84.
3.
Давудов Б.Б., Мяммядов Н.А. İmpuls plazma buxarlandırma üsulu ilə kermet təbə-
qələrinin alınması və tədqiqi. Известия БДУ, сер. физ.-мат. наук, 2009, №1, с. 173.
4.
Davudov B.B. Fizikanın aktual problemləri, VI Res. elmi konf. mat. Bakı, 2010, s.173.
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК СОЕДИНЕНИЯ
СИЛИКАТА ВИСМУТА (Bi
12
SiO
20
) МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО
ПЛАЗМЕННОГО ИСПАРЕНИЯ
Б.Б.ДАВУДОВ
РЕЗЮМЕ
В работе рассмотрены и исследованы тонкие пленки соединения Вi
12
SiO
20
по-
лученных импульсным плазменным испарением. Пленки имеют поликристаллическую
структуру, оптическую активность и высокое поверхностное сопротивление – 10
9
Ом/▫.
Максимальная спектральная чувствительность расположена в интервале 0,9 – 1 мкм.
В работе также рассмотрен механизм конденсации плотного высокоскоростного
многокомпонентного плазменного потока на твердой подложке, вертикально располо-
женной к потоку плазмы.
Толщина пленок зависит от мощности разрядов и в условиях экспериментов из-
менялась в диапазоне 0,2 - 1 мкм. Они имеют однородные повторяющие структуры и 60
– 70% состоят из наночастиц размерами не превышающими 100 нм.
Ключевые слова: плазма, висмут, силикат, тонкие пленки.
PREPARATION AND INVESTIGATION OF THIN FILMS OF VISMUT SILIKATE
(Bi
12
SiO
20
) BY THE METHOD OF IMPULS PLAZMA EVAPORATION
B.B.DAVUDOV
SUMMARY
The paper investigates thin films of Bi
12
SiO
20
prepared by the method of pulse plasma
evaporation. The films possess polycrystalline structures, optical activity and high surface
resistance of 10
9
Om/ . Maximum photosensitivity of films covers the spectrum region of 0,9 – 1
μm.
The condensation mechanism of the high-speed dense plasma stream on the solid
substrate vertically located to plasma flow is considered in this work as well.
The thickness of films varies in 0,2 – 1
μm depending on the discharge power. They
have homogenously repeating structures and 60 – 70% consist of nanoparticles in the size not
exceeding 100 nm.
Key words: plasma, vismut, silicate, thin films.
Redaksiyaya daxil oldu 07.02.2011-ci il.
Çapa qəbul edildi 10.03.2011-ci il.
Dostları ilə paylaş: |