Исследование методом комбинационного рассеяния света алмазоподобных пленок.
Определение границы применимости метода.

Матвеев Андрей Викторович, 3 курс ФФ НГУ
e-mail: mat_and@chat.ru
Научный руководитель: к.ф.-м.н. Золкин Александр Степанович

Аннотация

Методом КР проведено исследование алмазоподобных пленок, полученных в кислородно-ацетиленовом пламени на молибденовых подложках. Впервые установлена низкотемпературная область синтеза алмазоподобных пленок (873-923 К), которая на 150-200 К ниже изестных температур пламенного синтеза на молибдене. Проведена оценка минимальной толщины а.п. ("0.24 мкм), начиная с которой примененная в работе методика КР позволяет судить о существовании алмазной фазы (пик 1332 см-1) в синтезированных пленках. Отсутсвие пика 1332 см-1 в спектрах КР алмазного порошка с размерами частиц "40 А подтверждает проведенную оценку.

Введение

Для исследования конденсированных материалов активно применяются и разрабатываются следующие методы диагностики: рентгеноструктурный анализ, ЭПР, электронная микроскопия, комбинационное рассеяние света и др[1].
Анализ спектров комбинационного рассеяния позволяет судить о структуре и фазовом составе пленки без повреждения исследуемого образца. Однако при некоторой предельной толщине пленки спектр вещества исчезает.
Цель данной работы - с помощью комбинационного рассеяния света исследовать полученные пламенным методом алмазоподобные пленки: их структуру, фазовый состав. Определить оптимальные условия для напыления алмазной фазы. Определить границу применимости метода, т.е. предельную толщину пленки, при которой удается получить спектр вещества.

Теория

Почти сразу же после появления экспериментальных работ И.Е.Тамм предложил теорию [2] комбинационного рассеяния, основанную на интерпретации рассеяния света как реакции квазичастиц, происходящей вследствие существования кубического ангармонизма.
В гармоническом приближении квазичастицы не взаимодействуют друг с другом. Ангармонические слагаемые в гамильтониане кристалла, связывающие различные (в частности электромагнитные) колебания, ответственны за взаимодействие между квазичастицами и приводят к процессам рассеяния, а также к реакциям распада квазичастиц и к неупругим столкновениям между ними. С этой точки зрения элементарный процесс стоксова КР можно рассматривать как реакцию распада кванта света на другой квант света и оптический фонон (рис1).

Для такой реакции приближенно (с точностью до неопределенности в энергии и квазиимпульсе) выполняются законы сохранения

-волновые вектора падающего фотона, рассеянного фотона и фонона соответственно, а

- их энергии.

Наиболее простой вид спектр оптических фононов имеет в случае кристаллов со структурой типа алмаза. Для такой структуры в примитивной ячейке присутствует два тождественных, но не эквивалентных друг другу атомов. В соответствии с этим для произвольной точки зоны Бриллюэна имеется три ветви оптических фононов. При k=0 теоретико-групповой анализ предсказывает слияние оптических ветвей в соответствии с классификацией оптических фононов точке Г (k=0) трехкратно вырожденным неприводимым представлением F2g точечной группы симметрии Оh . Согласно правилам отбора тип F2g активен в спектре КР и неактивен для процессов поглощения. Таким образом, в спектре первого порядка следует ожидать появления лишь одной линии КР, соответствующей частоте оптического фонона (=1332.5+0.5 см-1 и ширине комбинационного спутника (=1.65+0.02см-1.

Экспериментальная часть

КРС возбуждали излучением с длиной волны 488 нм Ar+ лазера мощностью 100 мВт. Мощность падающего излучения 5 мВт, диметр пучка 2 - 3 мкм. Рассеяный свет обрабатывался в спектрографе TRIРLEMATE фирмы SPEX (США). Приборная погрешность в полученных спектрах КР составляет 1см-1.

Рис.2 Индийский алмаз Рис.3 Стеклоуглерод
Рис.4 Алмазоподобные пленки Рис.5 Алмазный порошок

 

Результаты

В качестве эталонов были сняты спектры КР первого порядка с природного алмаза (рис. 2), и стеклоуглерода (рис. 3). В спектре алмаза доминирует одна сильная полоса 1333+1 см-1 , у графита 1582+1 см-1. В спектре стеклоуглерода присутствуют две линии практически одинаковой интенсивности:1355+5см-1 и линия графита 1582+1см-1.
Характерные спектры углеродных поликристаллических плёнок, синтезированных пламенным методом (рис.4) содержат алмазные, графитовые линии и линии стеклоуглерода.
Пленки, в спектре которых содержится пик 1332 см-1, были получены при температуре 873 - 923К, что на 150 - 200К ниже известных температур пламенного метода.
Комбинационное рассеяние алмазных порошков размером 40А, полученных взрывным методом, также как и в случае с природным алмазом, сопровождалось сильной люминесценцией. Спектры в районе 1332+5 см-1 не содержат линий с высокой интенсивностью (Рис. 5).

Обсуждение результатов

Отсутствие линий 1332 см-1 в спектрах алмазных порошков размером 40А можно объяснить двумя причинами: "приборной", связанной с малой мощностью лазера и слабой чувствительностью ФЭУ; и "физической", связанной с малым объемом рассеивающего вещества.
В первом случае для оценки интенсивностей линий в КР можно воспользоваться следующим выражением[3]

где S - сечение КР на одну молекулу для единичного телесного угла, N - число молекул в единице объема, - телесный угол, в котором наблюдается рассеяние, n - показатель преломления пленки,
I - интенсивность возбуждающего излучения, падающего на пленку, d - толщина пленки.

Для того чтобы сигнал КР был зарегистрирован, рассеяное излучение должно иметь интенсивность П выше порога чувствительности современных ФЭУ( 10-13 Вт/см2 - с учетом пропускания оптической системы). Полагая S=10-26см-2, n=2.4, N=1023 см-3, = 1рад, П = 10-13Вт/см2, I = 5*104 Вт/см2, получаем, что минимальная толщина алмазной пленки, регистрируемая прибором, составляет 10-14 см. Т.о. используемый прибор позволяет регистрировать пленку любой толщины.
Минимальную толщину пленки, связанную с физическими ограничениями процесса упругого рассеяния света, можно оценить следующим образом. Максимальное значение изменения импульса фотона при (=1800 (рис.1) (k=2k, где k=2(/(, (=488нм - длина волны фотона. Тогда для фонона kф=2k, и минимальная толщина пленки d=(/2=2.44*10-7см.

Выводы

В результате исследования подложек методом КР установлено, что оптимальными условиями для напыления алмазной фазы являются:

Для спектрографа TRIPLEMATE и используемого для возбуждения КРС Ar+лазера с длиной волны 488 нм оценена, исходя из ограничений процесса упругого рассеяния света, минимальная толщина алмазной пленки d=0.24, при которой, используя метод КР, можно утверждать о ее существовании на подложке.

Литература:

1. Андреев В.Д. Диагностика микроструктуры и фазового состава алмазных и алмазоподобных пленок. Техника средств связи, Выпуск 4. Технология производства и оборудование.1991.
2. Тамм. И.Е. Собрание научных трудов, т. 1. М., "Наука", 1975, с.168 - 185.
3. Горелик В.С., Сущинский М.М., Хашимов Р.Н. Резонансное комбинационное рассеяние света вблизи поверхности кристаллов. - В кн.: Неупругое рассеяние света в кристаллах (Тр. ФИАН, т. 180). - М., "Наука", 1987.

Полный файл курсовой работы в формате Word 97: diamond.exe
(самораскрывающийся архив RAR: 1.78 Mb)