Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

Черемисин А.Б., Величко А.А., Путролайнен В.В., Пергамент А.Л., Кулдин Н.А.

Известно, что оксиды переходных металлов (ОПМ) могут подвергаться структурным и фазовым трансформациям под действием лазерного излучения. Модификация всегда сопровождается значительными изменениями в оптических и физико-химических свойствах материала. Так, в работе [1] исследовалось влияние воздействия ультрафиолетового излучения ArF эксимерного лазера (длина волны 193 нм) с тонкими пленками аморфного оксида титана, выращенного методом лучевой газофазной эпитаксии. Показано, что облучение аморфной TiO2 пленки ультрафиолетовым излучением ведет к кристаллизации сначала в анатаз, а затем в рутил при энергиях в импульсе 40 - 50 мДж/см2 и дозе более 3 Дж/см2. В [2], на примере аморфной V2O5 пленки, показана возможность оптической записи информации, где с помощью стандартной лазерной голографической системы записывались дифракционные решетки. Возможность голографической записи была обусловлена изменением кристаллической структуры а, следовательно, и оптических констант пленочного материала в максимумах интерференционной картины. В работе [3], используя электроннолучевую модификацию, показана возможность проведения литографии с субмикронным разрешением на анодных аморфных V2O5 и VO2 пленках, что значительно расширяет область использования данных материалов в качестве неорганических резистов.

В данной работе представлены результаты исследования механизма лазерно-индуциро-ванной модификации физико-химических свойств тонких аморфных пленок пентаоксида ванадия, синтезированного методом импульсного лазерного испарения.

Ранее в [4] нами было показано, что воздействие ультрафиолетового лазерного излучения высокой интенсивности на V2O5-пленку индуцирует рост физико-химической стойкости материала в процессах ионно-лучевого травления. Как известно [5], процесс физического распыления материалов характеризуется коэффициентом распыления (КР), который определяется как число атомов, выбиваемых из материала мишени одним падающим ионом.

Согласно теории физического распыления аморфных и поликристаллических материалов, разработанной Зигмундом [5], если энергия падающих под прямым углом к поверхности ионов Еи меньше некоторой величины E*, КР выражается формулой:

а,                       (1)

где β - безразмерный параметр, зависящий от ma/mи, Есуб - энергия сублимации материала мишени. В области энергий Еи > Е*:

а,                    (2)

где величина а представляет собой ядерное тормозное сечение ионов.

Как видно из представленных выше выражений, КР обратно пропорционален энергии сублимации Есуб материала мишени. При сублимации происходит удаление атомов с поверхности, где действует только половина связей [5]. Следовательно, чтобы удалить атом из объема материала, необходима энергия 2Eсуб. При столкновении с ионом атом не только выбивается из занимаемого им положения, но и внедряется в решетку, смещая другие атомы. Для осуществления такого процесса необходима энергия не менее 4Eсуб.

Таким образом, согласно результатам из [4], уменьшение скорости травления, а, следовательно, и коэффициента распыления пентаоксида ванадия вследствие лазерной обработки можно объяснить увеличением энергии сублимации распыляемого материала.

С другой стороны, рентгеноструктурный анализ пленок [6] выявил лазерно-индуцированную модификацию атомной структуры V2O5, т.е. наблюдаются изменения топологической разупорядоченности (разупорядоченность ближнего порядка) и нарушения координации атомов металла и кислорода. Подобные трансформации структуры ближнего порядка допускают локальные флуктуации углов и, возможно, длин связи V-О-V, двугранных углов кислородных полиэдров и взаимных расположений последних в сетке оксида. Энергия связи V-О зависит от величины угла V-О-V в кислородном полиэдре [7]. Следовательно, лазерное воздействие индуцирует такое структурное состояние вещества, в котором энергия связи атомов материала увеличится (увеличится энергия сублимации). Что подтверждается в экспериментах по физическому травлению V2O5.

Отметим, что в спектральной области фундаментального поглощения модифицированного пентаоксида ванадия наблюдается рост коэффициента поглощения материала [4]. Учитывая, что

f ~  f                        (3)

(где f - коэффициент поглощения материала, f - квадрат матричного элемента, определяющий вероятность оптических переходов, f - плотность начальных и конечных состояний), общий рост поглощения в рассматриваемой области объясняется исходя из увеличения f. Это увеличение f связано с увеличением степени 3d - 2p-гибридизации, обусловленным в данном случае уменьшением средних V-O расстояний вследствие лазерной модификации атомной структуры V2O5 пленки.

Таким образом, в данной работе показано, что механизм лазерно-индуцированной модификации физико-химических свойств и роста стабильности к ионно-лучевым воздействиям тонких аморфных V2O5 пленок, синтезированных методом импульсного лазерного испарения, заключается в изменении топологической разупорядоченности и нарушении координации атомов металла и кислорода с образованием нового (по сравнению с исходным) структурного состояния вещества, в котором материал обладает большей энергией сублимации.

Работа выполнена при поддержке грантов: институт Швеции (Dnr: 01370/2006), Федеральное Агентство РФ по науке и инновациям (контракт № 02.513.11.3351), Министерство образования РФ и американский фонд гражданских исследований и развития (CRDF Award No. Y5-P-13-01).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Митрев П., Бенвенути Дж., Хофман П., Смирнов А., Калитеевская Н., Сейсян Р.- Письма в ЖТФ. т. 31, в. 21, 2005, с.17.
  2. Chudnovskii F.A., Pergament A.L., Schaefer D.A., Stefanovich G.B.- J. Solid state chemistry. v. 118, 1995, p.417.
  3. Stefanovich G.B., Pergament A.L., Velichko A.A., Stefanovich L.A.- J. Phys.: Condens. Matter. V.16, n.23, 2004, P.4013.
  4. Черемисин А.Б., Путролайнен В.В., Величко А.А., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Grishin A.M. - Сборник трудов. V Межд. Конф. "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт-Петербург.- 2006.- С. 317.
  5. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Ионное травление микроструктур.- М.: Сов. Радио, 1979.- 104с.
  6. Cheremisin A.B., Loginova S.V., Velichko A.A., Putrolaynen V.V., Pergament A.L., Grishin A.M.- J. Phys.: Conf. Ser. V.100, 2008, 052096 (4pp).
  7. Одынец Л.Л., Орлов В.П. Анодные окисные плёнки. Л.: Наука, 1990.-200 с.