Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

МЕХАНИЗМ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ МОДИФИКАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК ПЕНТАОКСИДА ВАНАДИЯ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИСПАРЕНИЯ

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.

Библиографическая ссылка

Черемисин А.Б., Величко А.А., Путролайнен В.В., Пергамент А.Л., Кулдин Н.А. МЕХАНИЗМ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ МОДИФИКАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК ПЕНТАОКСИДА ВАНАДИЯ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИСПАРЕНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2008. – № 6. – С. 105-107;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=3255 (дата обращения: 18.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252