Введение к работе
Актуальность темы:
Лазерное и корпускулярное излучение широко используется для управления свойствами поверхностных слоев твердых тел. Высокая плотность энергии, моноэнергетичность, возможность локальной обработки с высоким разрешением позволяет использовать данное излучение на разных стадиях технологического процесса производства интегральных схем. Однако широкого внедрения лазерной обработки в технологию производства различных оптических, оптоэлектронных и электронных компонентов не происходит. Причина этого заключается в необходимости конкурировать с эффективными и отработанными традиционными технологическими приемами обработки полупроводниковых материалов.
В полной мере возможности лазерной и корпускулярной обработки можно продемонстрировать на примере новых материалов. Одним из перспективных классов материалов, с этой точки зрения, являются оксиды переходных металлов (ОПМ). Причина высокой чувствительности соединений переходных металлов к такого рода воздействиям связана с электронным строением атомов d-элементов. Наличие недостроенной d-оболочки приводит к тому, что переходные металлы проявляют в соединениях широкий набор валентных состояний, образуя целый ряд фаз. Причем существуют окислы, не отвечающие формально какому-то целочисленному значению валентности металла. Для большинства оксидов переходных металлов характерны также значительные отклонения от стехиометрического состава в пределах достаточно широкой области гомогенности. Следствием указанных особенностей электронного строения является также то, что энергии различных химических и структурных преобразований в оксидах d-металлов относительно невелики. Это от-
4 крывает возможность селективного (управляемого, например, выбором
длины волны или энергии излучения) воздействия на материал лазерной
или электронной обработками с целью модификации физико-химических
свойств.
Особый интерес представляет проведение таких исследований в материалах с различными электронными и фононными неустойчивостя-ми. Фазовые переходы такого рода типичны для ОПМ. Во многих из них при изменении внешних параметров наблюдается, например, фазовый переход металл-полупроводник (ФПМП) с резким различием физико-химических свойств металлической и диэлектрической фаз. Подобные неустойчивости могут стимулироваться фотонным и корпускулярным излучениями. Отметим также, что исследования модификации свойств оксидов переходных металлов имеют важное прикладное значение в плане поиска новых высокоэффективных фоточувствительных сред для записи оптической информации (как в голографической, так и в цифровой форме) и разработке неорганических фото- и электронорезистов для субмикронной литографии.
Таким образом исследование лазерной и корпускулярной модификации свойств оксидов переходных металлов представляет собой актуальную задачу как с научной, так и с практической точки зрения.
Отметим, что определенные преимущества может дать использование в качестве объектов исследования не объемных образцов, а тонких пленок. Успехи, достигнутые в технологии и материаловедении тонких оксидных пленок, позволяют в настоящее время получать высококачественные слои заданной толщины на различных подложках, не уступающие по уровню совершенства "идеальным" монокристаллам. В то же время при взаимодействии с коротковолновым лазерным излучением или элек-
5 тронными и 'ионными пучками, малая толщина образца имеет важное значение для однородного распределения поглощенной энергии. Кроме того, оксидные пленки, полученные, например, методом анодного окисления, являются, как правило, аморфными, что. с одной стороны определяет дополнительный механизм изменения свойств материала при облучении за счет кристаллизации, а с другой - обеспечивает потенциально высокое разрешение фото (электроно) чувствительных сред на основе оксидов переходных металлов.
Целью данной работы является исследование модификации структуры, состава, и физико- химических свойств тонких пленок оксидов переходных металлов (V. Nb. Та. Ті) под действием лазерного и корпускулярного излучений, а также возможности использования обнаруженных эффектов в различных приложениях.
Научная новизна и практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые детально исследован эффект сильной модификации свойств аморфных ОПМ. полученных методом анодного окисления, под действием лазерного и электронного облучений.
Эффект модификации свойств аморфных пленок ОПМ под действием лазерного и корпускулярного излучений может быть использован при разработке неорганических фото- и электронорезистов и оптических сред с высокими характеристиками - чувствительностью ~ 0.5-1 мДж/см2 для дальнего ультрафиолета и ~1мкКл/см2 для электронов и субмикронным разрешением (до 20()нм). Обнаруженные эффекты перспективны также для разработки элементов интегральной оптики.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Под действием лазерного и электронно-лучевого излучений в тонких пленках ОПМ, полученных анодным окислением, наблюдается существенная модификация физико-химических свойств материалов - изменение оптических констант, рост проводимости, снижение электрической прочности, изменение химической активности.
-
Наибольшей чувствительностью обладают анодные оксиды ванадия, химические и структурные особенности которых, а также наличие электронных фазовых переходов (ФПМП), делают их метастабиль-ными объектами с пороговыми энергиями и дозами начала модификации свойств Е0< 1 мДж/см2 для фотонов и W0 ~1 мкКл/см2 для электронов.
-
Механизм модификации определяется процессами кристаллизации аморфных пленок и окислительно-восстановительных реакциями на внутренних и внешних границах пленочных структур, формирующихся в ходе анодного окисления. В случае оксида ванадия сильное влияние на модификацию свойств оказывает фото - и электроности-мулированный фазовый переход металл-полупроводник.
-
В рассмотренном классе оксидных материалов реализуется процесс фотостимулированного анодного окисления, обладающего универсальными свойствами. В частности, для эффективного фотостимулированного окисления энергия квантов света должна превышать ширину запрещенной зоны оксидного материала.
5. Обнаруженные эффекты могут найти применение при разработке
элементов интетралыю^^птики^эффективньгх оптических сред и фо
то- и электронорезистов в литографических процессах с разрешением
менее 200 нм.
Апробация работы; Основные результаты изложенные в диссертации докладывались на научных семинарах кафедры физики твердого тела ПетрГУ; I международной научно-технической конференции "Химия -97" (Международный семинар "Анодная электрохимическая обработка металлов", г. Иваново, 1997); Международной конференции "Проблемы преподавания математики и физики в высшей и средней школе"., Петрозаводск, 1998 г.; Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики -97", С.-Петербург, 1997 г., International conference on solid state crystals., Zakopane, Poland, 1998 г.; 7th Nolamp conference, 7th Nordic conference in laser processing of materials., Lappeenranta, Finland 1999 г.; VII Международной конференции по физике и технологиям тонких пленок, г. Ивано-Франковск, Украина 1999 г.
Публикации.
По результатам работы опубликованы три статьи и тезисы шести докладов на международных конференциях, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения и выводов, и списка цитігруемой литературы. Диссертация содержит 124 страницы, 34 рисунка, 6 таблиц, список литературы включает в себя 121 наименование.
Похожие диссертации на Лазерная и корпускулярная модификация свойств оксидов переходных металлов
