X-Ray Photoelectron Study of Ion Implanted Tetrahedral Carbon

Samples of thin film (d~40nm) tetrahedral amorphous carbon (ta-C), deposited by filtered cathodic vacuum arc (FCVA), have been implanted with N and Ga at ion energy E = 20 keV and ion fluences D = 3.10÷3.10 cm. This results in optical properties modification, best manifested by a significant shift of the optical absorption edge to lower photon energies, which is accompanied by a considerable increase of the absorption coefficient (photo-darkening effect) in the measured photon energy range (0.5÷3.0 eV). These effects could be attributed both to additional defect introduction and increased graphitization, as confirmed by X-ray photo-electron spectroscopy (XPS) measurements. The nonimplanted films show the expected variety of carbon-carbon chemical bonds: threeand fourfold coordinated carbon, while the X-ray results show that ion implantation leads to the introduction of additional disorder in the films. The X-ray photoelectron spectra of the implanted films show that, in addition to the already mentioned changes, the ion bombardment results in an increase of the threefold coordinated as compared to the fourfold coordinated carbon bonds, i.e. increased graphitization of the carbon content in the films. These structural modifications, due to the ion implantation, are the reasons for the observed changes in the optical properties of the films, which could be made use of in the area of high-density optical data storage using focused Ga ion beams. Streszczenie. Próbki cienkiej folii (d~40nm) tetraedrycznego amorficznego węgla (ta-C), napylanego za pomocą przefiltrowanego katodowego łuku próżniowego (FCVA), zaimplantowano N oraz Ga z energią jonów E = 20 keV oraz dawkami jonowymi D = 3.10÷3.10 cm. Skutkuje to zmianą właściwości optycznych, szczególnie znacznym przesunięciem optycznej krawędzi absorpcji do poziomu niższych energii fotonów, czemu towarzyszy znaczny wzrost wartości współczynnika absorpcji (efekt foto-zaciemnienia) dla zakresu energii fotonów (0.5÷3.0 eV). Efekty te mogą być przypisane zarówno do wprowadzania dodatkowych defektów jak i zwiększonej grafityzacji, co potwierdzono metodą rentgenowskiej spektroskopii foto-elektronowej (XPS). Folie nieimplantowane demonstrują oczekiwaną różnorodność wiązań chemicznych węgiel-węgiel: trzy I czterokrotnie skoordynowanego węgla, podczas gdy wyniki badań rentgenowskich wykazali, że implantacja jonowa prowadzi do wprowadzenia dodatkowych zaburzeń w foliach. Rentgenowskie widma fotoelektronowe implantowanych folii wykazują, że dodatkowo do wcześniej wspominanych zmian dochodzi wzrost trzykrotnie skoordynowanej krawędzi w wyniku bombardowania jonowego w porównaniu do czterokrotnie skoordynowanej krawędzi węgla, oznacza to wzrost grafityzacji zawartości węgla w foliach. Takie zmiany strukturowe, ze względu na implantację jonową, są rezultatem obserwowanych zmian właściwości optycznych próbek, które mogłyby być wykorzystywane do optycznego przechowywania danych za pomocą skupionych wiązek jonowych Ga. (Rentgenowskie badania fotoelektronowe węgla tetraedralnego poddanego implantacji jonowej). Słowa kluczowe: tetraedryczny amorficzny węgiel; skupione wiązki jonów; optyczne przechowywanie danych.