Синтез наночастиц серебра на поверхности диэлектрической матрицы при термическом отжиге тонких пленок

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 2. С. 110-114.

УДК 539

И.Е. Ченцова, В.И. Дубовик, В.С. Ковивчак

СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА НА ПОВЕРХНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ОТЖИГЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Представлены результаты по синтезу наночастиц серебра при термическом отжиге металлических пленок, напыленных на неорганическое натрий-кальций-силикатное стекло. Исследованы оптические спектры пропускания и морфология поверхности нанокомпозиционного материала «металл-диэлектрик».

Ключевые слова: наночастицы серебра, поверхностный плазмонный резонанс, термический отжиг, нанокомпозиционный материал «металл-диэлектрик».

Композиционные материалы, представляющие собой диэлектрическую матрицу, содержащую металлические наночастицы (далее - НЧ), обладают уникальными физическими свойствами. Нелинейные оптические эффекты, проявляющиеся в подобных материалах, обусловлены возбуждением поверхностных плазмонов при резонансном взаимодействии электромагнитного излучения с плазмой свободных электронов в металлических НЧ - эффект поверхностного плазмонного резонанса (далее -ППР). Эффект ППР, в свою очередь, приводит к появлению резонансных полос поглощения в оптических спектрах НЧ благородных металлов [1; 2].

Настоящая работа является продолжением исследований НЧ серебра, синтезированных при импульсном ионном облучении тонких металлических пленок [3]. Металлические пленки толщиной 40-150 нм наносились на подложки путем термического осаждения в вакууме, при температуре подложки, не превышающей 100 оС. В качестве подложек использовались пластины из неорганического натрий-кальций-силикатного стекла (далее - ННКСС), содержащего оксиды металлов: Na2O - 37,5 %, CaO - 5,7 %, MgO - 7,8 %. Формирование НЧ осуществлялось при последовательном отжиге пленок на воздухе при температуре 200 оС, 400 оС и 500 оС в течение 1 часа. Дополнительно проводилось облучение отожженных образцов на ускорителе «ТЕМП» протон-углеродным пучком (70 % С+, 30 % Н+) со средней энергией ~300 кэВ, длительностью 60 нс и плотностью тока, не превышающей 20 А/см2. Морфология поверхностей исследовалась с помощью атомно-силового микроскопа «Solver Pro». Оптические свойства металлических НЧ исследовались методом оптической абсорбционной спектроскопии на спектрофотометре СФ-46 в диапазоне от 350 до 700 нм при падении света под углом 90о к поверхности образца. Точность измерений по пропусканию - 0,5 Т %, по длине волны - 0,3 нм.

АСМ изображения и профили поверхности пленок серебра (рис. 1) показывают, что над сплошной поверхностью пленки выступают НЧ размером до 10 нм. Размер этих НЧ не зависит от толщины напыленной пленки. Данные НЧ являются центрами роста более крупных частиц, образующихся при термическом отжиге или ионном облучении.

В результате отжига при Т = 400 оС поверхность пленки преобразуется в островковую структуру с эллипсоидальными образованиями высотой до 400 нм (рис. 2). Увеличение температуры отжига до 500 оС приводит к дальнейшему росту эллипсоидальных образований вследствие увеличения подвижности атомов серебра и их диффузии к ранее образовавшимся островкам [3]. При этом островки становятся более однородными по размерам и форме (рис. 3).

© И.Е. Ченцова, В.И. Дубовик, В.С. Ковивчак, 2012

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Рис. 1. АСМ-изображение и профиль поверхности пленки серебра толщиной 150 нм

мкм

нм

мкм

О о

мкм

Рис. 2. АСМ-изображение и профиль поверхности пленки серебра толщиной 150 нм после термического отжига при 400 оС

Рис. 3. АСМ-изображение и профиль поверхности пленки серебра толщиной 150 нм после термического отжига при 500 оС

Термический отжиг тонкой пленки серебра толщиной до 150 нм на подложке из неорганического натрий-кальций-силикат-ного стекла приводит к синтезу на поверхности и в приповерхностных слоях подложки наночастиц серебра различного размера и формы, образование которых регистриру-

ется по плазмонному поверхностному резонансу в спектрах оптического пропускания (рис. 4) и на АСМ-изображениях. В результате термического воздействия экспериментальные спектры пропускания представляют собой суперпозицию полос плазмонного поверхностного резонанса от ансамбля на-

ночастиц различных размеров. При увеличении температуры термической обработки в спектре пропускания наблюдаются полосы с ярко выраженными минимумами, что свидетельствует об образовании НЧ преимущественно с размерами 5-10 нм [4].

А,,нм

Х,нм

Рис. 4. Спектры оптического пропускания пленки серебра толщиной 150 нм до термической обработки (а) и после термического отжига при 400 оС (б) и 500 оС (в) Особо следует отметить, что при отжиге происходит диффузия атомов серебра в диэлектрическую матрицу и образование металлических НЧ в объеме подложки, что подтверждается спектрами оптического пропускания образцов до и после термической обработки. Действительно, большое количество содержания окислов натрия способствует образованию НЧ серебра в приповерхностном слое ННКСС, вследствие диффузии ионов натрия и замещения их ионами серебра как при термическом отжиге [3], так и при воздействии ионным пучком на металлическую пленку [5]. Подобный же механизм реализуется в процессе прямой имплантации ионов серебра в стеклянную диэлектрическую матрицу [6]. Следует отметить, что при использовании в качестве подложки плавленого кварца, применяемого в оптической спектроскопии, образование металлических наночастиц происходит менее эффективно из-за высокой температуры плавления кварца и малого количества содержания примесей.

В дальнейшем для повышения однородности распределения металлических НЧ по форме и размерам предполагается использование комплексного воздействия на пленки, включающего термический и лазерный отжиги [7], импульсное ионное облучение [5].

ЛИТЕРАТУРА

[1] Степанов А. Л., Чичков Б. Н., Валеев В. Ф., Нуждин В. И., Файзрахманов И. А. // Письма в ЖТФ. 34. 5. 2008.

[2] Степанов А.Л. и др. // ФТТ. 51. 1. 2009.

[3] Lavers C. R., Ault B. J., Wilkinson J. S. // Phys. D: Appl. Phys. 27. 235. 1994.

[4] Mie G. // Ann. Phys. Vol. 25. P. 377-422. 1980.

[5] Ковивчак В. С., Дубовик В. И., Бурлаков Р. Б. // Поверхность. 4. 1. 2009.

[6] Степанов А. Л., Попок В. Н. // Письма в ЖТФ. 29. 23. 2003.

[7] Степанов А. Л., Валеев В. Ф., Нуждин В. И., Базаров В.В., Файзрахманов И.А. // ЖТФ. 79. 106. 2009.

' НМ