Тонкие пленки молибдата свинца: получение и свойства

УДК 621.039.531

© В. М. Халтанова, Н. Н. Смирнягина

ТОНКИЕ ПЛЕНКИ МОЛИБДАТА СВИНЦА: ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА

Рассмотрены закономерности синтеза тонких пленок молибдата свинца, полученные распылением ионными пучками. Для синтеза пленок использовали распыление с двумя ионными пучками. Данная методика позволяет проводить независимое распыление двух мишеней реагирующих компонентов (оксида свинца PbO и триоксида молибдена MoO3) c образованием газообразных потоков частиц, которые поступают на поверхность подложек, где происходит образование молибдата свинца. Выращенные пленки являются ориентированными, поликристаллическими и имеют структуру шеелита. Обсуждена модель формирования слоев PbMoO4 на поверхности плавленого кварца SiO2. Приводится анализ ростовых процессов. Был проведен рентгенофазовый анализ образцов с помощью санирующего зондового атомно-силового микроскопа MultiMode 8. Формирование тонких пленок является сложным физико-химическим процессом, что подтверждается экспериментальными результатами при сопоставлении с теоретическими данными.

Ключевые слова: ионные пучки, лучевое распыление, формирование слоев пленок, тонкие пленки, подложка, молибдат свинца, поликристаллические пленки

V. M. Khaltanova, N. N. Smirnyagina THIN FILMS OF LEAD MOLYBDATE: OBTAINING AND PROPERTIES

Regularities of lead molybdate thin films synthesis were considered, obtained by ion beam sputtering. The process of thin films synthesis by sputtering with two ion beams is considered. This technique allows independent targets sputtering of two reactive components (lead oxide PbO and molybdenum trioxide MoO3) with formation of gaseous streams of particles that come to the surface of the substrate, where the synthesis of lead molybdate takes place. Grown PbMoO4 thin films were oriented, polycrystalline and had the structure of scheelite. The model of PbMoO4 layers formation on the surface of fused silica SiO2 is discussed. The analysis of growth processes is provided. X-ray analysis of samples using scanning probe atomic force microscope MultiMode 8 was conducted. Research has shown that the formation of PbMoO4 thin films is a complex physical-chemical process that is proved by the experimental data being compared with the theoretical ones.

Keywords: ion beam, sputtering layer, film target substrate, thin films, substrate, lead molybdate, polycrystalline films

Тонкие пленки молибдата свинца PbMoO4 обладают уникальными акустооптическими и акустоэлектрическими свойствами и широко применяются в акусто- и оптоэлектронике [1]. Среди существующих методов формирования пленок особое внимание привлекает метод распыления ионными пучками [2]. Однако, к настоящему времени недостаточно полно изучено строение пленок PbMoO4, что требует продолжения исследований в

В. М. Халтанова, Н. Н. Смирнягина. Тонкие пленки молибдата свинца: получение и свойства

этой области. В связи с этим изучение строения тонких пленок молибдата свинца, полученных распылением ионными пучками, и исследование закономерностей их роста представляет научный и практический интерес.

С использованием различных методик распыления были синтезированы тонкие пленки молибдата свинца [3]. Рассмотрены подробно процессы синтеза слоев PbMoO4 с применением распыления с двумя ионными пучками (рис. 1). Данная методика позволяет проводить независимое распыление двух мишеней реагирующих компонентов (оксида свинца PbO и триоксида молибдена MoO3) c образованием газообразных потоков частиц, которые поступают на поверхность подложек, где происходит синтез молибдата свинца. Выращенные тонкие пленки были ориентированные, поликристаллические, имели структуру шеелита.

Был проведен рентгенофазовый анализ образцов (дифрактометр D8 ADVANCE фирмы Bruker, СиКа-излучение). Исследование с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа MultiMode 8 показало, что формирование тонких пленок является сложным физико-химическим процессом. Была детально изучена последовательность физико-химических превращений на подложке при синтезе молибдата свинца, который является продуктом реакции двух простых оксидов (оксида свинца и триоксида молибдена).

Согласно [4], распыленные частицы покидают поверхность мишени в состоянии свободных атомов. Можно предположить, что выращивание тонких пленок металлооксида происходит в следующей последовательности: вначале на поверхность подложки поступают нейтральные свободные атомы, затем происходит их превращение в оксиды, причем сначала в простые, а уже затем в сложные. Увеличение температуры подложки, послеростовая термообработка в кислородсодержащей среде свежевыращенных слоев способствуют образованию однофазных пленок и развитию их текстуры.

Рис. 1. Внешний вид вакуумной камеры с двумя ионными источниками (а) и конструктивная схема устройства (б): 1- корпус; 2 - сегмент; 3 - стойка; 4 -держатель; 5 - мишень; 6 - держатель подложек; 7 - подложки; 8 - валик; 9, 10 - источники ионов; 11, 12 - ионные пучки

а

б

С целью изучения закономерностей синтеза тонких пленок РЬМо04 пленки наращивались на подложки из плавленого кварца при температуре 200С. Энергии распыляющих ионов для мишеней МоО3 и РЬО составляли соответственно 4 кэВ и 5 кэВ. Затем осуществлялся стадийный отжиг пленок на воздухе.

Рентгенофазовый анализ пленок, полученных при различных температурах отжига, показал, что свежевыращенные пленки содержат триоксид молибдена и низкотемпературную тетрагональную модификацию оксида свинца. Отжиг при температуре 4500С приводит к укрупнению зерен МоО3 и постепенному переходу оксида свинца в высокотемпературную ромбическую модификацию. При температуре отжига 5500С наряду с рефлексами оксидов, наблюдаются рефлексы, соответствующие молибдату свинца. При данной температуре идет процесс интенсивного образования тонкой пленки РЬМо04. Однофазные тонкие пленки молибдата свинца формировались при температуре отжига 6500С. Увеличение температуры отжига до 7000С приводило к совершенствованию структуры слоев (рис. 2).

в г

Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы слоев РЬМо04, выращенных на подложках из плавленого кварца при различных температурах: а - 200С; б -

4000С; в - 6500С; г - 7000С

Ch. Bolormaa, J. Ragchaa, O. Bolormaa Hydrochemical study of hot springs in Western Mongolia

Наглядно изменение морфологии поверхности и строение слоев при изменении температуры отжига наблюдается на снимках сканирующего зондового атомно-силового микроскопа. С увеличением температуры поверхность слоев становилась все более гладкой и однородной (рис. 3).

Анализ полученных результатов позволяет предположить, что синтез тонких пленок молибдата свинца подобен твердофазному синтезу порошка PbMoO4 в системе PbO - MoO3 [5]. На это указывает стадийный характер образования тонких пленок молибдата свинца: вначале образуются зерна оксидов, затем происходит реакция образования PbMoO4. По-видимому, как и при твердофазном синтезе порошка молибдата свинца, в пленках образовавшиеся зерна оксида свинца и триоксида молибдена укрупняются, затем на границах зерен в результате одностороннего массопереноса МоО3 образуется продукт реакции - PbMoO4. Подтверждением данного механизма

Рис. 3. Строение поверхности (атомно-силовой микроскоп МиШМоёе-8) слоев РЬМо04, выращенных на подложках из плавленого кварца при различных температурах: а - 4000С; б - 5000С; в - 6500С; г - 7000С

синтеза является совпадение температур начала образования, интенсивного взаимодействия и образования конечного продукта.

Таким образом, в результате проведенных исследований были изучены процесс синтеза тонких пленок молибдата свинца, полученных ионно-лучевым методом. Обнаружено, что последовательность физико-химических превращений в процессе образования PbMoO4 подобна твердофазному синтезу.

Литература

1. Акустические кристаллы. Справочник / под ред. М. П. Шаскольской. -М.: Наука, 1982. - 632 с.

2. Семенов А. П. Пучки распыляющих ионов: получение и применение. -Улан-Удэ: изд-во БНЦ СО РАН, 1999. - 207 с.

3. Семенов А. П., Смирнягина Н. Н., Халтанова В. М., Белянин А. Ф. О выращивании тонких пленок металлооксидов распылением ионным пучком // Физика и химия обработки материалов. - 1993. - № 4. - С. 99-104.

4. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Т. 2 / под ред. Р. Бериша. - М.: Мир, 1986. - 488 с.

5. Жуковский В. М. Статика и динамика процессов твердофазного синтеза молибдатов двухвалентных металлов: дис. ... д-ра хим. наук. -Свердловск, 1973. - 395 с.

Халтанова Валентина Михайловна, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: haltanovavm@mail.ru

Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахъяновой, 6, e-mail: ionbeam@ipms.bscnet.ru

Khaltanova Valentina Mikhailovna, candidate of physical and mathematical sciences, associate Professor, Department of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina, St., 24a, 8, e-mail: haltanovavm@mail.ru

Smirnyagina Natalya Nazarovna, Doctor of Engineering, associate Professor, chief researcher, Institute of Physical Materials Science SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhianovoy, St., 8, e-mail: ionbeam@ipms.bscnet.ru