2
3
СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОЙ ПЛЕНКИ АЛЬФА-AlO (0001) НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ
2
3
METHOD OF DEPOSITION OF NANOSCALE FILM ALPHA- AlO (0001) ON METAL SUBSTRATES

Изобретение относится к методам осаждения тонких пленок на металлическую подложку, а именно к нанотехнологиям и наноструктурам.
2
Известен способ изготовления полярной упорядоченной тонкой пленки MgO («Method for preparing polar MgO order thin film», CN №1958455 (A), 2006.11.27), в котором на металлическую подложку в вакууме осаждают моноатомный слой магния, затем напускают в камеру O и нагревают сформированную подложку до температуры 400°C. После того как температура подложки стабилизируется, система естественным путем охлаждается до комнатной температуры, после чего процесс повторяется. Данная процедура приводит к формированию структурно-упорядоченной пленки оксида магния со структурой поверхности, соответствующей полярной грани кристалла MgO (111).
Недостатками этого способа являются: взаимная диффузия атомов магния и подложки, приводящая к нарушению структурного атомного порядка слоя магния и соответственно всего слоя оксида магния; а так же ожидаемая диффузия молекул кислорода сквозь слой магния и взаимодействие его с веществом подложки, приводящее к нарушению симметрии выращиваемой пленки. Оба указанных обстоятельства приводят к нарушению резкости межфазовой границы оксид-подложка, что существенно снижает характеристики получаемой системы.
2
3
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ осаждения наноразмерной пленки α-AlO (0001) на металлическую подложку в условиях сверхвысокого вакуума, включающий нагрев, испарение и осаждение оксида алюминия на металлическую подложку (EP 1616978 A1, МПК C23C 30/00, 18.01.2006, формула, пример).
2
3
Задачей изобретения является получение ориентированной, высокостабильной, наноразмерной пленки α-AlO (0001) на чистой поверхности металла-подложки с сохранением резкости межфазовой границы оксид-металл на атомном уровне.
2
3
2
3
Поставленная задача достигается тем, что в условиях сверхвысокого вакуума порошок AlO нагревают вольфрамовой спиралью до t≈2700-2800°C. При данной температуре происходит испарение AlO с последующим осаждением молекул оксида на металлическую подложку, поддерживаемую при температуре 700°C.
2
3
В качестве подложки используют поверхность кристалла металла с определенной ориентацией, способствующей получению пленки α-AlO (0001), так как на атомную структуру растущей пленки оксида алюминия значительное влияние оказывает симметрия подложки.
-7
В процессе формирования пленки, после каждого очередного нанесенного монослоя, проводят экспозицию в молекулярном кислороде при парциальном давлении 10 мм рт.ст. в течение 3 минут при температуре подложки 700°C.
2
3
2
3
Получаемая таким образом пленка оксида алюминия, начиная с толщины в 5 ангстрем, обладает стехиометрией AlO, атомной структурой соответствующей поверхности α-AlO (0001) и электронными свойствами, характерными для массивного оксида алюминия.
2
В процессе формирования пленки оксида алюминия указанным способом не происходит диффузии напыляемых частиц AlO и (AlO) в подложку, что обеспечивает формирование резких межфазовых границ металл-оксид на атомном уровне. Вместе с тем при непосредственном контакте частиц AlO с поверхностью подложки происходит изменение свойств межатомной Al-O связи по сравнению со связью Al-O в массивном оксиде алюминия. Как следствие, первый мономолекулярный слой обладает новыми уникальными электронными свойствами, не характерными для массивного кристалла.
Как видно из изложенного техническая задача реализуется полностью и в сравнении с известным техническим решением - прототипом, имеет большие преимущества:
2
3
1) Высокая стабильность получаемых пленок α-AlO (0001) - термическая обработка даже при высоких температурах (1000-1500°C) не приводит к изменению свойств пленки оксида алюминия.
2
3
2) В отличие от MgO (111), где пленка стабильна только при малой толщине - 5 монослоев (при больших толщинах структура (111) разрушается), толщина формируемой пленки α-AlO может быть достаточно большой - порядка 100 монослоев с сохранением стабильности, структуры и электронных свойств.
3) Имеется возможность «настройки» электронных свойств поверхности пленки оксида алюминия при сверхнизких толщинах 1-2 монослоя, когда электронные свойства поверхности обусловлены ослаблением межатомной Al-O связи.
Пример 1
2
-7
2
3
Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2700-2800°C, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 3×1014 частиц/мин × см. При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла Mo (110), поддерживаемую при температуре 700°C и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при парциальном давлении 10 мм рт.ст. в течение 3 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида α-AlO (0001), начиная с монослойного покрытия.
Пример 2
14
2
-7
2
3
Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2700-2800°C, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 4×10 частиц/мин × см. При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла W (110), поддерживаемую при температуре 800°C и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при парциальном давлении 10 мм рт.ст. в течение 4 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида α-AlO (0001), начиная с монослойного покрытия.
Пример 3
2
-7
2
3
Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2700-2800°C, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 5×1014 частиц/мин × см. При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла Re (0001), поддерживаемую при температуре 850°C и при последующей выдержки каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при парциальном давлении 2×10 мм рт.ст. в течение 4 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида α-AlO (0001), начиная с монослойного покрытия.