Рассеяние и поглощение света металлическими диспергированными пленками на прозрачных подложках

УДК 539.21 .017 Д.С. Михайлова СГГА, Новосибирск

РАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ДИСПЕРГИРОВАННЫМИ ПЛЕНКАМИ НА ПРОЗРАЧНЫХ ПОДЛОЖКАХ

Приводится краткий обзор исследований оптических свойств тонких металлических пленок на прозрачных подложках на стадии их зарождения, характеризуемой диспергированным состоянием пленок и наличием в их структуре наноразмерных кластеров.

D.S. Mikhaylova

Siberian State Academy of Geodesy

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

SCATTERING AND ABSORPTION OF LIGHT BY DISPERSED METAL FILMS ON TRANSPARENT SUBSTRATES

A brief review of studies on the optical properties of metal thin films on transparent substrates at the stage of their origin, characterized by dispersive-consistent state of the films and the presence of nanoscale clusters within their structure is presented.

Целью данной работы является обзор исследования процессов роста наноструктур при наносекундной длительности лазерных импульсов.

Актуальность решения проблем LCVD с наносекундной длительностью импульсов обусловлена, во-первых, недостаточным пониманием процессов формирования наноструктур на подложках, в частности, при наносекундной длительности лазерных импульсов, во-вторых, широкой распространенностью и постоянным развитием лазерных технологий в науке и промышленности.

Лазерные технологии формирования наноразмерных топологических рисунков на подложках, в отличие от фотолитографических, являются одностадийными, что позволяет резко сократить затраты на этапе разработок устройств.

Рассматриваемый вариант LCVD отличается использованием наносекундного лазерного облучения подложки, находящейся в условиях открытой атмосферы. Пары МОС подаются к реакционной зоне в струе инертного газа [1-4], облучение импульсно-периодическое, используется азотный лазер (X = 337 нм); достигается скорость осаждения металла в импульсе (10-100) м/c, подбором условий осаждения достигается возможность получения нанокластеров металлов.

Общую картину процессов в случае наносекундного LCVD в открытой атмосфере можно охарактеризовать следующим образом [1]: за время лазерного

7 2

импульса длительностью 6 нс с интенсивностью излучения (1-5)*10 Вт/см поверхность подложки может нагреваться до температур в диапазоне (5001500) °С; частота следования лазерных импульсов достигает 1000 с-1. Скорость нарастания температуры поверхности в используемых режимах достигает 3-10пК/с, что существенно и нелинейно влияет на динамику роста плёнок на подложках [1,3].

В условиях открытой атмосферы разложение МОС ведется на облучаемой поверхности в адсорбированном (или конденсированном) на поверхности слое молекул и в пристеночном (толщиной порядка единиц мкм) слое атмосферы.

Важной задачей при создании ряда наноразмерных устройств является получение кластеров металлов на поверхности диэлектрической подложки из пара атомов металла. Согласно [5], пары металлов должны находиться на поверхности в адсорбированном слое в метастабильном состоянии, в состоянии сильного пересыщения, при этом на поверхности могут флуктуационно возникать микроскопические зародыши. Возникшие зародыши будут находиться в равновесии с пересыщенным паром, если их размер и кривизна их поверхности обеспечивают равновесное давление пара р этих зародышей, равное давлению р0 пересыщенного пара. Равновесие неустойчиво, так как случайное уменьшение зародыша вызовет его испарение, случайное увеличение размера вызовет его рост. Зародыши равновесного размера называют критическими. Зародыши новой фазы могут быть только очень малыми, так как возникают за счёт флуктуаций плотности пересыщенного пара, исключительно в условиях сильного пересыщения. Пересыщение определяется выражением:

Ss=p/p0,

где p - текущее давление пара, p - давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью /твёрдым телом при данной температуре.

С течением времени при накоплении зародышей в достаточном количестве они снижают уровень пересыщения до значения, при котором процесс образования зародышей прекращается (так как размер критических зародышей становится слишком большим для флуктуационного механизма их возникновения). Размер меньших из зародышей становится меньше критического, и они испаряются, доминирующим становится процесс роста больших зародышей за счёт испарения малых. Процесс носит название коалесценции.

Растущий на поверхности микрокристалл (зародыш) может иметь плоскую форму, если вещество зародыша и подложки одно и то же, и если энергия адгезии превышает удвоенную поверхностную энергию подложки.

При падении света на малую частицу, размер которой меньше или сравним с длиной волны света, имеет место рассеяние света. Закономерности рассеяния определяются соотношением р между радиусом частицы а и длиной волны света в вакууме X. Параметр р является дифракционным размером частицы и равен:

27ш

Размер частиц может быть определен по форме индикатрисы рассеяния. В работе [6] приводятся графики полных индикатрис (интенсивности на графиках содержат интенсивности рассеянного излучения обеих поляризаций) для случая т - оо. Эти графики изображены на рис. 1.

Рис. 1. Полные индикатрисы для абсолютно отражающих частиц

Так как рассеяние света зависит не только от размера частицы, но и от ее

показателей преломления и поглощения, используют в качестве дифракционного размера частиц параметр тр, где т - комплексный показатель преломления.

т — п — /'х; % =

где п - показатель преломления, Л' - индекс поглощения, % - показатель поглощения.

В нашем исследовании представляет интерес изучение металлических рассеивающих частиц. Для таких частиц значение т велико, и в случае абсолютно отражающих (бесконечно проводящих) частиц электромагнитное излучение не проникает в вещество. Для подобного случая в [6] получены выражения для интенсивности рассеянного света (при падении естественного света):

где Ха - длина волны в среде, в которую погружена частица, г - длина радиус-вектора точки наблюдения, /0 - интенсивность падающего света, I -интенсивность рассеянного света, (3 - угол рассеяния (может принимать значения от 0 до п).

В [7] приведены расчетные зависимости сечения рассеяния железных сфер в диапазоне р = 0 - 4 на длине волны X = 420 нм.

При диаметре сферической частицы, значительно меньшем длины волны (рэлеевское рассеяние), интенсивность полного рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Однако в ряде случаев на такой зависимости может наблюдаться максимум.

50'

р=0.1

О

При современных исследованиях нанотехнологий значительное внимание уделяется изучению оптических свойств металлических наноразмерных частиц

- кластеров - и наносистем на их основе. Рассматриваются кластеры, содержащие от двух-четырех до тысяч и десятков тысяч атомов металлов. При этом теория Ми модифицируется [8] и должна учитывать дискретность электронных уровней кластеров, что приводит к уширению линии поглощения. Для малых металлических кластеров наблюдается эффект гигантского резонанса, приводящего к значительному усилению поглощения электромагнитного излучения. В этой теории оптическое поглощение кластера характеризуется сечением поглощения

2

'

пе2

о =

тсГг0

со

со — со0 + соГ

где п - число свободных электронов (атомов) в кластере, т - масса электрона, е - заряд электрона, с - скорость света, в0 - электрическая постоянная, Г -константа демпфирования, со0 - собственная частота коллективных колебаний электронов в кластере, со - частота падающего света.

В исследуемых нами процессах твердотельные нанокластеры получаются в ходе лазерного пиролитического разложения элементоорганических соединений на подложке. Нуклеация атомов и зарождение новой фазы происходят на поверхности в условиях возникновения на поверхности активного атомного фона. Можно предположить, что происходит одновременное множественное зарождение кластеров новой фазы в реакционной среде с размерами,

ограниченными диффузионными пределами, когда размер кластера меньше

1/2

расстояния /, ~ 1)1 , где I) - коэффициент диффузии атомов кластера; t -

время нуклеации [7]. Этот параметр можно считать размером окружающей кластер ячейки маточной среды, в которой успевает пройти при данных условиях нуклеация.

При экспериментальном исследовании наносистем на основе металлических нанокластеров был выявлен ряд особенностей оптических спектров поглощения [8]. Спектры поглощения наносистем характеризуются интенсивной широкой полосой, которая отсутствует у массивных металлов. Эта полоса связана с коллективным возбуждением электронов проводимости (поверхностными плазмонами) и приводит к появлению цветовых эффектов для разбавленных коллоидов благородных, щелочных и редкоземельных металлов, а также для дисперсных тонких плёнок благородных металлов на подложках.

Для примера приведем взятые из [8] графики спектров поглощения коллоидного раствора серебра и в наноструктурах на графитовой подложке (рис. 2).

X

0>

3

о

5

о

Е

Энергия, эВ

3 1

1 - исходный коллоидный раствор с концентрацией [Agn] = 2,5-10' мольх л’ ; 2

- двумерная кластерная наноструктура, образовавшаяся на подложке после нанесения одной капли коллоидного раствора; 3 - трехмерная кластерная наноструктура, образовавшаяся после нанесения трех капель коллоидного

раствора

Рис. 2. Изменение ширины и сдвига пика плазмонного поглощения в коллоидном растворе серебра и в наноструктурах, образованных на графитовой

подложке

Задачами, решаемыми методами оптических исследований зародышеобразования при лазерно-пиролитическом осаждении плёнок металлов, является определение: размеров кластеров; изменения их размеров в ходе пиролиза; концентрации и степени упорядоченности их расположения на поверхности подложки.

Информацию о размерах кластеров образующейся диспергированной структуры можно получить, исследуя спектры поглощения в некотором диапазоне длин волн и определяя положение в спектре оптических резонансов и их ширину.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Чесноков, В. В. Лазерные наносекундные микротехнологии / В. В. Чесноков, Е. Ф. Резникова, Д. В. Чесноков; под общ. ред. Д. В. Чеснокова.-Новосибирск: СГГА, 2003.- 300с.

2. Чесноков, В.В. Лазерно-химическое осаждение пленок металлов / В.В. Чесноков, С.В. Земсков, И.Г. Игуменов // 5 отрасл. научно-техн. конф. «Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем»: Тез. докл. - Нальчик, 1983.

3. Chesnokov D.V., Chesnokov V.V., Reznikova E.F. Problems of nanosecond laser technologies of film microstructures deposition // "7th Int. Conf. on Actual Problems of Electron. Instrum. Eng." APEIE-2004 (Russia, Novosibirsk, 20-23 sept. 2004): Proc., V1.- Novosibirsk: NSTU, 2004.- P.216-226.

4. Chesnokov D.V., Chesnokov, V.V. Pyrolytic deposition of metal films on substrates in conditions of the open atmosphere initiated by nanosecond laser irradiation // "5th Int. Conf. on Actual Problems of Electron. Instrum. Eng." APEIE-2000 (Russia, Novosibirsk, 26-29 sept. 2000): Proc., V.1. - Novosibirsk: NSTU, 2000. - P.42-46.

5. Ролдугин, В.И. Физикохимия поверхности / В.И. Ролдугин. -Долгопрудный: Интеллект, 2008. - 568 с.

6. Шифрин, К.С. Рассеяние света в мутной среде. - М.: Изд-во технико-теорет. лит., 1951.

7. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. - М.: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970.

8. Суздалев, И.П. Нанотехнология: Физико-химия кластеров,

наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006.

© Д.С. Михайлова, 2011