Механизмы роста 3D-структур C, Cu, Zn в условиях околоравновесной стационарной конденсации

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вивченню закономірностей структуроутворення 3D-систем C, Cu і Zn за умов конденсації слабопересичених парів і при використанні як класичного методу магнетронного розпилення, так і накопичувальної системи плазма-конденсат (НСПК). При використанні НСПК установлені технологічні умови формування на основі вуглецю наносфер і мікросфер, на яких у подальшому зароджуються нановолокна. Створено математичну модель, яка адекватно описує процес дозрівання за Оствальдом приблизно однакових за розміром кулястих острівців міді. На прикладі трьох серій експериментів з осадження пористих структур міді за допомогою магнетронного розпилення було показано, що основу формування пористих систем становлять малі значення пересичення осаджуваних парів, що тягнуть за собою різні швидкості нарощування конденсату в близько розміщених точках ростової поверхні. Вивчені механізми структуроутворення 3D-систем цинку при використанні як класичного методу магнетронного розпилення, так і НСПК. Установлено, що окиснені пористі конденсати цинку можуть бути використані як газові сенсори.

Диссертационная работа посвящена изучению закономерностей структурообразования 3D-систем веществ существенно различной летучести (C, Cu и Zn) в условиях околоравновесной стационарной конденсации. Осаждая конденсаты углерода в условиях, близких к термодинамическому равновесию, с помощью накопительной системы плазма-конденсат (НСПК), на начальном этапе селективного роста (в течение 6 мин) при давлении аргона 6 Па и мощности разряда 50 Вт были получены шарообразные слабосвязанные графитоподобные наноструктуры. При более продолжительной конденсации в течении нескольких часов происходит формирование графитоподобных шарообразных включений. Повышение давления рабочего газа от 6 до 10 Па при слабом изменении всех прочих технологических параметров способствует реализации более стационарного технологического процесса и зарождению на графитоподобных шарообразных включениях нановолокон. Сделано предположение о том, что в качестве активных центров зарождения углеродных нановолокон выступают изогнутые графеновые плоскости шаровидных структур. Установлено, что процесс зарождения и роста различных нановолокон разнесен во времени и определяется наличием шарообразных графитоподобных включений. Создана математическая модель массопереноса распыленного вещества в промежутке между мишенью и подложкой, адекватно описывающая процесс созревания по Оствальду островков меди приблизительно одинакового размера. На примере трех серий экспериментов по осаждению пористых структур меди при помощи магнетронного распыления было показано, что основу процесса образования пор составляют малые значения пересыщения осаждаемых паров, влекущие за собой различные скорости наращивания конденсата в близлежащих точках ростовой поверхности. Подобный селективный рост кристаллов возможен вследствие флуктуаций в распределении активных центров, при избирательной застройке кристаллографических плоскостей с максимальной энергией десорбции адатомов, а также при наличии отрицательного смещения и соответствующей фокусировке осаждаемых ионов на выступающие части ростовой поверхности. В последующем неполное сращивание кристаллов приводит к образованию пор и к появлению активных центров, необходимых для зарождения новых кристаллов. На основании анализа экспериментальных данных по получению конденсатов цинка в НСПК было выявлено существование трех зон (на диаграмме параметров «давление рабочего газа – мощность разряда») в пределах которых формируются одинаковые по характеру пористые структуры. Широкий спектр значений технологических параметров зоны 1 подтверждает процесс самоорганизации малых значений пересыщений и позволяет получать наносистемы цинка с высокой воспроизводимостью структурно-морфологических характеристик при среднем диаметре нанонитей 60 нм. При переходе в зону 2, а затем в зону 3 наблюдается постепенное увеличение пересыщения, которое подтверждается постепенным переходом к формированию структур в виде слабо связанных друг с другом системы ограненных кристаллов. Показано, что сопротивление окисленных систем цинка сильно зависит от газовой среды, в которой они находятся. Так для концентрации 0,7% пропана в воздухе, сопротивление образца снижается в 159 раз по сравнению с сопротивлением в чистом воздухе. Таким образом, полученные структуры могут найти применение в качестве газовых сенсоров, по крайней мере, к смеси пропан-бутан.

Dissertation is devoted to the investigation of the structure formation regularities of the C, Cu and Zn 3D-systems under the condensation conditions of the weakly saturated vapors and by using both the classical method of magnetron sputtering and the plasma-condensate accumulation system (PCAS). Technological conditions of the nanospheres and microspheres formation on the basis of C, on which hereafter the nanowires arise, are determined. A mathematical model that adequately describes the process of Ostwald ripening of the rounded Cu islands of the approximately equal size was created. On the example of three series of experiments on Cu porous structures deposition by using magnetron sputtering it has been shown that the small values of supersaturation of the deposited vapors, which cause different speeds of the condensate’s increase in the nearby situated growth surface points constitute the basis of the porous structures formation. Mechanisms of Zn 3D-systems structure formation by using both classical method of magnetron sputtering and PCAS are studied. It is determined that the oxidized porous zinc condensates can be used as gas sensors.