Отримання та структурно-морфологічні характеристики поруватих наносистем Zn/ZnO та Zn/ZnO/NiO

Abstract

У роботі викладено технологічні умови формування двошарових і тришарових поруватих систем Zn/ZnO і Zn/ZnO/NiO. На першому етапі розглянуто структуроутворення базових поруватих систем Zn в процесі близькорівноважної стаціонарної конденсації, а також розглянуто деякі аспекти управління цим процесом за допомогою самоорганізації незмінних в часі малих пересичень парів, що конденсуються. При отриманні поруватих систем Zn спочатку на підкладки з лабораторного скла за допомогою двох магнетронних розпорошувачів наносилися двошарові контактні площинки на основі Cr і Au. Загальна товщина контактних площинок становила 0,8 мкм. Необхідність попереднього нанесення контактних площинок обумовлена тим, що механізм зародження поруватих структур Zn і подальшого їх нарощування залежать від природи поверхні підкладки. На наступному етапі на контактних площинках були отримані поруваті шари Zn трьох типів. При реалізації гранично слабких пересичень утворюються поруваті структури Zn у вигляді пов’язаних нанониток, а за поступового підвищення пересичення спостерігається перехід до утворення поруватих структур на основі об’ємних кристалів. Показана можливість зниження опору багатошарових систем за допомогою неповного окислення базових поруватих шарів Zn або нанесення на них плівок ZnO та NiO, що є важливим для практичного застосування отриманих шарів при створенні електродів літіййонних акумуляторів. На основі аналізу результатів растрової та просвічувальної електронної мікроскопії, енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії та рентґенівської дифрактометрії оптимізовано фазовий і елементний склади, а також структурноморфологічні характеристики складових шарів Zn/ZnO і Zn/ZnO/NiO.

The paper presents technological features of the formation of two-layer Zn/ZnO and three-layer Zn/ZnO/NiO porous systems. At first, the structure formation mechanism of porous Zn systems under near-equilibrium stationary conditions is described together with some aspects of the technological process control using self-organization of the condensed vapours small supersaturations. Prior to obtaining Zn porous systems, two-layer contact pads based on Cr and Au were deposited on laboratory glass substrates using two magnetron sputterers. The total thickness of the contact pads is 0.8 µm. Contact pads are pre-deposited because the mechanism of porous Zn structures nucleation and their further growth depends on the nature of the substrate surface. At the next stage, three types of porous Zn layers are obtained on the contact pads. The Zn porous structures in the form of linked nanowires are formed upon the realization of extremely weak supersaturations. The transition to the formation of porous structures based on bulk crystals is observed with a gradual increase of supersaturation. The possibility of reducing the total resistance of the multilayer systems by means of the incomplete oxidation of Zn basic porous layers or by depositing ZnO and NiO films is shown, which is important for the practical application of the obtained layers to create electrodes of lithium-ion batteries. The phase and elemental compositions, as well as the structural and morphological characteristics of the Zn/ZnO and Zn/ZnO/NiO layers, are optimized using the data obtained by scanning and transmission electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy and X-ray phase analysis.