Разработка методов управляемого формирования и исследование тонкопленочных опаловых наноструктур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Беседина, Ксения Николаевна

• Беседина, Ксения Николаевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Беседина, Ксения Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ВВОДИМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Использование тонкопленочных опаловых наноструктур в микроэлектронике

1.1. Анализ тенденций развития микроэлектроники

1.2. Опаловая матрица как перспективный материал

микроэлектроники. Структуры на основе опаловой матрицы

1.2.1. Формирование опаловой матрицы

1.2.2. Деформация глобул в тонкопленочных опаловых

наноструктурах

1.3. Анализ разработок в области создания приборов на основе тонкопленочных опаловых наноструктур

1.3.1. Анализ разработок в области создания волноводов

1.3.2. Анализ разработок в области создания полупроводниковых газовых сенсоров

1.3.3. Тенденции развития структур на основе опаловых матриц

Выводы по 1-й главе

Глава 2. Формирование тонкопленочных опаловых наноструктур

2.1. Классификация методов формирования тонкопленочных

опаловых наноструктур

2.2. Моделирование процесса формирования тонкопленочных

опаловых наноструктур

2.2.1. Моделирование процесса формирования тонкопленочных опаловых наноструктур методом седиментации

2.2.2. Моделирование процесса формирования тонкопленочных опаловых наноструктур методом вертикального вытягивания

2.3. Методика управляемого формирования тонкопленочных

опаловых наноструктур

Выводы по 2-й главе

Глава 3. Разработка технологии формирования образцов тонкопленочных опаловых наноструктур

3.1. Подготовка подложки

3.2. Формирование опаловых пленок методами естественной седиментации и вертикального вытягивания

3.3. Формирование слоистых структур ионно-плазменными методами

3.3.1. Формирование слоистых структур методом магнетронного высокочастотного распыления

3.3.2. Формирование слоистых структур методом реактивного распыления

3.4. Методики исследования тонко пленочных опаловых наноструктур

3.4.1. Атомно-силовая микроскопия в полуконтактном режиме

3.4.2. Спектрофотометрия в режиме отражения в видимом диапазоне

3.4.3. Измерение толщины металлической пленки методом интерферометрии

3.4.4. Измерение активного сопротивления в режиме Я/С)

Выводы по 3-й главе

Глава 4. Экспериментальное исследование факторов, обуславливающих геометрию тонкопленочных опаловых наноструктур

4.1. Экспериментальное исследование влияния методов формирования опаловой матрицы на ее геометрию

4.2. Экспериментальное исследование влияния режимов формирования опаловой матрицы методом вертикального вытягивания на ее геометрию

4.3. Экспериментальное исследование влияния режимов формирования опаловых матриц на геометрию наносимых на их поверхность тонких пленок

Выводы по 4-й главе

Глава 5. Разработка и исследование модельных образцов волновода и газочувствительного элемента на основе тонкопленочных опаловых наноструктур

5.1. Разработка и исследование модельных образцов фотонно-кристаллических оболочек волноводов

5.2. Разработка и исследование образцов газочувствительных

элементов

5.2.1. Исследование зависимости электрофизических свойств слоистой тонко-пленочной структуры вида опал-SnOi от параметров глобул и рельефа

5.2.2. Технология изготовления газового сенсора на основе опаловой матрицы

5.2.3. Исследование зависимости эксплуатационных характеристик газочувствительного элемента на основе опал-БпОг от параметров

глобул и рельефа

Выводы по 5-й главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ВВОДИМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АСМ — атомный силовой микроскоп

ВУП - вакуумный универсальный пост

ГЦК - гране-центрированный кубический

ИК - инфракрасный

КТ - квантовая точка

ОМ - опаловая матрица

ПАВ - поверхностно-активное вещество

СВЧ - сверхвысокочастотный

СЗМ - сканирующий зондовый микроскоп

УФ - ультрафиолетовый

ФЗЗ - фотонная запрещенная зона

ФК - фотонно-кристаллический

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов управляемого формирования и исследование тонкопленочных опаловых наноструктур»

ВВЕДЕНИЕ

Перспективы развития современной электронной техники связываются с наноструктурированными материалами. Во всем мире осуществляется активный поиск и разработка новых технологий, основанных на физических процессах самоорганизации наноструктурированных систем, которые позволили бы миниатюризировать элементы с возможным улучшением требуемых значений выходных параметров и повысить технологичность их производства.

Яркими примерами таких наноструктурированных систем являются планарные структуры, создаваемые посредством вакуумного осаждения материалов поверхность тонких пленок синтетического опала. Синтетический опал - самоорганизующаяся из коллоидного раствора плотноупакованная строгоупорядоченная ГЦК-структура, состоящая из сфер диоксида кремния БЮг (кремнезема), размер которых составляет сотни нанометров. Перспективы ее использования связаны с созданием на основе опаловых матриц элементов фотоники, сенсорики и СВЧ-техники.

Исследованиями формирования упорядоченных самоорганизующихся структур и приборов на основе опаловых матриц занимались Самойлович М.И., Белянин А.Ф. (формирование, исследование свойств и создание приборов на основе синтетических опаловых матриц), Булыгина (Панфилова) Е.В. (получение опаловых нанокомпозитов и элементов на их основе), Цветков М.Ю. (разработка элементов фотоники), Емельченко Г.А. (получение массивных и тонкопленочных синтетических опаловых матриц, исследование свойств нанокомпозитов на их основе), Горелик С.С. (исследование оптических свойств фотонных кристаллов на основе опаловых матриц) и другие.

Свойства опаловой матрицы и структур на ее основе зависят от размеров и формы ее составляющих глобул. Например, при изменении размера глобулы диаметром 400 нм в направлении перпендикулярном поверхности на 10% положение фотонной запрещенной структуры зоны

' ' ' А*. ' 1 ' \ \ • , ,у " ,

смещается на величину порядка 80 нм. Однако на сегодняшний день вопросы формирования опаловых структур с однородными от образца к образцу геометрическими характеристиками (размером глобул, расстоянием между слоями глобул, плотностью упаковки и параметрами рельефа поверхности пленки опала и пленки осажденного на его поверхность материала) остаются открытыми. Технология изготовления коллоидных систем кремнезема хорошо отработана и позволяет получать растворы с высокой степенью однородности глобул по размерам, но в процессе самоорганизации в матрицу глобулы кремнезема могут быть деформированы.

Таким образом, существует необходимость анализа процесса формирования планарных опаловых структур, разработки математической модели, связывающей режимы формирования опаловой матрицы и ее геометрические параметры, и технологии управляемого формирования тонких пленок синтетического опала.

Целью работы является разработка научных основ управляемого формирования заданной геометрии синтетических опаловых матриц для их использования в изделиях электронной техники.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Проанализировать методы формирования синтетических опаловых матриц, определить факторы, приводящие к деформации составляющих матрицу глобул кремнезема и исследовать влияние выявленных управляемых факторов на деформацию и геометрические характеристики синтетических опаловых матриц.

2. Разработать математическую модель зависимости геометрических характеристик синтетических опаловых матриц от методов и режимов их формирования и проверить ее экспериментально.

3. Разработать методику и оснастку для проведения экспериментальных исследований опаловых структур.

4. Изготовить образцы тонких опаловых пленок и структур на их основе, исследовать влияние деформации глобул в опаловых матрицах на оптические и электрофизические свойства опаловых наноструктур.

5. Провести анализ целесообразности использования изготовленных структур в электронной технике и фотонике.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Теоретически обоснована возможность управления самоорганизующимся процессом формирования синтетической опаловой матрицы и получения опаловой матрицы с заданной деформацией глобул, и, соответственно, заданными плотностью упаковки глобул, расстоянием между глобулярными слоями и рельефом поверхности.

2. Теоретически выявлены и экспериментально подтверждены зависимости между условиями осуществления самоорганизующегося процесса формирования опаловых матриц и их геометрическими параметрами.

3. Разработана математическая модель процесса формирования опаловой матрицы, определяющая пути управления геометрией опаловой матрицы.

4. Получена экспериментальная зависимость оптических и электрофизических характеристик наноструктур, сформированных на основе полученных методом вертикального вытягивания тонких опаловых пленок, от степени деформации глобул в этих пленках.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработана методика получения опаловой матрицы с заданными плотностью упаковки глобул, расстоянием между глобулярными слоями и рельефом поверхности.

2. Выявлены наиболее эффективные в плане деформирования глобул режимы процессов седиментации и вертикального вытягивания.

3. Получены и исследованы образцы газочувствительного элемента и оптического волновода, функциональные характеристики которых были

улучшены за счет использования тонких опаловых пленок с заданной деформацией глобул.

В работе использованы теория планирования эксперимента и математической статистики, теоретические модели расчета электрофизических характеристик элементов. Практическая и экспериментальная части работы выполнялись в лабораториях МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Достоверность диссертационных исследований обеспечивается использованием современного аналитического и измерительного оборудование, анализом и учетом возможных источников погрешностей и статистической обработкой результатов измерений.

Результаты выполненной работы по прогнозированию геометрических характеристик тонкопленочных опаловых наноструктур целесообразно использовать при проектировании перспективной элементной базы фотоники и электроники.

Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов разработок и исследований, полученных автором лично, а также с сотрудниками МГТУ им. Н.Э. Баумана - Панфиловым Ю.В., Моисеевым K.M., Калининым В.Н.

Научный руководитель Панфилова Е. В. принимала участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и редактировании статей.

Автором лично проведен анализ современного состояния исследований в области прикладного использования тонкопленочных наноструктур на основе матриц синтетического опала, а также особенностей технологий их формирования. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать геометрические характеристики опаловых матриц, и получена зависимость геометрических характеристик опаловой матрицы (формы, размеров пятна контакта глобул, высоты

рельефа) от режимов и методов ее формирования. Разработаны технологии изготовления и исследования образцов тонких опаловых пленок и структур на их основе. Проведены эксперименты по исследованию оптических и электро-физических характеристик тонкопленочных опаловых наноструктур и газочувствительного элемента на их основе. Обработаны результаты исследований на аналитическом оборудовании: сканирующем зондовом микроскопе, атомно-силовом микроскопе, спектрофотометре, измерителе иммитанса. Сформулированы выводы по работе.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXIV Международной молодежной научно-технической конференции учащихся, студентов, аспирантов и молодых ученых «Гагаринские чтения» (Москва, 2008), на 4-й студенческой научно-инженерной выставке «Политехника» (Москва, 2009), на 2-й Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва-Калуга, 2009), на XIV, XV и XVIII Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2008, 2009, 2012), на XV и XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2008, 2009), 9-я Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ (Москва, 2009).

По теме диссертации опубликованы 4 статьи в рецензируемых научных журналах, 15 докладов на всероссийских и международных научно-технических конференциях, 1 статья в научно-популярном журнале «Техника молодежи» и получен 1 патент на изобретение (№2467362).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 101 наименования. Работа содержит 153 страницы машинописного текста, в том числе 10 таблиц и 124 рисунка.

В первой главе представлены результаты анализа современного состояния исследований в области прикладного использования

тонкопленочных наноструктур на основе матриц синтетического опала, а также особенностей технологий их формирования.

Во второй главе представлено математическое моделирование процесса формирования опаловой матрицы с получением зависимости геометрических характеристик опаловой матрицы (формы, размеров пятна контакта глобул, высоты рельефа) от режимов и методов ее формирования, и анализ его результатов применительно к методам седиментации вертикального вытягивания.

В третьей главе представлена разработка технологии изготовления и исследования образцов тонких опаловых пленок и структур на их основе. Для исследования были изготовлены образцы тонких опаловых пленок и тонкопленочные опаловые наноструктуры вида пленка золота Аи - опаловая пленка и пленка диоксида олова 8пОг- опаловая пленка.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования величины смятия глобул, радиуса пятна контакта и высоты рельефа поверхности опаловых пленок и сформированных на их основе наноструктур от режимов и методов ее формирования. Контролируемыми параметрами являлись средняя высота профиля рельефа и кривизна поверхности глобулы, описываемая коэффициентом при слагаемом второй степени в полиноме второго порядка, аппроксимирующем форму поверхности глобулы верхнего слоя опаловой матрицы.

В пятой главе представлены результаты исследования оптических и электро-физических характеристик тонкопленочных опаловых наноструктур и устройств на их основе.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа методов формирования синтетических опаловых матриц, согласно которым выявлены существующие факторы, обуславливающие деформацию составляющих матрицу глобул.

2. Результаты математического моделирования процесса формирования синтетической опаловой матрицы, согласно которым

* ' Ч 'ч - \ 'ч /.Ч1,'', ''-Vм- , "ч^';-' '(¡¡V.'' ' - *

выявлены зависимости между геометрическими характеристиками опаловой матрицы (деформацией, расстоянием между слоями, размерами глобул, высотой рельефа) от ее формирования (методов и режимов).

3. Результаты исследований с помощью АСМ тонкопленочных опаловых структур и поверхности нанесенных на них тонких пленок золота и диоксида олова толщиной сопоставимой с величиной исходного рельефа, согласно которым варьирование скоростью вертикального вытягивания является наиболее эффективным способом получения заданной геометрии опаловой матрицы и заданного рельефа поверхности.

Результаты исследований образцов чувствительных элементов газовых сенсоров, сформированных на основе тонкопленочных опаловых структур, согласно которым управление скоростью вертикального вытягивания позволяет добиться газочувствительных характеристик, улучшенных по сравнению с чувствительными элементами, сформированными на гладкой поверхности.

Глава 1. Использование тонкопленочных опаловых наноструктур в

микроэлектронике 1.1. Анализ тенденций развития микроэлектроники

Одной из актуальных проблем, существующих в технике современных коммуникаций является переход от элементов, которые не имеют возможности настройки, к настраиваемому, а затем и дистанционно управляемому оборудованию. Исключительно важное значение при разработке миниатюрных волноводных устройств играет выбор материалов, пригодных для промышленного использования. Перспективы связываются с наноструктурированными периодическими материалами, поскольку с их помощью можно осуществлять дифракционный ввод и вывод излучения, преобразование мод, спектрально-частотную фильтрацию, управление дисперсией и т.п.

Нанопериодические материалы представляют собой большой интерес для фундаментальных и прикладных исследований, но получение химической модели вызывает трудности. Изобретение технологии бездефектной инверсной структуры, в состав которой входят органические молекулы, позволяет получать химически функционирующие ЗО модели. Высокая равномерность структуры позволяет различными составами пропитывать опаловую матрицу по специальной технологии, что ведет к следующим потенциальным применениям [86]:

1. «рН бумага»- подобно индикатору для органических жидкостей: полосы фотонного кристалла способны различать органические жидкости с различными свойствами смачиваемости (в том числе различные спирты). Может использоваться для определения разных растворов и для определения количества метанола в напитках.

2. Шифрование информации: раскодировать изображение возможно только зная химическое соединение. В зависимости от количества использованных функциональных групп, разные растворы могут позволить прочитать разные изображения, поэтому только получатель сможет

> • > Л М ? 'I > . '1> , Г > ' * 1 |„ » • ' , , ' , . , *'< *

прочитать правильно сообщение. При испарении раствора, раскодированное сообщение исчезает, и структура возвращается в исходное состояние. Возможна также многоуровневая кодировка данных.

3. Микрожидкостные каналы с фиксированной конфигурацией или с изменяемой конфигурацией. Фиксированные каналы можно формировать благодаря селективности материалов-прекурсоров, которыми прописаны области со схожими свойствами. Эти смешанные каналы могут быть использованы для фильтрации, химического разделения, катализа и в качестве сенсоров.

4. Многие современные ученые и инженеры видят будущее вычислительной техники и обработки информации за оптическими микросхемами, в которых носителем информации станет фотон. Фотонные кристаллы претендуют на роль основного конструкционного материала для микрочипов будущего (Рис.1.1 [86]).

Фотонный компьютер - оптический чип, построенный на Ш, 20 и ЗО микрофотонных кристаллах. Соединение света из волновода и фотонного кристалла может быть осуществлено с помощью дефектов, добавленных в структуру решетки извне. Интегрированные компоненты на основе фотонных кристаллов предусмотрены для работы в качестве низкопороговых лазеров, мультиплексоров спектрального разделения, компенсаторов дисперсии волн, и коммутаторов.

Рис.1.1. Модель фотонного чипа

Элементы, основанные на нанопериодических материалах, могут быть миниатюризированы и обладают малыми потерями. Свойства таких элементов обеспечиваются зонными свойствами фотонного кристалла. Одним из таких материалов, отличающихся самоорганизацией, является синтетический опал. Матрица синтетического опала состоит из упорядоченно расположенных глобул кремнезема 8Ю2 диаметром от 100 нм до 1000 нм.

1.2. Опаловая матрица как перспективный материал микроэлектроники. Структуры на основе опаловой матрицы 1.2.1. Формирование опаловой матрицы

В 1960-х годах с помощью электронной микроскопии был выявлен характер взаимного расположения и размерные соотношения глобул в различных опалах. Опал чаще всего состоит из «разнокалиберных» глобул, которые всегда располагаются в объеме беспорядочно. Кроме того, в опалах почти все микропоры обычно заполнены аморфным кремнеземом, что затрудняет дифракцию света и лишает материал ирризации. В благородных опалах все глобулы имеют одинаковый размер и выстроены в строгом порядке — правильными слоями, уложенными в пространственную структуру типа плотнейшей кубической (реже гексагональной) упаковки [27]. Интерстиции (промежутки) между глобулами имеют форму, близкую к октаэдрической и тетраэдрической, как это вообще присуще пустотам в плотнейших шаровых упаковках. Эти промежутки образуют систему микропор (менее 3 нм в поперечнике), иногда соединенных в сквозные каналы. Значительная часть микропор в большинстве случаев (особенно в неблагородных опалах) заполнена гидратированным аморфным кремнеземом, как бы цементирующим глобулы, или интерстициальной (перовой) водой; какая-то доля пор остается свободной или заполняется воздухом или водяным паром). Соотношения между свободными порами и порами, заполненными кремнеземом или водой, меняются в опалах разных

типов. Во многих опалах глобулы вследствие деформации структуры приобретают отличную от сферической, многогранную (в проекциях на плоскость — полигональную) форму. Высокая адсорбционная способность опала обусловлена его сильно развитой внутренней поверхностью, что связано с особым характером структуры опалов.

Наблюдается также деформация глобул и их плотно упакованных слоев в целом. Различная способность опалов поглощать и отдавать влагу объясняется неодинаковой степенью деформированности их структуры. В плотнейшей упаковке правильных недеформированных сферических глобул все пустоты (интерстиции) сообщаются между собой, а значит, через поверхность камня—с окружающей средой. Но при определенной степени деформации структуры пустоты изолируются друг от друга, и заключенная между ними среда как бы капсулируется; это препятствует как потере влаги, так и поглощению ее из окружающего пространства.

На основании исследований, проведенных над природным опалом, был открыт потенциал применения таких структур и разработаны способы создания синтетического опала со структурой благородного опала. В России основателями развития данного направления стала группа ученых во главе с профессором Самойловичем М.И. Научная группа занимается разработкой технологии получения коллоидного раствора с частицами диоксида кремния, исследованием свойств кремнезема, созданием материалов со структурой благородного опала, результаты исследования применимы для ювелирной промышленности, а также создания устройств с учетом оптических, магнитных и диэлектрических свойств опаловых матриц для применения в молекулярных технологиях [26, 28-30, 41, 43].

В природном опале поры заполнены различными материалами, поэтому при формировании и исследовании синтетического опала уделяют особое внимание формированию нанокомпозитов на его основе. В зависимости от состава структур, физических свойств материала, заполняющего поры, меняются свойства нанокомпозитов. В частности

изучают влияние электромагнитных волн на нанокомпозиты из опаловых матриц, содержащих частицы ТЧ^п- и Мп-2п-ферритов [26].

Опаловые матрицы формируются осаждением из коллоидного раствора в процессе самоорганизации глобул диоксида кремния [75]. За счет действия вязких сил, испарения раствора и поверхностного натяжения глобулы притягиваются друг к другу (Рис.1.2. [75]), образуя матрицу.

........................................у ; ............;■■-..................... .--;;;-;................ "

Рис. 1.2 Процесс самоорганизации

Коллоидный раствор получается методом гидролиза из тетраэтоксисилана, этилового спирта и аммиака. Глобулы диоксида кремния формируются из частиц диоксида кремния размерами единицы нанометров, которые выстраиваются в иерархию, формируя глобулы диаметрами 200-800 нм. Варьируя концентрациями компонентов раствора, возможно управлять размерами формируемых глобул диоксида кремния в коллоидном растворе [16].

Ультрадисперсные частицы размерами, характерными для опаловых глобул, построены из частиц, размер которых меньше 10 нм. Их размеры зависят от пресыщения раствора, и в аморфном состоянии частицы могут достигать примерно 2.4 нм. В работе [16] описывается механизм образования глобул в результате иерархической агрегации частиц размерами 2.4 нм. При расположении кластеров вокруг центрального, образуется кластерный агрегат 1 -го иерархического уровня, затем кластер 2-го уровня и т. д. (Рис. 1.3. [16]).

Рис.1.3.

Строение глобулы диоксида кремния

Монодисперсные сферические частицы кремнезема (МСЧК) размерами в интервале 235-765 нм получают по методам В.Стебера/А.Финка и М.И. Самойловича/М.С. Клещевой [43]. В данном методе гидролиз

проводится с использованием тетраэтоксисилана обработанного по

з

комбинированной методике, в интервале концентраций (0.04-^4.75) моль/дм

з

для N1^3 и (1.5-К31.8) моль/дм для Н20, при постоянной концентрации

3

тетраэтоксисилана 0.28 моль/дм.

Опаловая матрица - наноструктурированная система, структуры на основе которой, демонстрируют разнообразные размерные эффекты: упорядоченность, брэгговская диффракция, гранецентрированная кубическая решетка, акустооптические эффекты, периодически упорядоченная топология поверхности.

В опаловых матрицах диэлектрическая проницаемость, а значит, и показатель преломления меняется с периодом, близким к определенной длине волны света. Это приводит к тому, что возникает брэгговская диффракция света, которая не позволяет фотонам проникать сквозь материал. Интервал длин волн, не способных двигаться в кристалле, называют запрещенной зоной по аналогии с полупроводниками, которые не

проводят электроны определенных энергий, а опаловые матрицы — материалами с фотонной запрещенной зоной.

Суммарный объем пустот в обоих случаях составляет приблизительно 26% объема структуры [38]. Радиус сфер (относительно радиуса сферических частиц, слагающих опаловую матрицы), которые можно разместить в пустотах составляет 0.225 для тетраэдрической пустоты и 0.414 для октаэдрической. Пустоты сообщаются между собой через «окна» диаметром около 0.15 от диаметра глобулы.

Помимо возможностей применения синтетических опалов рассматриваются варианты создания нанокомпозитов на их основе с помощью заполнения межглобулярного пространства полупроводниковыми, сверхпроводящими, оптически активными и ферромагнитными материалами. В работе [41] показано, что создаваемые нанокомпозиты обладают кванторазмерными и другими наномасштабными эффектами.

1.2.2. Деформация глобул в тонкопленочных опаловых наноструктурах

Дефекты в твердофазных материалах в большей степени, чем сама кристаллическая структура, влияют на различные свойства материалов и их функциональные характеристики, а также возможные области применения. Дефекты можно разделить на нанодефекты и микродефекты (Рис. 1.4 [64]). Микродефекты - это дефекты, возникающие в ходе формирования опаловой матрицы [64], они определяют воспроизводимость образцов, возможность серийного производства и технологию формирования опаловых матриц.

Рис.1.4.

Микродефекты в структуре опаловой матрицы

Нанодефекты — это специально внедренные дефекты, меняющие рабочий диапазон элементов электронной техники. Из теоретического рассмотрения следует, что введение дефектов (Рис.1.5 [64]) (точечных, протяженных - дислокаций - или изгиба) на микроуровне в идеальную фотонную решетку, позволяет создать внутри фотонной запрещенной зоны определенные состояния, на которых может быть локализован свет, а распространение света может быть ограничено или наоборот усилено вдоль и вокруг очень маленького волновода. Структуры с такой «управляемой дефектностью» могут применяться при создании полностью оптических устройств и схем нового поколения оптических телекоммуникационных технологий [64].

Point Defects Line Defect

Рис.1.5.

Нанодефекты в структуре опаловой матрицы: точечный (слева) и

линейный (справа)

Для создания структур с привнесенными дефектами разрабатываются различные технологии. Одна из специальных технологий состоит из импульсного нагрева глобул в прямом контакте с титаном, что ведет к деформированию глобул.

Деформация глобулы осуществляется в два этапа (Рис. 1.6 [62]): пучок электронов выключен и включен, глобула находится между кремнием и алмазным пуансоном [62]. При неактивном пучке электронов глобула деформируется с одной стороны кремнием, при активном пуске электронов глобула может быть сильно деформирована с помощью алмазного пунсона.

Последующее формирование матрицы из деформированных частиц возможно, но процесс сложноуправляем, и его главным недостатком

является отсутствие гранецентрированной кубической решетки. Помимо этого получение матрицы из глобул эллипсоидной формы методом самоорганизации невозможно, но исследования по изучению поведения эллипсоидных частиц в растворе продолжаются, изучаются силы, влияющие на глобулы, и способы упаковки частиц в матрицы [74].

Рис.1.6.

Сжатие аморфных частиц диоксида кремния в трансмиссионном

электронном микроскопе

Ь 550 -

щ яо ■

§ <ио -Е

Л

2 «о ■

и

¡5 £

О »5« ■

300 -

150 ¡»0 250 ЗОО »50 400 Сотргеваюя (1ер№ 2 {пт)

Рис.1.7.

Зависимость диаметра пятна контакта от величины смятия при механическом воздействии

Такая технология [62] является дорогостоящей и требует сложной оснастки.

Другая технология формирования матрицы из несферических частиц заключалась в использовании полистириновых частиц, которые формировали ЗО решетку за счет упругой деформации. Частицы диаметром

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Беседина, Ксения Николаевна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бараш Л.Ю. Испарение и динамика лежащей на подложке капли: автореф. дис. ... канд. физ.-мат.. наук: 01.04.02. М., 2009. 16 с.

2. Бейсенханов Н.Б. Влияние обработки в плазме (02, Н2) на структуру и физические свойства пленок SnOx // Физика твердого тела. 2011. №53(2). С.364-369.

3. Боченков В.Е., Сергеев Г.Б. Наноматериалы для сенсоров // Успехи химии. 2007, №11. С.1084-1093.

4. Бубнов Ю., Голиков А., Казак А. Полупроводниковые газовые сенсоры и газоаналитические приборы на их основе // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2008.Спецвыпуск. С. 72-76.

5. Вакштейн М.С., Аратов Н.В., Зосимов В.В. Определение размеров коллоидных квантовых точек в полуконтактном режиме АСМ // Молекулярные технологии. 2007. №1. С. 1-14.

6. Васильев А., Олихов И., Самотаев Н. Технология «нано-на-микро» улучшение характиристик газовых сенсоров // Электроника: НТБ. 2011. № 1(00107). С. 36-44.

7. Влияние добавок Pt, Pd, Au на поверхности и в объеме тонких пленок диоксида олова на электрические и газочувствительные свойства / Севастьянов Е.Ю. [и др.] // Физика и техника полупроводников. 2012. №46(6). С. 820-828.

8. Влияние концентрации олова на состав, оптические и электрические свойства пленок ITO, осажденных методом ультразвукового спрей-пиролиза на кремний и стекло / Унтила Г.Г. [и др.] // Физика и техника полупроводников. 2012. №46(7). С. 984-990.

9. Влияние этанола на электрофизические свойства диоксида олова / Андреева Е.В. [и др.] // Физика и техника полупроводников. 1993. № 27(7). С.1095-1100.

10. Гольдштрах M.А. Газочувствительные свойства тонких пленок металлокомплексов этиопорфирииа-П: автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.02. М., 2006. 24 с.

11. Горелик B.C. Оптика глобулярных фотонных кристаллов. М., 2006. 68 с.

12. Григорьев Ф.И. Осаждение тонких пленок из низкотемпературной плазмы и ионных пучков в технологии микроэлектроники: учебное пособие. М., 2006. 36 с.

13. Жувикин Г. Лабиринты фотонных кристаллов // Физика в анимациях. 2013. URL. http://physics.nad.ru/sensors/Cyrillic/papers/photon.htm (дата обращения 13.08.2001).

14. Исследование газочувствительности сенсоров на основе оксида цинка, полученного методом магнетронного распыления / Гамалеев В.А. [и др.] // Intermatic: Материалы международной конф. Москва. 2012. С. 99-102.

15. Исследование структуры поверхности слоев диоксида олова для газовых сенсоров атомно-силовой микроскопией / Бестаев М.В. [и др.] // Физика и техника полупроводников. 1998. №32(6). С. 654-657.

16. Камашев Д.В. Экспериментальное изучение процессов образования надмолекулярных структур кремнезема // Кристаллогенезис и минералогия: Тез. докл. Международ, конф. Санкт-Петербург. 2007. С. 386-388.

17. Комаров И.А. Разработка и исследование тонкоплёночных сенсорных структур для химических датчиков на основе углеродных нанотрубок: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.27.01. СПб., 2013. 24 с.

18. Магнетронное распыление магнитных материалов / В.Е. Минайчев [и др.]. М.: ЦНИИ «Электроника», 1985. 32 с.

19. Максимов А.И. Газочувствительные полупроводниковые нанокомпозиты на основе диоксида олова, сформированные золь-гель технологиями: дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.10. СПб, 2005. 158 с.

20. Механизмы окисления тонких металлических пленок олова / Чернышов Ф.М. [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. 2012. Т.14,№3. С. 328-333.

21. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2004. 143 с.

22. Михайлов В.П., Бычков С.П. Физические основы электронных технологий: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 102 с.

23. Моделирование процесса низкотемпературного получения газочувствительных пленок оксида олова / Кисин В.В. [и др.] // Журнал технической физики. 1999. №69(4). С. 112-113.

24. Мошников В.А., Грачева И.Е. Сетчатые газочувствительные нанокомпозиты на основе диоксидов олова и кремния // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2009. № 30. С. 92-98.

25. Налимова С.С. Анализ газочувствительных наноструктур с варьируемым типом и концентрацией адсорбционных центров: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.10. СПб., 2013. 16 с.

26. Нанокомпозиты на основе опаловых матриц с ЗБ-структурой, образованной магнитными наночастицами / Белянин А.Ф. [и др.] // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2008. № 4. С. 55-63.

27. Опал // Все о минералах и их свойствах. 2008. иКЬ.Ьир://ттега1Ып£ги/51опе5/Ора1 (дата обращения 05.06.2013).

28. Оптико-акустические эффекты в решетчатых упаковках (опаловые матрицы как метаматериал) / Самойлович М.И. [и др.] // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2010. № 1. С. 49-57.

29. Оптические, магнитные и диэлектрические свойства опаловых матриц с заполнением межсферических нанополостей редкоземельными

манганитами / Белянин А.Ф. [и др.] // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 10. С. 31-36.

30. Особенности метаматериалов (нанокомпозитов) на основе регулярных упаковок наносфер Si02 / Самойлович М.И. [и др.] // Наука и технологии в промышленности. 2009. № 3. С. 61-68.

31. Панфилов Ю.В. Расчёт режимов процесса нанесения тонких плёнок в вакууме и параметров оборудования. М.: МВТУ им . Н.Э. Баумана, 1988. 20 с.

32. Панфилов Ю.В., Самойлович М.И., Булыгина Е.В. Нанесение тонких пленок в вакууме на подложки из синтетического опала // Технологические процессы и оборудование. 2005. №2. С. 49-52.

33. Петров В.В., Назарова Т.Н., Копылова Н.Ф. Исследование физико-химических и электрофизических свойств, газочувствительных характеристик нанокомпозитных пленок состава Si02-Sn0x-Cu0y // Нано- и микросистемная техника. 2010. №8. С.15-21.

34. Плеханов А.И., Калинин Д.В., Сердобинцева В.В. Нанокристаллизация монокристаллических пленок опала и пленочных опаловых гетероструктур // Российские нанотехнологии. 2006. Т.1. №(1-2). С. 245-251.

35. Пономарева A.A. Иерархически организованные пористые газочувствительные слои системы Sn02-Si02, полученные золь-гель методом: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.27.06. СПб., 2013. 16 с.

36. Самойлович М.И., Белянин А.Ф. Алмазные и алмазоподобные углеродные пленки: формирование и строение // Тонкие пленки в оптике и электронике. Материалы XV Международного симпозиума. Харьков. 2003. С. 6-38.

37. Самосборка упорядоченных слоев микросфер диоксида кремния на вертикальной пластине / Молчанов С.П. [и др.] // Российские нанотехнологии. 2010. № 5-6. С. 54-58.

j'

> ' i 1 » 1 I '

1 X i i

38. Свойства 3 D-композитов на основе опаловых матриц и магнитных наночастиц / Ивичева С.Н. [и др.] // Физика твердого тела. 2011. Т.53 №6. С. 1053-1058.

39. Синицкий A.C. Синтез и оптические свойства фотонных кристаллов на основе диоксида кремния // Конкурс ВХО среди студентов. М.: Издательство МГУ им. М.В. Ломоносова. 2003. 22 с.

40. Технология тонких пленок. Справочник / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга: Пер. с англ; Под. ред. М.И. Элинсона, Г.Г. Смолко. М.: Советское радио. 1977. Т.1. 664 с.

41. Трехмерные нанокомпозиты на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема / Самойлович М.И. [и др.] // Микросистемная техника. 2004. № 6. С. 3-7.

42. Федоров A.B. Физика и технология гетероструктур, оптика квантовых наноструктур. Учебное пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. 195 с.

43. Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц / Самойлович М.И. [и др.]. М.: Издательство ОАО ЦНИТИ «Техномаш». 2007. 303 с.

44. Цветков М.Ю. Нанокомпозиты на основе опаловых матриц как фотонные среды: автореф. дис. ... канд. физ.-мат.. наук: 05.27.03. Шатура, 2008. 18 с.

45. Шабанова H.A., Попов В.В., Саркисов П.Д., Химия и технология нанодисперсных оксидов: учебное пособие. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 309 с.

46. Щукин Е.Д., Перцов A.B., Амелина Е.А. Коллоидная химия: Учеб. Для университетов и химико-технолог. вузов. М.: «Высшая школа», 2007. 444 с.

47. Электрические и газочувствительные свойства резистивного тонкопленочного сенсора на основе диоксида олова / Анисимов О.В. [и др.] // Физика и техника полупроводников. 2006. № 40(6). С. 724-729.

48. 2-D array photonic crystal sensing motif / Zhang J.-T. [et al] // Journal of the American chemical society. 2011. №133. P. 9152-9155.

49. Aizenberg J., Braun P.V., Wiltzius P. Patterned colloidal deposition controlled by electrostatic and capillary forces // Physical review letters. 2000. №84(13). P. 2997-3000.

50. Analysis of Silicon nanowires grown by combining SiO Evaporation with the VLS Mechanism / Kolb F.M. [et al] // Journal of the Electrochemical society. 2004. № 151(7). P. 472-475.

51. Baek K.-H. Three-Dimensional self-assembled photonic crystal waveguide. University of Minnesota. 2010. 77 p.

52. Bonifacio L.D., Ozin G., Arsenault A.C. Smelling chemicals with a photonic nose // SPIE Newsroom: international society for optics and photonics. 2011. URL. http://spie.org/x51520.xml (дата обращения 08.07.2011).

53. Braun P.V. Photonic Crystal-Based Optical Devices // Nanoparticles.org: the information resource for particle technology. 2004. URL. http://www.nan0particles.0rg/pdf/l7-Braun.pdf (дата обращения 20.10.2012).

54. Capillary retention of colloids in unsaturated porous media / Gao B. [et al] // Water resources research. 2008. №44 (4). P. 1-7.

55. Caruso F. Colloids and Colloid Assemblies: Synthesis, Modification, Organization and Utilization of Colloid Particles. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, 2004, 621 p.

56. Chae W.-S., Yu H., Ham S.-K., Bimodal porous gold opals for molecular sensing // Electronic material letters. 2013. № 9(6). P. 783-786.

57. Chan C.H., Chen C.C., Huang C.K. Self-assembled free-standing colloidal crystals//Nanotechnology. 2005. № 16. P. 1440-1444.

58. Danov K.D., Kralchevsky P.A. Interaction between like-charged particles at a liquid interface: Electrostatic repulsion vs. electrocapillary attraction // Journal of colloid and interface science. 2010. № 345. P. 505-514.

59. Deformation of Colloidal Crystals for Photonic Band Gap Tuning / Cho Y.S. [et al] // Journal of Dispersion Science and Technology. 2011. P. 1408-1415.

60. Ebenstein E., Nahum E., Banin U. Tapping Mode Atomic Force Microscopy for Nanoparticle Sizing: Tip Sample Interaction Effects // Nanoletters. 2002. №2 (9). P. 945-950.

61. Effects of Frictional Force on the Formation of Colloidal Particle Monolayer During Drying - Study Using Discrete Element Method / Nishikawa H. [et al] // KONA. 2006. №24. P. 192-196.

62. Electron-beam-assisted superplastic shaping of nanoscale amorphous silica / Zheng K. [et al] // Nature communications. 2010. №1. P. 1-8.

63. Garcia-Rojo R., McNamara S., Herrmann H.J. Influence of contact modeling on the macroscopic plastic response of granular soils under cyclic loading // Mathematical Models of Granular Matter Lecture Notes in Mathematics. 2008. № 1937. P. 109-124.

64. Growth imperfections in three-dimensional colloidal self-assembly / Ten L.K. [et al] // Applied physics A. 2005. № 81. P. 1399-1404.

65. Habets. T. Creation and Characterization of a Colloidal Photonic Crystal with a 2-Dimensional Local Defect. Universiteit Utrecht. 2009. 66 p.

66. Interfacing to PCFs with submicron cores // Centre for Photonics and Photonic Materials, Department of Physics, University of Bath. 2010. URL. http://www.bath.ac.uk/physics/groups/cppm/tapers_submicron.php (дата обращения 15.05.2010).

67. Inverse opal Structure of Sn02 and Sn02:Zn for gas sensing / Baratto C. [et al] // Sensors IEEE. 2005. P. 1196-1200.

68. Jurgen T. Mechanics of particle adhesion: Otto-von-Guericke-University, Magdeburg. 2006. 92 p.

69. Kralchevsky P. A., Nagayama K. Capillary Forces between Colloidal Particles // Langmuir. 1994. №10. P. 23-36.

70. Kralchevsky P.A., Denkov N.D. Cappilary forces and structuring in layers of colloidal particles // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2001. №6. P. 383-401.

71. Lee K., Asher S.A. Photonic crystal chemical sensors: pH and Ionic Strength // Journal of American chemical society. 2000. №122. P. 9534-9537.

72. Lee S.-K., Yi G.-R., Yang S.-M. High-speed fabrication of patterned colloidal photonic structures in centrifugal microfluidic chips // The royal society of chemistry. 2006. № 6. P. 1171-1177.

73. Lee W., Braun P.V. Epitaxially grown colloidal crystals of silica microspheres on patterned substrate of triangular arrays // Materials Science & Engineering. 2007. №27. P. 961-967.

74. Lili D., Keaveny E.E., Maxey M.R. // Force-coupling method for flows with ellipsoidal particles. 2009. №228. P. 3559-3581.

75. Mathur A., Brown A.-D., Erlebacher J. Self-ordering of colloidal particles in shallow nanoscale surface corrugations // Langmuir. 2006. №22 (2). P. 582-589.

76. Mayr. S.G., Samwer K. Model for Intrinsic Stress Formation in Amorphous Thin Films // Physical review letters. 2001. Vol. 87 №3. P. 565-568.

77. Mechanism of Trace Level H2S Gas Sensing Using Rf Sputtered Sn02 Thin Films with CuO Catalytic Overlayer / Chowdhuri A. [et al] // International journal on smart sensing and intelligent systems. 2009. Vol.2 №4. P. 540-548.

78. Miguel M.-C., Pastor-Satorras R. Velocity fluctuations and hydrodynamic diffusion in sedimentation // Europhysics letters. 2001. №54(1). P. 45-50.

79. Modeling Nanosized Colloidal Particle Interactions with Brownian Dynamics Using Discrete Element Method / Li J.-F. [et al] // Nanotech. 2003. №2. P. 566-569.

80. Modification of Opal Photonic Crystals Using A1203 Atomic Layer Deposition / Sechrist Z.A. [et al] // Chemical Material. 2006. №18. P. 3562-3570.

81. Mono- and multilayered opalline superlattices: application to nanotechnology of 2D ordered array of nanoobjects and 3D metalattices / Bozhko S.I. [et al] //Applied Surface Science. 2004. №234. P. 93-101.

82. Nanoscale Morphology revealed at the interface between colloidal quantum dots and organic semiconductor films / Panzer M.J. [et al] // Nanoletters. 2010. №10. P. 2421-2426.

83. Nierop E.A., Stijnman M.A., Hilgenfeldt S. Shape-induced capillary interactions of colloidal // Europhysics letters. 2005. № 72(4). P. 671-677.

84. NT-MDT: AFM - Effect of the tip curvature radius and cone angle // NT-MDT. 2014. URL. http://www.ntmdt.ru/spm-basics/view/effect-tip-radius-cone-angle (дата обращения 01.02.2013).

85. Opalux technology generates photonic color via various stimuli // Opalux: the leader in photonic color technology. 2014. URL. http://www.opalux.com (дата обращения 01.03.2011).

86. Ozin G.A., Arsenault A.C., Cademartiri L. Nanochemistry: a chemical approach to nanomaterials. RSC Publishing, 2009. 820 p.

87. Photonic crystals: advances in design, fabrication and characterization. Edited by Busch K. [et al]. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA. Weinheim, 2004. 378 p.

88. Rakovan J. Materials mineralogy // Rocks and minerals. 2010. № 85. P. 352-357.

89. Ramaswamy S. Issues in the statistical mechanics of steady sedimentation // Advances in physics. 2001. №50 (3). P. 297-341.

90. Stewart A.M., Chadderton L.T., Senior B.R. Self-Assembly in the Growth of Precious Opal // Journal of Crystal Growth. 2010. №312. P. 391-396.

91. Synthetic opals made by the Langmuir-Blodgett method / Bardosova M. [et al] // Thin Solid Films. 2003. №437. P. 276-279.

92. Tailored nanoparticles films from monosized tin oxide nanocrystals: Particle synthesis, film formation, and size-dependent gas-sensing properties / Kennedy M.K. [et al] // Journal of Applied Physics. 2003. № 93. P. 551-560.

93. Tandon S., Kesavamoorthy R., Asher S.A. Image charge effects on colloidal crystal ordering // Journal of chemical physics. 1998. № 109(15). P. 6490-6496.

94. Tin Dioxide Opals and Inverted Opals: Near-Ideal Microstructures for Gas Sensors / Scott W.J. R. [et al] // Advanced Materials. 2001. №19. P. 1469-1472.

95. Vittorias E., Kappl M., Butt H.-J. Studying mechanical microcontacts of fine particles with the quartz crystal microbalance // Powder technology. 2010. №203. P. 489-502.

96. Wang W., Asher S.A. Photochemical incorporation of silver quantum dots in monodisperse silica colloids for photonic crystal applications // Journal of American chemical society. 2001. № 123. P. 12528-12535.

97. Whitesides G.M., Grzybowski B. Self-Assembly al all scales // Supramolecular chemistry and self-assembly. 2002. №205. P. 2418-2421.

98. Yang A. Fabrication and stabilization of non-spherical colloids for self-assembly // National Nanotechnology Infrastructure Network. 2004. URL. http://www.nnin.org/sites/default/files/files/2004NNINreuYang.pdf (дата обращения 02.03.2014).

99. Yang S.M., Miguez H., Ozin G.A. Opal circuits of light - planarized microphotonic crystal chips // Advanced functional materials. 2002. №12(6-7). P. 425-431.

100. Yi Y., Chen K., Lipson M. Photonic crystal and microcavity devices // The Electronic Materials Research Group at MIT: the research laboratory. 2013. URL.http://photonics.mit.edu/Photonic_Crystals.html (дата обращения 20.12.2013).

101. Zhou Z., Zhao X.S. Flow-controlled vertical deposition method for the fabrication of photonic crystals // Langmuir. 2004. №20. P. 1524-1526.

■—^ / «Утверждаю» Первый проректор - проектор по учебной работе МГТУ им. Н.Э. Баумана,

кин Б.В.

14 г. .

Акт об использовании в учебном процессе результатов диссертационной работы Бесединой Ксении Николаевны

Результаты диссертационной работы Бесединой К.Н. «Разработка методов управляемого формирования и исследование тонкопленочных опаловых наноструктур» используются в учебном процессе кафедры «Электронные технологии в машиностроении»:

1. В инженерном и конструкторско-технологическом практикумах;

2. При разработке программы учебной дисциплины «Метрологическое обеспечение инновационных технологий» для магистров по направлениям 210100 «Электроника и наноэлектроника» и 152200 «Наноинженерия».

Руководитель НУК «Машиностроительные технологии» д.т.н., профессор

Колесников А.Г.

Заведующий кафедрой «Электронные технологии в мш д.т.н., профессор

Панфилов Ю.В.