Obținerea și caracterizarea filmelor de carbon aluminiu [309485]

Capitolul VII

Obținerea și caracterizarea filmelor de carbon aluminiu

pe substrat de siliciu

VII.1 [anonimizat], confecționat din sârmă de wolfram de 1 mm diametru. Fasciculele de electroni sunt accelerate de tensiuni anodice ridicate, 1-2 KV și bombardează simultan bara de grafit și respectiv pulberea de aluminiu. [anonimizat], focalizează fasciculul de electroni pe anozi într-o zonă de câțiva mm2. Ca urmare a [anonimizat], aluminiu.

Presiunea în camera de depunere este de 1.6*10-5 torr.
Metoda TVA s-a dovedit a [anonimizat], datorită încălzirii realizate prin bombardament electronic și evaporare secvențială la anod a materialelor cu temperaturi de vaporizare de peste 3000K. Curentul folosit pentru încălzirea filamentelor catozilor are valori cuprinse între 42.7 și 44.4 A pentru ambele plasme. Probele investigate au fost poziționate coliniar de la P1 la P10, [anonimizat] P1 [anonimizat] P10 mai aproape de anodul de aluminiu. Proba P5 a fost plasată la mijlocul distanței dintre cei doi anozi. Distanța dintre probele secvențiale a variat între 15 și 70 mm, pentru a fi distribuite în mod egal pe axă un numar mare de probe. [anonimizat] P5. Lângă fiecare microbalanță a fost plasată o placă de ecranare pentru a [anonimizat] a fost lăsat liber.

VII.2 Condițiile de depunere

A fost folosită o [anonimizat], [anonimizat] C, în funcție de distanța față de electrozii de depunere. În Tab.VII.1 sunt dați parametrii geometrici de depunere pentru două din cele 10 probe obținute.

Tab.VII.1

În Tab.VII.2 și Tab.VII.3 sunt prezentate datele de depunere pentru C și respectiv Al.

Tab.VII.2 Date de depunere pentru C

Tab.VII.3 Date de depunere pentru Al

În Tab.VII.2 și Tab.VII.3 – Ua(kV) [anonimizat](A) [anonimizat](A) curentul de filament.

[anonimizat] a curentului de filament este de aproximativ 43A. În urma depunerii TVA s-au obținut 10 filme subțiri de C-Al cu o grosime finală măsurată de 400nm. Raportul dintre concentrațiile de C și Al are valoarea de "C:Al = 1:7.5". Se efectuează măsurători electrice pe 2 dintre cele 10 probe obținute. Probele vor fi numite în continuare P1 și P2 (Fig.VII.1).

[anonimizat] P1- are 16%C și 84%Al, iar P2-6,12%C și 93,88%Al.

Fig.VII.1 Filme de C-Al cu contacte electrice (P1-dreapta, P2-stânga)

VII.3 Dependența rezistenței și conductivității electrice de temperatură pentru probe de C-Al pe substrat de silicu

Rezistența electrică a probelor P1 și P2 a fost măsurată la diferite temperaturi folosind dispozitivul experimental din Fig.VI.5 (Universitatea Ovidius din Constanța).

Valorile rezistenței au fost obținute pe baza relației (VI.1), conform montajului din Fig.VI.4, rezistența etalon fiind de 10Ω, iar curentul de măsură de 5µA. Pentru acuratețe, au fost realizate mai multe măsurători pentru aceeași valoare a temperaturii, așa cum se vede în Tab.VII.4 – Tab.VII.7, pentru proba P1(84%-Al; 16%-C) și Tab.VII.9 – Tab.VII.14 pentru proba P2 (93%-Al; 6%-C). În tabele este redată și conductivitatea calculată cu ajutorul relației (VI.2).

Tab. VII.4 Valorile rezistenței și conductivității

măsurate pentru proba de C-Al (P1) la t1=33șC

Tab. VII.5 Valorile rezistenței și conductivității

măsurate pentru proba de C-Al (P1) la t2=43șC

Tab. VII.6 Valorile rezistenței și conductivității

măsurate pentru proba de C-Al (P1) la t3=53șC

La t4=63șC este dată și valoarea rezistenței în prezența unui câmp magnetic B=0.3184 T. Se constată o creștere a rezistenței electrice cu 6.13% (Tab. VII.7).

Tab. VII.7 Valorile rezistenței și conductivității

măsurate pentru proba de C-Al (P1) la t4=63șC

Valorile medii ale rezistenței electrice calculate în urma masurătorilor pentru proba P1 de

C-Al pentru diferite temperaturi, sunt date în Tab. VII.8 și respectiv Fig.VII.2. În Fig.VII.3 este redată curba σ= σ(t).

Tab. VII.8 Valorile rezistenței și conductivității medii

măsurate pentru proba de C-Al (P1)

Fig.VII.2 Dependența rezistenței de temperatură pentru proba P1 de C-Al

Se poate observa că rezistența electrică a probei P1 crește o dată cu creșterea temperaturii; de reținut faptul că prezența aluminiului în probă este pregnantă, are valoarea de 84%, iar cea a carbonului de 16%.

Fig.VII.3 Dependența conductivității de temperatură pentru proba de P1 de C-Al

Tab. VII.9 Valorile rezistenței și conductivității măsurate

pentru proba de C-Al (P2) la t1=28șC

Tab. VII.10 Valorile rezistenței și conductivității măsurate

pentru proba de C-Al (P2) la t2=33șC

Tab. VII.11 Valorile rezistenței și conductivității măsurate

pentru proba de C-Al (P2) la t3=38șC

Tab. VII.12 Valorile rezistenței și conductivității măsurate

pentru proba de C-Al (P2) la t4=43șC

Tab. VII.13 Valorile rezistenței și conductivității măsurate

pentru proba de C-Al (P2) la t5=48șC

Tab. VII.14 Valorile rezistenței și conductivității măsurate

pentru proba de C-Al (P2) la t6=53șC

Valorile medii ale rezistenței și conductivității electrice calculate pentru proba P2 la diferite temperaturi, sunt date în Tab.VII.15 și în Fig.VII.4.

Tab. VII.15 Valorile rezistenței și conductivității medii

măsurate pentru proba de C-Al (P2)

Fig.VII.4 Dependența rezistenței de temperatură pentru proba P2 de C-Al

Rezistența electrică a probei P2 în lipsa câmpului magnetic, scade odată cu creșterea temperaturii atingând apoi un palier constant. În Fig.VII.5 este redată dependența σ= σ(t) pentru proba P2.

În Fig.VII.5 Dependența conductivității de temperatură pentru proba P2 de C-Al

Dependența de temperatură a rezistenței probei P2, aflată într-un câmp magnetic cu B=0.33T, orientat perpendicular pe suprafața filmului, este dată în Tab.VI.16 și în Fig.VI.6.

Tab. VII.16 Valorile rezistenței și conductivității medii măsurate pentru

proba de C-Al (P2) în prezența unui câmp magnetic (B=0.33T)

Fig.VII.6 Dependența rezistenței de temperatură

pentru proba P2 de C-Al în prezența unui câmp magnetic (B=0.33T)

Aliura curbei din Fig.VII.6 este similară cu aliura curbei privind variația rezistenței cu temperatura în lipsa câmpului magnetic, Fig.VII.4. Comparând valorile rezistenței probei P2 pe baza Fig.VII.6 și Fig.VII.4, se poate trage concluzia că efectul magnetorezistiv, în acest caz, este de maximum -1.3% (Fig.VII.7).

Fig.VII.7 Dependența rezistenței de temperatură pentru proba P2

(◊)în absența câmpului magnetic, (□) în prezența câmpului magnetic (B=0.33T)

În Fig.VII.8 și Fig.VII.9 este comparată rezistența probelor P1 și P2 și respectiv rezistența raportată la distanța dintre contacte, conform Tab. VII.17.

Fig.VII.8 Dependența rezistenței de temperatură pentru probele de C-Al

(□) proba P1; (◊) proba P2

Tab. VII.17 Raportul rezistență / distanță pentru probele P1 și P2

Fig.VII.9 Dependența rezistenței / distanță de temperatură pentru probele de C-Al

(◊) proba P1; (□) proba P2

Din Fig.VII.9 rezultă că proba P1 prezintă o rezistență pe distanță mai mare decât proba P2, în concordanță cu concentrația de Al mai mică în cazul probei P1 (84%Al), față de concentrația de Al a probei P2 (93,88%Al).

VII.4 Caracterizarea morfo-structurală a filmelor de C-Al

VII.4.1 Rezultate TEM (la 100kV) pentru filmul P1 de C-Al

Ca și în cazul filmelor de C pe Si și C pe sticlă se respectă procedeul descris în secțiunea "VI.2.2.1 Pregătirea grilelor pentru susținerea probelor". Astfel, după investigarea TEM și de difracție rezultă pentru proba P1 imaginile prezentate în Fig.VII.10, Fig.VII.11.

Fig.VII.10 Imagini TEM ale unui film de C-Al (P1) la diferite magnificații:

a) 3800X; b)50000X; c) 180000X; d) 380000X. Tensiunea de accelerare este de 100KV

Fig.VII.11 Imagine de difracție de electroni pentru un film de C –Al (P1)

(magnificație 880.000.000X; tensiune de accelerare 100 KV; lungimea camerei 880mm)

Difractograma (Fig.VII.11) evidențiază prezența unui material policristalin, faza predominantă fiind Al cubic, după cum rezultă și din Tab. VII.18.

Tab. VII.18 Vârfurile selectate pentru analiză / indexare

Folosind difracția de electroni se poate determina parametrul mediu de rețea de 1.75Å, pentru Al prezent în proba P1 (Tab. VII.18). Inelele de identificare sunt deasemenea prezente în Fig.VII.11.

Caracterizarea din punct de vedere morfologic, cere construcția histogramei diametrelor Feret (distanța medie dintre tangentele duse la obiect pe direcții opuse) (Fig. VII.13) pentru o zonă din film, după cum se poate observa în Fig.VII.12 . În acest caz, presupunând o distribuție de tip lognormal se obține un diametru mediu de 10nm.

Fig.VII.12 Secțiunea de film aleasă pentru analiza diametrelor Feret din filmul P1 C-Al;

magnificație 180000X; tensiune de accelerare 100 KV

Histograma experimentală a fost fitată folosind aplicația SCIDavis.

Fig.VII.13 Diametre estimate cu ajutorul iTEM din micrografii

Histograma distribuției Feret este prezentată în Fig.VII.14.

Fig.VII.14 Histograma distribuției Feret după diametrele

medii considerate pentru proba P1 (C-Al)

Din Fig.VII.14 rezultă că diametrul mediu al nanoparticulelor conținute în filmul P1, este de 10 nm.

VII.4.2 Rezultate TEM (la 100kV) pentru filmul P2 de C-Al

Ca și în cazul probei P1, filmul P2 de C-Al este supus aceluiași procedeu de investigare. Imaginile TEM și difractogama pentru filmul P2 sunt prezentate în Fig.VII.15 și respectiv Fig.VII.16.

Fig.VII.15 Imagini TEM ale unui film de C-Al (P2) la diferite magnificații:

2900X; b)105000X; c) 230000X; d) 1050000X.

Tensiunea de accelerare este de 100KV

Fig.VII.16 Imagine de difracție de electroni pentru un film de C-Al (P2)

(magnificație 880.000.000X; tensiune de accelerare 100 KV; lungimea camerei 880mm)

Difracția electronilor indică prezența unei structuri amorfe, local policristaline. Nanoparticulele sunt suficient de mici încăt să nu poată contribui la formarea inelelor de difracție, faza predominantă fiind de nanoparticulă (pulberi fine). În concluzie, histograma distribuției Feret după diametrele medii, nu poate fi luată în seamă.

VII.4.3 Rezultate SEM (la 30kV) pentru filmul P1 de C-Al

Caracterizarea SEM a fost realizată folosind microscopul SEM QUANTA INSPECT F (Universitatea Politehnica din București), pe proba pregătită folosind metoda "scratch" [89], la o tensiune de accelerare de 30KV, pentru diferite magnificații. Rezultatele sunt prezentate Fig.VII.17.

Fig.VII.17 Caracterizare SEM pentru proba P1 (C-Al) la diferite magnificații;

(10.000x – stânga sus, 50.000x – dreapta sus,

100.000x – stânga jos, 500.000x – dreapta jos)

În prima imagine din Fig.VII.17 (10.000x – stânga sus) poate fi observat un aspect general uniform al unei structuri amorfe. Cea de a doua imagine (50.000x – dreapta sus), evidențiază o suprafață neregulată cu insule de Al, cel mai probabil cu o structură cristalină, sugerată de forma poliedrică a "grăunților" de Al care au o mărime medie de 300nm. Acest fapt este deasemenea confirmat de imaginea următoare (100.000x – stânga jos). În ambele imagini se constată prezența a doua faze principale: faza cristalină – poliedrică și faza de nanostructură (pulbere fină). Cele două faze pot fi amestecate în tot filmul, printre straturile depuse. Cea din urmă imagine (500.000x – dreapta jos) indică mărimea medie a fazei nanostructurate, ce se regăsește între 6 și 40 nm și are un aspect neregulat asemeni unei grăunțe.

VII.4.4 Rezultate SEM (la 30kV) pentru filmul P2 de C-Al

Urmând același procedeu, pentru proba P2, rezultă imaginile SEM din Fig.VII.18.

Fig.VII.18 Caracterizare SEM pentru proba P2 (C-Al) la diferite magnificații;

(10.000x – stânga sus, 100.000x – dreapta sus,

500.000x – stânga jos, 500.000x – dreapta jos)

Prima imagine (10.000x – stânga sus) evidențiază aspectul general al filmului P2, reliefând o structură amorfă uniformă. Imaginile doi și trei (100.000x – dreapta sus, 500.000x – stânga jos) evidențiază același tip de structură cu două faze principale: faza cristalină – poliedrică și faza de nanostructură (pulbere fină). Diferența principală constă în faptul că în această probă proporția fazei cristaline – poliedrice este mai scăzută decât în cazul probei P1. În același timp, ca și în cazul probei P1, dimensiunea medie a grăunților de Al este de 300 nm. Din cea de a patra imagine (500.000x – dreapta jos) rezultă dimensiunea medie a fazei nanostructurate ca fiind cuprinsă între 6 și 16 nm, stuctura nano (pulberea fină) acoperind cea mai mare parte a filmului.

VII.4.5 Rezultate EDXS pentru filmele P1 și P2 de C-Al

Cu ajutorul spectrometrului de raze X cu dispersie de energie EDXS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), au fost efectuate micro analize calitative de raze X, pentru a se putea identifica elementele chimice. Spectrele astfel obținute sunt prezentate în Fig.VII.19, respectiv Fig.VII.20.

Fig.VII.19 Spectru EDXS pentru proba P1

Fig.VII.20 Spectru EDXS pentru proba P2

Spectrele EDXS relevă și confirmă pentru ambele probe de C-Al prezența aluminiului, a carbonului și a siliciului (din substrat). Vârful corespunzător aluminiului este situat în jurul valorii de 1.6 keV, al siliciului în apropierea imediată, iar al carbonului langă valoarea 0. Se constată deasemenea și prezența oxigenului, care se poate găsi pe suprafața filmului.

Corelând rezultatele TEM și analiza SEM se poate remarca faptul că insulițele de Al din proba P1 sunt mai mari decât cele din proba P2, particulele de Al din P2 tinzând spre formă și mărime similară pe întreaga probă.