Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Міністерство ОСВІТИ України
ПРИКАРПАТСЬКИЙ університет
ІМЕНІ В. СТЕФАНИКА
ТКАЧУК Орися Миколаївна
УДК 538.975+537.534.9
МОДИФІКАЦІЯ СТРУКТУРИ
ПРИПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ
ЕПІТАКСІЙНИХ ПЛІВОК YFEO/GDGAO
ПРИ ІОННІЙ ІМПЛАНТАЦІЇ.
01.04.18 —Фізика і хімія поверхні.
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Івано-Франківськ — 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в лабораторії фізики магнітних плівок Прикарпатського університету
імені В. Стефаника Міністерство освіти України
Науковий керівник:
доктор фізико-математичних наук, професор Остафійчук Богдан Костянтинович, завідувач кафедри металофізики Прикарпатського університету.
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, професор Матковський Андрій Орестович, державний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри напівпровідникової епектроніки, м.Львів;
лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, доктор фізико-математичних наук, професор Довгошей Микола Іванович, Ужгородський університет. професор кафедрою твердотільної епектроніки, м.Ужгород.
Провідна установа:
Інститут металофізики НАН України, м.Київ.
Захист відбудеться "" жовтня 1999 року о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 20.051.03 в Прикарпатському університеті імені В. Стефаника за адресою: 284029,
м.Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57.
З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Прикарпатського університету
імені В. Стефаника (вул. Шевченка,57).
Автореферат розісланий ""вересня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К 20.051.03,
кандидат фізико-математичних наук Кланічка В.М.
. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Одними із найбільш широко використовуваних в пристроях функціональної мікроелектроніки магнітних матеріалів є ферит-гранати (ФГ). Зокрема, епітаксійні монокристалічні плівки залізо-ітрієвого гранату (ЗІГ) YFeO, вирощені на підкладці із гадоліній-галієвого гранату (ГГГ) GdGaO, є одними із найбільш перспективних матеріалів для створення пристроїв розпізнавання, контролю і обробки сигналів в сантиметровому діапазоні. Параметри таких пристроїв визначаються властивостями тонкого приповерхневого шару, в якому штучно створено по товщині градієнт фізико-хімічних властивостей.
Пошук і розробка методів покращення властивостей приповерхневого шару епітаксійних плівок ферит-гранатів, в тому числі ЗІГ, займає суттєве місце в розвитку сучасної мікроелектроніки. Одним із перспективних методів впливу на приповерхневі шари з метою цілеспрямованого надання їм специфічних властивостей, є іонна імплантація (ІІ), унікальні можливості якої пов’язані насамперед із нерівноважністю самого процесу, що дає можливість подолати принципові обмеження методів хіміко-термічної обробки. У імплантованих плівках ЗІГ з неоднорідністю магнітних параметрів по товщині виявлено ряд нових фізичних ефектів і особливостей, які мають теоретичне і практичне значення. В плівках ЗІГ з неоднорідним приповерхневим шаром легше збуджуються спін-хвильові резонанси. Поріг виникнення нелінійних ефектів (наприклад, автомодуляції спін-хвильових збуджень) на два порядки менший, ніж в плівках, однорідних по товщині. Крім того, в імплантованих плівках ЗІГ можна збуджувати обмінні спінові хвилі з набагато меншою довжиною, які поширюються з дуже малими втратами. В імплантованих плівках YFeO існує висока (до 80%) ефективність перетворення імпульсного НВЧ-сигналу в біжучі обмінні спінові хвилі (ОСХ). Ці особливості імплантованих плівок залізо-ітрієвого гранату використовуються для створення нового класу пристроїв функціональної НВЧ-електроніки, що робить актуальною розробку теоретичних основ ціленапрямленої модифікації їх приповерхневих шарів. Зокрема, розуміння процесів, які відбуваються в такому шарі, є необхідною передумовою отримання матеріалів з потрібними фізичними властивостями, що потребує дальнішого комплексного теоретичного і експериментального дослідження. Рішення даної задачі пред’являє жорсткі вимоги до методів дослідження. Вони повинні бути неруйнуючими, поверхнево чутливими, нести в собі якісну, і обов’язково кількісну характеристики. Таким вимогам відповідають, зокрема, методи конверсійної електронної месбауерівської спектроскопії (КЕМС) та математичного моделювання, які були основними методами дослідження під час виконання даної роботи.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами . Робота виконана в ході розробки наукових програм Національної Академії наук України та досліджень, пов’язаних із науковою тематикою Міністерства освіти України.
Мета і задачі дослідження. Основною метою даної роботи було вивчення зміни фізичних параметрів модифікованих внаслідок імплантації легких і важких іонів приповерхневих неоднорідних шарів епітаксійних ферит-гранатових плівок методами математичного моделювання та конверсійної електронної месбауерівської спектроскопії.
При проведенні експериментальних досліджень і теоретичних розрахунків вирішувались такі конкретні наукові задачі:
.Вибір та розробка методів теоретичного розрахунку процесів, які відбуваються при імплантації легких та важких іонів в епітаксіальні плівки залізо-ітрієвого гранату.
2.Застосування методів математичного моделювання для розрахунків профілів імплантації, профілів зміщених іонів матриці, густини коефіцієнтів зміщення, ядерних та електронних енергетичних втрат, перших чотирьох моментів розподілу імплантованих іонів, густини атомних зіткнень, які характеризують процес іонної імплантації в монокристалічні плівки YFeO/GdGaO.
3.Розвиток методів математичної обробки експериментальних конверсійних електронних месбауерівських спектрів заліза від ЗІГ- структур.
4.Визначення характерних особливостей механізму модифікації приповерхневого шару у випадку імплантації легких і важких іонів.
.Встановлення взаємозв’язку розрахованих параметрів іонної імплантації із кристалічною і магнітною структурою приповерхневих шарів імплантованих плівок залізо-ітрієвого гранату.
Наукова новизна одержаних результатів. З використанням методу Монте-Карло на мові ФОРТРАН розроблено математичне забезпечення для чисельного розрахунку величин, які характеризують процес імплантації будь-яких іонів в багатокомпонентні мішені і використано його для розрахунку параметрів первинних і вторинних процесів іонної імплантації в епітаксійні плівки залізо-ітрієвого гранату.
Розраховано перші чотири моменти розподілу імплантованих іонів кисню та миш’яку в ЗІГ. Вперше на основі кількісних характеристик зроблено диференціацію типів енергетичного піку по глибині при входженні імплантованих іонів миш’яку в матеріал залізо-ітрієвого гранату.
Вперше розраховано:
- профілі зміщених іонів матриці в приповерхневому шарі YFeO по по кожному сорту зокрема;
- величини пружніх та непружніх енергетичних втрат в імплантованому шарі ЗІГ;
- кількісні характеристики процесу розпилення поверхневого шару матеріалу залізо-ітрієвого гранату під час імплантації вибраних сортів іонів;
Аs+.
Розраховано профілі концентрації імплантованих іонів та вигляд одного окремого каскаду атомних зіткнень при ІІ кисню та миш’яку в ЗІГ. Крім того, на мові ФОРТРАН розроблено програмне забезпечення для відновлення функції надтонких параметрів месбауерівських спектрів по методу Хессе-Рубарча.
Практичне значення одержаних результатів.Теоретичні методики, розроблені в дисертаційній роботі на основі методу Монте-Карло, дозволяють отримати точну і експериментально недоступну інформацію про деталі дисипативних процесів, які відбуваються під час ІІ в приповерхневому шарі багатокомпонентних матеріалів, в тому числі залізо-ітрієвого гранату. Концепція енергетичних характеристик іонної імплантації, яка розроблена в даній роботі, дає можливість виявити ефекти енергетичних піків, їх тип та локалізацію по товщині імплантованого шару, що поглиблює розуміння механізмів дефектоутворення у ньому.
Розрахунок теоретичних основ процесів, які ініціюються іонним пучком, дозволяє вибрати оптимальний режим іонної імплантації рохрахунковим шляхом з метою цілеспрямованої модифікації фізико-хімічних властивостей порушеного приповерхневого шару матеріалу.
Поєднання теоретичних результатів моделювання з інтерпретацією експеримантальних КЕМ спектрів виявили особливості впливу іонної імплантації на модифікацію магнітної мікроструктури приповерхневого шару YFeO/GdGaO.
За час виконання дисертаційної роботи для отримання чисельних результатів моделювання ІІ та розрахунку конверсійних електронних месбауерівських спектрів розроблено комплекс програм, які можна використовувати для розрахунку потрібних величин для будь-яких матеріалів довільного складу.
Положення, які виносяться на захист.
1.Методика розрахунку на основі методу Монте-Карло основних кількісних величин, які характеризують процес іонної імплантації в мішені багатокомпонентного складу.
2. При перевищенні критичних значень таких параметрів, як густини енерговиділення, густини лінійного коефіцієнту зміщення, густини атомних зіткнень при умові, що маса імплантованого іону є більшою від маси окремих атомів мішені, можна однозначно стверджувати про наявність енергетичних піків у приповерхневому шарі плівки в процесі іонної імплантації.
3. При імплантації іонів миш’яку з енергією 60 keV у залізо-ітрієвий гранат аморфізація приповерхневого шару відбувається за рахунок наявності енергетичних піків трьох типів: іонізаційного, теплового та піку зміщень, які є відповідальними за пошкодження кристалічної гратки, причому дія кожного з піків є домінуючою на характерній для нього глибині: іонізаційного піку –в приповерхневому шарі товщиною 10 нм; піку зміщень –від 8 до 25 нм; теплового піку –до 60 нм, тобто по всій глибині імплантованого шару.
Особистий внесок здобувача. Планування методів розв’язання поставленої задачі; наукове обгрунтування вибраних методів та об’єктів дослідження.
Розробка комплексу математичних програм по методиці розрахунку параметрів первинних і вторинних процесів іонної імплантації в залізо-ітрієвий гранат; розробка підходів та алгоритмів розрахунку експериментальних конверсійних електронних месбауерівських спектрів та розрахунок функцій густини розподілу параметрів надтонкої взаємодії.
Проведення чисельних розрахунків, аналіз отриманих теоретичних та експериментальних результатів та створення узагальнюючих теоретичних моделей.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювалися та доповідалися на наукових семінарах, школах, конференціях, в тому числі на ІІІ Міжнародній нараді по ядерно-спектроскопічних дослідженнях надтонких взаємодій (Алма-Ата, 1989); Всесоюзній школі-семінарі “Спін-хвильова електроніка НВЧ” (Львів, 1989); І Міжнародному симпозіумі “Фізико-хімічна механіка композиційних матеріалів” (Івано-Франківськ, 1993); ІV Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 1997); ІІ Міжнародній школі-конференції ” Physical problem in material science of semiconductors” (Чернівці, 1997); Міжнародній конференції “INTAS - UCRAINE WORKSHOP on Condensed Matter Physics” (Львів, 1998).
Публікації. Матеріали дисертації викладено в 18 публікаціях, в тому числі в 7 статтях в наукових журналах і в 2 статтях в збірниках наукових праць .
Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із із вступу, 4 розділів, висновків та списку використаних джерел. Обсяг дисертації 145 сторінок. Дисертація містить 53 рисунки, 7 таблиць та 155 бібліографічних джерел.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.
У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, відзначено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, приведено положення, які виносяться на захист.
Перший розділ містить аналітичний огляд літератури, який висвітлює теоретичні і експериментальні аспекти досліджуваної тематики у вітчизняній та зарубіжній науковій літературі. Розглянуто кристалічну та магнітну структуру епітаксійних плівок ЗІГ та модифікацію властивостей приповерхневого шару внаслідок імплантації різними сортами іонів. Існує тісний зв’язок між модифікацією властивостей і мікроструктурними перетвореннями в приповерхневих шарах, тому має велике значення вивчення і розуміння впливу фізичних процесів, викликаних імплантацією, на властивості приповерхневого шару і плівки ЗІГ. При досягненні критичних доз імплантованих іонів спостерігається аморфізація приповерхневого шару. Не дивлячись на велику кількість досліджень в цій галузі, конкретні механізми цих явищ до цих пір залишаються не зовсім зрозумілими, а тому немає загальної теорії аморфізації при ІІ багатоелементних кристалів. Ступінь і характер пошкоджень залежить від багатьох параметрів. Класифікацію цих змін і їх точну природу встановити в загальному випадку неможливо, тому в літературі наводяться характеристики пошкодженого шару для кожного конкретного режиму ІІ і з’ясовують домінуючі механізми.
Встановлено, що при опроміненні матеріалу матриці легкими іонами при невеликих дозах ( <10 см-2 ) утворюються точкові дефекти, які взаємодіють між собою. Імплантовані іони і створені ними дефекти викликають механічні напруги в кристалічній гратці ЗІГ. З набором дози густина радіаційних дефектів і їх взаємодія зростає, внаслідок чого утворюються окремі аморфні області. Еволюція та злиття окремих аморфних областей зумовлює повну аморфізацію приповерхневого шару.
При імплантації важких іонів розглядають каскади зіткнень високої густини, або енергетичні піки. В літературі немає єдиного критерію для визначення дії енергетичних піків. Прийнято вважати, що при ІІ важкими іонами аморфізація відбувається за рахунок ударів окремих іонів, а іонний трек оточений повністю аморфною зоною. З набором дози густина таких зон зростає, вони об’єднуються і утворюють суцільний приповерхневий аморфний шар.
До теперішнього часу не існує єдиного підходу до проблеми моделювання іонної імплантації. Різні теоретичні підходи до цієї проблеми базуються на моделюванні одиничного каскаду атомних зіткнень на основі трьох різних методів: 1) методу молекулярної динаміки; 2)методу на основі кінетичного рівняння Больцмана; 3) методу Монте-Карло.
Метод Монте-Карло використовують для прямої побудови розподілу пробігів і дефектів як для аморфних, так і для кристалічних матеріалів. Перевагою методу є те, що він дає можливість відразу отримати шуканий розподіл, точніше врахувати пружні і непружні втрати енергії та ефекти розпилення поверхні.
В науковій літературі практично відсутні модельні розрахунки параметрів ІІ, здійснені безпосередньо для залізо-ітрієвого гранату а також їх пoрівняння з експериментом, що робить цю проблему актуальною.
Другий розділ містить коротку характеристику об’єктів і методів теоретичного та експериментального дослідження. Вихідними зразками були паспортизовані методами рентгеноструктурного аналізу та резерфордівського зворотнього розсіювання іонів монокристалічні плівки YFeO, збагачені до 10 ваг. % ізотопом Fe, вирощені методом рідкофазної епітаксії на немагнітній підкладці GdGaO товщиною 500 мкм. Плівки товщиною 2.82 мкм імплантувалися іонами кисню з енергією 90 кеВ і дозами: 6.10, 2.10, 4.10, 1.10, 1.10 см-2. Плівки товщиною 10.2 мкм імплантувалися іонами миш’яку з енергією 60 кеВ і дозами 8 .10, 2.10, 4.10, 8.10, 2.10, 4.10, 8.10, 2.10, 6.10, 1.10, 1.5.10см-2 в геометрії, яка виключала ефекти каналювання.
Конверсійні електронні месбауерівські спектри (КЕМС) заліза вихідних та імплантованих зразків отимано при кімнатній температурі в режимі постійного прискорення на типовому спектрометрі ЯГРС-4М з аналізатором імпульсів УНО-4096. Джерелом гама-випромінювання служив Со в хромовій матриці активністю 70 mCu. Математична обробка експериментальних КЕМС заліза проводилась в два етапи. На першому етапі експериментальний спектр розкладався на парціальні підспектри і визначалися їх параметри. Модель для розшифровки вибиралася згідно апріорної інформації про кристалічну та магнітну структуру YFeO. На другому етапі проводилась реставрація функції густини розподілу магнітних полів на ядрах Fe методом Хессе-Рубарча по експериментальних спектрах зразків, імплантованих іонами As+.
Моделювання процесу ІІ в ферит-гранатові структури здійснено на основі методу Монте-Карло. Для потенціалу міжатомної взаємодії вибрано потенціал Томаса-Фермі з аналітичним наближенням в формі Мольєр. Ядерні та електронні втрати розглядалися як незалежні, а зіткнення іонів –бінарними. Електронні втрати енергії враховувалися за допомогою формули Т=LNS(E), де L –відстань між двома послідовними зіткненнями, N – атомна густина мішені, S(Е) –переріз електронного гальмування, для обчислення якого використано модель Ліндхарда-Шарфа: S(E)=kE.5 .
Кут розсіювання в системі центра мас як функція прицільного параметру і енергії Е розраховано на основі апроксимації міжатомного потенціалу степеневими виразами із змінним показником n, який є функцією енергії: n(e)=1+4exp(-1.9e-0.1).
З метою зменшення затрат машинного часу на розрахунки проводився відбір зіткнень по величині прицільного параметру з використанням наближення “катастрофічних” зіткнень: якщо b/a>(6/.3-1) при <400, то достатньо врахувати лише електронне гальмування. Тут b/a- приведений прицільний параметр, –приведена енергія. Кристалічна структура мішені не враховувалася, що при нашій геометрії ІІ є цілком оправданим. При низьких енергіях вільний пробіг L=N/3 стає коротшим на величину, яка в враховується так званим “часовим інтегралом” , для розрахунку якого використано модель “твердих сфер”.
В результаті розрахунків, проведених за допомогою розробленої програми, було отримано інформацію про деталі процесів розсіювання, які мають місце в каскадах атомних зіткнень, про розподіл концентрації імплантованої домішки та зміщених атомів матриці по кожному сорту зокрема, про об’єм каскадів атомних зіткнень та енергетичні характеристики пружніх і непружніх втрат енергії. На основі гістограм розраховано перші чотири моменти розподілу: середній проективний пробіг Rp , Rp, асиметрію S та скошеність K.
Тестування програми здійснено при розрахунках відомих комбінацій іон-мішень, а саме для імплантації бору в кремній.
У третьому розділі викладено теоретичні результати по дослідженню впливу імплантації іонів О+ та As+ на механізм дефектоутворення та формування аморфного приповерхневого шару ЗІГ, розраховані на основі методу Монте-Карло.
Іони кисню вибрано для імплантації із таких апріорних міркувань. Оскільки маса кисню є відносно невеликою, то превалюючим механізмом дефектоутворення при ІІ кисню в ЗІГ будуть бінарні зіткнення, які ведуть в основному до утворення точкових дефектів або їх комплексів. Внаслідок близькості мас імплантованого іону та атомів аніонної підгратки ЗІГ очікується її селективне руйнування. Додатковий інтерес представляє ІІ киснем тому, що методи синтезу плівок ЗІГ є причиною збіднення приповерхневого шару саме цим елементом. Зовсім інші ефекти передбачаються у випадку ІІ миш’яку, який є важким елементом по відношенню до атомів мішені.
Аналіз ядерних втрат енергії свідчить про те, що при ІІ кисню дефектоутворення найбільш інтенсивно проходить в шарі товщиною 60 нм, який міститься на відстані 70 нм від поверхні зразка. Сумарна енергія, яка витрачається на генерацію пошкоджень становить близько 53%, а товщина порушеного шару рівна близько 300нм. У випадку ІІ миш’яку найбільш ефективно утворюються дефекти на поверхні в шарі товщиною 10 нм, і на них витрачається 88% енергії. Товщина порушеного шару становить 60 нм.
Профілі імплантованого кисню та зміщених ним іонів матриці характеризуються такими параметрами: Rp=144нм, Rp=56нм, Rpзміщ=105нм, Rpзміщ=48нм. Встановлено, що один імплантований іон кисню зміщує близько 740 іонів ЗІГ. Співвідношення зміщених іонів по сортах відрізняється від стехіометричного і становить 3:5.2:12.8, тобто відбувається селективне руйнування аніонної підгратки. Розрахований профіль імплантованого миш’яку має такі параметри: Rp=24нм, Rp=10.5нм, а профіль зміщених іонів матриці знаходиться ближче до поверхні : Rpзміщ=19нм, Rpзміщ=11нм. Кількість зміщених одним імплантованим іоном As+ атомів матриці близько 1000, а їх співвідношення по сортах рівне 2.8: 5.3:11.9, тобто при ІІ миш’яку найшвидше руйнується підгратка заліза. Розраховані профілі імплантації кисню та миш’яку корелюють із профілями, отриманими експериментально за допомогою вторинної іонної мас-спектрометрії.
Особливості протікання процесів ІІ при опроміненні плівок ЗІГ іонами О+ та Аs+ знаходять своє відображення у механізмах формування аморфних приповерхневих шарів. Сам термін “аморфний шар” в даному випадку треба уточнити. Прийнято вважати, що таким шаром є розвпорядкований в кристалічному відношенні приповерхневий шар, який утворюється по досягненні критичних доз ІІ. Відомо, що в аморфному матеріалі зберігається ближній порядок і тому майже всі зв’язки є насиченими, а в порушеному внаслідок іонної імплантації шарі матеріал є речовиною з великою кількістю обірваних зв’язків за рахунок високої концентрації кластерів із вакансій. Це також свідчить про те, що іонна імплантація дає можливість сформувати приповерхневий аморфізований шар з властивостями, які не можна досягнути іншими методами.
При входженні в матеріал матриці такого важкого елементу, яким є миш’як, застосування лінійної каскадної теорії для опису дефектоутворення неможливе. В цьому випадку визначальними в руйнуванні кристалічної і магнітної структури ЗІГ є процеси пружнього розсіювання на атомах матриці з високою густиною енерговиділення, які дають підставу припустити наявність енергетичних піків певного типу, які спостерігаються при виконанні необхідних для їх існування умов. Виділення певного типу енергетичного піку є проблематичним через те, що залежність порогу піку від енергії та порядкових номерів атомів для всіх моделей піків є подібною.
Для кількісної характеристики процесів ІІ в багатокомпонентні мішені, зокрема ЗІГ, і для можливості порівняння ефектів імплантації різними сортами іонів в роботі розроблено концепцію енергетичних характерик іонної імплантації, введено поняття лінійної густини коефіцієнтів зміщення і густини атомних зіткнень, величина яких в поєднанні з порядковим номером імплантованого елементу дали можливість ідентифікувати ефекти енергетичних піків.
Величиною, яка характеризує рівень пошкоджень приповерхневого шару, є густина атомних зіткнень с=Dw/h, де D-доза ІІ, w- кількість зіткнень одного імплантованого іону до зупинки, h- товщина порушеного шару. Порівняння розрахованої густини атомних зіткнень с з атомною густиною гранату ( 8.4.10 іон/см) показує, що при ІІ О+ тільки найбільша доза 1.10 см-2 зумовлює значення с =3.0.10 іон/см, яке є більшим від атомної густини гранату. На противагу цьому, при ІІ As+ вже при дозі 4.10 іон/см величина с=6.7.10 іон/см, а при дозах, більших 2.10 іон/см с значно перевищує атомну густину ЗІГ. Така велика густина зіткнень у випадку ІІ миш’яку у поєднанні із великим атомним номером As є виявом різкого зростання перерізу атомних зіткнень, в результаті чого в приповерхневому шарі розвиваються енергетичні піки. Другою характерною величиною є лінійна густина коефіцієнтів зміщення Wh , яка становить 3 іон/нм (О+) та 16 іон/нм (As+), тобто при ІІ As+ Wh є близькою до лінійної густини атомів ЗІГ. Наші розрахунки показують, що при цьому відбуваються якісні зміни . Такі каскади атомних зіткнень уже не можна вважати лінійними, в них проявляються колективні ефекти, тобто наступають енергетичні піки. При ІІ As+ концентрація зміщених атомів матриці на глибині від 8 нм до 25 нм перевищує критичне значення (10% по Свенсону), тобто в цьому шарі виконуються умови для існування піку зміщень.
Важливою енергетичною характеристикою ІІ є середня густина енергії , виділена на 1 атом матриці в об’ємі каскаду: =Е/, де -середній об’єм каскаду. На рис.1 показано профілі густини енерговиділення в ядерну і електронну підсистеми ЗІГ для випадку ІІ As+ з енергією 60 кеВ. В приповерхневому шарі для електронних втрат перевищує критичне значення (порядку 1еВ) і приводить до розвитку приповерхневого іонізаційного піку, який простягається на глибину до 10нм.
Отже, на основі проведених методом Монте-Карло розрахунків ми отримали можливість виділити дію різних енергетичних піків та локалізувати їх по глибині імплантованого шару.
Рис.1 Профіль густини енерговиділення (z) вздовж траєкторії первинного іону в ядерну (----) та електронну (___) підсистеми плівки ЗІГ при ІІ As+ з енергією 60 кеВ.
У четвертому розділі викладено результати месбауерівських досліджень надтонких взаємодій (НТВ) в YFeO. Особливості гальмування імплантованої частинки в ЗІГ проявляються в зміні кристалічної та магнітної мікроструктури порушеного приповерхневого шару, виявити яку можна по змінах форми і параметрів КЕМ спектру зразка. Оскільки в даній роботі досліджуваним матеріалом був ЗІГ, то для коректної оцінки товщини інформативного шару саме цього матеріалу були розраховані вагові функції для гранату, які використовуються для оцінки середнього числа зареєстрованих електронів конверсії на один акт резонансного розсіювання на глибині х по моделі неперервного розсіювання:
,
де Р(х) - імовірність виходу електрону конверсії із глибини х. Згідно проведеного розрахунку, основний вклад ( 98%) у КЕМ спектр ЗІГ дають електрони, що виходять з глибини до 150нм.
Іонна імплантація киснем. При ІІ О+ дозами, меншими 6.10см-2 накопичення радіаційних дефектів веде до когерентного зміщення атомів кристалічної гратки з положень рівноваги, що проявляється у зростанні сталої гратки. Секстиплет, який відповідає d-підгратці Fe, розщеплюється на два і появляється парамагнітна фаза. Магнітне впорядкування частково зникає внаслідок спотворення геометрії надобмінної взаємодії в ланцюжку Fea+- O-- Fed+, його розриву та збільшення віддалі між магнітними іонами внаслідок деформації гратки. Максимальне руйнування кристалічної гратки, згідно розрахунку, має місце на глибині порядку 100нм, і це дозволяє стверджувати, що зародження парамагнітної фази відбуваєть на цих же глибинах. Збільшення дози ІІ до 2.10см-2 спричиняє ріст парамагнітної фази за рахунок накопичення окремих парамагнітних областей, причому гратка ЗІГ залишається в сильнодефектному, але кристалічному стані. Подальше зростання дози до 4.10см-2 спричинює аморфізацію приповерхневого порушеного шару, зникнення магнітного впорядкування і різкого росту інтенсивності дублету КЕМС заліза, що відповідає парамагнітній фазі (рис.2). ЇЇ концентрація стає співмірною з магнітною складовою і, очевидно, вона розповсюджується із області свого зародження як до поверхні плівки, так і в глибину. Утворення парамагнітної фази відбувається за двома механізмами: 1) спотворення і руйнування кристалічної гратки; 2) значної деформації кристалічної гратки, яка змінює кут і збільшує віддаль надобмінної взаємодії.
При дозі 1.10см-2 парамагнітна фаза фактично поширюється на поверхневий шар товщиною 150-160нм, а залишкова магнітовпорядкована складова КЕМС заліза формується конверсійними електронами, що виходять із нижчезалягаючої частини плівки.
При ІІ кисню спостерігається селективне руйнування магнітних підграток гранатової структури. Більшого руйнування зазнає окта-підгратка заліза. При дозі 1.10см-2 весь поверхневий шар товщиною порядку 200нм є практично повністю аморфізованим, що корелює з розрахованими методом Монте-Карло профілями імплантованого кисню та створених ним дефектів. КЕМС заліза для цієї дози складається із двох дублетів з чітко рознесеними
Рис.2. Залежність відносної інтенсивності парамагнітної складової КЕМ спектрів ЗІГ від дози імплантованих іонів кисню.
лініями, ялі ми пояснюємо появою іонів заліза валентністю 2. Це підтверджується і дослідженням механізму формування ефективних магнітних полів та ізомерного зсуву на ядрах Fe в ЗІГ. ІІ породжує внутрішні напруги . Для доз, менших 10см-2 для магнітного поля отримано такі значення баричних коефіцієнтів:
Баричний коефіцієнт зміни магнітного моменту атома заліза в ЗІГ рівний
,
тому для малих доз імплантованого кисню спостережувана зміна магнітних полів формується за рахунок зміни їх магнітних моментів під дією напруг. При дозах, більших 10см-2 характер зміни ефективних магнітних полів свідчить про появу, поряд з деформаційними, ще й інших механізмів їх росту. Для з’ясування можливих механізмів росту надтонкого магнітного поля на ядрах Fe було проаналізовано зміну ізомерного зсуву з ростом дози. Електронна конфігурація атомів Fe в неімплантованому YFeO має вигляд 3d4s.1 для d-положення та 3d для а-положення. Збільшення міжплощинної відстані в процесі ІІ зумовлює збільшення віддалі надобмінної взаємодії. Розрахунки показують, що зростання d/d на 1% збільшує цю відстань з 0.2000нм до 0.2001-0.2014нм для а-положення та з 0.1880нм до 1881-1898нм для d-положень. Це зростання віддалі та спотворення симетрії оточення заліза зменшують перекриття зовнішніх електронних оболонок Fe+ та О+ і ведуть до локалізації хвильових функцій 4s-електронів на ядрі Fe, що приводить до зростання ізомерного зсуву. Залізо в d-положенні характеризується “змішаною” валентністю –величина ізомерного зсуву займає проміжне значення між значеннями, характерними для Fe+та Fe+. Це пониження валентності зумовлене утворенням дефектів в аніонній підгратці, яка завдяки рівності мас імплантованої частинки та аніонних атомів руйнується найбільш ефективно.
Іонна імплантація миш’яком. КЕМ спектр заліза вихідного зразка, який підлягав ІІ миш’яком, добре описувався двома секстиплетами, які перекривалися і відповідали а- і d- положенням заліза. Кожну кристалографічну позицію заліза можна, в свою чергу, розщепити ще на два підспектри, які відповідають різним кутам між напрямами магнітного поля та градієнтом електричного поля. Відношення заселеностей a- і d-положень заліза рівне 0.65 і відповідає формульному відношенню кількостей іонів по підгратках (23).
Для визначення ступеню впливу параметрів КЕМС заліза на відповідність парціальних спектрів конкретній конфігурації найближчого оточення було проведено відновлення функції розподілу надтонкого магнітного поля Р(НFe) методом Хессе-Рубарча з використанням регуляризації. Функція Р(НFe) шостої лінії секстиплету вихідного зразка, що відповідає а- положенню заліза, представлена на рис.3.
Pис.3. Функція розподілу надтонкого магнітного поля у вихідному зразку
ферит-гранату YFeO.
Поряд із центральним максимумом, який відповідає неспотвореному локальному оточенню заліза, на кривій Р(НFe) спостерігається ряд додаткових піків. Їх поява обумовлена наявністю ростових дефектів у ближньому оточенні окремих месбауерівських ізотопів, що виникають в кристалічній гратці при епітаксії. Положення центрального максимуму відповідає магнітному полю Н=493 кЕ, що узгоджується з літературними даними.
Більш інформативною є дозові залежності інтенсивності головного піку та площі під ним на кривих Р(НFe), які зображено на рис. 4. Зменшення інтенсивності центрального піку (рис.4,а) та зменшення площі під ним (рис.4,б) при дозах <2.10 cм-2 зумовлене зменшенням кількості месбауерівських атомів з неспотвореним локальним оточенням, а в діапазоні доз 2.10-2.10 см-2 пояснюється зростанням концентрації аморфних включень, які є місцем стоку радіаційних дефектів.
Рис.4. Залежність параметрів функції розподілу Р(НFe) від дози ІІ:
а) інтенсивність головного піку; б) площа під головним піком.
При дозах, більших 4.10 см-2 відбувається зміна механізму дефектоутворення, викликаного взаємодією окремих аморфних областей та значною деформацією плівки внаслідок збільшення концентрації радіаціних дефектів. Різко зростає інтенсивність парамагнітного дублету. При цих дозах товщина аморфного шару, як показують розрахунки, складає 40 нм і з нього виходить біля 45% електронів конверсії .
При дозах 6.10-1.5.10см-2 доля парамагнітної фази, як слідує з КЕМС заліза, залишається майже постійною і складає біля 40%, однак розщеплення парамагнітного дублету не спостерігається. Таким чином, результати теоретичних розрахунків і експерименту добре корелюють.
Основні результати та висновки.
Основний зміст роботи викладено в публікаціях:
Анотація. Ткачук О.М. Модифікация структури приповерхневого шару епітаксійних плівок YFeO/GdGaO при іонній імплантації.-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 –фізика і хімія поверхні. –Прикарпатський університет, Івано-Франківськ, 1999.
В дисертації на основі методу Монте-Карло розроблено теоретичний підхід до моделювання іонної імплантації в ферит-гранатові структури та розраховано основні енергетичні характеристики і профілі розподілів при імплантації іонів О+ з енергією 90 кеВ та іонів As+ з енергією 60 кеВ в монокристалічні епітаксійні ферит-гранатові плівки YFeO/GdGaO. Аналіз результатів модельних досліджень вказаних режимів ІІ дав можливість визначити домінуючі механізми дефектоутворення в приповерхневому шарі плівок ЗІГ. Встановлено, що при ІІ As+ в порушеному шарі створюються умови для існування енергетичних піків трьох типів –теплового, іонізаційного і піку зміщень –кожен з яких має місце на певній глибині. Експериментальні конверсійні електронні месбауерівські спектри вихідних та імплантованих киснем і миш’яком плівок YFeO виявили особливості зміни кристалічної і магнітної мікростріктури приповерхневого шару, які корелюють із модельними дослідженнями.
Ключові слова: метод Монте-Карло, іонна імплантація, приповерхневий шар, конверсійна електронна месбауерівська спектроскопія, залізо-ітрієвий гранат, енергетичний пік.
Аннотация .Ткачук О.Н. Модификация структуры приповерхностного слоя эпитаксиальных пленок YFeO/GdGaO при ионной имплантации.-Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 –физики и химия поверхности. Прикарпатский университет, Ивано-Франковск, 1999.
В диссертации на основе метода Монте-Карло разработан теоретический подход к моделированию ионной имплантации (ИИ) в феррит-гранатовые структуры. С помощью разработанных программ расчитаны основные энергетические характеристики и профили распределений при имплантации ионов О+ с энергией 90 кэВ и ионов As+с энергией 60 кэВ в монокристаллические эпитаксиальные ферит-гранатовые пленки YFeO/GdGaO. Теоретические расчеты показали, что при ИИ кислорода образование дефектов наиболее интенсивно происходит не на поверхности, а в слое толщиной 60 нм, расположенном на глубине 70 нм от поверхности образца, и на их образование расходуется 53% энергии ИИ. Толщина нарушенного слоя составляет 300 нм. При имплантации мишьяка дефекты образуются, в основном, в тонком приповерхностном слое толщиной 10 нм непосредственно у поверхности, и на их образование используется 88% энергии имплантации. Толщина нарушенного слоя равна 60 нм.
Профили имплантированной примеси характеризуются такими величинами: при ИИ О+: Rp=144 нм, Rp=56 нм; при ии As+ Rp=24 нм, Rp=10.5нм и коррелируют с экспериментально измеренными профилями методом вторичной ионной масс-спектрометрии. Профили смещенных ионов матрицы в обоих случаях находятся несколько ближе к поверхности образца.
Расчет каскадов атомных столкновений показал, что 1 ион кислорода в среднем может сместить 740 атомов ЖИГ, а 1 ион мышьяка - до 1000 атомов, которые, в свою очередь, инициируют вторичные каскады. Для возможности сравнения эффектов ИИ разными ионами была расчитана линейная плотность коэффициента смещения Wh, величина которого составила 3 ионнм и 16ионнм для O+ и As+ соответственно. Последнее значение является величиной порядка линейной плотности атомной ЖИГ в направлении [111].
Уровень повреждения приповерхностного слоя также характеризуется плотностью атомных столкновений с в нарушенном слое в сравнении с атомной плотностью материала матрицы, то есть материала ЖИГ, равной 8.4.10 см-3. Величина с является функцией дозы ИИ и при имплантации As+ дозами выше D= 2.10 см-2 значительно превышает атомную плотность граната. Расчеты показали, что такие каскады атомных столкновений уже нельзя считать линейными, в них происходят качественные изменения, то есть превалируют энергетические пики.
Установлено, что при ИИ As+ в нарушенном слое создаются условия для существования энергетических пиков трех типов –теплового, ионизационного и пика смещений –каждый из которых характерен для определенной глубины. Экспериментальные конверсионные электронные мессбауэровские спектры исходных и имплантированных кислородом и мышьяком пленок YFeO показали особенности изменения кристаллической и магнитной микроструктуры приповерхностного слоя, которые коррелируют с модельными исследованиями. Установлено, что для доз ИИ О+, меньше 6.10 см-2 магнитное упорядочение исчезает вследствие искажения геометрии косвенного обменнного взаимодействия в цепочке Fea+ - O- - Fed+, разрыва цепочки и увеличения расстояния между магнитными ионами в результате деформации решетки. Максимальное разрушение кристалической решетки имеет место на глубине 100 нм. Можно предположить, что зарождение парамагнитной фазы происходит на такой же глубине. С набором дозы происходит аморфизация поверхностного слоя, исчезновение магнитного упорядочения и резкий рост интенсивности дублета в КЭМС железа, который соответствует парамагнитной фазе, образующейся за двумя механизмами: искажения и разрушения кристаллической решетки.
При ИИ кислородом наблюдается селективное разрушение анионной и катионной подрешеток. Высокодозовая ИИ сопровождается появлением ионов железа с валентностью 2.
ИИ мишьяком пприводит к разрушению магнитного упорядочения в результате образования отдельных аморфных зон и искажения локального окружения ионов Fe+ точечными радиационными дефектами. Расчеты показали, что одному имплантированному иону Аs+ соответствует аморфная область объемом в 500 атомов ЖИГ, которые служат местом стока точечных радиационных дефектов. Их концентрация при дозе 8.10 см-2 в поверхностном шаре 40 нм составляет 8%. При дозах ИИ мишьяка порядка 2-4.10 см-2 и выше происходит изменение механизма дефектообразования. Отдельные аморфные области взаимодействуют между собой, а радиационные дефекты сильно деформируют кристаллическую решетку (a/a 1.5%). Толщина аморфного слоя при таких дозах, согласно призведенным расчетам, составляет 40 нм, с таких глубин выходит около 45% конверсионных электронов, что коррелирует с величиной парамагнитной фазы. Последняя составляет при этом 40% и с набором дозы не увеличивается.
Высокодозовая ИИ мышьяком не приводит к расщеплению парамагнитного дублета, как в случае ИИ кислородом. Это может быть связано с различными механизмами аморфизации приповерхностного слоя: накопления и объединения точечных радиационных дефектов при имплантации О+ и образования аморфных областей вокруг каждого трека иона вследствие наступления энергетических пиков при имплантации Аs+.
Ключевые слова: метод Монте-Карло, ионная имплантация, приповерхностный слой, конверсионная электронная мессбауэровская спектроскопия, железо-иттриевый гранат, энергетический пик.
Summary. Tkachuk O.M. Modification of the surface layer structure of the YFeO/GdGaO epitaxial film under the ion implantation.
The dissertation for the Candidate Degree in Physics and Mathematics Speciality 01.04.18 –Physics and Chemistry of surface. Precarpathian University, 1999, Ivano-Frankivsk.
In the dissertation on the base of Monte-Carlo method has been elaborated the theoretical approach of the ion implantation modelling in the ferrit-garnet structures and calculated the energy characteristics and distribution profiles after ion implantation O+ with 90 keV energy and As+ with 60 keV energy in the monocrystalline epitaxial ferrit-garnet films YFeO/GdGaO. The data analysis of model investigations of ion implantation regimes allowed to determine of dominant mechanisms of the defects in the YIG film surface layers.
During the As+ implantation in the surface layer has been created the conditions for the existence the energy peaks of three types –thermal, ionizing and displacing peaks. Each of this peaks take place on the certain depth. The experimental conversion electron mossbauer spectra of the source and implanted by O+ and As+ samples of the YFeO films show the peculiarities in the changes of the crystalline and magnetic microstructure of the surfaces layer, which correlate with the model investigations.
Key words: Monte-Carlo method, ion implantation, surface layer, conversion electron mossbauer spectroscopy, ittrium-iron garnet, energy peaks.