СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА БИНАРНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ ПЛЕНОК ПЕРЕМЕННОГО СОСТАВА АВ (А=Р, As, Sb, Bi И B=S, Se, Те) Российский патент 2011 года по МПК G01N23/223 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к физике, а именно к физике халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Уровень техники

Аналогом предлагаемого изобретения является химический метод определения количественного состава бинарных стеклообразных халькогенидных пленок переменного состава [1-3]. Недостатками этого метода являются необходимость разрушения образца, необходимость существования специальной химической лаборатории, а также относительно малая точность (не лучше ±0.1) в определении величины х.

Прототип предлагаемого изобретения неизвестен.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения - повышение точности в определении количественного состава бинарных стеклообразных халькогенидных пленок переменного состава.

Бинарные халькогенидные стекла - это стеклообразные сплавы переменного состава халькогенов (сера, селен, теллур) и элементов четвертой (кремний, германий, олово, свинец) и пятой (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) групп Периодической системы химических элементов. В настоящее время бинарные стеклообразные халькогенидные стекла привлекают внимание разнообразием своих физико-химических свойств. Изучение систем с халькогенидными стеклами позволило создать на их основе новые материалы для различных областей техники. В частности, предложено использовать бинарные стеклообразные халькогенидные стекла в акустооптических приборах для модуляции лазерного излучения. В пленках халькогенидных стекол обнаружен эффект переключения, и в настоящее время это свойство таких пленок позволяет применять их в переключателях и ячейках памяти ЭВМ. Пленки бинарных халькогенидных стеклообразных полупроводников широко используются в электрофотографии. На основе стеклообразных пленок As₂Se₃ разработана современная аппаратура с высокой скоростью печатания и повышенной надежностью. Широкое применение бинарные пленки халькогенидных стекол нашли при изготовлении электрофотографических цилиндров, обладающих памятью, и при изготовлении телевизионных трубок типа "видикон". В настоящее время интенсивно исследуются возможности пленок для использования в устройствах записи оптической информации среды с фотостимулированными структурами.

Для воспроизводимости работы всех вышеперечисленных устройств принципиальное значение имеет контроль состава исходного материала. Известно, что физико-химические свойства стеклообразных халькогенидных пленок в первую очередь определяются их количественным составом. В большинстве случаев количественный состав пленок указывается исходя из количественного состава исходной шихты, хотя условия получения пленок зачастую не гарантируют сохранение исходного состава в конечном материале. Именно поэтому актуальна проблема развития современных методик определения количественного состава указанных материалов.

Особенностью бинарных халькогенидных стекол является то, что они принадлежат к группе соединений переменного состава - в стеклообразном состоянии можно получать однородные материалы в широкой области составов. Однако отсутствие дальнего порядка в стеклах исключает из методов контроля за химическим составом систем типа мышьяк-селен неразрушающего метода рентгенофазового анализа. Присутствие в наиболее важных с практической точки зрения бинарных сплавах мышьяка приводит к существенным трудностям при определении их состава классических методов химического анализа (наличие специальной химической лаборатории, длительность анализа, большие погрешности в определении содержания химических элементов ~1 ат%). Все это стимулирует развитие новых методов.

В настоящей заявке предлагается определять количественный состав бинарных стеклообразных пленок систем А_100-xB_x (А=Р, As, Sb, Bi и В=S, Se, Те) методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Число работ, относящихся к применению рентгенофлуоресцентной спектроскопии для определения количественного состава бинарных стеклообразных халькогенидных пленок, невелико и не разработана методика такого определения [4, 5].

Для определения количественного содержания халькогенов в бинарных стеклообразных пленках А_100-xB_x (А=Р, As, Sb, Bi и В=S, Se, Те) с использованием рентгенофлуоресцентного анализа реализован метод стандарта. Указанный метод позволяет определить х для стеклообразной пленки с точность ±0.02.

К числу достоинств предлагаемого метода относятся: высокая точность определения концентраций, быстрота анализа (от 1 до 10 минут), неразрушающий характер анализа, возможность встраивания в технологическую линию (on line).

Осуществление изобретения

Поставленная цель достигается путем измерения рентгенофлуоресцентного спектра стеклообразной пленки стехиометрического состава А₂В₃ (стандарта), из него определяются атомная концентрация халькогена х_РФА, а затем строится зависимость х_РФА=f(x).

В общем случае спектры характеристического рентгеновского излучения бинарных стеклообразных пленок А_100-xB_x содержат линии К_α-серий атомов А и В. Если мишень состава А_100-xB_x облучается первичным монохроматическим излучением, то отношения площадей под линиями атомов А и В определяются как

где γ_A, γ_B - эффективности регистрации детектором К_α-излучения атомов А и В, ω_А, ω_В - выход флуоресценции в линию возбужденных атомов А и В, σ_А, σ_В - сечение поглощения первичного излучения атомами А и В, х - атомная концентрация атомов В в мишени.

Поскольку отношение интенсивностей К_α-линий атомов А и В для исследованных образцов зависит от многих факторов (выходов флуоресценции, сечений поглощения как первичного, так и флуоресцентного излучений всеми атомами), практически невозможно непосредственное использование соотношения (1). Поэтому для определения концентраций атомов А и В мы использовали метод стандарта.

С этой целью измеряется рентгенофлуоресцентный спектр стандарта - пленки стехиометрического соединения А₂В₃ определенной толщины при таком значении анодного напряжения рентгеновской трубки, чтобы отношение площадей под К_α - линиями элементов А и В было близко к отношению концентраций элементов А и В в стандарте. Выбор в качестве стандарта стехиометрического соединения объясняется тем, что оно в системах А_100-xB_x может быть получено методом сплавления исходных компонент, а также может быть получено в виде аморфной пленки заданной толщины методом термического напыления.

Для этого спектра определяются площади S_A и S_B под К_α-линиями элементов А и В и по соотношению

определяется атомная концентрация халькогена х_РФА из данных рентгенофлуоресцентного анализа.

Затем строится зависимость х_РФА=f(x) по трем точкам: для х=0 (для нее принималось х_РФА=0), для х=100 (для нее принималось х_РФА=100) и для х стандарта. График этой зависимости, аппроксимированный полиномом второй степени, служит градуировочным соотношением для определения состава мишеней по полученному из спектров значению х_РФА.

В качестве примера на чертеже приведена зависимость х_РФА=f(х) для аморфных пленок As_100-xSe_x, измеренная при анодном напряжении 40 кВ. Эта зависимость построена по трем точкам (на чертеже они выделены черным цветом): для х=0 (для нее принималось х_РФА=0), для х=100 (для нее принималось х_РФА=100) и для х стандарта. Эта зависимость аппроксимируется полиномом второй степени. Для демонстрации возможности определения по этой зависимости количественного состава аморфных пленок на этот график дополнительно нанесены экспериментальные значения х_РФА для стеклообразных пленок As₆₀Se₄₀, As₅₀Se₅₀ и As₁₀Se₉₀ (на чертеже они выделены красным цветом). Видно, что для всех образцов экспериментальные данные хорошо укладываются на градуировочные соотношения между величинами x и x_РФА.

Погрешность определения х_РФА составляет ±0.02. Эта величина существенно меньше точности определения состава кристаллических сплавов химическими методами.

Источники информации

[1] Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир, 1986, 558 с.

[2] Виноградова Г.З. Стеклообразование и фазовые равновесия в халькогенидных системах. М.: Наука, 1984, 176 с.

[3] Борисова З.У. Халькогенидные полупроводниковые стекла. Л.: Изд. ЛГУ, 1983, 344 с.

[4] Легин А.В., Байдаков Л.А., Озерной М.И., Власов Ю.Г., Школьников Е.В. Исследование состава пленок CuI-As₂Se₃ и CuI-PbI₂-As₂Se₃ методом рентгеновской флуоресценции. Физика и химия стекла, 2002, т.28, вып.2, c.117-122.

[5] Бордовский Г.А., Марченко А.В., Серегин П.П., Смирнова Н.Н., Теруков Е.И. Определение состава стекол и пленок As-Se методом рентгенофлуоресцентного анализа. Письма в Журнал технической физики, 2009, т.35, вып.22, с.15-22.

Использование: для определения количественного состава бинарных стеклообразных халькогенидных пленок переменного состава. Сущность: заключается в том, что для определения количественного состава бинарных стеклообразных халькогенидных пленок переменного состава сопоставляют площади под характеристическими линиями атомов А и В в рентгенофлуоресцентных спектрах пленок стехиометрического состава А₂В₃ и стеклообразных пленок переменного состава. Технический результат: повышение точности в определении количественного состава бинарных стеклообразных халькогенидных пленок переменного состава. 1 ил.

Способ повышения точности определения количественного состава бинарных стеклообразных халькогенидных пленок переменного состава А_100-хВ_х (А=Р, As, Sb, Bi и B=S, Se, Те), применяемых в электрофотографии для создания аппаратуры с высокой скоростью печатания и повышенной надежностью, путем сопоставления площадей под характеристическими линиями атомов А и В в рентгенофлуоресцентных спектрах пленок стехиометрического состава А₂В₃ и стеклообразных пленок переменного состава.