Способ получения наноразмерной пленки гамма-AlO(111) Российский патент 2023 года по МПК C23C14/08 C23C14/16 C23C14/24 B82Y30/00 

Изобретение относится к методам осаждения тонких пленок на металлическую подложку, а именно к нанотехнологиям и наноструктурам.

Известен способ изготовления полярной упорядоченной тонкой пленки MgO («Method for preparing polar MgO order thin film», CN №1958455 (A), 2006.11.27), в котором на металлическую подложку в вакууме осаждают моноатомный слой магния, затем напускают в камеру О₂ и нагревают сформированную подложку до температуры 400°С. После того как температура подложки стабилизируется, система естественным путем охлаждается до комнатной температуры, после чего процесс повторяется. Данная процедура приводит к формированию структурно-упорядоченной пленки оксида магния со структурой поверхности, соответствующей полярной грани кристалла MgO (111).

Недостатками этого способа являются: взаимная диффузия атомов магния и подложки, приводящая к нарушению структурного атомного порядка слоя магния и соответственно всего слоя оксида магния; а также ожидаемая диффузия молекул кислорода сквозь слой магния и взаимодействие его с веществом подложки, приводящее к нарушению симметрии выращиваемой пленки. Оба указанных обстоятельства приводят к нарушению резкости межфазовой границы оксид-подложка, что существенно снижает характеристики получаемой системы.

Известен также способ осаждения наноразмерной пленки альфа-Al₂O₃ (0001) на металлическую подложку в условиях сверхвысокого вакуума, включающий нагрев, испарение и осаждение оксида алюминия на металлическую подложку условиях сверхвысокого вакуума (ЕР 1616978 Α1, МПК С23С 30/00, 18.01.2006).

Недостатком этого способа является нарушение структуры альфа-Al₂O₃ (1000) при толщине пленки более 30 нанометров (100 монослоев).

Наиболее близкими к заявляемому изобретению является способ осаждения наноразмерной пленки альфа-Al₂O₃ (111) путем нагрева, испарения и осаждения оксида алюминия на кристаллографически ориентированную кристаллическую металлическую подложку (LEE М.В. et al., Growthof у-Al₂O_{3 (111) on an ultra-thin interfacial Al2O3 layer/NiAI (110), «Journal of Korean Vacuum Science&Technology», 1998, Vol. 2, N2, pp 63-77).}

Недостатком этого способа является нарушение структуры альфа-Al₂O₃ (1000) при толщине пленки более 30 нанометров (100 монослоев).

Цель изобретения - получение ориентированной, высокостабильной, наноразмерной пленки гамма-Al₂O₃ (111) на чистой поверхности металла-подложки с сохранением резкости межфазовой границы оксид-металл на атомном уровне и сохранением сплошности пленки и ее атомной структуры при толщине до 100 нанометров.

Поставленная цель достигается тем, что в условиях сверхвысокого вакуума порошок Al₂O₃ нагревают вольфрамовой спиралью до t≈2700-2800°C. При данной температуре происходит испарение Al₂O₃ с последующим осаждением молекул оксида на металлическую подложку, поддерживаемую при температуре 850°С. В качестве подложки используют поверхность кристалла с кристаллографической ориентацией (111), способствующей получению пленки гамма-Al₂O₃ (111), так как на атомную структуру растущей пленки оксида алюминия значительное влияние оказывает атомная симметрия поверхности кристалла подложки. В процессе формирования пленки, после каждого очередного нанесенного монослоя, проводят экспозицию в молекулярном кислороде при давлении 10^-6 мм рт. ст. в течение 5 минут при температуре подложки 850°С. Получаемая таким образом пленка оксида алюминия, начиная с толщины в 5 ангстрем, обладает стехиометрией Al₂O₃, атомной структурой соответствующей поверхности гамма-Al₂O₃ (111) и электронными свойствами, характерными для массивного оксида алюминия. В процессе формирования пленки оксида алюминия указанным способом не происходит диффузии напыляемых частиц AlO и (AlO)₂ в подложку, что обеспечивает формирование резких межфазовых границ металл-оксид на атомном уровне. Вместе с тем при непосредственном контакте частиц AlO с поверхностью подложки происходит изменение свойств межатомной Al-O связи по сравнению со связью Al-O в массивном оксиде алюминия. Как следствие, первый мономолекулярный слой обладает новыми уникальными электронными свойствами, не характерными для массивного кристалла. Последующий рост пленки происходит в виде структурно устойчивого сплошного слоя с атомной структурой поверхности гамма-Al₂O₃ (111), сохраняемой вплоть до толщины пленки в 100 нанометров и стабильной при значительной термической обработке.

Как видно из изложенного, техническая задача реализуется полностью и по сравнению с прототипом, имеет следующие преимущества:

- высокую стабильность получаемых пленок гамма-Al₂O₃ (111). Термическая обработка даже при высоких температурах (1200-1700°С) не приводит к изменению свойств пленки оксида алюминия.

- толщина формируемой пленки гамма-Al₂O₃ (111), может достигать порядка 100 нанометров с сохранением стабильности, структуры и электронных свойств (в отличие от MgO (111), где пленка стабильна только при малой толщине - 5 монослоев (при больших толщинах структура (111) разрушается), и пленки альфа-Al₂O₃ (1000) теряют атомное упорядочение при толщине, превышающей 30 нанометров).

- возможность «настройки» электронных свойств поверхности пленки оксида алюминия при сверхнизких толщинах 1-2 монослоя, когда электронные свойства поверхности обусловлены ослаблением межатомной Al-O связи и возможно формирование пленки, не обладающей дальним атомным порядком, с одной стороны, и формированием упорядоченной структуры (111) - с другой (в зависимости от покрытия оксида алюминия на поверхности металлической подложки).

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2700-2800°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 3×10¹⁴ частиц/мин × см². При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла Мо (111), поддерживаемую при температуре 850°С и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при давлении 10^-6 мм рт. ст. в течение 5 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида гамма-Al₂O₃ (111), начиная с монослойного покрытия.

Пример 2. Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревают до температуры 2700-2800°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 4×10¹⁴ частиц/мин × см. При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла W (111), поддерживаемую при температуре 900°С и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при давлении 10^-6 мм рт. ст. в течение 5 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида гамма-Al₂O₃ (111), начиная с монослойного покрытия.

Пример 3. Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревают до температуры 2700-2800°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 5×10¹⁴ частиц/мин × см². При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла Та (111), поддерживаемую при температуре 800°С и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при давлении 8×10^-7 мм рт. ст. в течение 8 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида гамма-Al₂O₃ (111), начиная с монослойного покрытия.

Изобретение относится к нанотехнологиям. Порошок оксида алюминия в условиях сверхвысокого вакуума нагревают до температуры 2700-2800°С с образованием при испарении потока частиц AlO и (AlO)₂, которые осаждают на поверхность чистых кристаллографически ориентированных кристаллических металлических подложек Mo(111), W(111) или Ta(111). Затем осуществляют экспозицию каждого очередного нанесённого монослоя в молекулярном кислороде при давлении 10^-6 мм рт. ст. в течение 5 мин при температуре подложки 800-900°С. Полученная наноразмерная плёнка гамма-Al₂O₃ (111) является высокостабильной, при этом сохраняется межфазовая граница оксид-металл на атомном уровне, а также сплошность плёнки и её атомная структура при толщине до 100 нм. 3 пр.

Способ осаждения наноразмерной пленки гамма-Al₂O₃ (111) путем нагрева, испарения и осаждения оксида алюминия на кристаллографически ориентированные кристаллические металлические подложки Mo(111), W(111) или Ta(111), отличающийся тем, что порошок оксида алюминия в условиях сверхвысокого вакуума нагревают до температуры 2700-2800°С с образованием потока частиц AlO и (AlO)₂, которые осаждают на указанные металлические подложки с ориентацией (111), и осуществляют экспозицию каждого очередного нанесенного монослоя в молекулярном кислороде при давлении 10^-6 мм рт. ст. в течение 5 минут при температуре подложки 800-900°С.