Изучение физико-химических процессов на границе жидкость - твердое тело с помощью атомно-силового микроскопа.
Отдел химической физики лаборатория физики и химии поверхности.
Научный руководитель: д.ф.-м.н. А. А. Бухараев.
Разработаны новые методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) для изучения in situ химических и фотохимических процессов на границе между жидкостью и твердым телом. С их помощью исследована кинетика растворения диэлектриков и полупроводников, модифицированных ионным облучением, определены относительные и абсолютные скорости жидкостного травления, установлена глубина проникновения в мишень имплантированных ионов [1-5].
Наиболее эффективным оказалось селективное химическое травление, позволяющее визуализировать структуру многофазных приповерхностных слоев, у которых скорость растворения различных фаз неодинакова. Было также показано, что после бомбардировки ионами Р+ скорость травления SiO2 возрастает с ростом дозы облучения за счет образования радиационных дефектов. Причем скорость травления возрастает в 5 раз после облучения дозой 1015 ион/см2 и не растет в дальнейшем при увеличении дозы облучения из-за взаимной рекомбинации вновь образующихся дефектов.
Таким же методом исследовался SiO2, в приповерхностном слое которого с помощью высокодозовой имплантации ионов Fe+ были сформированы наночастицы a-Fe. Была определена толщина имплантированного слоя и показано, что наблюдаемый в реальном масштабе времени процесс формирования и исчезновения нанорельефа при травлении обусловлен тем, что наночастицы a-Fe растворяются в водном растворе HF намного быстрее, чем матрица SiO2. Разработанные новые методы АСМ позволяют изучать кинетику растворения таких структур, контролируя изменение параметров шероховатости поверхности в процессе травления.
С привлечением данных оптических и ФМР измерений была предложена модель структуры поверхностного слоя SiO2, подвергнутого облучению различными дозами ионов Fe+, которая объясняет трансформацию поверхности, изменение его оптических и магнитных свойств в процессе травления.
Было продемонстрировано, что для получения достоверной информации о реальном изменении морфологии поверхности в процессе ее травления необходимо, используя метод деконволюции, учитывать эффект свертки "игла АСМ - поверхность", так как размеры формирующихся при травлении элементов нанорельефа соизмеримы с размерами кончика иглы АСМ. Эту особенность АСМ-измерений иллюстрирует рисунок, на котором представлены соответствующие экспериментальные и модельные АСМ-изображения. Компьютерные АСМ-эксперименты дали хорошее совпадение с результатами реальных АСМ-измерений, что подтверждает адекватность заложенных в них модельных представлений о структуре образца и механизме его травления.
Рис. Экспериментальные и модельные изображения наноструктуры a-Fe/SiO2 после травления в 0.025% водном растворе HF:
a – экспериментальное АСМ-изображение; b – реконструированное изображение поверхности, полученное путем деконволюции из изображения а; d – поверхность модельного образца; с - модельное АСМ-изображение, полученное за счет свертки иглы АСМ и поверхности d. Масштаб изображений X,Y : 200 нм, Z:20 нм.
Публикации:
1. A. A. Bukharaev, N. I. Nurgazizov, A. A. Mozhanova, D. V. Ovchinnikov AFM investigation of selective etching mechanism of nanostructured silica // Surface Science, V.482, N. 5 , p. 1319-1324, 2001.
2. N. I. Nurgazizov, A. A. Bukharaev, A. V. Sugonyako, V. A. Zhykharev. AFM investigation of radiation damage distribution in implanted silicon oxide // Phys. Low-Dim. Struct., v. 3/4 , p. 97-102, 2001.
3. Бухараев А.А., Бухараева А.А., Нургазизов Н.И., Овчинников Д.В. Изучение с помощью атомно-силового микроскопа in-situ химического травления структур SiO2 -Si. // Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, № 21, с.81-86.
4. Бухараев А. А., Бухараева А. А., Нургазизов Н.И. Атомно-силовая микроскопия в режиме in situ имплантированной двуокиси кремния при химическом травлении в растворе HF // Поверхность 1999, № 7. с. 87-90.
5. Бухараев А. A., Нургазизов Н. И., Можанова А. А., Овчинников Д. В. Изучение с помощью атомно-силового микроскопа in situ кинетики жидкостного химического травления субмикронных пленок диоксида кремния // Микроэлектроника 1999, т.28, № 5. с. 385-394.