Особенности ионно-кластерной обработки поверхности монокристалла KGd(WO4)2:Nd

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассмотрены особенности обработки поверхности монокристаллов калий-гадолиниевого вольфрамата, легированного ионами неодима, низко- и высокоэнергетическими кластерными ионами аргона. Использованы два кардинально отличающихся режима обработки: низкоэнергетический для более эффективного сглаживания поверхности и высокоэнергетический для более эффективного травления мишени. С помощью метода атомно-силовой микроскопии проанализирована топография поверхности мишени до и после ионно-кластерной обработки. Показано, что обработка в низкоэнергетическом режиме сглаживает неровности на поверхности мишени, образованные химико-механической полировкой, при глубине травления менее 100 нм. Проведено сравнение среднеквадратичной шероховатости и максимального перепада высот исходной и обработанных поверхностей калий-гадолиниевого вольфрамата, легированного ионами неодима. Приведены обзорные рентгеновские фотоэлектронные спектры исходной поверхности монокристалла KGd(WO4)2:Nd и после ионно-кластерной обработки в различных режимах. Продемонстрировано, что интенсивности пиков калия и гадолиния снижаются после ионно-кластерной обработки в обоих режимах. Значительное снижение концентрации атомов калия в приповерхностном слое мишени объясняется преимущественным распылением калия как более легкого химического элемента. Взаимное снижение концентраций атомов гадолиния и калия может быть объяснено слабыми связями этих атомов в решетке монокристалла KGd(WO4)2:Nd.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Ионно-кластерная обработка поверхности различных материалов представляет собой эффективный метод модификации поверхности [1–3]. Этот метод обработки может быть использован для высокоточного послойного анализа неорганических и органических материалов [4–6], эффективного травления и сглаживания поверхности [7–9], в том числе для формирования периодических наноструктур [10–12]. При обработке кластерными ионами происходит коллективное взаимодействие атомов кластера с атомами поверхности мишени. Благодаря малым диаметрам кластеров (порядка нескольких нанометров) и низкой кинетической энергии атома в кластере (порядка единиц–десятков электронвольт на атом) при воздействии кластеров на поверхность мишени происходит высокое локальное энерговыделение, вызывающее сильные нелинейные эффекты в узкой приповерхностной области с минимальным повреждением структуры [1–3, 13, 14].

Монокристаллы вольфрамата, легированные трехвалентными ионами, широко используются в лазерной технике, оптоэлектронике, солнечных элементах и других приборах благодаря отличному коэффициенту усиления, низкому порогу генерации, химической стабильности и превосходным фотолюминесцентным свойствами [15–17]. Калий-гадолиниевый вольфрамат, легированный ионами неодима (KGd(WO4)2:Nd, KGW:Nd), является многофункциональным материалом, который применяется в непрерывных твердотельных лазерах, импульсных рамановских лазерах с несколькими длинами волн [18, 19], а также в качестве волноводных пленок [20]. Ранее было показано, что бомбардировка монокристалла KGW:Nd мономерными ионами аргона с энергией 3 кэВ приводит к аморфизации припоповерхностного слоя с переходом ионов вольфрама в валентные состояния с более низкой энергией [21].

В настоящей работе приведены результаты обработки поверхности монокристаллов KGd(WO4)2:Nd низкоэнергетическими и высокоэнергетическими кластерными ионами аргона.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использовали образцы монокристаллов KGW:Nd с размерами 8 × 7 × 1 мм, полученные методом роста из раствора с затравкой сверху. Образцы были предварительно отполированы химико-механическим методом с помощью суспензии на водной основе с алмазным абразивом субмикронного размера. Несмотря на то что химико-механическая полировка позволяет получать сверхгладкую поверхность монокристаллов KGW:Nd со среднеквадратичной шероховатостью Rq менее 0.3 нм, она неизбежно приводит к формированию приповерхностного поврежденного слоя [22, 23].

Для формирования кластеров использовали аргон особой чистоты – не менее 99.999%, что гарантированно обеспечивало формирование беспримесных кластеров Ar [24]. Формирование ионно-кластерного пучка на экспериментальной установке КЛИУС кратко описано в [25]. Обработку монокристаллов KGW:Nd осуществляли при нормальным угле падения кластерных ионов на поверхность мишени. Для контроля параметров ионно-кластерного пучка, таких как распределение по размерам и средний размер кластеров, использовали времяпролетную диагностику [26].

Известно, что распыление поверхности мишени определяется удельной энергией кластеров [27–29]. На основе результатов, полученных ранее [27], были выбраны два кардинально отличающихся режима обработки: обработка низкоэнергетическими кластерными ионами аргона с энергией около 10 эВ/атом, обеспечивающая наиболее эффективное сглаживание поверхности; обработка высокоэнергетическими кластерными ионами аргона с энергией около 105 эВ/атом, обеспечивающая высокую эффективность распыления. Для определения глубины травления часть поверхности образца прикрывали диафрагмой, формировалась ступенька травления – перепад высот между исходной и стравленной областями. Параметры режимов обработки приведены в табл. 1. Дозы облучения для режимов подбирали таким образом, чтобы обеспечить близкие глубины травления. Однако в высокоэнергетическом режиме коэффициенты распыления KGW существенно отличались от других материалов [30], что привело к заметной разнице глубин распыления.

 

Таблица 1. Параметры режимов обработки поверхности монокристаллов KGd(WO4)2:Nd ионно-кластерным пучком аргона

Режим обработки

Энергия атома в кластере E/Nmean, эВ/атом

Доза облучения, 1015 см–2

Глубина травления (H), нм

1

10

20

80

2

105

2.5

45

 

Топографию поверхности образцов до и после ионно-кластерной обработки и глубину травления измеряли с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) NTEGRA Prima HD (NT-MDT, Россия) с использованием зондов ETALON HA_C Scan-Sens (NT-MDT, Россия) с радиусом закругления менее 10 нм. Размер области сканирования составлял 10 × 10 мкм с пространственным разрешением 1024 × 1024 пикселей. Для повышения достоверности результатов измерения проводили в разных областях мишени, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга.

Для анализа элементного состава поверхности монокристаллов KGW:Nd до и после кластерной бомбардировки использовали фотоэлектронный спектрометр SPECS (SPECS Surface Nano Analysis GmbH, Германия) с источником излучения AlKα (hν = 1487 эВ, 150 Вт) и полусферический анализатор ФОИБОС-150-МКД-9.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены АСМ-изображения исходной поверхности монокристалла KGd(WO4)2:Nd и после обработки кластерными ионами аргона. На исходной поверхности наблюдается набор параллельных неровностей амплитудой около 1 нм, что характерно для обработки механической полировкой (рис. 1а). Обработка низкоэнергетическими кластерными ионами аргона приводит к эффективному сглаживанию поверхности (рис. 1б). После высокоэнергетической обработки исходная поверхность также изменяется, максимальный перепад высот увеличивается (рис. 1в). Указанные особенности были отмечены ранее при обработке поверхности других материалов [25] и обусловлены особенностями энергообмена при столкновениях газовых кластеров с твердой поверхностью в указанных режимах [31]. Дополнительно были рассчитаны параметры шероховатости, которые представлены в табл. 2. Как видно из таблицы, несмотря на то, что максимальный перепад высот Rt после низкоэнергетической ионно-кластерной обработки не изменился, среднеквадратичная шероховатость Rq снизилась на 10%. После обработки высокоэнергетическими кластерными ионами аргона максимальный перепад высот Rt увеличивается в 1.5 раза, а среднеквадратичная шероховатость Rq – на 30%. Стоит отметить, что высокоэнергетический режим обработки можно применять для эффективного стравливания приповерхностного поврежденного слоя с последующим сглаживанием поверхности мишени в низкоэнергетическом режиме обработки.

 

Рис. 1. АСМ-изображения поверхности 10 × 10 мкм монокристалла KGW:Nd: а – исходной; б – после обработки низкоэнергетическими кластерными ионами аргона; в – после обработки высокоэнергетическими кластерными ионами аргона.

 

Таблица 2. Параметры шероховатости поверхности монокристаллов KGd(WO4)2:Nd до и после обработки кластерными ионами аргона

Режим обработки

Среднеквадратичная шероховатость Rq, нм

Максимальный перепад высот Rt, нм

0 (исходный)

0.20

1.3

1

0.18

1.3

2

0.26

2.0

 

На рис. 2 продемонстрированы рентгеновские фотоэлектронные спектры исходной и обработанных поверхностей калий-гадолиниевого вольфрамата, легированного ионами неодима. Там же для сравнения показан спектр монокристалла чистого KGd(WO4)2. Как после низкоэнергетической, так и после высокоэнергетической обработки наблюдается значительное снижение интенсивности пика калия и небольшое уменьшение интенсивности пика гадолиния. Снижение концентрации атомов калия после обработки можно объяснить преимущественным распылением калия как более легкого химического элемента, что также наблюдается в фотоэлектронных спектрах образцов боридов, нитридов и оксидов металлов [32]. Как отмечается в [32], в результате ионного облучения происходит ионно-стимулированное смешение атомов и образование субстехиометрических стабильных фаз. Дополнительно можно отметить, что снижение концентраций как калия, так и гадолиния может быть связано со структурой монокристалла KGW:Nd. Как показано в [33], атомы калия и гадолиния слабо связаны в кристаллической решетке KGW:Nd в отличие от сильно связанных соеднинений W–O.

 

Рис. 2. Обзорные рентгеновские фотоэлектронные спектры исходных поверхностей KGW и KGW:Nd и обработанных поверхностей KGW:Nd в различных режимах.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе приведены результаты исследования обработки кластерными ионами аргона поверхности монокристаллов KGd(WO4)2:Nd. Показано, что низкоэнергетические атомы аргона сглаживают неровности на поверхности монокристалла KGW:Nd, вследствие чего среднеквадратичная шероховатость снижается на 10%. Глубина травления не превышает 100 нм. Наблюдается значительное снижение концентрации атомов калия в приповерхностном слое мишени после ионно-кластерной обработки, что может быть результатом преимущественного распыления атомов калия как более легких, так и слабосвязанных в кристаллической структуре монокристалла KGd(WO4)2:Nd.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21-19-00046) в части подготовки и обработки образцов и Министерства науки и высшего образования РФ (грант FSUS-2020-0039) в части анализа образцов с использованием оборудования ЦКП “Прикладная физика” НГУ.

Конфликт интересов. Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

Об авторах

И. В. Николаев

Новосибирский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.nikolaev@nsu.ru
Россия, 630090, Новосибирск

Н. Г. Коробейщиков

Новосибирский государственный университет

Email: korobei@nsu.ru
Россия, 630090, Новосибирск

Список литературы

  1. Yamada I. Materials Processing by Cluster ion Beams: History, Technology, and Applications. Boca Raton, Florida: CRC Press. 2016.
  2. Popok V.N., Barke I., Campbell E.E.B., Meiwes-Bro- er K.-H. // Surf. Sci. Rep. 2011. V. 66. P. 347. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2011.05.002
  3. Иешкин A.E., Толстогузов А.Б., Коробейщиков Н.Г., Пеленович В.О., Черныш В.С. // Успехи физических наук. 2022. Т. 192. C. 722. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.06.038994 (Ieshkin A.E., Tolstoguzov A.B., Korobeishchikov N.G., Pelenovich V.O., Chernysh V.S. // Phys–Usp. 2022. V. 65. No. 7. P. 677. https://doi.org/10.3367/UFNe.2021.06.038994)
  4. Lee J.L.S., Ninomiya S., Matsuo J., Gilmore I.S., Seah M.P., Shard A.G. // Anal. Chem. 2010. V. 82. P. 98. https://doi.org/10.1021/ac901045q
  5. Delcorte A., Garrison B.J., Hamraoui K. // Surf. Interface Anal. 2011. V. 43. P. 16. https://doi.org/10.1002/sia.3405
  6. Yancey D.F., Reinhardt C. // J. Electron Spectrosc. 2019. V. 231. P. 104. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2018.01.005
  7. Insepov Z., Yamada I., Sosnowski M. // Mater. Chem. Phys. 1998. V. 54. P. 234. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(98)00032-7
  8. Teo E.J., Toyoda N., Yang C., Bettiol A.A., Teng J.H. // Appl. Phys. A. 2014. V. 117. P. 719. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8728-1
  9. Коробейщиков Н.Г., Николаев И.В., Роенко М.А. // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45. № 6. С. 30. https://doi.org/10.21883/PJTF.2019.06.47496.17646 (Korobeishchikov N.G., Nikolaev I.V., Roenko M.A. // Tech. Phys. Lett. 2019. V. 45. No.3. P. 274. https://doi.org/10.1134/S1063785019030295)
  10. Toyoda N., Tilakaratne B., Saleem I., Chu W.K. // Appl. Phys. Rev. 2019. V. 6. P. 020901. https://doi.org/10.1063/1.5030500
  11. Zeng X., Pelenovich V., Xing B., Rakhimov R., Zuo W., Tolstogouzov A., Liu C., Fu D., Xiao X. // Beilstein J. Nanotechnol. 2020. V. 11. P. 383. https://doi.org/10.3762/bjnano.11.29
  12. Kireev D.S., Ieshkin A.E., Shemukhin A.A. // Tech. Phys. Lett. 2020. V. 46. P. 409. https://doi.org/10.1134/S1063785020050065
  13. Kirkpatrick A., Kirkpatrick S., Walsh M., Chau S., Mack M., Harrison S., Svrluga R., Khoury J. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2013. V. 307. P. 281. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2012.11.084
  14. Ieshkin A.E., Kireev D.S., Ermakov Yu.A., Trifonov A.S., Presnov D.E., Garshev A.V., Anufriev Yu.V., Prokhoro-va I.G., Krupenin V.A., Chernysh V.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2018. V. 421. P. 27. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.02.019
  15. Cano-Torres J.M., Serrano M.D., Zaldo C., Rico M., Mateos X., Liu J., Griebner U., Petrov V., Valle F.J., Galán M., Viera G. // J. Opt. Soc. Am. 2006. V. 23. P. 2494. https://doi.org/10.1364/JOSAB.23.002494
  16. Brenier A. // J. Quant. Elect. 2011. V. 47. P. 279. https://doi.org/10.1088/1612-2011/11/11/115819
  17. Zhang W., Zhang R., Yang S., Wang R., Na L., Hua R. // Mater. Res. Bull. 2020. V. 122. Р. 110689. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2019.110689
  18. Chandra Talukder R., Zubaer Eibna Halim Md., Waritanant T., Major A. // Opt. Let. 2016. V. 41. P. 3810. https://doi.org/10.1364/OL.41.003810
  19. Loiko P.A., Yumashev K.V., Kuleshov N.V., Savitski V.G., Calvez S., Burns D., Pavlyuk A.A. // Opt. Express. 2009. V. 17. P. 23536. https://doi.org/10.1364/OE.17.023536
  20. Atanasov P.A., Okato T., Tomov R.I., Obara M. // Thin Solid Films. 2004. V. 453–454. P. 150. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.11.089
  21. Atuchin V.V., Kesler V.G., Maklakova N.Yu., Pokrovs- ky L.D., Sheglov D.V. // Eur. Phys. J. B. 2006. V. 51. P. 293. https://doi.org/10.1140/epjb/e2006-00208-8
  22. Shen J., Liu S., Yi K., He H., Shao J., Fan Z. // Optik. 2005. V. 116. P. 288. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2005.02.002
  23. Lee J., Kim J.C., Kim J., Singh R.K., Arjunan A.C., Lee H. // Thin Solid Films. 2018. V. 660. P. 516. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.07.002
  24. Korobeishchikov N.G., Zarvin A.E., Madirbaev V.Z., Sharafutdinov R.G. // Plasma Chem. Plasma Proc. 2005. V. 25. P. 319. https://doi.org/10.1007/s11090-004-3132-9
  25. Korobeishchikov N.G., Nikolaev I.V., Roenko M.A., Atuchin V.V. // Appl. Phys. A. 2018. V. 124. P. 833. https://doi.org/10.1007/s00339-018-2256-3
  26. Korobeishchikov N.G., Nikolaev I.V., Roenko M.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1115. Р. 032016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/3/032016
  27. Korobeishchikov N.G., Nikolaev I.V., Atuchin V.V., Prosvirin I.P., Tolstogouzov A., Pelenovich V., Fu D.J. // Surf. Interfaces. 2021. V. 27. Р. 101520. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101520
  28. Seah M.P. // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. P. 12622. https://doi.org/10.1021/jp402684c
  29. Cumpson P.J., Portoles J.F., Barlow A.J., Sano N. // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. Р. 124313. http://doi.org/10.1063/1.4823815
  30. Korobeishchikov N.G., Nikolaev I.V., Atuchin V.V., Prosvirin I.P., Kapishnikov A.V., Tolstogouzov A., Fu D.J. // Mater. Res. Bull. 2023. V. 158. Р. 112082. http://doi.org/10.1016/j.materresbull.2022.112082
  31. Korobeishchikov N.G., Stishenko P.V., Nikolaev I.V., Yakovlev V.V. // Plasma Chem. Plasma Proc. 2022. V. 42. P. 1223. http://doi.org/10.1007/s11090-022-10286-8
  32. Greczynski G., Hultman L. // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 542. P. 148599. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148599
  33. Macalik L., Kaczmarek S.M., Leniec G., Hanuza J., Pietraszko A., Bodziony T., Skibiński T. // Sci. Jet. 2015. V. 4. Р. 122.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. АСМ-изображения поверхности 10 × 10 мкм монокристалла KGW:Nd: а – исходной; б – после обработки низкоэнергетическими кластерными ионами аргона; в – после обработки высокоэнергетическими кластерными ионами аргона.

Скачать (712KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Обзорные рентгеновские фотоэлектронные спектры исходных поверхностей KGW и KGW:Nd и обработанных поверхностей KGW:Nd в различных режимах.

Скачать (213KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».