Comprehensive approach to studying fractal structures on iron surfaces

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Nanoscale iron films of different thicknesses and at different spatial scales were studied using two alternative methods: atomic force microscopy and scanning tunneling microscopy. It was revealed that the surface morphology and fractal dimension depend not only on the film thickness but also on the deposition conditions and subsequent digital processing. It was concluded that the surface has a highly developed relief, which corresponds to high values of the fractal dimension. A hypothesis was put forward that the presence of iron oxides on the surface of the studied samples significantly affects their morphology, contributing to the formation of a complex and highly developed relief. These oxides lead to the formation of some structural inhomogeneities, which lead to the observation of agglomerates in a fairly wide range of fractal dimension values (from 2,49 to 2,94) on the film surface, i.e. oxides contribute to the aggregation of particles, creating a more complex surface structure. In addition, a method of separating agglomerates allowed us to record an increase in the value of the fractal dimension, which indicates the efficiency of separating and studying individual complex surface objects. Thus, for nanosized iron films, it becomes important to take into account the effects of oxidation and agglomeration of surface elements when analyzing them and choosing a method for obtaining them to identify structures with a certain value of the fractal dimension.

About the authors

Alexander S. Antonov

Tver State University

Ph. D., Researcher, General Physics Department

Nickolay Yu. Sdobnyakov

Tver State University

Dr. Sc., Docent, General Physics Department

Vitaly A. Anofriev

Tver State University

2nd year postgraduate student, General Physics Department

Mikhail S. Afanasiev

MIREA - Russian Technological University; V.A. Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS

Dr. Sc., Docent, Professor, MIREA - Russian Technological University, Leading Researcher; Fryazino Branch of V.A. Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS

Elena M. Semenova

Tver State University

Ph. D., Docent, Condensed Matter Physics Department

Vladislav V. Makaev

Tver State University

4th year student, General Physics Department

References

  1. Persson, B.N.J. On the fractal dimension of rough surfaces / B.N.J. Persson // Tribology Letters. - 2014. - V. 54. - I. 1. - P. 99-106. doi: 10.1007/s11249-014-0313-4.
  2. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В, Иванов. - Тверь: ТвГУ, 2019. - 168 с.
  3. Zhou, W. Fractal analysis on surface topography of thin films: a review / W. Zhou, Y. Cao, H. Zhao et al. // Fractal and fractional. - 2022. - V.6. - I. 3. - Art. № 135. - 30 p. DOI: 10.3390/ fractalfract6030135.
  4. Анофриев, В.А. К проблеме автоматизации процесса определения фрактальной размерности / В.А. Анофриев, А.В. Низенко, Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 264-276. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.264.
  5. Иванов, Д.В. О формировании фрактальных пленок железа / Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Е.М. Семенова, А.И. Иванова, Н.Б. Кузьмин, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 108-119. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.108.
  6. Фильнов, С.О. Совместная интеркаляция ультратонких пленок Fe и Co под буферный слой графена на монокристалле SiC(0001) / С.О. Фильнов, Д.А. Естюнин, И.И. Климовских и др. // Письма в журнал экспериментальной и технической физики. - 2023. - Т. 117. - Вып. 5-6. - С. 369-376. doi: 10.31857/S1234567823050087.
  7. Arnault, J.C. Roughness fractal approach of oxidised surfaces by AFM and diffuse X-ray reflectometry measurements /j.C. Arnault, A. Knoll, E. Smigiel, A. Cornet // Applied Surface Science. - 2001. - V. 171. - I. 3-4. - P. 189-196. doi: 10.1016/S0169-4332(00)00550-X.
  8. Мягков, В.Г. Фрактальное окисление аморфных плёнок железа / В.Г. Мягков, В.С. Жигалов, С.М. Жарков // Доклады академии наук. - 1996. - Т. 346. - № 5. - С. 612-615.
  9. DigitalSurf. - Режим доступа: www.url: https://www.digitalsurf.com. - 1.04.2024.
  10. Image Analysis P9. Руководство пользователя. - M.: НТ-МДТ СИ, 2019. - 582 c.
  11. Свидетельство № 2021618928 Российская Федерация. FractalSurface: программа для анализа поверхности на наноуровне / Н.Ю. Сдобняков, В.А. Анофриев, В.А. Кошелев, А.С. Антонов, Д.В. Иванов; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО "Тверской государственный университет". - № 20216180353; заявл. 27.05.2021; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 02.06.2021. - 1 с.
  12. Свидетельство № 2023614856 Российская Федерация. FractalSurface 2.0: программа для анализа поверхности на наноуровне / Н.Ю. Сдобняков, В.А. Анофриев, А.В. Низенко, А.С. Антонов, Д.В. Иванов, Н.Б. Кузьмин; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО "Тверской государственный университет". - № 2023613525; заявл. 28.02.2023; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 06.03.2023. - 1 с.
  13. Анофриев, В.А. Паттерн формирования фрактального рельефа для наноразмерных плёнок молибдена / В.А. Анофриев, А.С. Антонов, Д.В. Иванов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 17-31. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.017.
  14. Krim, J. Scanning tunneling microscopy observation of self-affine fractal roughness in ion-bombarded film surfaces /j. Krim, I. Heyvaert, C. Van Haesendonck, Y. Bruynseraede // Physical Review Letters. - 1993. - V. 70. - I. 1. - P. 57-60. doi: 10.1103/PhysRevLett.70.57.
  15. Иванова, Н.А. Образование в газовой фазе агрегатов железа и углеродных наноструктур с включениями железа / Н.А. Иванова, А.М. Бакланов, А.А. Онищук // Химическая физика. - 2005. - Т. 24. - № 4. - С.84-94.
  16. Юрков, А.Н. Использование планарного магнетрона для напыления ферромагнитных пленок микронной и нанометровой толщины / А.Н. Юрков, Т.В. Власова, Г.А. Крикунов, М.А. Кононов // Прикладная физика. - 2010. - № 3. - С. 103-108.
  17. Сдобняков, Н.Ю. Измерение вольт-амперных характеристик туннельного контакта вольфрам-золото / Н.Ю. Сдобняков, А.С. Антонов, Т.Ю. Зыков и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2011. - Вып. 3. - C. 206-216.
  18. Антонов, А.С. Исследование фрактальных свойств наноразмерных пленок золота, серебра и меди: атомно-силовая и туннельная микроскопия / А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков, Д.В. Иванов и др. // Химическая физика и мезоскопия. - 2017. - Т. 19. - № 3. - С. 473-486.
  19. Ivanov, D.V. Determination of the fractal size of titanium films at different scales / D.V. Ivanov, A.S. Antonov, E.M. Semenova et al. // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - V. 1758. - Art. № 012013. - 6 p. doi: 10.1088/1742-6596/1758/1/012013.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).