канд.техн.наук Мажейка А.И., Смирнова Т.И. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КЛАСТЕРОВ

Проф., канд.техн.наук Мажейка А.И., Смирнова Т.И.

Кировоградский национальный технический университет

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КЛАСТЕРОВ

Кластеры как система связанных атомов являются физическим объектом, представляющим интерес как в фундаментальном, так и в прикладном отношении [1 ]. Использование кластеров в виде пучков удобно и для их генерации, и для их применения. Это обеспечивает высокую скорость генерации кластеров и их доставку в место, где они используются. Впервые генерация кластеров была осуществлена в Германии [2] в результате расширения пара, образованного в камере, через малое сопло в вакуум. Последующая эволюция экспериментальной техники позволила развить различные методы генерации кластеров с применением одинаковых элементов на выходе генератора кластеров. Действительно, во всех случаях генерации пар или газ, содержащий атомы для кластеров, проходит через сопло. Далее буферный газ и другие газы откачиваются, кластеры заряжаются под действием электронного пучка и образующийся кластерный пучок ускоряется и управляется стандартной электрической оптикой.

Кластерные пучки используются для приготовления тонких пленок и в других подобных приложениях , а также для получения новых материалов, особенно таких, в которых кластеры внедрены в однородную матрицу в виде нанометровых зерен , так что такой материал является одним из типов наноструктурных материалов [3]. Однако цепь процессов при генерации кластерных пучков является сложной и неравновесной. Поэтому выходные параметры генераторов кластерных пучков зависят от протекающих при этом процессов. Более того, они могут быть улучшены в случае изменения основных процессов или режима кластерной генерации.

      Кластер как физический объект занимает промежуточное положение между атомами и молекулами, с одной стороны, и конденсированными системами, с другой. С термодинамической точки зрения кластеры являются неравновесной системой, и их эволюция в течение долгого времени ведет к образованию либо газовой фазы в результате испарения кластеров, либо конденсированной фазы вследствие их слипания. Кластеры обладают высокой химической активностью, в частности, контакт двух кластеров приводит к их объединению, в результате чего их начальные свойства отличаются от свойств образовавшегося кластера. Поэтому кластеры используются в форме пучка, где они разделены в пространстве, благодаря чему сохраняются. Кластеры в форме пучков применяются в различных приложениях, таких как образование пленок при напылении кластеров на мишень или образование новых материалов при одновременном напылении аморфной мишени и пучка твердых кластеров. Кроме того, с помощью кластерных пучков удобно осуществлять перенос материалов, в частности металлов. Поэтому кластерные пучки являются наиболее распространенным способом использования кластеров. В таблице приведены основные методы генерации кластерных пучков и их особенности, которые будут проанализированы в дальнейшем.

Таблица. Методы генерации кластерных пучков из конденсированных материалов и их особенности

Разделим методы генерации кластеров из конденсированной фазы на две группы в соответствии с характером превращения материала в кластеры. В первом случае разрушение материала ведет к прямому образованию кластеров. Пример такого метода - бомбардировка мишени быстрыми ионами, в результате которой разрушение мишени сопровождается образованием фрагментов-кластеров. Другой метод этой группы - распыление жидкости с образованием мелких капель или аэрозолей. Во второй группе методов генерации кластеров на первой стадии процесса мишень превращается в атомы или молекулы, которые далее объединяются в кластеры. На второй стадии генерации кластеров обычно используется расширение газа или пара, состоящего из атомов или молекул, в вакуум через сопло, так что термо­динамически устойчивым состоянием вещества в конце процесса является конденсированная фаза. Переход газа или пара в конденсированное состояние протекает через образование кластеров, которые термодинамически нестабильны и имеют тенденцию увеличивать свой размер в результате коагуляции или коалесценции. Тем не менее кластеры в газе или пучке обладают достаточно большим временем жизни.

      Генерация кластеров при бомбардировке мишени кэвными ионами [4] основана на том, что столкновение быстрых ионов с поверхностью приводит к образованию различных осколков, включая кластеры. Эти кластеры могут быть заряженными, что позволяет разделять их по размерам и ускорять. Полученные таким способом кластерные пучки характеризуются малым размером кластеров и низкой интенсивностью. Данный метод используется для генерации кластерных пучков в исследовательских целях.

      Методы генерации кластерных пучков из газа или пара основаны на переходе этих систем в конденсированную фазу при условиях, когда давление газа или пара превышает давление насыщенного пара при данной температуре, так что кластеры образуются в результате конденсации пара и растут со временем. Через бесконечное время первоначальный пар должен перейти в конденсированную фазу, однако в реальных условиях рост кластеров прекращается из-за расширения пара. В результате эволюции расширяющегося пара и образуется кластерный пучок. Имеются различные методы создания расширяющегося пара в зависимости от материала кластеров и выходных параметров кластерного пучка. Для легко испаряемых материалов используется печь, в которой конденсированная фаза превращается в пар, и далее пар вместе с буферным газом расширяется в вакуум, проходя через сопло. Охлаждение этой смеси в результате расширения вызывает нуклеацию пара и образование кластеров. Этот метод обеспечивает генерацию достаточно интенсивных кластерных пучков, которые далее напыляются на подложку для получения тонких пленок. В случае жаропрочных материалов для их испарения и образования свободных атомов используется лазерный пучок [5]. Испаряемые атомы смешиваются с потоком буферного газа, и последующее расширение смеси ведет к образованию и росту кластеров.

Наряду с указанными методами генерации кластеров возможны смешанные методы.

Сравнение двух групп методов генерации кластеров показывает, что методы первой группы проще, поскольку позволяют получать кластеры из конденсированной фазы прямым способом. Однако в методах второй группы можно управлять размерами кластеров и получать более интенсивные кластерные пучки. Поэтому на практике предпочтительнее методы второй группы при генерации кластеров из конденсированной фазы, особенно для кластеров простого состава, когда на первой стадии этого процесса вещество разлагается на атомы или молекулы, которые далее объединяются в растущие кластеры.

     Выводы.  Интерес к исследованию кластеров не ограничивается чисто фундаментальными проблемами, связанными с установлением характера перехода от молекулярного к конденсированному состоянию вещества. Кластеры в последние годы находят свое применение в микроэлектронике. Так, создавая поток кластеров определенного размера и напыляя этот поток на подложку, технологи научились создавать на поверхности материала области с поперечным размером в несколько десятков нанометров, электронные характеристики которых (концентрация носителей, ширина запрещенной зоны и др.) существенно отличаются от параметров подложки. Тем самым реализована возможность получения p-n-перехода рекордно малых размеров, что открывает путь для дальнейшей миниатюризации компьютерных устройств.

      Также, в настоящее время активно разрабатываются газоразрядные источники света на основе кластеров. В таких источниках, световая отдача и КПД которых превосходят соответствующие параметры традиционно используемых газоразрядных ламп, кластеры тугоплавких металлов (вольфрам, молибден и др.) образуются при конвективном движении металлического пара из нагретой области, где он образуется, в более холодную область, где происходит его конденсация. При определенных параметрах разряда интенсивность свечения кластеров значительно превышает излучательные характеристики атомных частиц, поэтому кластерный источник света является вполне конкурентоспособным прибором.

Литература:

1.Sugano S Microclyster Physics .Berlin: Springer-Verlag, 1991

2.Henkes W Z. Naturforsch. A 16 842 .1961

3.Трофимов В И, Осадченко В А Рост и морфология тонких пленок. М.:Энергоатомиздат, 1993

 4. Sosnowski M, Yamada I Nucl. Imstrum. Meth. B 46, 397 ,990

 5. Milani P, de Heer W A Rev. Sci. Imstrum. 61, 1835, 1990

e-mail:papa5511@mail.ru

Залиште коментар!