|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ФИЦ ПХФ и МХ РАН |
||
Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопияНИР
Modification and analysis of surface ion irradiation and electron microscopy
- Руководитель НИР: Черныш В.С.
- Участники НИР: Беккиев А.Ю., Гайнуллин И.К., Завидовский И.А., Зайцев С.В., Зыкова Е.Ю., Иваненко И.П., Иешкин А.Е., Киреев Д.С., Кононина А.В., Коробова О.П., Лукьянов А. ., Миннебаев Д.К., Миннебаев К.Ф., Назаров А.В., Нищак О.Ю., Озерова К.Е., Потапкина И.Ю., Рау Э.И., Савченко Н.Ф., Стрелецкий О.А., Татаринцев А.А., Третьяков Н.Е., Третьяков Н.Е., Хайдаров А.А., Хвостов В.В., Шемухин А.А., Юрасова В.Е.
- Подразделение: Физический факультет
- Срок исполнения: 1 января 2016 г. - 31 декабря 2025 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): АААА-А16-116021560427-7
- Номер ЦИТИС: АААА-А16-116021560427-7
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Индустрия наносистем и материалов
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям
- ПН России: Индустрия наносистем
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.35.37 Электронная и ионная эмиссия
- 29.35.39 Корпускулярная оптика. Пучки заряженных частиц
- 29.35.01 Общие вопросы
- 29.35.41 Дифракция электронов
- 29.35.43 Электронная и ионная микроскопия
- Классификатор OECD: Физика конденсированного состояния, Оптика
-
Ключевые слова:
атомно-силовая микроскопия, кластерные ионы, масс-спектрометрия вторичных ионов, анализ элементного состава, зарядка поверхности, тонкопленочные наноструктуры, cканирующая электронная микроскопия, диэлектрики, трехмерное восстановление топологии поверхности
surface charge, three-dimensional surface reconstruction topology., dielectrics, cluster ions, thin-film nanostructures, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, mass spectrometry of secondary ions, elemental composition analysis -
Описание:
1.Теоретическое и экспериментальное исследование вторичных эмиссионных характеристик вторичных и обратно рассеянных электронов в зависимости от угла их выхода и наклона облучаемой поверхности. Разработка алгоритма количественной трехмерной реконструкции рельефа поверхности микроструктур в сканирующем электронном микроскопе. 2. Исследование кинетики зарядки диэлектрических мишеней под воздействием электронного облучения. 3. Изучение изменений эмиссионных и структурных характеристик металлов и диэлектриков при ионном облучении. 4. Исследование процессов эмиссии частиц при облучении твердотельных материалов ускоренными атомарными и кластерными ионами. 5. Изучение модификации состава приповерхностного слоя и топографии поверхности при облучении атомарными и кластерными ионами.
-
Планируемые результаты:
В результате планируемых исследований будут получены результаты по физике взаимодействия электронов средних энергий со слоистыми и локально неоднородными в микрообъеме средами, которые послужат обоснованием создания нового метода научных исследований - нанотомографии в отраженных электронах в СЭМ. Революционной следует признать запланированную попытку реализации 3D микроскопии по трем параметрам эксперимента, что позволит осуществлять 3D томографию монослоев поверхностной структуры. Будут проведены экспериментальные измерения кинетических характеристик процесса зарядки LiNbO3 и LiTaO3 в широком диапазоне энергий облучающего электронного пучка: от 0,2 до 30 кэВ. Исследования будут проводиться на Y-срезах, где вектор спонтанной поляризации сегнетоэлектрика находится параллельно поверхности, а также будут проведены исследования температурных зависимостей зарядки сегнетоэлектриков при электронном облучении. По этим данным будут произведены расчеты внутренних параметров сегнетоэлектриков: величины и размеры областей накопления положительного и отрицательного заряда, а также величина внутреннего поля, способного переключить домен сегнетоэлектрика. Будут определены основные параметры зарядки сегнетоэлектриков, при которых происходит переключение доменов: пороговая доза переключения сегнетоэлектрика для разных энергий облучения пучков заряженных частиц. В направлении изучения изменения характеристик металлов и диэлектриков при ионном облучении будут получены следующие результаты: 1) Будет изучена кинетика зарядки диэлектриков (сапфира, кварца, тефлона) и монодоменных сегнетоэлектриков (танталата и ниобата лития) под пучком ионов Ar+ с энергией 1-10 кэВ. Будет проведено одновременное измерение трех фундаментальных параметров зарядки диэлектрических мишеней: величины поверхностного потенциала, аккумулированного заряда и тока эмиссии заряженных частиц. 2) Будет проведено исследование методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) радиационных дефектов, формирующихся в приповерхностной области диэлектриков при воздействии электронного облучения с энергией 5 и 15 кэВ. Будут получены энергетические распределения заряженных частиц, выбитых из твердотельных материалов при облучении кластерными ионами. Кроме того, будет проведено компьютерное моделирование процесса распыления кластерными ионами и получены аналогичные расчетные распределения. Полученные данные будут использованы для описания энергетического состояния поверхности в процессе распыления. Будут определены состав и структура модифицированного нормальным и наклонным ионным облучением слоя на многокомпонентных мишенях. Данные об изменении состава поверхности мишеней различного состава позволят разработать методики использования кластерных источников в техниках анализа поверхности. Будут исследованы процессы самоорганизации нанорельефа поверхности под действием ионно-кластерного облучения и развиты подходы к формированию рельефа с заданными параметрами. Активное внедрение сегнетоэлектрических материалов в устройства микро- и наноэлектроники, а также их использование в оптических устройствах требует решения комплекса проблем и задач в области технологии использования сегнетоэлектриков. В последнее время использование субмикронных периодически поляризованных структур или так называемых регулярных доменных структур (РДС) представляет значительный интерес для устройств управления параметрами лазерного излучения, для реализации эффектов нелинейно-оптического взаимодействия, для создания устройств акустоэлектроники и в других областях. Одним из способов создания РДС является метод локальной записи доменов путем облучения сегнетоэлектриков остросфокусированным пучком заряженных частиц: ионами или электронами. Такой метод реализуется, например, в установках электронно-лучевой (ЭЛЛ) и ионно-лучевой литографии (ИЛЛ). В установке ЭЛЛ (ИЛЛ) сфокусированный электронный (ионный) пучок с энергией 1-30 кэВ производит точечное облучение поверхности сегнетоэлектрика по заданному шаблону. В процессе такого облучения происходит зарядка области облучения и может происходить локальное переключение доменов сегнетоэлектрика. Однако дальнейшее развития методики создания РДС и их использование в устройствах микро- и наноэлектроники или интегрированных оптических устройства требует подробного исследования закономерностей формирования доменов при различных условиях облучения. Проводимые работы направлены на экспериментальное и теоретическое исследование физики процесса взаимодействия электронных, ионных пучков, а также пучков ионных кластеров с сегнетоэлектрическими материалами, исследование механизма локального переключения вектора поляризации сегнетоэлектрика при облучении его пучками заряженных частиц и, как следствие, образования доменов противоположной направленности.
-
Научный задел:
Исполнители научно-исследовательской работы обладают высокой квалификацией, необходимым оборудованием и соответствующими наработками в области мониторинга 3D изображений методами сканирующей электронной микроскопии и кластерно-пучковой технологии модификации поверхностей. Проведено исследование 3D-восстановления отпечатка индентора Виккерса на Au-пластине. Качество реконструированного профиля поверхности удовлетворяет лучшим известным решениям этой важной проблемы СЭМ. В направлении исследования физики процесса взаимодействия электронного пучка с сегнетоэлектрическими материалами экспериментально установлено аномальное подавление тока электронной эмиссии в начальный момент времени для ряда сегнетоэлектриков, что может быть вызван возникновением положительного поверхностного потенциала. Изучение характеристик металлов и диэлектриков при ионном облучении показало существенное изменение кинетики зарядки исследуемых диэлектриков как при предварительном электронном облучении, так и при предварительном облучении ионами инертных газов и ионами металлов. Разработаны новые подходы к компьютерному моделированию распыления кластерными ионами, учитывающие изменение структуры поверхностного слоя мишени в процессе распыления. Получены расчетные угловые распределения распыленного вещества. Проведено исследование влияния температуры образца на процесс образования рельефа на его поверхности под действием облучения газовыми кластерными ионами. Показано, что диффузия играет ключевую роль в сглаживании поверхности кластерными ионами. С практической точки зрения обнаруженный эффект можно использовать для повышения эффективности сглаживания как для ускорения этого процесса, так и для уменьшения предельно достижимой остаточной шероховатости.
- Добавил в систему: Савченко Наталья Федоровна
Источник финансирования НИР
| госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: - Изучены кинетические характеристики и основные закономерности зарядки диэлектриков при облучении электронами средних энергий. Установлены особенности зарядки диэлектрических мишеней, предварительно облучённых ионами и электронами с различными дозами. - Получены зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии с поверхности металлов различной кристаллической структуры от угла падения электронов для случаев необлученной поверхности и поверхности, предварительно модифицированной бомбардировкой ионами средней энергии. - Получены эмпирические выражения для средней энергии отражённых электронов в зависимости от углов их выхода и наклона. Получены экспериментальные угловые зависимости спектров вторичных и отражённых электронов, на основе которых предложен новый алгоритм трёхмерной реконструкции поверхности микроструктур по измеренным дифференциальным коэффициентам эмиссии электронов в сканирующем электронном микроскопе. - Экспериментально и с помощью компьютерного моделирования исследованы угловые распределения частиц, распыленных из различных материалов ионами аргона и кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ. В компьютерных расчетах в пространственных распределениях частиц, распыленных из монокристаллов Cu и Mo, обнаружена анизотропия. Показано, что наблюдающая анизотропия не связана с механизмом формирования пятен Венера, который наблюдается при облучении монокристаллов атомарными ионами, а определяется кристаллической структурой мишени по границе кратера. - Исследована топография поверхности различных материалов (полупроводников – кремний, пористый кремний; диэлектриков – ситал). Для всех исследованных материалов наблюдалось сильное сглаживание рельефа поверхности. Так, например, при облучении ситала кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ средняя шероховатость (RMS) уменьшалась c 1,3 нм до 0,35 нм. | ||
| 2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: -Исследован процесс формирования многослойных отражающих покрытий на ситалловых подложках и изучено влияние полировки подложек кластерными ионами на структурные и отражающие свойства покрытий. -Численно промоделирована задача зарядового обмена между отрицательным ионом водорода и наносистемами - тонкие металлические пленки и островковые пленки. -Получены аналитические выражения и экспериментальные результаты по зависимости дифференциального коэффициента эмиссии вторичных и отраженных электронов и их энергии от углов падения и выхода электронов. -Разработан 4-х квадрантный кольцевой детектор отраженных электронов для трехмерной микротомографии. -Получены экспериментальные результаты по кинетике зарядки диэлектриков при их облучении ионами различных типов. -Получены углеродные тонкопленочные структуры с различным удельным электросопротивлением от 101 до 106 Ом×см. -Исследована зависимость структуры и физических свойств полученных образцов от их удельного сопротивления. | ||
| 3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: -Исследован процесс формирования многослойных отражающих покрытий на ситалловых подложках и изучено влияние полировки подложек кластерными ионами на структурные и отражающие свойства покрытий. -Численно промоделирована задача зарядового обмена между отрицательным ионом водорода и наносистемами - тонкие металлические пленки и островковые пленки. -Получены аналитические выражения и экспериментальные результаты по зависимости дифференциального коэффициента эмиссии вторичных и отраженных электронов и их энергии от углов падения и выхода электронов. -Разработан 4-х квадрантный кольцевой детектор отраженных электронов для трехмерной микротомографии. -Получены экспериментальные результаты по кинетике зарядки диэлектриков при их облучении ионами различных типов. -Получены углеродные тонкопленочные структуры с различным удельным электросопротивлением от 101 до 106 Ом×см. -Исследована зависимость структуры и физических свойств полученных образцов от их удельного сопротивления. | ||
| 4 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: - Исследованы температурные и структурные эффекты в распылении газовыми кластерными ионами. - Промоделированы экспериментальные данные по нейтрализации ионов Li+ и Na+ на нанокластерах Au. Дано объяснение существенного увеличения вероятности нейтрализации при уменьшении размера кластера. - Разработан новый метод 3-D реконструкции профиля поверхности микроструктур и соответствующее математическое обеспечение томографии поверхности, а также 3-D визуализации скрытой под поверхностью архитектуры микрообъектов. - Проведены исследования процессов зарядки диэлектриков, алмаза и изолированных металлов. Исследован процесс зарядки диэлектриков и изолированных металлов при облучении ионами Ar+, H+, Ga+ и др. Определены основные параметры процесса зарядки диэлектриков при ионном облучении. Исследованы особенности формирования контраста в сканирующем электронном микроскопе изображений диэлектриков и сегнетоэлектриков при электронном облучении. - Изготовлены и исследованы мишени на основе квазиодномерных углеродных систем. С помощью ионно-плазменного напыления в высоком вакууме получены тонкие (до 50 нм) углеродные квазиодномерные пленки на различных подложках. Проведена комплексная аттестация структурных свойств синтезированных образцов, получены их вольтамперные характеристики. | ||
| 5 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: 1. Проведено исследование особенностей распыления газовыми кластерными ионами многокомпонентных мишеней на основе сплавов никеля. Обнаружено, что при облучении кластерными ионами аргона происходит обогащение поверхности элементом с меньшей энергией связи. Степень обогащения существенно превосходит обогащение в случае распыления пучком атомарных ионов. Обнаружено, что в режиме насыщения поверхностная концентрация элемента, обогащающего поверхность, меняется с изменением плотности тока пучка кластерных ионов. Определено соотношение парциальных коэффициентов распыления компонентов сплавов в зависимости от объемных концентраций этих компонентов. Исследована морфология поверхности сплавов, облученных кластерными ионами при нормальном падении и при наклонном. Выявлены и объяснены закономерности для каждого случая. Полученные результаты имеют принципиальное значение для развития методов элементного анализа поверхности твердых тел с использованием потоков ускоренных кластерных ионов, а также для разработки методов направленной модификации рельефа и состава поверхности. 2. Теоретическо-расчетное исследование электронного обмена ионов с металлическими нанокластерами показало, что а) результаты моделирования плотности электронных состояний и резонансного электронного обмена воспроизводят дискретную электронную структуру металлических нанокластеров, проявляющуюся в виде неоднородного пространственного распределения электронной плотности и дискретной энергетической плотности электронных состояний и что б) при резонансном электронном обмене с нанокластером происходит последовательное заполнение собственных состояний нанокластера: в начале в направлении нормали к поверхности, затем параллельно поверхности. В результате чего в электронном обмене участвует только определенное подмножество собственных состояний нанокластера, что согласуется с данными сканирующей электронной спектроскопии. 3. Показана важная роль аппаратной функции детекторной системы в сканирующем электронном микроскопе в принятом алгоритме восстановления трехмерного изображения топографии поверхности микроструктур. Объяснено влияние на аппаратную функцию геометрического фактора, отражающего постепенный переход углового распределения отраженных электронов от классической (Ламбертовской) сферической формы к вытянутой эллипсоидальной форме. 4. Установлены важные закономерности при изучении кинетики зарядки диэлектриков при электронном облучении. 5. Получены углеродные пленки, состоящие из аморфной углеродной матрицы и внедренными в нее алмазными нанокластерами. В результате отжига в таких образцах формируются NV люминесцентные центры. Высокочастотным магнетронным осаждением с последующим ионным облучением получены углеродные структуры при различной дозе облучения. Показано, что ионное облучение привело к формированию серебряных наночастиц заданного размера (до 50 нм). Исследования рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показали низкую степень окисления таких наночастиц от времени, а измеренные SEERS спектры - их высокую стабильность. | ||
| 6 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: | ||
| 7 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: | ||
| 8 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: | ||
| 9 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: | ||
| 10 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Модификация и анализ поверхности ионным облучением и электронная микроскопия |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".