Amorf szénszerkezetek előállítása

4.1.1. Rádiófrekvenciás kémiai gőzfázisú leválasztás (rf-CVD)

Az rf-CVD eljárás során az amorf szénréteg növesztése széntartalmú forrásgázban létrehozott kis nyomású plazmakisüléssel történik, amelynek során a plazmában képződött energiadús gyökök és ionok vesznek részt a réteg kialakításában. A plazmát két, különböző átmérőjű fém elektróda között rádiófrekvenciás generátor hozza létre. Az elektródák egyike – a nagyobb méretű – földelt, a másikhoz kapacitívan kapcsolódik a generátor, és arra van rögzítve a szilícium hordozó is, amelyre a réteg leválik. Az így létrehozott rádiófrekvenciás plazmában az elektronok és az ionok mozgékonysága eltérő, és a lassabb pozitív ionok leárnyékolják az elektródákat, ami a plazmadióda hatás következtében az elektródák önfeltöltődését eredményezi. Az önfeltöltődési feszültség fordítottan arányos az elektródák területével, tehát a kisebb elektróda negatív feszültségen lesz a nagyobbhoz képest. Az Ei ionenergia az alábbi módon függ a Vb önfeltöltődési feszültségtől [5]:

P k W kV

E_i = _b = ^, , (4.1)

ahol W a rádiófrekvenciás teljesítmény, P a nyomás, k és k’ pedig arányossági együtthatók. A rétegnövekedést több tényező befolyásolja, úgymint a kiinduló gáz fajtája, beáramlási sebessége és nyomása, valamint a betáplált rádiófrekvenciás teljesítmény.

A vizsgálataimhoz a benzolból készült hidrogénezett amorf szén vékonyrétegeket az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézetben állítottuk elő. A rétegnövesztés egy 80 mm belső átmérőjű henger alakú, üvegfalú reaktortérben történt. A kamrában található két, korong alakú elektróda méretei 50 mm és 75 mm voltak, egymástól való távolságuk 40 mm. A rétegnövesztés 2,54 MHz-es rádiófrekvenciás forrás használatával, 18,5 Pa plazmanyomáson és 20 V-os önfeltöltődési feszültség mellett történt. Hordozóként kristályos szilíciumlapkát használtunk. A rétegvastagságot a leválasztási idő növelésével szabályoztuk, melynek eredményeként a kialakított minták rétegvastagsága 60–2250 nm között változott. A rétegvastagság meghatározása egy Woollam M2000F készüléken végzett ellipszometriai mérésekkel és az adatok Cauchy-illesztésével történt.

4.1.2. Plazmaimmerziós ionimplantálás (PIII)

A plazmaimmerziós ionimplantálás során a gázt kis nyomáson, nagyfrekvenciás térrel ionizálják (Penning-kisülés), és az ionokat annak negatív egyen- vagy váltakozó feszültséggel történő előfeszítésével az implantálni kívánt céltárgy felé gyorsítják. Ennek eredményeképp a plazma és a céltárgy között egy ionokat tartalmazó tértöltési réteg jön létre. Az ionok energia- és irányeloszlása a gáznyomástól, az alkalmazott iongyorsítási feszültségtől, az ionok töltésállapotától és a tárgy felületének alakjától is függ [85,86].

4-1. táblázat: A polietilén és polietilén-tereftalát plazmaimmerziós

Iongyorsítási feszültség 20–30 kV 20–30 kV

Frekvencia 100 Hz 65–218 Hz

Impulzushossz 70 μs 5 μs

Ionimplantációs idő 50 perc Változó

Iondózis 2 x 10¹⁷ cm² Változó

A polimerek ionimplantálása az MTA TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézetében történt.

Az ultranagy molekulatömegű polietilén PIII-kezeléséhez mechanikailag polírozott (Poly-Hi-Solidur/Menasha GUR41 50HP típusú) polietilént használtunk. Az implantálás nagyfeszültségű impulzusforrást (ANSTO, Ausztrália) alkalmazó, 27,13 MHz-en működő PSQ 100 plazmaforrás (IPT, Németország) segítségével történt. Az iongyorsítási feszültség 20–30 kV volt, a feszültségimpulzusok hossza 70 μs. A kezeléshez használt plazma paramétereit a 4-1. táblázat foglalja össze.

A Raman-szórás során a fényforrás által gerjesztett mélységi tartomány meghatározása szempontjából fontos az ionokkal kezelt polimerréteg méreteinek ismerete. Ennek meghatározására a különböző ionok implantálási mélységét az ultranagy molekulatömegű polietilénben a SRIM programcsomaggal modelleztem [87,88]. Mivel a PIII módszernél a plazmában egyes gázok molekuláris és atomi ionjai is előfordulnak, a számolást az N⁺ és N2+, valamint a H⁺ és H2+ ionokra is elvégeztem. A számoláshoz használt paraméterek [89]: az

4-1. ábra: Különböző ionok számított mélységeloszlása polietilén ionimplantálása során.

kilépési küszöbenergia 28 eV, a kötési energia 3 eV, a felületi kohéziós erő 7,4 eV volt, ugyanez a hidrogénre rendre 10 eV, 3 eV és 2 eV. Az ionok így meghatározott mélységeloszlását a 4-1. ábra mutatja. Látható, hogy legkisebb, 93 nm-es mélységbe a nitrogén hatol be a polimerbe, és ennél az elemnél az atomi és molekuláris ionok mélységeloszlása szinte azonos. A hélium görbéjének maximuma 327 nm-nél található.

Legmélyebbre a hidrogén kerül, atomi ionja 341 nm-es, molekuláris ionja pedig 450 nm-es mélységbe jutnak a minta felülete alá.

4-2. táblázat: A héliummal ionimplantált PET-minták kezelési paraméterei.

Minta U, kV F × 10¹⁷,

A polietilén-tereftalát esetében az amorf szén vékonyrétegek kialakítása 10 mm átmérőjű és 2 mm vastag Docapet (Ensinger) gyártmányú korongokon történt. A felületkezelés előtt a korongok felülete SiC csiszolópapírral, majd filclappal lett polírozva. Az ionimplantáláshoz használt rendszer azonos volt a polietilén kezeléséhez használttal. Az impulzushossz 5 μs volt, melynek frekvenciáját a kívánt fluxus eléréséhez 65–218 Hz között változtattuk. Az implantálás paramétereit a 4-1. táblázat foglalja össze.

0 100 200 300 400 500 600 700

4-2. ábra: He-ionok behatolási mélysége polietilén-tereftalátba különböző iongyorsítási feszültégeknél.

A PET-minták implantálásakor három paramétert módosítottunk: az iongyorsítási feszültséget (U), az iondózist (F) és a fluxust (FR). Az általam vizsgált minták kezelési paramétereit a 4-2.

táblázat tartalmazza. A minták összehasonlítására alkalmas paraméter a táblázatban keV/PET mértékegységgel (C10O4H8) megadott névleges dózis, ami a SRIM program [87] segítségével az N⁺ ionok PET-szerkezetben elszenvedett energiaveszteségéből lett kiszámítva, figyelembe véve az alkalmazott iongyorsítási feszültséget. A valós dózist pontosan nem lehetett kiszámítani, viszont az ionok energiaeloszlása miatt az feltételezhetően kisebb volt a névleges dózisnál.

A polietilénhez hasonlóan itt is modelleztük az ionok implantációs mélységét. A számoláshoz használt paraméterek [89]: a PET sűrűsége 1,38 g/cm³, az ionenergia 15–30 keV, az ionmennyiség 10 000 db. A He tömege 4,003 amu. A szén esetében alkalmazott kilépési küszöbenergia 28 eV, a kötési energia 3 eV, a felületi kohéziós erő 7,4 eV volt, ugyanez a hidrogénre rendre 10 eV, 3 eV és 2 eV. A 4-2. ábra a He-ionokra számított mélységeloszlást mutatja különböző iongyorsítási feszültségeknél. Látható, hogy a penetráció mélységi maximuma 15 kV iongyorsítási feszültségnél 200 nm, 30 kV feszültségnél pedig 360 nm.

4.2. Nanogyémánt vékonyrétegek készítése és jellemzése SEM felvételek