Szerkezeti zónadiagram, szerkezet-kialakulás kétfázisú rétegekben

Kétkomponensű rendszerben az első fázis egyes kristályainak növekedése egy második fázisú - befedő, avagy szennyező - anyaggal leállítható. Ha két különböző kémiai anyag atomjai érkeznek a felszínre, a leválasztódás után egy kétdimenziós ötvözetréteg alakul ki az adszorbeált atomokból. Az így kialakult rétegszerkezeteket adott hőmérséklettartományokra (zónákra) jellemzően különböztethetjük meg.

A Barna és Adamik [37][113] által kidolgozott 2D-3D jellegű Al-O rendszerre vonatkozó kétfázisú zónadiagramot, a 3. ábra mutatja be, mely koncepcióval a Ti-C szerkezet is kiválóan jellemezhető. Amint azt a 3. ábra is szemlélteti, az Al-O szerkezetben történt morfológiai változásokat az oxigén mennyiségének függvényében vizsgálták, míg Ti-C rendszerek esetén a Ti-C függvényében lehet hasonlóan jellemezni ugyanezen átalakulásokat.

Figyelembe véve a TS/Tm homológ hőmérsékletet, ahol TS a hordozó hőmérséklete és Tm a réteg anyag olvadáspontja, négy különböző zónát különböztethetünk meg:

I. zóna, ahol TS < 0,2 Tm: alacsony hőmérsékleti tartomány, melyben az alap zóna-modell alapján a felületi diffúziós folyamatok határozzák meg a kialakuló rétegek szerkezetét, a tömbi diffúzió nem jelentős. Az atomok felületi és térfogati diffúziója nagyon lassú, illetve szabad úthossza igen kicsi. A létrejövő magok körüli kiürített zóna szintén kicsi lesz, a magok sűrűn fognak elhelyezkedni és növekedésük során nem nőnek össze egymással.

20

A szemcsék növekedése során nem alakul ki jelentős textúra, és amennyiben a szemcsék növekedését a szennyezők nem gátolják, a szemcsehatárok viszonylag párhuzamosan futnak egymással. Az oszlopok növekedési iránya megegyezik a porlasztó forrás irányával. Az oszlopok átmérőjét a magok kiürítési zónájának mérete határozza meg, vagyis az oszlopok általában nem egyedülálló szemcsék, sokkal inkább 1 és 10 nm közötti kis átmérőjű szálakból állnak, vagy lehetnek teljesen amorfak. Amorf hordozókon a magok véletlenszerűen orientáltak. A szálak gyakran kötegekké állnak össze. Ez a szerkezet annál homogénebb, minél nagyobb a szálak átmérője, illetve minél magasabb a hőmérséklet.

Ezt követi az alap zóna-modell inhomogén T zónája, ahol az adatomok mobilitása érezhetővé válik, szabad úthosszuk megnő, s eljuthatnak a számukra energetikailag legkedvezőbb helyekre. Ez a zóna általában a 0,2 Tm < TS < 0,4 hőmérsékleti intervallumhoz tartozik. Az érkező adatom az alacsonyabb felületi energiájú szemcsébe fog beépülni a különböző orientációjú szomszédos szemcsék közül, ők „nyernek” a versenyben és V alakban egyre szélesednek, miközben a kedvezőtlen felületi energiájú szemcséket kiszorítják a növekedésből. A réteg vastagságával változik a morfológia és a versengő növekedéssel tipikusan kialakul egy textúra. Esetünkben a második magképző fázis TiC az amorf C mátrixba ágyazva, növekedése kinetikailag nem korlátozott. Kevesebb üreg, sűrű, apró kristályok jellemzik ezt a tartományt. A térfogati diffúzió kezd felgyorsulni. Szerkezetét tekintve polikristályos, de lehet amorf is.

A II. zóna homogén szerkezetet mutat a rétegvastagság mentén, amely a réteg aljától a tetejéig áthatoló oszlopokból áll. Az adatomok mozgékonysága és a koaleszcencia lehetősége jelentősen megnő. Ebben a zónában magas hőmérséklet uralkodik, ahol T_S ˃ 0,4 T_m. A szemcsehatárok szinte merőlegesek lesznek a réteg síkjára. A keletkező magok körüli befogási zóna nagy lesz, így a rétegvastagsággal összehasonlítható szélességű oszlopok jönnek létre. A térfogati diffúzió kezd meghatározó lenni, az oszlopok közötti üregek feltöltődnek. Nagy kristályok alakulnak ki, megfelelően magas hőmérséklet esetén egykristály is létrejöhet. Az oszlopok átmérője a hőmérséklettel és a rétegvastagsággal nő.

A III. zóna szerkezetét ekviaxiális globuláris háromdimenziós szemcsék jellemzik, melyek arra utalnak, hogy a kristálynövekedést egy szennyező fázis rendszeresen blokkolta.

Ez a fajta szerkezet általában szintén a magas hordozóhőmérséklet-tartománynak tulajdonítható, bár minden hőmérséklet-tartományban megjelenhet különböző szemcseméretekkel, ahol szennyezőanyagok (pl. O, C) jelen vannak. Ezzel megegyezik az általunk későbbiekben bemutatott Ti-C rendszer is, ahol az első magképző fázis az amorf C, a lehetséges fázisok közötti legalacsonyabb felületi energiájának következtében.

21

3. ábra: Termikus párologtatással szobahőmérsékleten előállított Al vékonyrétegek szerkezeti jellemzői normál nagyvákuum feltétel mellett (a), valamint alacsony (b), közepes

(c), magas (d) és nagyon magas oxigénszennyeződésnél (e) [113].

A szobahőmérsékleten porlasztott alumínium oxigén rendszer szerkezeti változásait és az orientációs körülményeket növekvő szennyeződési koncentrációval a 3. ábra mutatja be.

Ez a valós szerkezetei zóna-modell megfelel az alap zóna-modell II. zónájának.

Alacsony oxigénkoncentráció esetén a koaleszcencia szakaszában a magok növekedése nem korlátozott, és a szerkezetátalakítási textúra is kialakulhat. Az orientált magok növekedése a II. zónának megfelelően oszlopos szerkezetet alakít ki (3a. ábra), habár a szennyezett szemcsehatárok mozgékonyságának csökkenése korlátozza a további magnövekedést.Az oszlopok szélessége a 3b. ábrán kisebb lesz, mint az alapmodell szerint, de a textúra még mindig a szerkezetátalakítási textúra, ám gyengébb, mint az alapmodell esetén.

Az első kristályok véletlenszerű orientációjának következtében közepes oxigénkoncentrációnál a magok növekedése már a koaleszcencia szakaszában korlátozott. A

22

különböző Al kristályfelületeken az oxigén különböző szegregációs tulajdonságaival összefüggő növekedési verseny indul. Ez a szerkezet az alap zóna-modell T zónájának felel meg és versengő textúra alakul ki (3c. ábra).

Magas oxigénkoncentráció esetén a kristályok növekedését rendszeresen blokkolja a kristályok teljes felületét lefedő fejlődő felületi réteg. Ez azt is jelenti, hogy a magok növekedése nem akadályozhatja a szerkezetátalakítási növekedési textúra kialakulását. A réteg az alap zóna-modell III. zónájának megfelelő véletlenszerűen orientált, ekviaxiális globuláris háromdimenziós szemcsékből áll (3d. ábra).

23