Способ получения наночастиц металла на поверхности подложки

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к способу получения наночастиц металла на поверхности подложки. Способ включает предварительное нанесение на поверхность подложки металлического тонкопленочного покрытия и воздействие на полученное покрытие пучком ионов высокой энергии до плавления покрытия и образования на поверхности подложки наночастиц материала покрытия различной формы. Для получения наночастиц диаметром до 100 нм на поверхность подложки из неорганического стекла или ситалла или окисленного кремния наносят металлическое тонкопленочное покрытие толщиной до 20 нм из материала с температурой плавления до 1500°С и воздействуют 1-3 импульсами наносекундной длительности мощного ионного пучка (МИП) состава 70% C+ и 30% Н+ с энергией 300 кэВ и с плотностью тока 5-50 А/см2. В результате обеспечивается формирование наночастиц различной формы и размера без изменения электрических свойств подложки при сокращении времени воздействия до 60-180 нс.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для создания на различных подложках наночастиц металлов. Применение таких наночастиц для создания различных наноэлектронных устройств, катализаторов, газочувствительных датчиков приведет к увеличению чувствительности электронных устройств, повышению эффективности каталитических и химических процессов.

Известен способ получения наночастиц (Патент РФ №2242532, МПК7 С23С 4/00, B01J 2/02, B22F 9/00, опубл. 20.12.2004), включающий диспергирование расплавленного материала, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму, образованную в инертном газе при давлении 10-1-10-4 Па, охлаждение в инертном газе образовавшихся в упомянутой плазме жидких наночастиц до затвердевания и нанесение полученных твердых наночастиц на носитель.

Недостатками способа являются большие энергетические затраты, необходимые для получения расплава материала, имеющего высокую температуру плавления, возможное образование окисла на поверхности капель при их охлаждении даже в инертном газе и незначительная (малая) адгезия полученных твердых наночастиц с носителем.

Известен способ получения наночастиц металлов (S.J.Henley, J.D.Carey and S.R.P.Silva. Pulsed-laser-induced nanoscale island formation in thin metal-on-oxide films. Physical Review В, V.72, 2005), заключающийся в нанесении слоя металла (Au, Ag, Ni, Mo, Ti) толщиной не более 20 нм на предварительно окисленную пластину кремния с последующим облучением 50 импульсами излучения эксимерного лазера с длительностью 25 нс, длиной волны 246 нм, вызывающим плавление слоя металла и последующее образование наночастиц с размером от 10-40 нм вследствие несмачивания расплавом поверхности SiO2.

Недостатками данного способа являются необходимость использования многократного воздействия излучения на указанную систему для получения наночастиц, сильное изменение коэффициента отражения лазерного излучения при плавлении тонкого металлического слоя на первых импульсах излучения, высокие скорости охлаждения расплава, связанные с прозрачностью слоя SiO2 для данной длины волны, что ограничивает структурно-фазовое состояние получаемых наночастиц и их форму, в частности наночастицы находятся в аморфном состоянии и из-за быстрого охлаждения частицы не успевают приобрести сферическую форму, которая необходима для применения в датчиках и катализаторах.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения наночастиц Pt размером 10-20 нм на поверхности SiO2 (Xiaoyuan Hu, David G. Cahill and Robert S. Averback, Dewetting and nanopattern formation of thin Pt films on SiO2 induced by ion beam irradiation, Journal of Applied Physics, V.89, №12, 15 June 2001, P.7777-7783), включающий нанесение слоя Pt толщиной от 3 до 10 нм на предварительно окисленную пластину кремния и последующее облучение этой системы непрерывным (не импульсным) пучком ионов криптона с энергией 800 кэВ до дозы не более 6×1015 ион/см2, однако одного ионного воздействия с указанными параметрами недостаточно для плавления всего слоя платины и образования наночастиц, и необходим дополнительный нагрев пластины кремния вплоть до 620°С.

Недостатком способа является высокая тепловая нагрузка на пластину кремния, вызванная высокой энергией ионов и длительным временем воздействия непрерывного пучка, необходимым для набора дозы 6×10 ион/см2 при используемой величине ионного тока, равной 100 нА, а также необходимостью дополнительного нагрева до 620°С. Высокая тепловая нагрузка на поверхностные слои кремния, возникающая при получении наночастиц металлов с температурой плавления выше 1000°С, приводит к перераспределению легирующей примеси в кремниевой подложке и изменению ее электрических характеристик и, как следствие, к ухудшению параметров электронного устройства, создаваемого на этой подложке. По оценке авторов минимальное время воздействия пучка ионов в этом случае составляет 20 минут.

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения наночастиц металлов на поверхности подложки путем воздействия пучком ионов на предварительно нанесенное на подложку тонкопленочное металлическое покрытие, обеспечивающего формирование наночастиц различной формы без достижения на поверхности подложки высокой температуры, приводящей к изменению электрических свойств подложки при сокращении времени этого воздействия до 60-180 нс.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения наночастиц металла на поверхности подложки, основанном на воздействии на предварительно нанесенное на эту поверхность металлическое тонкопленочное покрытие пучком ионов высокой энергии до плавления этого покрытия и образования на поверхности подложки наночастиц материала покрытия различной формы, для получения наночастиц диаметром до 100 нм на металлическое покрытие из материала с температурой плавления до 1500°С толщиной до 20 нм воздействуют 1-3 импульсами мощного ионного пучка состава 70% C+ и 30% Н+ с энергией 300 кэВ наносекундной длительности с плотностью тока 5-50 А/см2, при этом в качестве подложки используют неорганические стекла, ситалл или окисленный кремний. Для получения наночастиц алюминия со средним диаметром 95 нм облучают пленку алюминия толщиной 15 нм на подложке из неорганического стекла ионным пучком с плотностью тока 30 А/см2 одним импульсом длительностью 60 нс. Для получения наночастиц никеля диаметром до 84 нм облучают пленку никеля толщиной 5 нм на подложке из ситалла ионным пучком с плотностью тока 10 А/см2 одним импульсом длительностью 60 нс. Для получения наночастиц со средним диаметром меньше 80 нм воздействуют на тонкопленочные металлические покрытия 2-3 импульсами МИП наносекундной длительности.

Размеры образующихся наночастиц металлов задают толщиной тонкопленочного металлического покрытия, температурой плавления материала покрытия, контактным углом смачивания расплава материала подложки и величиной плотности ионного тока пучка. Угол падения ионов пучка устанавливают по нормали к поверхности образцов. Авторами установлены параметры мощного ионного пучка: состав 70% С+ и 30% Н+, энергия 300 кэВ, плотность тока 5-50 А/см2, один-три импульса облучения длительностью 60 нс для металлического покрытия толщиной до 20 нм и температуре плавления до 1500°С для получения наночастиц размером до 100 нм. Причем нижний предел плотности ионного тока пучка соответствует облучению материалов с наименьшей толщиной покрытия, а верхний предел плотности ионного тока облучению материалов с наибольшей толщиной покрытия (до 20 нм). При этом для уменьшения среднего размера образующихся наночастиц используют число импульсов облучения больше 1. При неоднократном облучении происходит частичное испарения металла наночастицы, уменьшение ее объема и, следовательно, размера. Применение данного способа обеспечивает формирование наночастиц алюминия на подложке из неорганического стекла, ситалла со средним диаметром 95 нм при облучении пленки алюминия толщиной 15 нм одним импульсом мощного ионного пучка с плотностью тока 30 А/см2. Увеличение числа импульсов облучения до 2 приводит к уменьшению среднего диаметра наночастиц алюминия до 90 нм, а при увеличении до 3 импульсов средний диаметр уменьшается до 86 нм.

Формирование наночастиц металла на поверхности подложки достигается за счет быстрого импульсного нагрева не только самой металлической пленки, но и нижележащих слоев подложки, что обеспечивает нахождение металлического покрытия в расплавленном состоянии 1-2 мкс и образованию наночастиц различной формы. При этом для используемых металлов решающими факторами влияния на размер и форму образующихся наночастиц являются температура плавления металла, контактный угол между границей расплава и подложкой, коэффициент поверхностного натяжения расплава, температура плавления и теплопроводность материала подложки и режимы облучения мощным ионным пучком. При контактном угле между границей расплава и подложкой, меньшим 90°, образующиеся наночастицы имеют дискобразную или полусферическую форму, а при контактном угле, значительно превышающем 90°, почти сферическую форму.

Для нанесенного на диэлектрическую подложку из неорганического стекла алюминиевого тонкопленочного покрытия толщиной до 20 нм, имеющего температуру плавления 660°С, при воздействии 1 импульса МИП наблюдается плавление покрытия при всех режимах облучения (при плотности тока пучка в диапазоне 5-50 А/см2). Более кратковременное (по сравнению со случаем непрерывного ионного воздействия) нахождение алюминия в жидком состоянии (1-2 мкс) вследствие меньшей глубины прогреваемого слоя приводит к формированию на поверхности подложки наночастиц металлов размером до 95 нм и их конгломератов из-за низкой адгезии алюминия к подложке и плохого смачивания расплава алюминия материала подложки (неорганические стекла, ситалл, окисленный кремний). В то же время воздействие МИП с указанными параметрами не приводит к изменению электрических свойств подложки. Увеличение числа импульсов облучения МИП до 2 приводит к уменьшению среднего диаметра образующихся наночастиц до 90 нм из-за частичного испарения материала из наночастиц. Облучение 3 импульсами МИП уменьшает средний диаметр наночастиц до 86 нм.

Для никеля, имеющего температуру плавления 1453°С, более высокий коэффициент поверхностного натяжения и более низкое значение адгезии к подложке, наблюдается формирование наночастиц с меньшим средним диаметром (до 84 нм). При этом число наночастиц, образующихся на единице площади поверхности подложки, увеличивается по сравнению с алюминием.

Для реализации заявляемого способа получения особое значение имеет выбор толщины тонкопленочного металлического покрытия и режимов облучения. Наиболее эффективным для алюминиевого покрытия толщиной 15 нм оказалось облучение мощным ионным пучком с плотностью ионного тока 30 А/см2 одним импульсом; для никелевого покрытия толщиной 5 нм - облучение МИП с j=10 А/см2 одним импульсом.

Способ получения наночастиц металлов на поверхности подложки осуществляют следующим образом.

Пример 1. На поверхность подложки из ситалла СТ-50, находящейся в вакууме (5·10-6-1·10-5 мм рт.ст.) при температуре не более 150°С, наносится методом термического испарения тонкопленочное покрытие из алюминия толщиной 15 нм. После охлаждения подложку с нанесенным алюминиевым покрытием устанавливают в приспособление, находящееся в вакуумной камере технологического ускорителя "Темп" и облучают мощным ионным пучком, направляемым по нормали к поверхности образцов и состоящим из 30% Н+ и 70% С+, с энергией 300 кэВ, средней плотностью тока 30 А/см2, длительностью 60 нс. При этом происходит плавление тонкопленочного покрытия из алюминия и образование наночастиц алюминия. Размер и форму наночастиц определяли методами оптической и атомно-силовой микроскопии. Средний диаметр и плотность наночастиц, полученных при однократном воздействии МИП, составляли 90 нм и 108 см-2 соответственно.

При воздействии на аналогичное покрытие 2 импульсами МИП получают наночастицы алюминия со средним диаметром до 90 нм, а при облучении 3 импульсами средний диаметр наночастиц уменьшается до 86 нм.

Пример 2. На поверхность подложки из ситалла СТ-50, находящейся в вакууме (5·10-6-1·10-5 мм рт.ст.) при температуре не более 150°С, наносится методом термического испарения тонкопленочное покрытие из никеля толщиной 5 нм. После охлаждения подложку с нанесенным покрытием устанавливали в приспособление, находящееся в вакуумной камере технологического ускорителя "Темп", и облучали мощным импульсным ионным пучком, направляемым по нормали к поверхности образцов и состоящим из 30% Н+ и 70% С+, с энергией 300 кэВ, плотностью тока 10 А/см2, длительностью 60 нс. При этом происходит плавление тонкопленочного покрытия из никеля и образование наночастиц никеля. Размер и форму наночастиц определяли методами оптической и атомно-силовой микроскопии. Средний диаметр и плотность наночастиц, полученных при однократном воздействии МИП, составляли 84 нм и 3,5·109 см-2 соответственно.

При воздействии на аналогичное покрытие 2 импульсами МИП получают наночастицы никеля со средним диаметром до 81 нм.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает формирование наночастиц металлов на поверхности подложек с использованием мощного импульсного ионного пучка наносекундной длительности, за счет чего достигается уменьшение теплового воздействия и сохранение свойств подложек, что имеет значение для изготовления высокоточных электронных устройств.

1. Способ получения наночастиц металла на поверхности подложки, включающий воздействие на предварительно нанесенное на поверхность подложки металлическое тонкопленочное покрытие пучком ионов высокой энергии до плавления этого покрытия и образования на поверхности подложки наночастиц материала покрытия различной формы, отличающийся тем, что для получения наночастиц диаметром до 100 нм на металлическое покрытие из материала с температурой плавления до 1500°С толщиной до 20 нм воздействуют 1-3 импульсами наносекундной длительности мощного ионного пучка состава 70% C+ и 30% Н+ с энергией 300 КэВ с плотностью тока 5-50 А/см2, при этом в качестве подложки используют неорганические стекла, ситалл или окисленный кремний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения наночастиц алюминия со средним диаметром 95 нм облучают пленку алюминия толщиной 15 нм, нанесенную на подложку из неорганического стекла, одним импульсом мощного ионного пучка с плотностью тока 30 А/см2 и длительностью 60 нс.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения наночастиц никеля со средним диаметром до 84 нм облучают пленку никеля толщиной 5 нм, нанесенную на подложку из ситалла, одним импульсом мощного ионным пучком с плотностью тока 10 А/см2 и длительностью 60 нс.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения наночастиц со средним диаметром меньше 80 нм воздействуют на тонкопленочные металлические покрытия 2-3 импульсами МИЛ наносекундной длительности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам нанесения многослойных износостойких покрытий и может быть использовано в машиностроительной, автомобильной, горнодобывающей и нефтяной промышленности.
Изобретение относится к способам изготовления рабочего элемента горелок со сквозной пористостью и может быть использовано в установках для газовой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, например при изготовлении нагревателей газа на газораспределительных станциях.

Изобретение относится к способам получения квазикристаллических материалов, в частности пленок состава Al-Pd-Re, Al-Fe-Cu, которые могут использоваться благодаря своим уникальным свойствам в подшипниках, применяться в качестве защитных покрытий в различных отраслях машиностроения, авиапромышленности и реакторостроения.

Изобретение относится к машине для нанесения покрытий на полотно и может найти применение при изготовлении гибких основ полотен с покрытием. .
Изобретение относится к области получения сверхпроводников, в частности к способу синтеза сверхпроводящего интерметаллического соединения в пленках, например станнида ниобия Nb3 Sn, и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности при формировании многоуровневой сверхпроводящей схемы внутри пленочного несверхпроводящего покрытия.

Изобретение относится к получению градиентных коррозионностойких композиций на поверхности образцов из твердых сплавов и легированных сталей и может применяться для модифицирования поверхностей трущихся деталей, работающих в агрессивных средах в условиях фреттинг-коррозии.

Изобретение относится к технологии нанесения защитных покрытий, применяемых для деталей энергетических и транспортных турбин и, в особенности, газовых турбин авиадвигателей.

Изобретение относится к формированию покрытий и может быть использовано для получения антиэмиссионного покрытия на сетках мощных генераторных ламп. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу обработки изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава, и может найти применение в авиационном и энергетическом машиностроении при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к машиностроению, точнее к технологиям защиты металлов от коррозии, и может быть использовано для повышения коррозионной стойкости в условиях эксплуатации при больших контактных и сдвигающих нагрузках.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. .

Изобретение относится к устройству имплантации ионов азота в деталь (5) из алюминиевого сплава и способу обработки алюминиевого сплава и может найти применение в области обработки пластмасс при изготовлении пресс-форм из алюминиевого сплава.

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технике, используемой для модификации поверхностей изделий и может быть использовано в машино- и приборостроении и других областях.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам обработки поверхности металлических изделий, и может быть использовано в турбостроении при изготовлении деталей ГТД.

Изобретение относится к электроаппаратостроению и системам электроснабжения, а именно к способам нанесения покрытий на разрывные алюминиевые контакты электрокоммутирующих устройств.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, а именно к устройствам для обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде и может быть использовано в машиностроении, автостроении и арматуростроении.
Изобретение относится к способу изготовления трубчатой мишени и может найти применение при изготовлении плоских экранов ЖК-дисплеев по тонкопленочной технологии.
Изобретение относится к способам формирования сверхтвердого легированного углеродного покрытия на кремнии в вакууме и может быть использовано в устройствах микромеханики и в качестве покрытий для деталей инфракрасной оптики.
Изобретение относится к способам обработки поверхности металлических изделий. .

Изобретение относится к способам нанесения пленочных покрытий. .
Изобретение относится к технологии получения материалов для нанесения защитных покрытий на поверхность различных естественных и искусственных субстратов. .
Наверх