Моделювання процесу дифузійного оксидоутворення на поверхні нанорозмірних металевих плівок

Abstract

Методами Оже-електронної спектроскопії, Рентгенівського локального мікроаналізу, Резерфордівського оберненого розсіювання, рентгенофазового аналізу, растрової електронної мікроскопії досліджено початкові стадії низькотемпературної дифузії у нанорозмірних плівкових системах Cu(180 нм)/Mn(60 нм)/SiO₂ та Sn(60 нм)/Cu(180 нм)/Mn(60 нм)/SiO₂. Показано, що манган дифундує по межам зерен «верхніх» шарів, і реакція його окиснення на зовнішній поверхні створює додаткову рушійну силу масопереносу. Концентрація Mn на поверхні тришарової системи після відпалу у вакуумі 10⁻⁶ Па за температури 200°C впродовж 20 хв. є більшою, ніж за аналогічних умов відпалу двошарової системи, що пов’язується з розвитком фазових перетворень. Запропоновано теоретичну модель, яка дозволяє прогнозувати кінетику росту оксиду Mn₃O₄ на поверхні системи Cu/Mn, виконано кількісні розрахунки. Показано, що найбільша швидкість росту оксиду спостерігається в області стику межі зерна з поверхнею плівкової системи.

Методами Оже-электронной спектроскопии, рентгеновского локального микроанализа, резерфордовского обратного рассеяния, рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии исследованы начальные стадии низкотемпературной диффузии в наноразмерных тонкоплёночных системах Cu(180 нм)/Mn(60 нм)/SiO₂ и Sn(60 нм)/Cu(180 нм)/Mn(60 нм)/SiO₂. Показано, что марганец диффундирует по границам зёрен «верхних» слоёв, и реакция его окисления на внешней поверхности создаёт дополнительную движущую силу массопереноса. Концентрация Mn на поверхности трёхслойной системы после отжига в вакууме 10⁻⁶ Па при температуре 200°C в течение 20 минут больше, чем при аналогичных условиях отжига двухслойной системы, что связано с развитием фазовых превращений. Предложена теоретическая модель, которая позволяет прогнозировать кинетику роста оксида Mn₃O₄ на поверхности системы Cu/Mn, выполнены количественные расчёты. Показано, что наибольшая скорость роста оксида наблюдается в области стыка границы зерна с поверхностью плёночной системы.

Initial stages of low-temperature diffusion in nanosized film systems Cu(180 nm)/Mn(60 nm)/SiO₂ and Sn(60 nm)/Cu(180 nm)/Mn(60 nm)/SiO₂ are studied with Auger Electron Spectroscopy, local X-ray micro analysis and X-Ray diffraction analysis, Rutherford backscattering spectroscopy, and scanning electron microscopy. As shown Mn diffuses through grain boundaries of ‘upper’ layers and its oxidation reaction on the free surface creates additional driving force to mass transfer. Concentration of Mn on the surface of threelayer system after annealing in vacuum at 10⁻⁶ Pa at 200°C during 20 minutes is higher than as at the same annealing conditions of two-layer system, and it can be related to development of phase transformation. The theoretical model that allows predicting kinetics of Mn₃O₄ oxide growth on the surface of Cu/Mn system is proposed and quantitative calculations are performed. As shown, the highest oxide growth speed is observed in the area of the joint between the grain boundary and the surface of thin films system.