Тонкие пленки молибдата свинца: получение и свойства

Тонкие пленки молибдата свинца PbMoO 4 обладают уникальными акустооптическими и акустоэлектрическими свойствами и широко применяются в акусто- и оптоэлектронике [1]. Среди существующих методов формирования пленок особое внимание привлекает метод распыления ионными пучками [2]. Однако, к настоящему времени недостаточно полно изучено строение пленок PbMoO 4 , что требует продолжения исследований в

В. М. Халтанова, Н. Н. Смирнягина. Тонкие пленки молибдата свинца: получение и свойства этой области. В связи с этим изучение строения тонких пленок молибдата свинца, полученных распылением ионными пучками, и исследование закономерностей их роста представляет научный и практический интерес.

С использованием различных методик распыления были синтезированы тонкие пленки молибдата свинца [3]. Рассмотрены подробно процессы синтеза слоев PbMoO 4 с применением распыления с двумя ионными пучками (рис. 1). Данная методика позволяет проводить независимое распыление двух мишеней реагирующих компонентов (оксида свинца PbO и триоксида молибдена MoO 3 ) c образованием газообразных потоков частиц, которые поступают на поверхность подложек, где происходит синтез молибдата свинца. Выращенные тонкие пленки были ориентированные, поликристаллические, имели структуру шеелита.

Был проведен рентгенофазовый анализ образцов (дифрактометр D8 ADVANCE фирмы Bruker, CuK α -излучение). Исследование с помощью cканирующего зондового атомно-силового микроскопа MultiMode 8 показало, что формирование тонких пленок является сложным физикохимическим процессом. Была детально изучена последовательность физикохимических превращений на подложке при синтезе молибдата свинца, который является продуктом реакции двух простых оксидов (оксида свинца и триоксида молибдена).

Согласно [4], распыленные частицы покидают поверхность мишени в состоянии свободных атомов. Можно предположить, что выращивание тонких пленок металлооксида происходит в следующей последовательности: вначале на поверхность подложки поступают нейтральные свободные атомы, затем происходит их превращение в оксиды, причем сначала в простые, а уже затем в сложные. Увеличение температуры подложки, послеростовая термообработка в кислородсодержащей среде свежевыращенных слоев способствуют образованию однофазных пленок и развитию их текстуры.

а                                        б

Рис. 1. Внешний вид вакуумной камеры с двумя ионными источниками (а) и конструктивная схема устройства (б): 1- корпус; 2 - сегмент; 3 - стойка; 4 -держатель; 5 - мишень; 6 - держатель подложек; 7 - подложки; 8 - валик; 9, 10 - источники ионов; 11, 12 - ионные пучки

С целью изучения закономерностей синтеза тонких пленок PbMoO 4 пленки наращивались на подложки из плавленого кварца при температуре 20⁰С. Энергии распыляющих ионов для мишеней МоО 3 и РbО составляли соответственно 4 кэВ и 5 кэВ. Затем осуществлялся стадийный отжиг пленок на воздухе.

Рентгенофазовый анализ пленок, полученных при различных температурах отжига, показал, что свежевыращенные пленки содержат триоксид молибдена и низкотемпературную тетрагональную модификацию оксида свинца. Отжиг при температуре 450⁰С приводит к укрупнению зерен МоО 3 и постепенному переходу оксида свинца в высокотемпературную ромбическую модификацию. При температуре отжига 550⁰С наряду с рефлексами оксидов, наблюдаются рефлексы, соответствующие молибдату свинца. При данной температуре идет процесс интенсивного образования тонкой пленки PbMoO 4 . Однофазные тонкие пленки молибдата свинца формировались при температуре отжига 650⁰С. Увеличение температуры отжига до 700⁰С приводило к совершенствованию структуры слоев (рис. 2).

в

г

Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы слоев PbMoO 4 , выращенных на подложках из плавленого кварца при различных температурах: а – 20⁰С; б – 400⁰С; в – 650⁰С; г – 700⁰С

Ch. Bolormaa, J. Ragchaa, O. Bolormaa Hydrochemical study of hot springs in Western Mongolia

Наглядно изменение морфологии поверхности и строение слоев при изменении температуры отжига наблюдается на снимках cканирующего зондового атомно-силового микроскопа. С увеличением температуры поверхность слоев становилась все более гладкой и однородной (рис. 3).

Анализ полученных результатов позволяет предположить, что синтез тонких пленок молибдата свинца подобен твердофазному синтезу порошка PbMoO 4 в системе PbO – MoO 3 [5]. На это указывает стадийный характер образования тонких пленок молибдата свинца: вначале образуются зерна оксидов, затем происходит реакция образования PbMoO 4 . По-видимому, как и при твердофазном синтезе порошка молибдата свинца, в пленках образовавшиеся зерна оксида свинца и триоксида молибдена укрупняются, затем на границах зерен в результате одностороннего массопереноса МоО 3 образуется продукт реакции - PbMoO 4 . Подтверждением данного механизма

в

г

Рис. 3. Строение поверхности (атомно-силовой микроскоп MultiMode-8) слоев PbMoO4, выращенных на подложках из плавленого кварца при различных температурах: а – 4000С; б – 5000С; в – 6500С; г – 7000С синтеза является совпадение температур начала образования, интенсивного взаимодействия и образования конечного продукта.

Таким образом, в результате проведенных исследований были изучены процесс синтеза тонких пленок молибдата свинца, полученных ионнолучевым методом. Обнаружено, что последовательность физико-химических превращений в процессе образования PbMoO 4 подобна твердофазному синтезу.