RU2796218C1 - METHOD FOR OBTAINING A NANOSCALE FILM OF GAMMA-Al2O3(111) - Google Patents
METHOD FOR OBTAINING A NANOSCALE FILM OF GAMMA-Al2O3(111) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796218C1 RU2796218C1 RU2022127388A RU2022127388A RU2796218C1 RU 2796218 C1 RU2796218 C1 RU 2796218C1 RU 2022127388 A RU2022127388 A RU 2022127388A RU 2022127388 A RU2022127388 A RU 2022127388A RU 2796218 C1 RU2796218 C1 RU 2796218C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- gamma
- aluminum oxide
- deposited
- alo
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к методам осаждения тонких пленок на металлическую подложку, а именно к нанотехнологиям и наноструктурам.The invention relates to methods for depositing thin films on a metal substrate, namely to nanotechnologies and nanostructures.
Известен способ изготовления полярной упорядоченной тонкой пленки MgO («Method for preparing polar MgO order thin film», CN №1958455 (A), 2006.11.27), в котором на металлическую подложку в вакууме осаждают моноатомный слой магния, затем напускают в камеру О2 и нагревают сформированную подложку до температуры 400°С. После того как температура подложки стабилизируется, система естественным путем охлаждается до комнатной температуры, после чего процесс повторяется. Данная процедура приводит к формированию структурно-упорядоченной пленки оксида магния со структурой поверхности, соответствующей полярной грани кристалла MgO (111).A known method of manufacturing a polar ordered thin film MgO ("Method for preparing polar MgO order thin film", CN No. 1958455 (A), 2006.11.27), in which a monoatomic layer of magnesium is deposited on a metal substrate in vacuum, then let into the O 2 chamber and heating the formed substrate to a temperature of 400°C. After the substrate temperature stabilizes, the system naturally cools to room temperature, after which the process is repeated. This procedure leads to the formation of a structurally ordered magnesium oxide film with a surface structure corresponding to the polar face of the MgO (111) crystal.
Недостатками этого способа являются: взаимная диффузия атомов магния и подложки, приводящая к нарушению структурного атомного порядка слоя магния и соответственно всего слоя оксида магния; а также ожидаемая диффузия молекул кислорода сквозь слой магния и взаимодействие его с веществом подложки, приводящее к нарушению симметрии выращиваемой пленки. Оба указанных обстоятельства приводят к нарушению резкости межфазовой границы оксид-подложка, что существенно снижает характеристики получаемой системы.The disadvantages of this method are: mutual diffusion of magnesium atoms and the substrate, leading to a violation of the structural atomic order of the magnesium layer and, accordingly, the entire layer of magnesium oxide; as well as the expected diffusion of oxygen molecules through the magnesium layer and its interaction with the substrate material, leading to a violation of the symmetry of the grown film. Both of these circumstances lead to a violation of the sharpness of the oxide-substrate interface, which significantly reduces the characteristics of the resulting system.
Известен также способ осаждения наноразмерной пленки альфа-Al2O3 (0001) на металлическую подложку в условиях сверхвысокого вакуума, включающий нагрев, испарение и осаждение оксида алюминия на металлическую подложку условиях сверхвысокого вакуума (ЕР 1616978 Α1, МПК С23С 30/00, 18.01.2006).There is also known a method for depositing a nanoscale film of alpha-Al 2 O 3 (0001) on a metal substrate under ultrahigh vacuum, including heating, evaporation and deposition of aluminum oxide on a metal substrate under ultrahigh vacuum (EP 1616978 Α1, IPC C23C 30/00, 18.01. 2006).
Недостатком этого способа является нарушение структуры альфа-Al2O3 (1000) при толщине пленки более 30 нанометров (100 монослоев).The disadvantage of this method is the violation of the structure of alpha-Al 2 O 3 (1000) with a film thickness of more than 30 nanometers (100 monolayers).
Наиболее близкими к заявляемому изобретению является способ осаждения наноразмерной пленки альфа-Al2O3 (111) путем нагрева, испарения и осаждения оксида алюминия на кристаллографически ориентированную кристаллическую металлическую подложку (LEE М.В. et al., Growthof у-Al2O3 (111) on an ultra-thin interfacial Al2O3 layer/NiAI (110), «Journal of Korean Vacuum Science&Technology», 1998, Vol. 2, N2, pp 63-77).Closest to the claimed invention is a method of deposition of a nanoscale film of alpha-Al2O3 (111) by heating, evaporating and depositing alumina onto a crystallographically oriented crystalline metal substrate (LEE M.B. et al., Growthof y-Al2O3 (111) on an ultra-thin interfacial Al2O3 layer/NiAI (110), Journal of Korean Vacuum Science&Technology, 1998, Vol. 2, N2, pp 63-77).
Недостатком этого способа является нарушение структуры альфа-Al2O3 (1000) при толщине пленки более 30 нанометров (100 монослоев).The disadvantage of this method is the violation of the structure of alpha-Al 2 O 3 (1000) with a film thickness of more than 30 nanometers (100 monolayers).
Цель изобретения - получение ориентированной, высокостабильной, наноразмерной пленки гамма-Al2O3 (111) на чистой поверхности металла-подложки с сохранением резкости межфазовой границы оксид-металл на атомном уровне и сохранением сплошности пленки и ее атомной структуры при толщине до 100 нанометров.The purpose of the invention is to obtain an oriented, highly stable, nanoscale film of gamma-Al 2 O 3 (111) on a clean metal substrate surface while maintaining the sharpness of the oxide-metal interphase boundary at the atomic level and maintaining the film continuity and its atomic structure at a thickness of up to 100 nanometers.
Поставленная цель достигается тем, что в условиях сверхвысокого вакуума порошок Al2O3 нагревают вольфрамовой спиралью до t≈2700-2800°C. При данной температуре происходит испарение Al2O3 с последующим осаждением молекул оксида на металлическую подложку, поддерживаемую при температуре 850°С. В качестве подложки используют поверхность кристалла с кристаллографической ориентацией (111), способствующей получению пленки гамма-Al2O3 (111), так как на атомную структуру растущей пленки оксида алюминия значительное влияние оказывает атомная симметрия поверхности кристалла подложки. В процессе формирования пленки, после каждого очередного нанесенного монослоя, проводят экспозицию в молекулярном кислороде при давлении 10-6 мм рт. ст. в течение 5 минут при температуре подложки 850°С. Получаемая таким образом пленка оксида алюминия, начиная с толщины в 5 ангстрем, обладает стехиометрией Al2O3, атомной структурой соответствующей поверхности гамма-Al2O3 (111) и электронными свойствами, характерными для массивного оксида алюминия. В процессе формирования пленки оксида алюминия указанным способом не происходит диффузии напыляемых частиц AlO и (AlO)2 в подложку, что обеспечивает формирование резких межфазовых границ металл-оксид на атомном уровне. Вместе с тем при непосредственном контакте частиц AlO с поверхностью подложки происходит изменение свойств межатомной Al-O связи по сравнению со связью Al-O в массивном оксиде алюминия. Как следствие, первый мономолекулярный слой обладает новыми уникальными электронными свойствами, не характерными для массивного кристалла. Последующий рост пленки происходит в виде структурно устойчивого сплошного слоя с атомной структурой поверхности гамма-Al2O3 (111), сохраняемой вплоть до толщины пленки в 100 нанометров и стабильной при значительной термической обработке.This goal is achieved by the fact that under conditions of ultrahigh vacuum powder Al 2 O 3 is heated with a tungsten coil to t≈2700-2800°C. At this temperature, evaporation of Al 2 O 3 occurs, followed by deposition of oxide molecules on a metal substrate maintained at a temperature of 850°C. The surface of a crystal with crystallographic orientation (111) is used as a substrate, which contributes to the formation of a gamma-Al 2 O 3 (111) film, since the atomic symmetry of the substrate crystal surface has a significant effect on the atomic structure of the growing aluminum oxide film. In the process of film formation, after each next deposited monolayer, exposure is carried out in molecular oxygen at a pressure of 10 -6 mm Hg. Art. within 5 minutes at a substrate temperature of 850°C. The alumina film thus obtained, starting from a thickness of 5 angstroms, has the stoichiometry of Al 2 O 3 , the atomic structure of the corresponding gamma-Al 2 O 3 (111) surface, and the electronic properties characteristic of bulk alumina. During the formation of an aluminum oxide film by this method, no diffusion of deposited AlO and (AlO) 2 particles into the substrate occurs, which ensures the formation of sharp metal-oxide interphase boundaries at the atomic level. At the same time, when AlO particles directly contact the substrate surface, the properties of the interatomic Al–O bond change in comparison with the Al–O bond in bulk aluminum oxide. As a consequence, the first monomolecular layer has new unique electronic properties that are not characteristic of a bulk crystal. Subsequent film growth occurs as a structurally stable continuous layer with gamma Al 2 O 3 (111) surface atomic structure, retained up to a film thickness of 100 nanometers and stable upon significant heat treatment.
Как видно из изложенного, техническая задача реализуется полностью и по сравнению с прототипом, имеет следующие преимущества:As can be seen from the above, the technical task is fully implemented and, compared with the prototype, has the following advantages:
- высокую стабильность получаемых пленок гамма-Al2O3 (111). Термическая обработка даже при высоких температурах (1200-1700°С) не приводит к изменению свойств пленки оксида алюминия.- high stability of the resulting gamma-Al 2 O 3 (111) films. Heat treatment even at high temperatures (1200-1700°C) does not change the properties of the aluminum oxide film.
- толщина формируемой пленки гамма-Al2O3 (111), может достигать порядка 100 нанометров с сохранением стабильности, структуры и электронных свойств (в отличие от MgO (111), где пленка стабильна только при малой толщине - 5 монослоев (при больших толщинах структура (111) разрушается), и пленки альфа-Al2O3 (1000) теряют атомное упорядочение при толщине, превышающей 30 нанометров).- the thickness of the formed gamma-Al 2 O 3 (111) film can reach about 100 nanometers while maintaining stability, structure and electronic properties (unlike MgO (111), where the film is stable only at a small thickness - 5 monolayers (at large thicknesses structure (111) is destroyed), and alpha-Al 2 O 3 (1000) films lose atomic ordering at a thickness exceeding 30 nanometers).
- возможность «настройки» электронных свойств поверхности пленки оксида алюминия при сверхнизких толщинах 1-2 монослоя, когда электронные свойства поверхности обусловлены ослаблением межатомной Al-O связи и возможно формирование пленки, не обладающей дальним атомным порядком, с одной стороны, и формированием упорядоченной структуры (111) - с другой (в зависимости от покрытия оксида алюминия на поверхности металлической подложки).- the possibility of "tuning" the electronic properties of the aluminum oxide film surface at ultra-low thicknesses of 1-2 monolayers, when the electronic properties of the surface are due to the weakening of the interatomic Al-O bond and it is possible to form a film that does not have a long-range atomic order, on the one hand, and the formation of an ordered structure ( 111) - on the other (depending on the coating of aluminum oxide on the surface of the metal substrate).
Примеры конкретного выполнения.Examples of specific implementation.
Пример 1. Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2700-2800°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 3×1014 частиц/мин × см2. При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла Мо (111), поддерживаемую при температуре 850°С и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при давлении 10-6 мм рт. ст. в течение 5 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида гамма-Al2O3 (111), начиная с монослойного покрытия.Example 1. Aluminum oxide powder with a purity of at least 99.96%, deposited on a tungsten filament with a diameter of 0.35 mm, is heated under ultrahigh vacuum to a temperature of 2700-2800 ° C, at which the flux density of the evaporated particles of aluminum oxide is 3 × 10 14 particles/min × cm 2 . During the deposition of such particles on the atomically clean surface of the Mo (111) crystal, maintained at a temperature of 850°C and with subsequent exposure of each deposited monolayer of aluminum oxide in an oxygen atmosphere at a pressure of 10 -6 mm Hg. Art. within 5 minutes, a continuous ordered stoichiometric gamma-Al 2 O 3 (111) oxide film is formed, starting from a monolayer coating.
Пример 2. Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревают до температуры 2700-2800°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 4×1014 частиц/мин × см. При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла W (111), поддерживаемую при температуре 900°С и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при давлении 10-6 мм рт. ст. в течение 5 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида гамма-Al2O3 (111), начиная с монослойного покрытия.Example 2. Aluminum oxide powder with a purity of at least 99.96%, deposited on a tungsten filament with a diameter of 0.35 mm, is heated under ultrahigh vacuum to a temperature of 2700-2800 ° C, at which the flux density of the evaporated particles of aluminum oxide is 4 × 10 14 particles/min × cm. When such particles are deposited on an atomically clean surface of a W (111) crystal, maintained at a temperature of 900°C and with subsequent exposure of each deposited aluminum oxide monolayer in an oxygen atmosphere at a pressure of 10 -6 mm Hg. Art. within 5 minutes, a continuous ordered stoichiometric gamma-Al 2 O 3 (111) oxide film is formed, starting from a monolayer coating.
Пример 3. Порошок оксида алюминия чистотой не ниже 99,96%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревают до температуры 2700-2800°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида алюминия составляет 5×1014 частиц/мин × см2. При осаждении таких частиц на атомарно чистую поверхность кристалла Та (111), поддерживаемую при температуре 800°С и при последующей выдержке каждого нанесенного монослоя оксида алюминия в атмосфере кислорода при давлении 8×10-7 мм рт. ст. в течение 8 минут, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка оксида гамма-Al2O3 (111), начиная с монослойного покрытия.Example 3. Aluminum oxide powder with a purity of at least 99.96%, deposited on a tungsten filament with a diameter of 0.35 mm, is heated under ultrahigh vacuum to a temperature of 2700-2800 ° C, at which the flux density of the evaporated particles of aluminum oxide is 5 × 10 14 particles/min × cm 2 . When such particles are deposited on the atomically clean surface of the Ta (111) crystal, maintained at a temperature of 800°C and with subsequent exposure of each deposited aluminum oxide monolayer in an oxygen atmosphere at a pressure of 8×10 -7 mm Hg. Art. within 8 minutes, a continuous ordered stoichiometric gamma-Al 2 O 3 (111) oxide film is formed, starting from a monolayer coating.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2796218C1 true RU2796218C1 (en) | 2023-05-18 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516366C2 (en) * | 2012-09-10 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова" (СОГУ) | METHOD OF DEPOSITION OF NANOSCALE FILM ALPHA- Al2O3 (0001) ON METAL SUBSTRATES |
| US11326248B2 (en) * | 2017-11-07 | 2022-05-10 | Walter Ag | PVD process for the deposition of Al2O3 and a coated cutting tool with at least one layer of Al2O3 |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516366C2 (en) * | 2012-09-10 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова" (СОГУ) | METHOD OF DEPOSITION OF NANOSCALE FILM ALPHA- Al2O3 (0001) ON METAL SUBSTRATES |
| US11326248B2 (en) * | 2017-11-07 | 2022-05-10 | Walter Ag | PVD process for the deposition of Al2O3 and a coated cutting tool with at least one layer of Al2O3 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LEE M. B. et al., Growth of γ-Al2O3 (111) on an ultra-thin interfacial Al2O3 layer/NiAl (110), "Journal of Korean Vacuum Science & Technology", 1998, Vol.2, N 2, pp 63-77. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fan et al. | Single-crystalline MgAl2O4 spinel nanotubes using a reactive and removable MgO nanowire template | |
| JP5055554B2 (en) | Method for producing superconducting magnesium boride thin film | |
| JP2524827B2 (en) | Laminated thin film body and manufacturing method thereof | |
| RU2796218C1 (en) | METHOD FOR OBTAINING A NANOSCALE FILM OF GAMMA-Al2O3(111) | |
| RU2516366C2 (en) | METHOD OF DEPOSITION OF NANOSCALE FILM ALPHA- Al2O3 (0001) ON METAL SUBSTRATES | |
| CN100371509C (en) | ZnO nano crystal column/nano crystal filament composite structure product and its preparing process | |
| JPH0354116A (en) | Compound oxide superconducting thin film and production thereof | |
| Wong et al. | Study of the crystallinity of ZnO in the Zn/ZnO nanocable heterostructures | |
| Itoh et al. | Growth process of CuO (1 1 1) and Cu2O (0 0 1) thin films on MgO (0 0 1) substrate under metal-mode condition by reactive dc-magnetron sputtering | |
| Makarova et al. | Oriented growth of oxygen-free C 60 crystallites on silicon substrates | |
| US4478877A (en) | Process for the preparation of superconducting compound materials | |
| KR20190011363A (en) | Method of mamufacturing transition metal dichalcogenide thin film | |
| CN113322514A (en) | Method for preparing (00l) preferred orientation low melting point bismuth film by molecular beam epitaxy technology | |
| JP3897550B2 (en) | Preparation method of boride superconductor thin film | |
| JP2639544B2 (en) | Single crystal thin film of LaA Lower 2 Cu 3 Lower O 7 Lower 3 x with three-layer perovskite structure and LaA Lower 2 Cu Lower 3 O Lower 7 Lower 7 x thin film manufacturing method | |
| RU2442842C2 (en) | METHOD FOR PRODUCTION OF NANOSIZE MgO (111) FILM ON METAL PLATE | |
| JPH0365502A (en) | Preparation of superconductive thin film | |
| Li et al. | Properties of Al-doped copper nitride films prepared by reactive magnetron sputtering | |
| KR860000161B1 (en) | In-sb compound crystal semiconductor and method of its manufacturing | |
| Korniushchenko et al. | Stages of Cr, Zn, Cu, Si, Ag, and Al Nucleation under Quasi-equilibrium Condensates of Ion-sputtered Atoms | |
| Das et al. | Electron microscopic studies of vacuum-evaporated (Pb 1− x Sn x) 1− y Te y thin films | |
| JPH01192721A (en) | Production of superconducting thin film | |
| Suh et al. | Interfacial structure and crystallinity of YSZ thin films grown by ion beam sputtering for MFIS-FRAM | |
| JP2919956B2 (en) | Superconducting member manufacturing method | |
| JPH10298739A (en) | Formation of bismuth layered structural ferroelectric thin film |