Способ получения наноразмерной пленки mgo (111) на металлической подложке

Изобретение относится к нанотехнологиям и наноструктурам, в частности к методам осаждения тонких пленок на металлическую подложку. Создают сверхвысокий вакуум в вакуумной камере, проводят осаждение частиц MgO на металлическую подложку и нагрев. При этом осаждают испаряемые частицы MgO, полученные путем нагрева порошка MgO, нанесенного на вольфрамовую спираль, до температуры 2500-2700°С. В качестве подложки используют атомарно-чистую поверхность кристалла металла с ориентацией, способствующей получению пленки MgO (111). Техническим результатом является получение ориентированной пленки MgO (111) на чистой металлической подложке.

 

Изобретение относится к нанотехнологиям и наноструктурам, в частности к методам осаждения тонких пленок на металлическую подложку.

Целью изобретения является получение ориентированной наноразмерной пленки MgO (111) на чистой поверхности металла-подложки с сохранением резкости межфазовой границы оксид-металл на атомном уровне.

Прототипом предлагаемого изобретения является известный 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 O₂ 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).

Описанный способ имеет следующие недостатки:

Во-первых, в процессе формирования слоя металлического магния на поверхности металлической подложки с большой вероятностью следует ожидать взаимной диффузии атомов магния и подложки, что приводит к нарушению структурного атомного порядка слоя магния, приводящего к нарушению симметрии формируемого впоследствии слоя оксида магния.

Во-вторых, в процессе осаждения молекул кислорода также с большой вероятностью следует ожидать их диффузии сквозь слой Mg и взаимодействие с веществом подложки, что приводит к окислению подложки и нарушению ее симметрии, вследствие чего дальнейший эпитаксиальный рост пленки MgO происходит с нарушением структуры и образованием дефектов. Кроме того, оба указанных обстоятельства приводят к нарушению резкости межфазовой границы оксид-подложка, что существенно снижает характеристики системы, в особенности в случае наноразмерных толщин слоя оксида магния.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение ориентированной пленки MgO (111) на чистых металлических подложках. Этот результат достигается тем, что в процессе получения пленки в сверхвысоком вакууме осаждаются непосредственно молекулы MgO.

Метод реализуется следующим образом. В условиях сверхвысокого вакуума порошок MgO нагревается вольфрамовой спиралью до t≈2500-2700°С. При данной температуре происходит испарение с последующим осаждением молекул MgO на металлическую подложку. На атомную структуру растущей пленки MgO значительное влияние оказывает симметрия подложки, поэтому в качестве нее необходимо использовать поверхность кристалла металла с ориентацией, способствующей получению пленки MgO (111). При получении оксидной пленки молекулы кислорода в камере не обнаружены, что свидетельствует о том, что не происходит разрушение межионной связи MgO в процессе испарения оксида магния. Пленка, состоящая уже из двух-трех молекулярных слоев, полученная данным способом, проявляет электронные свойства, характерные для массивного кристалла MgO. Данное обстоятельство позволяет формировать неоднородные атомно-упорядоченные металлооксидные наноструктуры с характерными размерами в области единиц ангстрем, сохраняя резкость межфазовых границ на атомном уровне.

Как видно из изложенного техническая задача реализуется полностью и в сравнении с известным техническим решением - прототипом, имеет большие преимущества.

Пример 1

Порошок оксида магния чистотой не ниже 99,95%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2500-2700°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида магния составляет 4×10¹⁴ частиц/мин × см². При осаждении таких частиц на атомарно-чистую поверхность кристалла Mo (110), поддерживаемую при температуре 400°С, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка MgO (111) начиная с монослойного покрытия.

Пример 2

Порошок оксида магния чистотой не ниже 99,95%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2500-2700°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида магния составляет 7×10¹⁴ частиц/мин × см². При осаждении таких частиц на атомарно-чистую поверхность кристалла W (110), поддерживаемую при температуре 500°С, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка MgO (111) начиная с монослойного покрытия.

Пример 3

Порошок оксида магния чистотой не ниже 99,95%, нанесенный на вольфрамовую нить диаметром 0,35 мм, в условиях сверхвысокого вакуума нагревается до температуры 2500-2700°С, при которой плотность потока испаряемых частиц оксида магния составляет 8×10¹⁴ частиц/мин × см². При осаждении таких частиц на атомарно-чистую поверхность кристалла Re (1000), поддерживаемую при температуре 550°С, образуется сплошная упорядоченная стехиометрическая пленка MgO (111) начиная с монослойного покрытия.

Способ получения наноразмерной пленки MgO (111) на металлической подложке, включающий создание сверхвысокого вакуума в вакуумной камере, осаждение частиц MgO на металлическую подложку и нагрев, отличающийся тем, что осаждают испаряемые частицы MgO, полученные путем нагрева порошка MgO, нанесенного на вольфрамовую спираль, до температуры 2500-2700°С, а в качестве подложки используют атомарно-чистую поверхность кристалла металла с ориентацией, способствующей получению пленки MgO (111).