Симулятор установки по формированию нанострутурированных материалов методом кластерного осаждения

Ознакомление с установкой

Подготовка и проведение виртуального эксперимента

Источник осаждения нанокластеров с квадрупольным масс-спектрометром Nanogen-50

Источник осаждения нанокластеров источник Nanogen 50 производства фирмы Mantis Deposition Ltd. (Великобритания) инкорпорирован в сверхвысоковакуумный комплекс анализа поверхности Omicron Multiprobe MXPS, позволяющий in situ проводить исследование химического состава и электронных свойств нанокластеров на различных подложках методами электронной спектроскопии, а также морфологии и электронных свойств методами сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии.

Источник осаждения нанокластеров состоит из двух блоков. Первый блок – нанокластерный источник с магнетроном, используемым для распыления мишени. В наокластерном источнике происходит формирование и рост нанокластеров. Второй блок – квадрупольный масс-спектрометр MesoQ, работающий как в режиме регистрации распределения нанокластеров по массам (и, следовательно, по размерам), так и в качестве масс-фильтра для формирования на подложке ансамбля монодисперсных нанокластеров.

Схема устройства источника осаждения нанокластеров Nanogen 50 с масс-фильтром MesoQ

Материал мишени распыляется при помощи магнетрона (1). Распыленные атомы и ионы мишени уносятся потоком инертного газа в зону агрегации (2). Размер зоны агрегации регулируется приводом (3). Поток несущего газа устанавливается при помощи натекателя (4). Зона агрегации охлаждается до температуры порядка 7-10?С при помощи водяного контура. При охлаждении в зоне агрегации происходит конденсация в газовой фазе и рост нанокластеров. При этом большая часть нанокластеров оказывается отрицательно заряженными. Излишек газа из зоны агрегации откачивается при помощи турбомолекулярного насоса (7). Из зоны агрегации заряженные кластеры попадают в квадрупольный масс-спектрометр (5), который либо регистрирует масс-спектр всего ансамбля нанокластеров (режим анализа распределения кластеров по массе и размерам), либо настраивается на пропускание кластеров заданной массы/размера. Масс-спектрометр укреплен на фланец СВВ камеры препарирования, в которой устанавливается подложка/образец (6) для напыления на его поверхность нанокластеров.

В конструкции нанокластерного источника Nanogen 50 предусмотрено два натекателя для различных буферных газов. В качестве основного буферного газа используется аргон, в качестве дополнительного – гелий. Использование гелия позволяет получать нанокластеры металлов с меньшим средним размером. В качестве дополнительного буферного газа могут быть использованы активные газы, такие как кислород или азот, для получения неметаллических наночастиц.

На распределение нанокластеров по размерам можно влиять, изменяя следующие параметры: мощность магнетрона, поток буферного газа (аргон и гелий) и размер зоны агрегации. Качественные зависимости среднего размера частиц от рабочих параметров нанокластерного источника представлены на рисунке.

Качественные зависимости среднего размера наночастиц от параметров нанокластерного источника

Аргон является газом, в котором зажигается тлеющий разряд. Повышение давления аргона приводит к более эффективному теплоотводу и более быстрому росту кластеров. С другой стороны, увеличение потока аргона приводит к более быстрому переносу наночастиц через зону агрегации, что в конечном счете приводит к уменьшению среднего размера наночастиц. В результате зависимость среднего размера наночастиц от величины потока аргона имеет немонотонный характер.

Гелий является буферным газом, позволяющим наночастицам быстрее проходить через зону агрегации, таким образом, увеличение потока гелия снижает средний размер наночастиц на выходе из нанокластерного источника.

Увеличение потребляемой мощности на магнетроне приводит к более интенсивному испарению мишени, увеличению плотности пара материала мишени, и, в итоге, повышению размера наночастиц.

Увеличение длины зоны агрегации приводит к увеличению времени, которое наночастицы проводят в зоне агрегации, таким образом, их средний размер увеличивается.

МАГНЕТРОН

Для получения нанокластеров в источнике Nanogen-50 используется магнетронное распыление мишени. Принцип действия магнетрона основан на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа. В качестве рабочего газа в магнетроне обычно используется аргон. Электрическое поле, возникающее при приложении разности потенциалов между катодом и анодом, приводит к электронной эмиссии из катода и ионизации атомов газа электронным ударом. В результате над поверхностью мишени (катода) образуется плазма тлеющего разряда. Положительные ионы, образующиеся в разряде, ускоряются в направлении мишени-катода и бомбардируют его поверхность, выбивая из неё частицы материала. В мишени может происходить ряд процессов, таких как эмиссия нейтральных атомов, вторичных ионов, вторичных электронов, испускание электромагнитного излучения, отражение частиц. Для эффективной ионизации атомов рабочего газа мишень размещают на магните. В результате электроны, вращающиеся под действием силы Лоренца вокруг магнитных силовых линий, локализуются в пространстве и многократно сталкиваются с атомами аргона, приводя к их ионизации. Это дает очень высокую скорость распыления даже при условии очень низкого давления.

Распределение магнитных силовых линий над мишенью магнетрона (слева) и трек распыления на мишени (справа)

К основным рабочим характеристикам магнетрона относятся напряжение и сила тока разряда, удельная мощность на катоде, давление рабочего газа и магнитная индукция. Давление рабочего газа поддерживается в диапазоне 10-2-1,0 Па, напряжение разряда - 300-800 В. Магнитная индукция вблизи поверхности катода имеет значения 0,03-0,1 Тл. При таких условиях плотность тока на мишень находится на уровне нескольких тысяч ампер на м2, а поверхностная плотность энергии ~106 Вт/м2. Магнетронные распылительные системы на постоянном токе могут работать только с мишенями из проводящих материалов. Если используются высокочастотные источники питания, то возможно распыление также и мишеней из непроводящих материалов (ВЧ-магнетроны). Мишень представляет собой пластину диаметром 2 дюйма, толщиной 2-3 мм. Для распыления мишени в магнетроне может быть использовано как постоянное, так и переменное напряжение, в данной системе используется распыление с постоянным напряжением в магнетроне. Для охлаждения магнетрона и зоны агрегации используется вода, поддерживаемая при температуре 7-10 ?С.

Магнетрон со снятым анодом и установленной мишенью

Магнетрон в сборе, смонтированный на фланце нанокластерного источника

Для анализа и разделения заряженных кластеров по размерам используется квадрупольный масс-спектрометр MesoQ. Основой квадрупольного спектрометра служат четыре стержня (монополя) и сетка детектора, на которой измеряется ток заряженных кластеров. Стержни попарно соединены друг с другом. К одной паре прикладывается полодительное, а к другой – отрицательное напряжение , имеющее как постоянную (U), так и переменную (V) компоненту, изменяющуюся с частотой f:

Движение заряженных частиц внутри квадруполя описывается уравнением Матье. Частицы могут быть разделены электрическим полем квадруполя в соответствии с отношением их массы к заряду, так что однократно заряженные нанокластеры определенной массы попадут на сетку детектора. Изменяя параметры U, V и f , можно варьировать массу кластеров, проходящих через спектрометр.

Схематическое изображение работы квадрупольного масс-фильтра

Масса М, пропускаемая масс-фильтром, прямо пропорциональна амплитуде переменного напряжения V (в вольтах) и обратно пропорциональна квадрату частоты f (кГц), приложенной к монополям:

где d – диаметр монополей и k – корректирующий коэффициент. Варьирование V при измерении потока частиц на выходе квадруполя позволяет получить масс-спектр кластеров. Отношение U/V (разрешение) должно поддерживаться постоянным. Частота напряжения, приложенного к монополям, определяет диапазон масс, по которому проводится сканирование. Отношение U/V определяет ширину полосы пропускания по массам через фильтр. Эта связь может быть подтверждена решением уравнения Матье для траекторий вдоль квадруполя. Теоретически зависимость разрешения от отношения U/V выглядит следующим образом:

Таким образом, для повышения разрешения масс-спектрометра необходимо увеличивать отношение U/V, но чрезмерное увеличение данного параметра приведет к уменьшению потока проходящих через масс-фильтр частиц, таким образом, что нанокластерный источник не будет функционировать.