Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2022
Ключевые слова: наноматериал, нанослой, наночастица, твердофазная реакция, кинетика, интерметаллическое соединение (интерметаллид), структурные фазовые превращения, in situ исследования, просвечивающая электронная микроскопия, дифракция электронов, синхронный термический анализ
Аннотация: Первый этап (2022 год) был направлен на изучение механизмов кристаллизации аморфного кремния (a-Si), инициированной металлом. Исследовано влияние промежуточного слоя на кинетику процесса взаимодействия между нанослоями металла и аморфного кремния. Роль промежуточного слоя заключается в инициировании сопряженных реакций, когда реакцПоказать полностьюия между двумя разнородными нанослоями инициирует реакцию с третьим слоем (a-Si). Поэтому, наряду с экспериментами, направленными на изучение процесса кристаллизации a-Si проводили исследования кинетических особенностей процессов фазообразования при твердофазной реакции, протекающей между разнородными нанослоями. ?Методом магнетронного напыления получены тонкопленочные наносистемы: a-Si; Al/Cu; (Al/Cu)50; Cu/a-Si; (Cu/a-Si)30; Al/a-Si; (Al/a-Si)100; Cu/Al/a-Si; a-Si/Al/Cu/Al/a-Si; (Al/Cu/Al/a-Si)26; Al/Au; Al/Au/a-Si; Ag/a-Si; Ag/Al/a-Si. Методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), дифракции электронов (ДЭ) и энергодисперсионного анализа определены структурные параметры, такие как: толщины индивидуальных нанослоев, размер кристаллитов, элементный и фазовый состав, характеризующие образцы в исходном состоянии. Проведены in situ исследования процесса кристаллизации a-Si; а также процессов фазообразования при твердофазной реакции и кристаллизации a-Si, инициированной металлом, в системе Cu/Al/a-Si, включающей в себя: Al/Cu, Cu/a-Si, Al/a-Si; Cu/Al/a-Si; в системе Al/Au/a-Si, включающей в себя: Al/Au, Al/Au/a-Si; в системе Ag/Al/a-Si, включающей в себя: Al/Ag, Ag/a-Si, Ag/Al/a-Si. Процесс твердофазной реакции, а также кристаллизации a-Si, инициирован путем резистивного нагрева образцов непосредственно в колонне ПЭМ. Процесс твердофазной реакции регистрировался методом in situ дифракции электронов (ДЭ), что позволило установить температуру инициирования твердофазной реакции, а также последовательность структурных фазовых превращений в процессе реакции.?Проведен синхронный термический анализ (СТА) многослойных образцов, включающий в себя регистрацию изменения массы (методом термогравиметрии – ТГ) и теплового потока (методом дифференциальной сканирующей калориметрии – ДСК) в процессе нагрева образцов. Нагревы образцов проведены с различной скоростью (в диапазоне от 2.5 до 40°C/мин, что позволило изучить влияние скорости нагрева на температуру начала процесса кристаллизации аморфного кремния, а также формирования фаз в процессе твердофазной реакции. На основании данных, полученных методами СТА и ДЭ, с помощью модель-независимых методов Киссинджера и Фридмана произведена оценка кинетических параметров (кажущиеся энергия активации, порядок реакции, предэкспоненциальный фактор). Проведен сравнительный анализ значений кажущейся энергии активации процесса формирования фаз при твердофазной реакции, а также кристаллизации аморфного кремния, инициированной слоем металла, рассчитанных на основании данных дифракции электронов и синхронного термического анализа.?На основании проведенных исследований, а также анализа литературных данных, показано, что понижение температуры кристаллизации a-Si наблюдается только в системах металл-кремний, в которых существует низкотемпературная эвтектика. Изучено влияние типа металла на температуру кристаллизации аморфного кремния. Установлено, что кристаллизации плёнок a-Si толщиной порядка 100 нм начинается при Tcryst.=715 °C (скорость нагрева 10 °C/min). В случае кристаллизации, инициированной металлом, при аналогичной скорости нагрева наблюдается понижение температуры:?•?Al/a-Si; Tcryst.= 145 °C; Teutectic= 577°C; Tcryst/Teutectic= 0.25;?•?Cu/a-Si; Tcryst.=369 °C; Teutectic= 802°C; Tcryst/Teutectic= 0.46;?•?Ag/a-Si; Tcryst.= 394 °C; Teutectic= 835°C; Tcryst/Teutectic= 0.47.?В случае системы Al/a-Si пропорция Tcryst/Teutectic= 0.25, что очень близко к температуре Хюттига (≈0.3*Тплав., в данном случае Тплав. - это температура эвтектики Teutectic). В системах Cu/a-Si и Ag/a-Si пропорция Tcryst/Teutectic несколько больше – 0.46-0.47.?Установлено, что в случае использования промежуточного слоя Al в системах: Cu/Al/a-Si, Ag/Al/a-Si наблюдалось повышение температуры кристаллизации a-Si по сравнению с чистыми металлами. В начале формировались фазы при твердофазной реакции между нанослоями металлов (Cu/Al; Ag/Al) и в дальнейшем кристаллизация a-Si инициировалась не чистыми металлами, а фазами (Al2Cu, Ag2Al, Ag3Al).