eng
Выпуск #6/2009
Г.Мешков, О.Синицына, И.Яминский.
Дислокационные сверхрешетки на поверхности графита
Дислокационные сверхрешетки на поверхности графита
Просмотры: 2205
Поиск новых перспективных методов наноструктурирования материалов – важная задача современного материаловедения, причем особое внимание уделяется использованию для этих целей электронной и зондовой литографии. Примером может служить локальное анодное окисление графита, в котором с помощью иглы зондового микроскопа по точкам создается диэлектрический рисунок [1]. Заманчивой альтернативой является использование процессов самоупорядочения дислокаций в графите для формирования периодических наноструктур.
Известно, что в этом материале полные дислокации с вектором Бюргерса, лежащим в базисной плоскости, расщепляются на две частичные, между которыми образуется дефект упаковки слоев (рис.1) [2]. Частичные дислокации в свою очередь отталкиваются друг от друга, и при их расхождении увеличивается площадь дефекта упаковки, что повышает энергию кристалла. В результате дислокационный ряд имеет равновесную ширину. Соседние ряды также взаимодействуют между собой, что и приводит к образованию периодической решетки.
Наблюдение дислокационных структур на поверхности графита проводилось на мультифункциональном сканирующем зондовом микроскопе «ФемтоСкан» (ООО «НПП «Центр перспективных технологий»). Использовались кантилеверы с проводящим покрытием fpC11 (НИИФП им. Ф.В. Лукина), иглы для туннельной микроскопии из платиново-иридиевой проволоки, высокоориентированный пиролитический графит (ООО «Атомграф АГ» [3]). Зондовые изображения обрабатывались с помощью программного обеспечения «ФемтоСкан Онлайн».
На рис.2 показана дислокационная решетка, образовавшаяся в области выхода на поверхность винтовой дислокации. Вдали от точек закрепления дислокаций на атомных ступенях или межзеренных границах ширина наблюдавшихся рядов – от 15 до 65 нм. При приближении к поверхности дислокационные ряды сужаются, так как уменьшается сила отталкивания между частичными дислокациями.
Если встречаются дислокационные ряды с различным направлением, результатом их взаимодействия становится образование дислокационной сетки (рис.3а). Сетка состоит из треугольных областей, разграниченных частичными дислокациями. Внутри каждого второго треугольника расположен дефект упаковки. Треугольники с дефектами упаковки имеют вогнутые границы, что связано со стремлением кристалла сократить площадь таких дефектов.
При использовании сканирующей резистивной микроскопии, реализуемой аналогично методу атомно-силовой микроскопии, дополнительно к топографии поверхности, позволяющей измерять протекающий через контакт между зондом и образцом ток [4], было обнаружено, что в области прохождения дислокационных структур слои графита остаются совершенно плоскими.
На рис.3а и б дано сравнение токового и топографического изображения одной и той же области поверхности графита. Контраст, возникающий на токовых изображениях, связан с изменением электронной структуры поверхности в области залегания дислокационной решетки. Наблюдение дислокационных структур возможно с помощью сканирующего туннельного микроскопа (см. рис.2), так как принцип его действия основан на измерении туннельного тока между зондом и поверхностью, величина которого зависит от электронной структуры образца.
Изменение параметров сканирования дислокационной структуры может привести к инверсии ее контраста на изоб ражениях. На рис.4 показана инверсия дислокационной сетки, возникающая при изменении полярности приложенного между зондом и поверхностью графита напряжения, причем контраст может изменяться не для всей решетки, а только для отдельных треугольных областей. По всей видимости, такое явление связано с зарядкой областей, расположенных между частичными дислокациями.
Формирование дислокационных структур происходит при деформации графитовых слоев. Образование и движение в базисной плоскости частичных дислокаций не требует разрывов ковалентных связей между углеродными атомами, поэтому сопряжено с низкой затратой энергии. В частности, перемещение дислокационных рядов происходит под силовым воздействием иглы зондового микроскопа [5].
Дислокационные структуры можно рассматривать как готовые блоки для формирования наноустройств на базе графитовых слоев. Кроме того, механические манипуляции с углеродными наноструктурами могут стать причиной драматических изменений их транспортных свойств вследствие образования дислокационных решеток. Таким образом, контроль за формированием дислокационных структур должен стать важным этапом при изготовлении наноустройств на основе графитовых слоев.
Авторы выражают благодарность за поддержку Рос-науке, Рособразованию (госконтракты: 02.512.11.2279, 02.513.11.3448, П255, П717, П973), НАТО (программа «Наука для мира» грант CBN.NR.NRSFP 983204) и Корейскому институту науки и технологий (проект KIST-MSU).
Литература
1. Мешков Г., Синицына О., Яминский И. Новые разработки в области зондовой литографии углеродных материалов. – Наноиндустрия, 2009, № 2, с. 28–30.
2. Химические и физические свойства углерода.
/Под. ред. Уокер Ф. – М.: Мир, 1969, с. 10–77.
3. http://www.nanoscopy.net/rus/products/accessories/hopg.shtm
4. Shafai C., Thomson D.J., Simard-Normandin M. Two-dimensional delineation of semiconductor doping by scanning resistance microscopy. – J. Vac. Sci. Technol., 1994, B 12 (1), р. 378–382.
5. Синицына О.В., Яминский И.В. Зондовая микроскопия дислокационных структур на поверхности графита. XV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, 2007 г., 4–7 июня. Сборник тезисов докладов, с. 52–53.
Наблюдение дислокационных структур на поверхности графита проводилось на мультифункциональном сканирующем зондовом микроскопе «ФемтоСкан» (ООО «НПП «Центр перспективных технологий»). Использовались кантилеверы с проводящим покрытием fpC11 (НИИФП им. Ф.В. Лукина), иглы для туннельной микроскопии из платиново-иридиевой проволоки, высокоориентированный пиролитический графит (ООО «Атомграф АГ» [3]). Зондовые изображения обрабатывались с помощью программного обеспечения «ФемтоСкан Онлайн».
На рис.2 показана дислокационная решетка, образовавшаяся в области выхода на поверхность винтовой дислокации. Вдали от точек закрепления дислокаций на атомных ступенях или межзеренных границах ширина наблюдавшихся рядов – от 15 до 65 нм. При приближении к поверхности дислокационные ряды сужаются, так как уменьшается сила отталкивания между частичными дислокациями.
Если встречаются дислокационные ряды с различным направлением, результатом их взаимодействия становится образование дислокационной сетки (рис.3а). Сетка состоит из треугольных областей, разграниченных частичными дислокациями. Внутри каждого второго треугольника расположен дефект упаковки. Треугольники с дефектами упаковки имеют вогнутые границы, что связано со стремлением кристалла сократить площадь таких дефектов.
При использовании сканирующей резистивной микроскопии, реализуемой аналогично методу атомно-силовой микроскопии, дополнительно к топографии поверхности, позволяющей измерять протекающий через контакт между зондом и образцом ток [4], было обнаружено, что в области прохождения дислокационных структур слои графита остаются совершенно плоскими.
На рис.3а и б дано сравнение токового и топографического изображения одной и той же области поверхности графита. Контраст, возникающий на токовых изображениях, связан с изменением электронной структуры поверхности в области залегания дислокационной решетки. Наблюдение дислокационных структур возможно с помощью сканирующего туннельного микроскопа (см. рис.2), так как принцип его действия основан на измерении туннельного тока между зондом и поверхностью, величина которого зависит от электронной структуры образца.
Изменение параметров сканирования дислокационной структуры может привести к инверсии ее контраста на изоб ражениях. На рис.4 показана инверсия дислокационной сетки, возникающая при изменении полярности приложенного между зондом и поверхностью графита напряжения, причем контраст может изменяться не для всей решетки, а только для отдельных треугольных областей. По всей видимости, такое явление связано с зарядкой областей, расположенных между частичными дислокациями.
Формирование дислокационных структур происходит при деформации графитовых слоев. Образование и движение в базисной плоскости частичных дислокаций не требует разрывов ковалентных связей между углеродными атомами, поэтому сопряжено с низкой затратой энергии. В частности, перемещение дислокационных рядов происходит под силовым воздействием иглы зондового микроскопа [5].
Дислокационные структуры можно рассматривать как готовые блоки для формирования наноустройств на базе графитовых слоев. Кроме того, механические манипуляции с углеродными наноструктурами могут стать причиной драматических изменений их транспортных свойств вследствие образования дислокационных решеток. Таким образом, контроль за формированием дислокационных структур должен стать важным этапом при изготовлении наноустройств на основе графитовых слоев.
Авторы выражают благодарность за поддержку Рос-науке, Рособразованию (госконтракты: 02.512.11.2279, 02.513.11.3448, П255, П717, П973), НАТО (программа «Наука для мира» грант CBN.NR.NRSFP 983204) и Корейскому институту науки и технологий (проект KIST-MSU).
Литература
1. Мешков Г., Синицына О., Яминский И. Новые разработки в области зондовой литографии углеродных материалов. – Наноиндустрия, 2009, № 2, с. 28–30.
2. Химические и физические свойства углерода.
/Под. ред. Уокер Ф. – М.: Мир, 1969, с. 10–77.
3. http://www.nanoscopy.net/rus/products/accessories/hopg.shtm
4. Shafai C., Thomson D.J., Simard-Normandin M. Two-dimensional delineation of semiconductor doping by scanning resistance microscopy. – J. Vac. Sci. Technol., 1994, B 12 (1), р. 378–382.
5. Синицына О.В., Яминский И.В. Зондовая микроскопия дислокационных структур на поверхности графита. XV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, 2007 г., 4–7 июня. Сборник тезисов докладов, с. 52–53.
Отзывы читателей
