Новый тип многослойных гетероструктур на основе модуляции sp2/sp3-гибридизации алмазоподобного углерода

Настоящий отчет обобщает и систематизирует сведения, полученные в рамках исследования процесса получения и свойств многослойных пленок алмазоподобного углерода. В ходе выполнения работ были достигнуты следующие результаты: - в плазме ёмкостного и индуктивно-связанного разрядов выращены однослойные пленки алмазоподобного углерода (DLC). Исследована зависимость скорости осаждения пленок и содержания в них sp3-фракции углерода от параметров плазмы метана; - выращены многослойные гидрогенезированные пленки DLC с модуляцией отношения sp3/sp2 на подложках из кремния, монокристаллического алмаза и арсенида галлия с толщинами слоев от 4 до 24 нм и числом периодов от 5 до 20; - на кривых малоугловой рентгеновской рефлектометрии пленок наблюдались дополнительные пики Брэгга, связанные с периодической модуляции плотности. Профили плотности пленок по толщине имели плавные переходы между слоями; - методом вторично-ионной масс-спектрометрии исследован элементный состав многослойных структур. На профилях распределения вторичных ионов элементов по глубине присутствовала модуляция линий CsC8, CsC6 и CsC4, связанная с ростом углеродных слоев с различным содержанием графитовой фракции; - в спектрах комбинационного рассеяния света многослойных пленок (диапазон рамановского сдвига от 1050 до 2000 см-1) присутствовали характерные для DLC пики: D-пик, обусловленный наличием отдельных графитовых доменов с различными размерами, и G-пик, отвечающий колебаниям двойных связей углерода внутри графитовых колец. Подъем линии спектров свидетельствовал о наличии водорода в составе пленок; - из спектров комбинационного рассеяния света определено содержание водорода и sp3-гибридного углерода как в однослойных пленках DLC, так и в многослойных структурах. Данные рамановской спектроскопии осажденных пленок указывают на наличие II стадии аморфизации графита согласно модели Феррари-Робертсона; - пленки DLC, выращенные на монокристаллическом алмазе, обладали ультрагладкой поверхностью. В отличие от них, пленки, полученные на кремнии, имели худшие морфологические свойства из-за наличия локальных неоднородностей. Предполагаемых зерен, из которых должны состоять пленки, не было видно, вероятно из-за их малого размера; - термический отжиг многослойных пленок DLC приводит к исчезновению дополнительных пиков Брэгга на кривой МУРР и сдвигу положения G-пика в спектре комбинационного рассеяния в сторону больших волновых чисел наряду с уменьшением доли водорода. Это свидетельствует об увеличении содержания графитовой фазы в пленке и потери ее многослойности; - для исследуемых многослойных пленок DLC установлен прыжковый тип проводимости со средней длиной прыжка порядка 13 нм и энергий активации около 500 меВ. При этом перенос заряда осуществляется через отдельные слои. Удельное сопротивление пленок находится в диапазоне от 8.7·1010 до 2.5 ·1013 Ом·см. В отличие от этого диэлектрическая проницаемость образцов существенно не различается. Все пленки имеют достаточно высокое поле пробоя 3−4·106 В/см, однако в качестве защитного диэлектрического слоя не подходят по причине внутренней модификации при напряжении свыше 1 В. Полученные результаты могут быть использованы в технологии создания элементов мемристивной памяти, а также при изготовлении защитных слоев датчиков на основе микроэлектромеханических систем.