РОЗДІЛ 2
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТРУКТУР З РОЗВИНЕНОЮ ПОВЕРХНЕЮ
У вступі та літературному огляді показано актуальність встановлення впливу фізико-хімічних факторів на процеси формування п'єзоактивних оксидних та халькогенідних структур з розвиненою поверхнею з керованими, наперед заданими властивостями. Успішне вирішення цієї задачі потребує комплексного підходу до проблеми, який поєднує пошук оригінальних та вдосконалення відомих методик синтезу і використання сучасних приладів для дослідження фізико-хімічних властивостей одержаних структур.
В даному розділі описано основні методики дослідження фізичних і фізико-хімічних властивостей одержаних п'єзоактивних оксидних та халькогенідних структур.
2.1. Атомно-силова мікроскопія
В кінці 80-х років минулого століття групою вчених Біннінг, Гербер та Вейбел опублікували результати вимірювання сили взаємодії між гострим зондом та поверхнею за допомогою мікроконсолі (кантілевера). Скануючий зонд знаходився на кінці кантілевера, а величина вигину останнього контролювалась тунельним зондом, розташованим над ним. Цей тип мікроскопів вони назвали - атомно-силовим мікроскопом (АСМ).
Контролюючи силу взаємодії можна проводити картографування поверхні з атомарним розрізненням зразків будь-якого типу (провідних, непровідних, органічних речовин, живих клітин і т.д.) та при різних умовах - у вакуумі, на повітрі чи в рідкій фазі [149 - 150].
Принцип роботи АСМ ґрунтується на тому, що між близько розташованими (<1 мкм) об'єктами виникають сили притягання-відштовхування різної природи (кулонівські, Ван-дер-Ваальса, електростатичні і т.д.). Ці сили вимірюються по величині вертикальної чи торсійної пружної деформації консолі, на вільному кінці якої розташований зонд з радіусом кривизни вістря в декілька нанометри.
АСМ може відобразити атомні решітки, охарактеризувати нанорозмірні особливості поверхні, виміряти локальну еластичність, розподіл магнітних чи електростатичних сил на порівняно гладкій поверхні. Для отримання зображення великих ділянок поверхонь із розвинутим рельєфом АСМ використовувати не рекомендується.
В нашій роботі для дослідження нанорельєфу поверхні плівок оксиду цинку було використано прилад NanoScope ІІІа американської фірми Digital Instruments, Santa Barbara, CШA. Прилад укомплектований сканером G - 658, який забезпечує максимальне, в порівнянні з іншими поширеними типами сканерів, поле сканування - 100?100 мкм.
Вимірювання на АСМ проводились в контактному режимі з використанням зонду із нітриду кремнію, номінальний радіус кривизни вістря 5-40 нм, а його висота 3 мкм, частота сканування становила 1 Гц. В цьому режимі зонд ковзає по поверхні та реєструються як координати сканера, так і степінь деформації кінчика консолі - відхилення у вертикальному напрямку та скручування в боковому. Це дозволяє реєструвати досить малі деталі на фоні дуже розвиненого рельєфу, за винятком деталей які мають від'ємні кути з вертикаллю та порожнин, в які не проходить зонд.
В силових вимірюваннях на АСМ досягнуто розрізнення за відстанню порядку 0,001 нм, а за силою - 1·10-12 Н.
2.2. Автоелектронні проектори Мюллера
Для дослідження емісії з окремих ділянок вістря та діодних комірок, експериментальні пристрої виготовлені у вигляді автоелектронних проекторів Мюллера із плоскими катодами і анодами - екранами з різними відстанями катод-анод 20 мкм ? l ? 1 см. Для візуалізації емісії анод покривали люмінофорами типу АIIВVI.
У наших вимірюваннях, за звичай, відстані катод-анод, були приблизно 100 мкм, а робочі напруги порядку декількох кВ, що дозволяло досягати середнім електричним полям в комірці значень 106 В/см. За умов таких полів у п'єзоактивних плівках виникають механічні напруги, які значно перевищують електрострикційні, що призводять до руйнування катодолюмінофору та забруднення катоду. У зв'язку з цим було розроблено і виготовлено методом випаровування в квазізамкненому об'ємі плівкові катодолюмінофори твердих розчинів Zn1-хCdхS та окисненням попередника плівки ZnО з гарною адгезією, що витримують без видимого руйнування електронні потоки понад 1 Вт/см2. Ефективність катодолюмінесценції при напрузі 400 В була близько 300 кд/м2, порівнянна з ефективністю низьковольтних порошкових люмінофорів типу ZnО : Zn.
Середні електричні поля біля поверхні емітерів оцінювалися із геометрії досліджуваних діодів. Просторовий розподіл емісії та зміни підчас вимірювань геометричного рельєфу обох електродів комірки досліджувались за допомогою оптичного та растрового електронного мікроскопів. Вольтамперні характеристики (ВАХ) емісії проводились в режимі рахунку окремих електронів.
2.3. Електронна Оже-спектроскопія
Поверхня синтезованих оксидних та халькогенідних структур досліджувалася методом електронної Оже-спектроскопії (Auger electron spectroscopy) за допомогою надвисоковакуумного електронного Оже-мікрозонду марки JAMP-10S фірми JEOL (Японія).
Відомо, що збуджені атоми можуть вивільняти свою енергію при випромінювальних переходах з випусканням рентгенівського випромінювання або при безвипромінювальних переходах з випусканням електронів. Останній процес є основою оже-електронної спектроскопії, в якій склад матеріалу визначається за зміною енергетичного розподілу електронів, які випускаються під час опромінення пучком швидких електронів.
Для Оже-спектроскопії як і в інших методах електронної спектроскопії, глибина спостереження становить близько 10-30 A [151].
Дослідження проводилися при прискорюючій напрузі 5 кВ (енергія первинного електронного пучка 5 кеВ), струмові 10-7 А, діаметрові 5 мкм. Величину струму та діаметр електронного пучка було підібрано таким чином, щоб запобігти руйнуванню зразків під впливом опромінення. Забезпечувалося вакуумування зразків до тиску 10-7-10-9 Па.
Реєстрація диференціальних оже-спектрів E·dN(E)/dE відбувалася за допомогою ене