1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал аналитической химии
  4. T. 78, № 12, 2023

Журнал аналитической химии, 2023, T. 78, № 12, стр. 1106-1118

Анализ химического состава и структуры пленок сложных оксидов микронной толщины методами электронно-зондового микроанализа и конфокальной спектроскопии комбинационного рассеяния света на примере пленки MgAl2O4 на SiO2

В. А. Булатов a, *, Ю. В. Щапова a, Д. А. Замятин a, Л. Я. Сушанек a, А. С. Каменецких b, С. Л. Вотяков a

a Институт геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого Уральского отделения Российской академии наук
620110 Екатеринбург, ул. Академика Вонсовского, 15, Россия

b Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
620110 Екатеринбург, ул. Амундсена, 106, Россия

* E-mail: vladislavtalica@gmail.com

Поступила в редакцию 05.05.2023
После доработки 19.06.2023
Принята к публикации 19.06.2023

Аннотация

Описаны методические приемы проведения качественного анализа структуры и количественного анализа состава прозрачных пленок сложных оксидов на диэлектрических подложках с использованием конфокального спектрометра комбинационного рассеяния света (КРС) Horiba LabRAM HR800 и электронно-зондового микроанализатора Cameca SX100. Исследования выполнены на примере пленок магний-алюминиевой шпинели толщиной 1−3 мкм на подложке кварцевого стекла, полученных методом магнетронного распыления. Процедура определения особенностей структуры пленки состояла в регистрации 3D массивов ее спектров КРС на основе z-профилирования по глубине; показано, что пленка имеет неупорядоченную структуру шпинели с частично обращенным распределением катионов Mg и Al по окта- и тетрапозициям. Представлены операционные параметры, позволяющие определять содержания в пленке по различным рентгено-эмиссионным линиям структурно-образующих элементов Mg, Al и примесей Ti, Cr, Ca, P, Fe, Ni, Gd (оптимальное значение ускоряющего напряжения и др.); определены метрологические характеристики методики; оценены ее возможности и ограничения; представлены данные химического состава пленки.

Ключевые слова: электронно-зондовый микроанализ, спектроскопия комбинационного рассеяния света, тонкие плёнки, MgAl2O4.

Список литературы

  1. Погребняк А.Д., Лозован А.А., Кирик Г.В., Щитов Н.Н., Стадник А.Д., Братушка С.Н. Структура и свойства нанокомпозитных, гибридных и полимерных покрытий. М.: Либроком, 2018. 344 с.

  2. Schindler M., Singer D. Mineral surface coatings: Environmental records at the Nanoscale // Elements. 2017. V. 13. P. 159.

  3. Сенина М.О., Лемешев Д.О. Способы синтеза порошков алюмомагниевой шпинели для получения оптически прозрачной керамики (обзор) // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т. 30. № 7. С. 101.

  4. Sampath S.K., Kanhere D.G., Pande R. Electronic structure of spinel oxides: Zinc aluminate and zinc gallate // J. Phys.: Condens. Matter. 1999. V. 11. № 18. P. 3635.

  5. Surendran K.P., Bijumon P.V., Mohanan P., Sebastian M.T. (1–x)MgAl2O4–xTiO2 dielectrics for microwave and millimeter wave applications // Appl. Phys. A. 2005. V. 81. P. 823.

  6. Valanarasu S., Karunakaran M., Vijayan T. A., Kulandaisamy I., Chandramohan R., Lee K.K., Mahalingam T. Optical and microstructural properties of sol-gel spin coated MgAl2O4 thin films // Digest J. Nanomater. Biostruct. 2015. V. 10. № 2. P. 643.

  7. Gavrilov N.V., Ivanov V.V., Kamenetskikh A.S., Nikonov A.V. Investigations of Mn–Co–O and Mn–Co–Y–O coatings deposited by the magnetron sputtering on ferritic stainless steels // Surf. Coat. Technol. 2011. V. 206. № 6. P. 1252.

  8. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 344 с.

  9. Золотарев В.М., Никоноров Н.В., Игнатьев А.И. Современные методы исследования оптических материалов. Часть 2. Учебное пособие, курс лекций. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 166 с.

  10. Lambert D., Muehlethaler C., Gueissaz L., Massonnet G. Raman analysis of multilayer automotive paints in forensic science: Measurement variability and depth profile: Raman analysis of multilayer automotive paints in forensic science // J. Raman Spectrosc. 2014. V. 45. P. 1285.

  11. Courtecuisse F., Dietlin C., Croutx’e-Barghorn C., Van Der Ven L.G.J. Depth characterization of photopolymerized films by confocal Raman microscopy using an immersion objective // Appl. Spectrosc. 2011. V. 65. P. 1126.

  12. Saoula N., Djerourou S., Yahiaoui K., Henda K., Kesri R., Erasmus R.M., Comins J. D. Study of the deposition of Ti/TiN multilayers by magnetron sputtering // Surf. Interface Anal. 2010. V. 42. P. 1176.

  13. Lee S. Raman spectroscopic studies of amorphous vanadium oxide thin films // Solid State Ion. 2003. V. 165. P. 111.

  14. Gaisler S.V., Semenova O.I., Sharafutdinov R.G., Kolesov B.A. Analysis of Raman spectra of amorphous-nanocrystalline silicon films // Phys. Solid State. 2004. V. 46. P. 1528.

  15. Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon // Phys. Rev. B. 2001. V. 61. P. 14095.

  16. Yamazaki H., Koike M., Saitoh M., Tomita M., Yokogawa R., Sawamoto N., Tomita M., Kosemura D., Ogura A. Probing spatial heterogeneity in silicon thin films by Raman spectroscopy // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 16549.

  17. Sarsembinov S.S., Prikhodko O.Y., Ryaguzov A.P., Maksimova S.Y., Ushanov V.Z. Differences in local structure between amorphous AsSe films prepared by different methods // Semicond. Sci. Technol. 2002. V. 17. P. 1072.

  18. Nemec P., Nazabal V., Moreac A., Gutwirth J., Beneš L., Frumar M. Amorphous and crystallized Ge–Sb–Te thin films deposited by pulsed laser: Local structure using Raman scattering spectroscopy // Mater. Chem. Phys. 2012. V. 136. P. 935.

  19. Gasparov L., Jegorel T., Loetgering L., Middey S., Chakhalian J. Thin film substrates from the Raman spectroscopy point of view // J. Raman Spectrosc. 2014. V. 45. P. 465.

  20. Ramoji A., Galler K., Glaser U., Henkel T., Mayer G., Dellith J., Bauer M., Popp J., Neugebauer U. Characterization of different substrates for Raman spectroscopic imaging of eukaryotic cells // J. Raman Spectrosc. 2016. V. 47. P. 773.

  21. Degioanni S., Jurdyc A.M., Cheap A., Champagnon B., Bessueille F., Coulm J., Bois L., Vouagner D. Surface-enhanced Raman scattering of amorphous silica gel adsorbed on gold substrates for optical fiber sensors // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. Article 153103.

  22. Novikov S., Khriachtchev L. Surface-enhanced Raman scattering of silicon nanocrystals in a silica film // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 27027.

  23. Ben Khemis S., Burov E., Montigaud H., Skrelic D., Gouillart E., Cormier L. Structural analysis of sputtered amorphous silica thin films: A Raman spectroscopy investigation // Thin Solid Films. 2021. V. 733. Article 138811.

  24. Everall N.J. Modeling and measuring the effect of refraction on the depth resolution of confocal Raman microscopy // Appl. Spectrosc. 2000. V. 54. № 6. P. 773.

  25. Caffrey D., Zhussupbekova A., Vijayaraghavan R.K., Ainabayev A., Kaisha A., Sugurbekova G., Shvets I.V., Fleischer K. Crystallographic characterisation of ultra-thin, or amorphous transparent conducting oxides – The case for Raman spectroscopy // Materials. 2020. V. 13. P. 267.

  26. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. М.: Техносфера, 2004. 384 с.

  27. Рид С.Дж.Б. Электронно-зондовый микроанализ и растровая электронная микроскопия в геологии. М.: Техносфера, 2008. 232 с.

  28. Bubert H., Jenett H. Surface and thin film analysis: principles, instrumentation, application. N.Y.: Wiley, 2002. 336 p.

  29. Goldstein J.I., Newbury D.E., Michael J.R., Ritchie N.W.M., Scott J.H.J., Joy D.C. Scanning electron microscopy and X-Ray microanalysis. N.Y.: Springer, 2018. 4th Ed. 550 p.

  30. Иго А.В. Комбинационное рассеяние света в кремнии с нарушенной кристаллической структурой за счет имплантации ионов углерода // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128. № 8. С. 1115.

  31. Щапова Ю.В., Вотяков С.Л., Замятин Д.А., Червяковская М.В., Панкрушина Е.А. Минералы-концентраторы d- и f-элементов: локальные спектроскопические и ЛА-ИСП-МС исследования состава, структуры и свойств, геохронологические приложения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2020. 424 с.

  32. Mishchik K. Ultrafast laser-induced modification of optical glasses: A spectroscopy insight into the microscopic mechanisms. Dissertation. France. 2012. 185 p.

  33. O’Neill H.S.C., Navrotsky A. Simple spinels; crystallographic parameters, cation radii, lattice energies, and cation distribution // Am. Mineral. 1983. V. 68. № 1–2. P. 181.

  34. Cynn H., Anderson O.L., Nicol M. Effects of cation disordering in a natural MgAl2O4 spinel observed by rectangular parallelepiped ultrasonic resonance and Raman measurements // Pure Appl. Geophys. 1993. V. 141. № 2–4. P. 415.

  35. Slotznick S.P., Shim S. H. In situ Raman spectroscopy measurements of MgAl2O4 spinel up to 1400 C // Am. Mineral. 2008. V. 93. № 2–3. P. 470.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал аналитической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал