Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 5 Спектры отражения и оптические постоянные тонких квазикристаллических пленок AlЦCuЦFe в инфракрасной области й В.А. Яковлев, Н.Н. Новикова, Дж. Матеи, А.А. Теплов, Д.С. Шайтура, В.Г. Назин, Г.В. Ласкова, Е.Д. Ольшанский, Д.И. Долгий Институт спектроскопии Российской академии наук, 142190 Троицк, Московская обл., Россия Istituto dei Sistemi Complessi ISC, CNR, C.P. 10, I-00016 Monterotondo Sc. (RM), Italy Российский научный центр ДКурчатовский институтУ, 123182 Москва, Россия E-mail: teplov@isssph.kiae.ru (Поступила в Редакцию 10 марта 2005 г.

В окончательной редакции 31 августа 2005 г.) Методом ИК-отражения в средней и дальней ИК-областях исследованы оптические свойства близких по составу квазикристаллических и для сравнения кристаллических пленок системы AlЦCuЦFe. Исследовались пленки толщиной 0.1-0.3 m на сапфировых подложках. По экспериментальным данным рассчитана комплексная диэлектрическая проницаемость пленок. Обнаружено, что если для кристаллических пленок действительная часть диэлектрической проницаемости отрицательна, то для квазикристаллических пленок она положительна и слабо зависит от частоты, за исключением области вблизи 245 cm-1. Оптическая проводимость квазикристаллических пленок характеризуется отсутствием пика Друде, имеющегося в кристаллических пленках, и наличием пика при 245 cm-1, связанного, по-видимому, с возбуждением оптических фононов и отсутствующего в кристаллических пленках.

Работа выполнена в рамках государственного контракта № 02.434.11.2011.

PACS: 78.20.Ci, 78.66.Bz 1. Введение образцах. В системе AlЦCuЦFe известны исследования на ленточных образцах, приготовленных быстрой закалкой Отличительной особенностью квазикристаллов явля- из расплава [4], или на массивных образцах, полученных ется присутствие в их структуре апериодического даль- сплавлением [5].

него порядка: на дифракционных картинах проявляется Характерной особенностью спектров является отсутсимметрия, несовместимая с периодичностью и поэтому ствие подъема действительной части оптической провоДзапрещеннаяУ в традиционной кристаллографии. На- димости квазикристаллов при понижении частоты в ИКпример, икосаэдрические квазикристаллы демонстриру- области Ч так называемого пика Друде, что свидетельют симметрию пятого порядка [1].

ствует о низкой плотности электронов на уровне Ферми Квазикристаллы проявляют ряд свойств, не харак- или их малой подвижности.

терных для обычных металлических сплавов. Они об- Целью настоящей работы было исследование оптичеладают низкой теплопроводностью и высоким удель- ских свойств тонких квазикристаллических и для сравненым элекросопротивлением. К наиболее привлекатель- ния кристаллических пленок в системе AlЦCuЦFe в средным свойствам квазикристаллов относятся их высокая ней и дальней ИК-областях спектра. Для исследования твердость и низкий коэффициент трения, химическая использовались квазикристаллические пленки AlЦCuЦFe, стойкость и стойкость к коррозии, а также радиационная методика получения, структура и морфология которых стойкость. К сожалению, массивные образцы обладают описаны в работе [6].

высокой хрупкостью, что ограничивает возможность их Представляет интерес определить наличие или отсутприменения. В отличие от массивных образцов пленки ствие пика Друде в квазикристаллических и кристалликвазикристаллов являются достаточно пластичными.

ческих (металлических) пленках AlЦCuЦFe почти одинаИнтерес к квазикристаллическим пленкам во многом кового состава. В квазикристаллических ленточных [4] связан с перспективами их практического применения. и массивных [5] образцах AlЦCuЦFe и AlЦMnЦSi [7] Известна попытка использовать квазикристаллические начиная с самых малых исследованных частот наблюпленки для селективных поглотителей солнечного излу- далось близкое к линейному возрастание оптической чения [2,3]. В то же время физические свойства квази- проводимости с увеличением частоты. В других квазикристаллических пленок недостаточно изучены (в част- кристаллах, однако, близкого к линейному возрастания ности, это касается и оптических свойств). Ранее ис- обнаружено не было [8,9], так что его нельзя считать хаследования оптических свойств различных систем ква- рактерным для всех квазикристаллов. С другой стороны, зикристаллов проводились в основном на массивных возникают следующие вопросы: зависит ли это линей776 В.А. Яковлев, Н.Н. Новикова, Дж. Матеи, А.А. Теплов, Д.С. Шайтура, В.Г. Назин, Г.В. Ласкова...

ное возрастание от способа получения квазикристалла, свойственно ли оно только массивным образцам и будет ли оно наблюдаться в пленках 2. Экспериментальная часть Квазикристаллическая икосаэдрическая фаза в тройной системе AlЦCuЦFe образуется при определенном соотношении компонент (в узкой области около состава Al0.65Cu0.23Fe0.12). Пленочные образцы для исследований были приготовлены методом ионно-плазменного напыления с поочередным нанесением слоев компонентов и последующим вакуумным отжигом. Пленки AlЦCuЦFe икосаэдрической фазы толщиной 0.1 m (образцы QCи QC3) и 0.3 m (образец QC4) были получены на полированных монокристаллических сапфировых подложках с ориентацией поверхноcти перпендикулярно оптической оси. Исследовалась также металлическая пленка -фазы толщиной 0.1 m кристаллического структурного типа CsCl, характерного для соединения Al(Cu,Fe) (образец C2). Непосредственно при вакуумном отжиге проводились измерения электросопротивления образцов, что позволяло контролировать получение качественных квазикристаллических пленок. По возрастанию сопротивления образцов и возникающему неметаллическому ходу электросопротивления можно было судить об образовании и совершенствовании квазикристаллической фазы в пленках. Кристаллический Рис. 1. Рентгенограммы образцов C2 (a) и QC4 (b).

образец получался по той же технологии, но имел несколько отличный от квазикристаллических образцов состав Al0.62Cu0.26Fe0.12 и после термообработки, аналонапыленными на сапфировые подложки, до образования гичной использованной для получения квазикристалликвазикристаллической фазы. Для квазикристаллических ческих пленок, в нем наблюдался слабый металлический образцов получаются картины электронной дифракции, температурный ход сопротивления. Удельное сопросоответствующие симметрии пятого, третьего и второго тивление для квазикристаллических пленок составляло порядков, обычно наблюдаемые в квазикристаллах с 2-5m cm (разброс обусловлен очень сильной чувикосаэдрической структурой.

ствительностью удельного сопротивления квазикристаллических образцов к небольшим отклонениям в усло- Спектры отражения исследуемых образцов были измерены на Фурье-спектрометрах Bruker IFS66V виях приготовления), а для кристаллической пленки Ч и Bio-Rad FTS-40A в широкой области длин волн 0.4m cm.

Фазовый состав пленок исследовался методом рент- (100-5000 cm-1).

геноструктурного анализа на установке ДРОН-4 на На рис. 2 показаны спектры отражения образизлучении CuK. На рис. 1 показаны рентгенограммы цов QC1, C2 и QC4. Характерной особенностью этих образцов C2 и QC4 в интервале углов 2 = 39-49: спектров является сильное влияние колебательного рефлекс (110) для кристаллической -фазы и рефлек- спектра подложки на отражение полупрозрачных (даже сы (18,29) и (20,32) для квазикристаллической фазы в кристаллической фазе) образцов. Действительно, для с икосаэдрической структурой соответственно. Индексы кристаллического образца C2 на фоне общего высодля квазикристаллического образца указаны в соответ- кого отражения наблюдаются изменения отражения в ствии со схемой индицирования Кана [10]. области 400-1000 cm-1, обусловленные частотной заАналогичным образом приготовленные образцы ква- висимостью оптических свойств сапфира. Для квазизикристаллических пленок предназначались для иссле- кристаллических пленок QC1, QC3 и QC4 этот эффект дований методами электронной микроскопии и элек- еще сильнее, но можно заметить и другие особенности, тронографии, в этом случае в качестве подложек ис- которые связаны уже со свойствами пленки. Во-первых, пользовались кристаллы NaCl. Кристаллы NaCl раство- на рис. 2 в высокочастотной области хорошо видны рялись в воде, а пленки вылавливались на молибде- интерференционные полосы, зависящие от толщины новые сетки и затем отжигались вместе с пленками, пленки.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Спектры отражения и оптические постоянные тонких квазикристаллических пленок AlЦCuЦFe... ная диэлектрическая проницаемость () подложки на частоте описывалась суммой семи гармонических (лоренцевы) осцилляторов () = + f /(i2 - 2 - ii), (1) i где Ч высокочастотная диэлектрическая проницаемость, i Ч частота лоренцевского осциллятора (фонона), f Ч сила осциллятора, i Ч его затухание.

i Комплексная диэлектрическая проницаемость металлической пленки описывалась формулой Друде () = + p/(-2 - ip), (2) где p Ч плазменная частота, p Ч затухание плазмона.

Рис. 2. Спектры отражения образцов AlЦCuЦFe QC1, CДля квазикристаллических пленок () задавалась в и QC4.

виде 2 2 () = + p/(-2 - ip) + f /(1 - 2 - i1), (3) при этом к плазмону добавлялся фонон с параметрами 1 = 245 cm-1, f = 600 cm-1, 1 = 30 cm-1. Полученные после подгонки значения параметров, p и p из формул (2) и (3) приведены в таблице.

На рис. 4 показаны полученные нами частотные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости (Re иIm) для образцов QC1 и C2.

Действительная часть диэлектрической проницаемости кристаллического образца C2, как и следовало ожидать, отрицательна. Для квазикристаллической пленки QCона положительна и слабо зависит от частоты. Мнимая часть диэлектрической проницаемости квазикристаллических образцов много меньше, чем для металлического образца.

На рис. 5 показаны частотные зависимости дейРис. 3. Спектр отражения (a) и спектр комбинационного ствительной части оптической проводимости opt. Как рассеяния света (b) для образца QC1.

и в случае с ленточными образцами [4], оптическая проводимость квазикристаллических пленок QC1, QCи QC4 имеет малую величину в области низких частот и Во-вторых, в низкочастотной области заметен пик при 245 cm-1, соответствующий оптическим фононам икосаэдрической фазы [4]. На рис. 3, a показан низкочастотный участок спектра отражения образца QC1, а на рис. 3, b Ч участок спектра комбинационного рассеяния света в этом же образце. Здесь также заметен пик, связанный с возбуждением оптического фонона.

Если для ленточных [4] и массивных [5] образцов коэффициент отражения определяется комплексной диэлектрической проницаемостью образца, то для тонких пленок на подложке необходимо учитывать как отражение от границы воздух-пленка, так и отражение от границы пленка-подложка [11,12].

Был проведен расчет оптических постоянных пленок на основе спектров отражения. Для этого применялась программа SCOUT [11], позволяющая использовать экспериментальные данные по отражению, полученные в Рис. 4. Частотные зависимости действительной и мнимой ограниченном интервале энергий фотонов. Соотношечастей диэлектрической проницаемости образцов AlЦCuЦFe ния Крамерса-Кронига не использовались. Комплекс- QC1 и C2.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 778 В.А. Яковлев, Н.Н. Новикова, Дж. Матеи, А.А. Теплов, Д.С. Шайтура, В.Г. Назин, Г.В. Ласкова...

Параметры плазмона в формулах (2), (3) Элементный состав Alx CuyFez Образец Толщина, m Re Im p, cm-1 p, cm-x y z QC1 68 21 11 0.1 40.7 14.5 22 060 22 C2 62 26 12 0.1 5 0 25 708 QC3 66 23 11 0.1 43.3 16.5 22 497 22 QC4 64 24 12 0.3 34.4 16.2 23 557 23 линейно возрастает с частотой, за исключением области пленкой C2 близкого состава наблюдается сильное понивблизи оптического фонона 245 cm-1. Наклон оптиче- жение opt() в области очень малых частот (т. е. отсутской проводимости в 2.5Ц3 раза меньше, чем в случае ствие пика Друде). Сравнение результатов, полученных массивных образцов [4,5]. нами на квазикристаллических пленках и массивных обСогласно [14], opt() в максимуме, имеющем место разцах AlЦCuЦFe [4,5], показывает, что отсутствие пика при = 1/, составляет Друде и почти линейный рост оптической проводимости в низкочастотной области спектра является общим для max() =a(/8)( / ), (4) обоих типов образцов. В [5] отмечается сходство такого поведения с поведением высокорезистивных сплавов.

где a =(1/62)(e2G/ ) 1200 ( cm)-1, Ч шириСуществуют другие подходы. Один из них объясняет на псевдощели, Ч время релаксации, G Ч среднизкую статическую проводимость [13] и подавление нее значение модуля вектора обратной решетки, сопика Друде [14] в рамках так называемой зонно-струкответствующее наиболее интенсивным линиям с интурной гипотезы, основанной на предположении о Двзадексами (18,29) и (20,32). Поскольку эксперименимодействииУ псевдозоны Бриллюэна с поверхностью тальная зависимость opt() близка к линейной при Ферми, благодаря чему уменьшается плотность элек 1 eV, ее наклон можно считать приближенно рав2 тронных состояний на уровне Ферми, т. е. образуется ным a(/8)( / ), так что различие наклонов в псевдощель. В икосаэдрических квазикристаллах изпленках и массивных образцах, возможно, связано с за высокой симметрии псевдозоны Бриллюэна имеют различием параметров и.

большое число граней [13] (при учете брэгговских Отметим, что параметры плазмона для образца QCплоскостей, отвечающих лишь двум самым интенсивным заметно отличаются от параметров для образцов QCпикам дифрактограмм, число граней равно уже 42) и QC3. Однако это различие может быть обусловлено и приближаются по форме к сфере, вследствие чего недостаточной точностью определения толщины. Предэффект ДвзаимодействияУ поверхности Ферми с граняположив, что параметры плазмона для образцов QCми псевдозоны Бриллюэна усиливается многократно и и QC4 близки, получаем, что толщина образца QCприводит к ярко выраженной псевдощели [13]. В свое равна не 0.3 m, а 0.26 m.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам