Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока

Исследованы пленки нитрида углерода, легированные оксидом европия CNx:EuyOz, полученные с помощью магнетрона постоянного тока. Предложена модель роста таких пленок. Проведено исследование спектра люминесценции пленки и показано его соответствие спектру люминесценции иона Eu⁺³. Установлено, что вален...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2017
Main Authors:	Шемченко, Е.И., Кириченко, В.И., Гангало, А.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2017
Series:	Физика и техника высоких давлений
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168136
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока / Е.И. Шемченко, В.И. Кириченко, А.Н. Гангало // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 27-36. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-168136
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1681362020-04-23T01:26:01Z Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока Шемченко, Е.И. Кириченко, В.И. Гангало, А.Н. Исследованы пленки нитрида углерода, легированные оксидом европия CNx:EuyOz, полученные с помощью магнетрона постоянного тока. Предложена модель роста таких пленок. Проведено исследование спектра люминесценции пленки и показано его соответствие спектру люминесценции иона Eu⁺³. Установлено, что валентность этого иона не изменяется в процессе роста пленки, и в его лигандном окружении с высокой вероятностью присутствует кислород. Сделано предположение о резонансном влиянии структуры пленки на люминесценцию иона Eu⁺³3 The carbon nitride films doped by europium oxide CNx:EuyOz produced with the use of a dc-magnetron are tested. A model of the film growth is suggested. The study of the luminescence spectrum of the film is carried out and the accordance of the spectrum with the luminescence of the Eu⁺³ ion is demonstrated. It is found that the valence of the ion is not modified in the course of the film growth. Oxygen is very likely present in the ligand environment. An assumption about resonance effect of the film structure on the luminescence of the Eu⁺³ ion is made. 2017 Article Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока / Е.И. Шемченко, В.И. Кириченко, А.Н. Гангало // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 27-36. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.15.Cd, 78.55.–m, 85.40.Sz, 81.15. –z, 81.07.Ta http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168136 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследованы пленки нитрида углерода, легированные оксидом европия CNx:EuyOz, полученные с помощью магнетрона постоянного тока. Предложена модель роста таких пленок. Проведено исследование спектра люминесценции пленки и показано его соответствие спектру люминесценции иона Eu⁺³. Установлено, что валентность этого иона не изменяется в процессе роста пленки, и в его лигандном окружении с высокой вероятностью присутствует кислород. Сделано предположение о резонансном влиянии структуры пленки на люминесценцию иона Eu⁺³3
format	Article
author	Шемченко, Е.И. Кириченко, В.И. Гангало, А.Н.
spellingShingle	Шемченко, Е.И. Кириченко, В.И. Гангало, А.Н. Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока Физика и техника высоких давлений
author_facet	Шемченко, Е.И. Кириченко, В.И. Гангало, А.Н.
author_sort	Шемченко, Е.И.
title	Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока
title_short	Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока
title_full	Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока
title_fullStr	Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока
title_full_unstemmed	Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока
title_sort	люминесценция и модель роста наноколонарных пленок cnx:euyoz, полученных на магнетроне постоянного тока
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168136
citation_txt	Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока / Е.И. Шемченко, В.И. Кириченко, А.Н. Гангало // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 27-36. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT šemčenkoei lûminescenciâimodelʹrostananokolonarnyhplenokcnxeuyozpolučennyhnamagnetronepostoânnogotoka AT kiričenkovi lûminescenciâimodelʹrostananokolonarnyhplenokcnxeuyozpolučennyhnamagnetronepostoânnogotoka AT gangaloan lûminescenciâimodelʹrostananokolonarnyhplenokcnxeuyozpolučennyhnamagnetronepostoânnogotoka
first_indexed	2025-07-15T02:39:55Z
last_indexed	2025-07-15T02:39:55Z
_version_	1837678944959070208
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 © Е.И. Шемченко, В.И. Кириченко, А.Н. Гангало, 2017 PACS: 81.15.Cd, 78.55.–m, 85.40.Sz, 81.15. –z, 81.07.Ta Е.И. Шемченко 1 , В.И. Кириченко 2 , А.Н. Гангало 1 ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И МОДЕЛЬ РОСТА НАНОКОЛОНАРНЫХ ПЛЕНОК СNx:EuyOz , ПОЛУЧЕННЫХ НА МАГНЕТРОНЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1 Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина 2 Донецкий национальный университет Статья поступила в редакцию 7 марта 2017 года Исследованы пленки нитрида углерода, легированные оксидом европия CNx:EuyOz, полученные с помощью магнетрона постоянного тока. Предложена модель роста таких пленок. Проведено исследование спектра люминесценции пленки и показано его соответствие спектру люминесценции иона Eu +3 . Установлено, что валент- ность этого иона не изменяется в процессе роста пленки, и в его лигандном окру- жении с высокой вероятностью присутствует кислород. Сделано предположение о резонансном влиянии структуры пленки на люминесценцию иона Eu+3. Ключевые слова: нитрид углерода, пленка, люминесценция, ион европия, нано- структура, наноколонны Введение Исследование новых свойств известных материалов, которые обусловле- ны введением примесей и/или изменением их структуры, позволяет не толь- ко решать актуальные технические задачи, но и применять хорошо извест- ные методы для их изучения. Разработка способов инкапсулирования, применение известных, но ранее не использовавшихся методов легирования, изучение особенностей состоя- ния «гостевых» веществ (интеркалятов) в конденсированных нанострукту- рированных средах представляют собой самостоятельное, быстро разви- вающееся научное направление [1–3]. В частности, применение магнетрона постоянного тока, который способен осуществлять распыление полупровод- никовых композитных мишеней в виде кластеров [4], позволяет получать совершенно новые материалы. Такие материалы могут сочетать преимуще- ства как свойств, определяемых их структурой, так и свойств легирующей примеси. При получении оптических материалов с размерно-зависимыми характеристиками для последующего легирования в качестве матрицы тра- диционно используют пористые носители – силикагели, пористые стекла, Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 28 цеолиты, опалы, пленки, получаемые золь-гельным методом. Наноструктур- ные пленки нитрида углерода в этих целях практически не применяют ввиду того, что сложно получить качественные образцы и ввести оптимальные примеси без деградации структуры пленки. Что касается гостевых веществ, то на их роль среди прочих обоснованно претендуют соединения редкоземельных элементов, обладающие ярко вы- раженной люминесценцией, миллисекундным диапазоном времени жизни возбужденного состояния, фиксированным положением полос электронных переходов [4–6]. Кроме того, редкоземельные металлы при взаимодействии с углеродом способны положительно влиять на образование наноструктуры в материале. Для оптимального лигандного окружения люминесцирующего центра необходимы кислород и/или азот. Обычно их вводят либо путем ионной имплантации, либо отжигом в соответствующей атмосфере [6,9,12]. В первом случае это приводит к деградации структуры, во втором – к хими- ческому травлению пленок, а в целом – к очень скромным результатам. При соответствующем подборе параметров работы магнетрон постоянного тока позволяет избежать перечисленные негативные моменты и получить нано- структурную пленку CNx:EuyOz необходимого качества. Композиты таких пленок могут оказаться приемлемыми в качестве мате- риалов компонентов фото- и электролюминесцентных, светопреобразую- щих, сенсорных устройств, приборов оптоэлектроники, квантовых вычисли- тельных систем. Эти материалы можно использовать одновременно и как отдельные элементы (например, кубиты и полосковые лазеры), и как единый твердотельный комплекс (кубит–лазер) [7]. К сожалению, отсутствуют мо- дели роста пленок CNx:EuyOz и теоретическое обоснование происходящих процессов, требующие большого количества экспериментов, предположе- ний и допущений при объяснении результатов. Цель данной работы – попытаться объяснить механизмы роста нано- структуры пленки нитрида углерода CNx:EuyOz, полученной с помощью магнетрона постоянного тока, а также исследовать изменение ее спектра люминесценции. Материалы и методика эксперимента Пленки нитрида углерода CNx, легированного трехвалентным оксидом европия Eu2O3, получали методом магнетронного распыления планарной комбинированной мишени магнетроном постоянного тока в атмосфере чис- того азота на вакуумной установке ВУП-5М. Мощность магнетрона не пре- вышала 20 W при индукционной стабилизации плазмы разряда и давлении азота в рабочем объеме от 90 до 120 mTorr. Комбинированная мишень представляла собой пластину химически чис- того графита, в которой в зоне максимального разряда были просверлены несквозные отверстия диаметром 2 mm, заполненные трехвалентным окси- дом европия, подготовленным специальным образом. Мелкодисперсный по- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 29 рошок Eu2O3 сильно гигроскопичен, и абсорбированная вода в процессе рас- пыления углеродной мишени активно реагирует с распыляемым углеродом, тем самым полностью стравливая растущую пленку. Таким образом, возни- кает необходимость убрать абсорбированную воду. Учитывая, что оксид ев- ропия может иметь на одну собственную молекулу до 14 молекул абсорби- рованной воды, порошок компактировали в условиях всестороннего гидро- статического сжатия и отжигали при непрерывной откачке рабочего объема не менее 10 –5 Torr при температуре от 300 до 400C. В качестве подложек применяли полированные пластины гадолиний-гал- лиевого граната и покровные стекла для оптической микроскопии. Подлож- ки предварительно проходили двухступенчатую очистку в химически чис- тых этиловом и изопропиловом спиртах, а также парах изопропилового спирта. Непосредственно перед процессом выращивания пленки осуществ- ляли финальную очистку поверхности подложки аргоновой плазмой тлею- щего разряда. Больше не проводили никакие специальные процедуры по подготовке подложек для роста наноструктур. Подложкодержатель разогревали штатным радиационным нагревателем установки ВУП-5М. При этом для различных образцов температуру подло- жек варьировали от 200 до 250C, время роста пленок – от 0.5 до 1.0 h. Изображения пленок CNx:EuyOz были получены методом просвечиваю- щей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе JEM-200A (фирма «JEOL»). Спектры люминесценции измеряли с помощью установки, создан- ной на базе монохроматора МДР-23. Люминесценцию образцов возбуждали четвертой гармоникой (266 nm) импульсного лазера YAG:Nd 3+ (модель NL202, фирма EKSPLA, Литва). Для регистрации спектра люминесценции (а фактически – интенсивности светового потока в зависимости от длины волны) на выходную щель моно- хроматора устанавливали фотоэлектронный умножитель Hamamatsu R9110, который работал в режиме счета отдельных фотонов. Электрический сигнал от фотоумножителя передавали через систему КАМАК к персональному компьютеру. Управление шаговым двигателем и запись спектров люминес- ценции выполняли с помощью программного обеспечения собственной раз- работки Spectral measurement v.17. Для минимизации случайных ошибок по- лученное число импульсов на каждой длине волны усредняли по результа- там нескольких измерений. Результаты и обсуждение Электронная микроскопия является одним из наиболее эффективных спо- собов исследования наноструктурных материалов. Он позволяет визуализи- ровать получаемые объекты, изучить морфологию поверхности и ее измене- ния, а также нанороструктуру пленок. Характерные изображения пленки CNx:EuyOz, полученные методом ПЭМ, приведены на рис. 1. Хорошо видно, что пленка состоит из расширяющихся к поверхности роста и плотно приле- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 30 гающих друг к другу пучков наноколонн. Диаметр наноколонн  20 nm, длина – до 1200 nm (на всю толщину образца). Отдельный пучок наноколонн образует хорошо заметную ветвистую структуру, т.е. количество наноколонн у поверхности пленки и у поверхно- сти подложки в пучке может быть разным. Следовательно, длина отдельной наноколонны не обязательно равна толщине пленки, а может быть и мень- ше. Необходимо отметить, что переходной слой в системе подложка–пленка не обнаруживается, что обусловлено либо его отсутствием, либо малой тол- щиной, выходящей за пределы разрешения электронного микроскопа. а б в Рис. 1. Характерные ПЭМ-изображения пленок CNx:EuyOz: а – торец пленки (в верхнем левом углу – ее поверхность, а в нижнем правом углу – поверхность подложки); б, в – отдельные пучки наноколонн, удаленных из массива пленки, при различных масштабах Планарный магнетрон постоянного тока, примененный для роста образ- цов, представляет собой довольно простую систему со сложной физикой протекающих процессов. Цилиндрический магнит, помещенный в капсулу магнитопровода, которая находится непосредственно под катодом, создает магнитное поле. Таким образом, комбинированная мишень, расположенная на катоде, находится в области максимума напряженности магнитного поля – между магнитопроводом и центральным цилиндрическим магнитом. Обычно выделяют три зоны магнетронного разряда: 1) вблизи катода, где ионы ускоряются и бомбардируют его (собственно мишень); 2) повышенно- го магнитного поля, где локализованы захваченные электроны; 3) между «ловушечной» областью и стенками, где ионы репродуцируются в результа- те ионизации атомов буферного газа электронным ударом. Отметим, что энергия, затрачиваемая на такую ионизацию, в несколько раз превышает по- тенциал ионизации атома. Следовательно, напряжение в области, где проте- кают ионизационные процессы с участием атомов буферного газа и элек- тронов, составляет несколько десятков электрон-вольт, что на порядок вели- чины меньше, чем напряжение в прикатодной области генерации вторичных электронов. Таким образом, основную долю энергии ионы получают в этой узкой области. В работе [8] предложена эмпирическая формула связи между напряжением разряда и кинетической энергией ионов: Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 31 0.73iE U , (1) где Ei – кинетическая энергия иона, U – напряжение разряда. Можно расширить область, в которой образуются ионы, за счет иониза- ции электронным ударом так, что число ионов на один вторичный электрон в данной области заметно превысит единицу. При этом вблизи анода воз- никнет область, похожая на положительный столб, а число электронов и ио- нов, прилипающих к стенкам, здесь будет одинаковым. Тогда при увеличе- нии напряжения выполняются условия для возникновения самоподдержи- вающегося разряда. Прикатодная область магнетрона представляет собой промежуток между «ловушечной» областью и катодом, его ширина мала по сравнению со сред- ней длиной пробега ионов. Важно, что в соответствии с характером проте- кающих в прикатодной области процессов выключение магнитного поля приведет к падению напряжения. Соответственно не будет условий для реа- лизации самоподдерживающегося разряда, т.е. разряд прекратится. Проанализируем параметры ускоряющего промежутка с точки зрения некомпенсированного ионного заряда, который создает в этом промежутке дополнительное напряжение, приводящее к повышению полного напряже- ния разряда. Используем закон трех вторых Чайлда–Ленгмюра [9–11], свя- зывающий плотность тока насыщения i, напряжение в ускоряющем проме- жутке U и его толщину L: 3/ 2 2 2 9 2 i e U i m L   , (2) где mi – масса иона. Таким образом, можно установить связь между напряжением разряда и током магнетрона, а также массой ионов буферного газа и выявить условия возникновения стационарного разряда магнетрона. Указанные условия требуют большого времени жизни магнетронной плазмы и значительного давления буферного газа (в нашем случае около 150 mTorr – почти на порядок выше, чем приведено в литературе). Эти па- раметры позволяют достичь высокой концентрации распыленных атомов в небольшой области расположения плазмы. При относительно невысокой температуре распыленных атомов создаются условия, при которых они мо- гут образовывать химические связи. Начинают протекать процессы самоор- ганизации – формирования кластеров из материала мишени. При этом через зону разряда магнетрона непрерывно прокачивается буферный газ. Скорость его прокачки мала по сравнению с тепловыми скоростями атомов самого буферного газа и атомов мишени и не оказывает влияния на концентрацию и распространение распыленных атомов. Следовательно, кластеры, образовавшиеся из материала мишени в магне- троне постоянного тока, а также из продуктов химического взаимодействия Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 32 атомов мишени и буферного газа, осаждаются на подложке. Необходимо отметить, что расстояние от зоны формирования кластеров до подложки в несколько раз больше длины свободного пробега атомов как буферного газа, так и мишени. Соответственно время жизни кластеров в свободном состоя- нии значительное, что приводит к взаимодействию между кластерами и про- теканию множества химических реакций между кластерами и буферным га- зом. Кластерные потоки непосредственно над магнетроном и у поверхности подложки могут существенно отличаться, поскольку расстояние между маг- нетроном и подложкой во многом определяет размер кластеров и плотность их потока. Необходимо учитывать, что кластерный поток в процессе осаж- дения проходит через область повышенного магнитного поля, о чем говори- лось выше. В этой области электроны, захваченные магнитным полем, обра- зуют в большом объеме пространственный заряд, втягивающий в область тепловые ионы, которые, в свою очередь, компенсируют заряд электронов. В результате взаимодействия кластеров, электронов и тепловых ионов клас- терный поток представляет собой поток разноименно заряженных частиц. При выращивании пленок нитрида углерода, легированных оксидом ев- ропия, одновременно изменяются несколько параметров роста, что сущест- венно увеличивает количество происходящих процессов. Кроме того, необ- ходимо учитывать химическое взаимодействие оксида европия и углерода. Энергия электронного удара значительно превосходит энергию, необхо- димую для ионизации или распада молекулы оксида европия. При этом мо- гут образовываться различные радикалы последней, которые при проте- кающих процессах кластеризации углерода могут одновременно иницииро- вать различные химические реакции – преимущественно реакции окисления углерода мишени кислородом примеси и восстановления углеродом мишени оксида примеси с образованием летучих продуктов: .CO3Eu4C3OEu2 .............................................. ,CO)OEu(COEu ,CO3Eu2C3OEu .............................................. ,CO)OEu(COEu 232 21232 32 2232     (3) Несмотря на то, что буферный газ непрерывно прокачивается через рабо- чий объем магнетрона, продукты химического взаимодействия композитной углеродной мишени могут не полностью выводиться из рабочего объема и будут также взаимодействовать с образующимися углеродными кластерами. Суммарно все эти взаимодействия и химические реакции оказывают травя- щее действие на углеродные кластеры и приводят к тому, что кластерный поток становится более однородным как по сечению потока, так и по разме- ру кластеров. Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 33 Заряженные разноименно практически однородные по размеру кластеры, попадая на подложку, начинают слипаться, образуя островки роста. Соот- ветственно следующий заряженный кластер, попадая на такой островок, в зависимости от своего заряда может прилипнуть к данному островку или, наоборот, будет вытолкнут за его пределы (рис. 2). Ввиду большого количе- ства кластеров на подложке образуется большое количество таких островков роста. Расстояние между ними минимально и определяется преимуществен- но величиной заряда кластеров. Конкурентные процессы массопереноса и зарядовое взаимодействие между островками приводят к тому, что притяги- вающиеся кластеры локализуются преимущественно на вершине островка, что вызывает формирование узких структур, вытянутых к свободной по- верхности роста. В дальнейшем они превратятся в наностолбы. В научной литературе отсутствуют модели роста таких пленок и теорети- ческое объяснение происходящих явлений. Поэтому данный эксперимен- тальный результат требует переосмысления процессов роста наноструктур- ных пленок нитрида углерода, получаемых методом магнетронного распы- ления. На рис. 2 представлены спектры люминесценции иона Eu +3 в чистом оксиде европия и в пленке CNx:EuyOz. Основные свойства трехва- лентных редкоземельных ионов [12–14], связанные с люминес- ценцией, определяются внутри- конфигурационными переходами между 4fn-состояниями, а также межконфигурационными перехо- дами между 4fn- и 5d-состояния- ми. Благодаря наличию у редко- земельных ионов полностью за- полненных 5s2- и 5p6-оболочек, электроны, находящиеся на уровнях 4fn-оболочки, практически полностью экранированы от влияния внешнего лигандного окружения. При этом влияние внешних 5s2- и 5p6-оболочек объясняется не столько их экранирующей ролью, сколько тем, что электро- ны 4f-оболочки имеют достаточно малый радиус волновых функций. Возбужденная смешанная конфигурация 4f ↔ n-15d в кубическом крис- таллическом поле (симметрия Oh) образуется в результате межконфигура- ционного электронного перехода из основного состояния 4fn-конфигурации в пустую 5d-оболочку редкоземельного иона. В смешанной 4fn–15d-кон- фигурации облако 5d-электрона является внешним, поэтому лигандное окружение оказывает на него сильное влияние. Переходы 4fn ↔ 4fn–15d (т.е. переходы между термами основной 4fn-кон- фигурации и смешанной 4fn–15d-конфигурации), проявляющиеся в спектрах Рис. 2. Модель островкого роста пленок CNx:EuyOz Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 34 люминесценции, по характеру резко отличаются от описанных выше пере- ходов внутри экранированной 4fn-конфигурации. Межконфигурационные переходы 4fn ↔ 4fn–15d разрешены правилом Лапорта и приводят к появле- нию широких полос в спектрах люминесценции. Кроме того, вовлечение d-электронов, имеющих большой радиус волновых функций и подвержен- ных сильному влиянию лигандного окружения, приводит к значительному смещению полос межконфигурационных переходов для разных материалов. Приведенные на рис. 3 спектры соответствуют классическому спектру трехвалентного иона европия Eu +3 . Как видим, ион европия не изменил ва- лентность, несмотря на разложение оксида европия в плазме тлеющего раз- ряда магнетрона постоянного тока и на химические взаимодействия с про- дуктами распыляемой мишени и буферной атмосферой. Рис. 3. Спектры люминесценции иона Eu +3 в чистом оксиде европия (---) и в пленке CNx:EuyOz (—) На рисунке видны смещение линий люминесценции иона европия в плен- ке относительно таковых у чистого оксида европия и большая разница ам- плитуд этих линий. Первое объясняется действием механических напряже- ний в матрице. Это характерно для углеродных материалов, поскольку угле- род обладает большой вариабельностью одновременно существующих структур и соответственно гибридизаций. Несовпадение размеров различ- ных структур и приводит к сильным механическим напряжениям. Действи- тельно, на ПЭМ-изображениях виден пучок наноколонн, расширяющийся к поверхности пленки. Вероятно, он мог бы иметь одинаковую ширину по всей длине, если бы не влияние соседних пучков в глубине пленки. На смещение линий люминесценции иона европия большое влияние ока- зывает также его лигандное окружение. Химический анализ пленки показал присутствие кислорода в составе образца. Необходимо обратить внимание на ширину полос соответствующих переходов – она практически (на уровне ошибки измерения) не поменялась, что означает неизменность лигандного Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 35 окружения иона европия как в чистом оксиде, так и в пленке. С учетом вы- шеописанных процессов роста пленки, с высокой вероятностью кислород состоит в ближайшем окружении иона европия. Отмеченную большую разницу амплитуд линий люминесценции можно объяснить поглощением в пучках наноколонн вследствие развитой структу- ры пленки и обменным взаимодействием между наноколоннами. Тем не ме- нее большая амплитуда одного из термов перехода 5 D0– 7 F4 по отношению к соответствующему терму чистого оксида европия может быть связана с не- известным резонансным процессом в пленке. Учитывая литературные дан- ные и особенности спектра люминесценции чистого оксида европия, можно предположить, что на этот резонансный процесс оказывает влияние нано- структура пленки. Представленные объяснения нельзя считать исчерпывающими. Требуется проведение дополнительных исследований спектральных характеристик люминесценции пленок CNx:EuyOz. Выводы 1. Обнаружено, что валентность иона европия не изменяется при легиро- вании в процессе роста пленки нитрида углерода, получаемой с помощью магнетрона постоянного тока. 2. Установлено, что спектр люминесценции пленки CNx:EuyOz соответ- ствует спектру иона европия Eu +3 . 3. Выявлен резонансный процесс, вероятно, обусловленный нанострукту- рой пленки CNx:EuyOz и влияющий на люминесценцию иона европия Eu +3 . 4. Установлено, что в лигандное окружение иона европия с высокой веро- ятностью входит кислород. 1. А.Л. Бучаченко, Успехи химии 72, 419 (2003). 2. Л.М. Бронштейн, С.Н. Сидоров, П.М. Валецкий, Успехи химии 73, 542 (2004). 3. Ю.Д. Третьяков, А.В. Лукашин, А.А. Елисеев, Успехи химии 73, 974 (2004). 4. E.I. Shemchenko, K.V. Gumennyk, V.V. Rumyantsev, Journal of Nanoscience with Advanced Technology 1, № 1, 1 (2015). 5. Н.С. Полуэктов, Л.И. Кононенко, Н.П. Ефрюшина, С.В. Бельтюкова, Спектро- фотометрические и люминесцентные методы определения лантаноидов, Науко- ва думка, Киев (1989). 6. С. Паркер, Фотолюминесценция растворов, Мир, Москва (1972). 7. K. Ohno, F.J. Heremans, C.F. de las Casas, B.A. Myers, B.J. Aleman, A.C. Bleszynski Jayich, D.D. Awschalom, Appl. Phys. Lett. 105, 052406 (2014). 8. M.J. Goeckner, J.A. Goree, T.E. Sheridan, Jr, IEEE. Trans. Plasma Sci. 19, 301 (1991). 9. H. Haberland, B. von Issendorff, Ji. Yufeng, T. Kolar, Phys. Rev. Lett. 69, 321 (1992). 10. H. Haberland, M. Karrais, M. Mall, Y. Thurner, J. Vac. Sci. Technol. A10, 3266 (1992). Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 36 11. H. Haberland, Z. Insepov, M. Karrais, M. Mall, M. Moseler, Y. Thurner, Mater. Sci. Eng. B19, 31 (1993). 12. М.А. Ельяшевич, Спектры редких земель, Гостехтеоретиздат, Москва (1953). 13. А.С. Марфунин, Введение в физику минералов, Недра, Москва (1974). 14. А.С. Марфунин, Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в ми- нералах, Недра, Москва (1975). E.I. Shemchenko, V.I. Kirichenko, A.N. Gangalo LUMINESCENCE AND A MODEL OF GROWTH OF THE NANOCOLUMNAR FILMS OF CNx:EuyOz OBTAINED WITH USING A DIRECT CURRENT MAGNETRON The carbon nitride films doped by europium oxide CNx:EuyOz produced with the use of a dc-magnetron are tested. A model of the film growth is suggested. The study of the lumi- nescence spectrum of the film is carried out and the accordance of the spectrum with the luminescence of the Eu+3 ion is demonstrated. It is found that the valence of the ion is not modified in the course of the film growth. Oxygen is very likely present in the ligand en- vironment. An assumption about resonance effect of the film structure on the lumines- cence of the Eu +3 ion is made. Keywords: carbon nitride, film, luminescence, europium ion, nanostructure, nano- columns Fig. 1. Characteristic TEM images of the CNx:EuyOz films: а – face end of the film (the film surface is at the upper left-hand corner, the substrate surface is at the bottom right- hand corner); б, в – single strands of nanocolumns eliminated from the film massif at var- ied magnifications Fig. 2. Model of island-type growth of the CNx:EuyOz films Fig. 3. Luminescence spectra of the Eu+3 ion in pure europium oxide (---) and in the CNx:EuyOz film (—) Материалы и методика эксперимента Результаты и обсуждение Выводы

Люминесценция и модель роста наноколонарных пленок CNx:EuyOz, полученных на магнетроне постоянного тока

Institution

Similar Items