МЕХАНИЗМ РОСТА КРИСТАЛЛИТОВ ФУЛЛЕРИТА В ПЛЕНКАХ Sn - C60

Кристаллы в форме нитей и волокон, встречающиеся в природе, давно привлекали людей своим необычным внешним видом. В разное время и в разных местах были найдены кристаллические иглы, волокна, нити различных силикатов, карбонатов, сульфидов, оксидов, сульфатов, фосфатов и многих других химических веществ. Самопроизвольный рост нитевидных кристаллов (названных вискерами или усами) был обнаружен и в искусственно созданных приборах на основе олова в первой половине прошлого столетия.

Известно, что нитевидные кристаллы металлов с низкой температурой плавления (Sn, Cd, Zn, Sb, In и другие) способны расти на тонких слоях металла без всякого постороннего воздействия при комнатной температуре. Фуллерит является кристаллом с низкой температурой сублимации (650 К), поэтому самопроизвольный рост нитевидных кристаллов фуллерита возможен при комнатной температуре. В работах [1-2] автором случайно обнаружено образование цветкоподобных образований на поверхности пленок олово - фуллерит и хром - фуллерит, хранившихся в эксикаторах более двух лет.

Целью настоящей работы является определение инкубационного периода и установление механизма роста кристаллитов фуллерита в пленках олово - фуллерит.

Пленки получены методом термического испарения в вакууме. На подложку из окисленного монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) сначала осаждалась пленка фуллерита толщиной 300 нм, затем слой олова различной толщины (d = 50, 100, 200 и 300 нм). Топография поверхности образцов исследовалась на сканирующем зондовом микроскопе "Solver P47 - PRO" в полуконтактном режиме. Фазовый состав пленок контролировался с помощью дифрактометра "ДРОН‑4.13" в медном Кa - излучении. Структура пленок исследовалась на растровом электронном микроскопе "LEO - 1455 VP" при ускоряющем напряжении 20 кВ.

Свежеприготовленные пленки фуллерита имеют гранулированную структуру со средним размером гранул 80 нм (рис.1 а), при этом средняя арифметическая шероховатость поверхности, измеренная методом АСМ, составляет 3 нм. Размер зерен олова, осажденного на С60, зависит от толщины пленки: при конденсации на фуллеритовый слой олова толщиной 50 нм и 100 нм формируется островковая пленка. Пленки толщиной 200 и 300 нм осаждаются в виде сплошного поликристаллического слоя, образуя продолговатые зерна длиной 300¼600 нм (рис 1 б). Средняя арифметическая шероховатость поверхности пленки Sn составляет 20 нм.

На рентгенограммах свежеприготовленных пленок C60 (d = 300 нм) - Sn (d = 200 нм) олово представлено узкими интенсивными линиями, которые индицируются в тетрагональной сингонии (рис.2). При конденсации на фуллеритовый слой в пленке олова возникают внутренние механические напряжения, обусловленные несоответствием параметров решеток контактирующих материалов (фуллерита и олова), различием коэффициентов термического расширения (aС60 = 40×10-6 К-1, aSn = 30×10‑6 К‑1) и структурными дефектами. В области малых углов на рентгенограмме наблюдается гало, образованное рефлексами, соответствующими отражениям от плоскостей гексагональной решетки фуллерита с параметрами а =1,0020 нм, с = 1,6381 нм.

В слое фуллерита присутствуют напряжения сжатия, о чем свидетельствует смещение центра тяжести рефлексов из положения равновесия в сторону больших углов.

 

а                          б

Рис.1. ............