X-ray photoelectron study of ion implanted tetrahedral Ccarbon

• Autorzy: Tsvetkova T. , Berova M. , Sandulov M. , Avramova I. , Boettger R. , Bischoff L.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2016.08.16

Warianty tytułu

PL

Rentgenowskie badania fotoelektronowe węgla tetraedralnego poddanego implantacji jonowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Samples of thin film (d~40nm) tetrahedral amorphous carbon (ta-C), deposited by filtered cathodic vacuum arc (FCVA), have been implanted with N+ and Ga+ at ion energy E = 20 keV and ion fluences D = 3.1014÷3.1015 cm-2. This results in optical properties modification, best manifested by a significant shift of the optical absorption edge to lower photon energies, which is accompanied by a considerable increase of the absorption coefficient (photo-darkening effect) in the measured photon energy range (0.5÷3.0 eV). These effects could be attributed both to additional defect introduction and increased graphitization, as confirmed by X-ray photo-electron spectroscopy (XPS) measurements. The nonimplanted films show the expected variety of carbon-carbon chemical bonds: three- and fourfold coordinated carbon, while the X-ray results show that ion implantation leads to the introduction of additional disorder in the films. The X-ray photoelectron spectra of the implanted films show that, in addition to the already mentioned changes, the ion bombardment results in an increase of the threefold coordinated as compared to the fourfold coordinated carbon bonds, i.e. increased graphitization of the carbon content in the films. These structural modifications, due to the ion implantation, are the reasons for the observed changes in the optical properties of the films, which could be made use of in the area of high-density optical data storage using focused Ga+ ion beams.

PL

Próbki cienkiej folii (d~40nm) tetraedrycznego amorficznego węgla (ta-C), napylanego za pomocą przefiltrowanego katodowego łuku próżniowego (FCVA), zaimplantowano N+ oraz Ga+ z energią jonów E = 20 keV oraz dawkami jonowymi D = 3.1014÷3.1015 cm-2. Skutkuje to zmianą właściwości optycznych, szczególnie znacznym przesunięciem optycznej krawędzi absorpcji do poziomu niższych energii fotonów, czemu towarzyszy znaczny wzrost wartości współczynnika absorpcji (efekt foto-zaciemnienia) dla zakresu energii fotonów (0.5÷3.0 eV). Efekty te mogą być przypisane zarówno do wprowadzania dodatkowych defektów jak i zwiększonej grafityzacji, co potwierdzono metodą rentgenowskiej spektroskopii foto-elektronowej (XPS). Folie nieimplantowane demonstrują oczekiwaną różnorodność wiązań chemicznych węgiel-węgiel: trzy I czterokrotnie skoordynowanego węgla, podczas gdy wyniki badań rentgenowskich wykazali, że implantacja jonowa prowadzi do wprowadzenia dodatkowych zaburzeń w foliach. Rentgenowskie widma fotoelektronowe implantowanych folii wykazują, że dodatkowo do wcześniej wspominanych zmian dochodzi wzrost trzykrotnie skoordynowanej krawędzi w wyniku bombardowania jonowego w porównaniu do czterokrotnie skoordynowanej krawędzi węgla, oznacza to wzrost grafityzacji zawartości węgla w foliach. Takie zmiany strukturowe, ze względu na implantację jonową, są rezultatem obserwowanych zmian właściwości optycznych próbek, które mogłyby być wykorzystywane do optycznego przechowywania danych za pomocą skupionych wiązek jonowych Ga+.

Słowa kluczowe

EN

tetrahedral amorphous carbon; Focused Ion Beam; optical data storage

PL

tetraedryczny amorficzny węgiel; skupione wiązki jonów; optyczne przechowywanie danych

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 92, nr 8
• Strony: 59--61
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tsvetkova T.

• Institute of Solid State Physics, Bulgarian Academy of Sciences, 72 Tzarigradsko Chaussee, 1784 Sofia, Bulgaria

autor

Berova M.

• Institute of Solid State Physics, Bulgarian Academy of Sciences, 72 Tzarigradsko Chaussee, 1784 Sofia, Bulgaria

autor

Sandulov M.

• Institute of Solid State Physics, Bulgarian Academy of Sciences, 72 Tzarigradsko Chaussee, 1784 Sofia, Bulgaria

autor

Avramova I.

• Institute General and Inorganic Chemistry Acad.G.Bonchev Str., 1113 Sofia, Bulgaria

autor

Boettger R.

• Institute of Ion Beam Physics and Materials Research, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, P.O.B. 51 01 19, 01314 Dresden, Germany

autor

Bischoff L.

• Institute of Ion Beam Physics and Materials Research, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, P.O.B. 51 01 19, 01314 Dresden, Germany

Bibliografia

• [1] McKenzie D.R., Muller D., Pailthorpe B.A., Compressive-stressinduced formation of thin-film tetrahedral amorphous carbon , Phys. Rev. Lett. 67, 773 (1991).
• [2] Fallon P.J., Veerasamy V.S., Davis C.A., Robertson J., Amaratunga G.A.J., Milne W.I., Koskinen J., Properties of filtered-ion-beam-deposited diamondlike carbon as a function of ion energy, Phys. Rev. B 48, 4777 (1993).
• [3] Friedmann T.A., McCarty K.F., Barbour J.C., Siegal M.P., Dibble D.C., Thermal stability of amorphous carbon films grown by pulsed laser deposition, Appl. Phys. Lett. 68, 1643 (1996).
• [4] Lifshitz Y., Kasi S.R., Rabalais J.W., Subplantation model for film growth from hyperthermal species: Application to diamond, Phys. Rev. Lett. 62, 1290 (1989).
• [5] Silva S.R.P., Xu S., Tay B.K., Tan H.S., Scheibe H.J., Chhowalla M., Milne W.I., The structure of tetrahedral amorphous carbon thin films, Thin Solid Films 290–291, 317 (1996).
• [6] Veerasamy V. S., Yuan J., Amaratunga G., Milne W. I., Gilkes K. W. R., Weiler M., Brown L.M., Nitrogen doping of highly tetrahedral amorphous carbon, Phys. Rev. B 48, 17954 (1993).
• [7] J. Robertson, Hard amorphous (diamond-like) carbons, Prog. Solid State Chem. 21, 199 (1991).
• [8] Xu S., Flynn D., Tay B.K., Prawer S., Nugent K.W., Silva S.R.P. , Lifshitz Y., Milne W.I., Mechanical properties and Raman spectra of tetrahedral amorphous carbon films with high sp3 fraction deposited using a filtered cathodic arc, Philos. Mag. B 76, 351 (1997).
• [9] Ruttensperger B., Krötz G., Müller G., Derst G., Kalbitzer S., Crystalline-amorphous contrast formation in thermally crystallised SiC, J Non-Cryst Solids 137-138, 635 (1991).
• [10] Müller G., The contribution of ion-beam techniques to the physics and technology of amorphous semiconductors, Nucl Instrum Methods B 80-81, 957 (1993).
• [11] Kalbitzer S., Novel concepts for mass storage of archival data, Nucl Instrum Methods B 218, 343 (2004).
• [12] Tsvetkova T., Ion beam modification of amorphous siliconcarbon alloys, in: Beam Processing of Advanced Materials, Eds. J. Singh, S. Copley, J. Mazumder, ASM International, Metals Park 1996, p. 207.
• [13] Tsvetkova T., Takahashi S., Zayats A., Dawson P., Turner R., Bischoff L., Angelov O., Dimova-Malinovska D., Near-field optical mapping of ion-implanted patterns fabricated in amorphous silicon carbide, Vacuum 79, 94 (2005).
• [14] Tsvetkova T., Takahashi S., Zayats A., Dawson P., Turner R., Bischoff L., Angelov O., Dimova-Malinovska D., Fabrication of nano-scale optical patterns in amorphous silicon carbide with focused ion beam writing, Vacuum 79, 100 (2005).
• [15] Takahashi S., Dawson P., Zayats A.V., Bischoff L., Angelov O., Dimova-Malinovska D., Tsvetkova T., Townsend P.D., Optical contrast in ion-implanted amorphous silicon carbide nanostructures, J Phys D: Appl Phys 40, 7492 (2007).
• [16] Bischoff L., Teichert J., Kitova S., Tsvetkova T., Optical pattern formation in a-SiC:H films by Ga+ ion implantation, Vacuum 69, 73 (2003).
• [17] Tsvetkova T., Angelov O., Sendova-Vassileva M., Dimova- Malinovska D., Bischoff L., Adriaenssens G.J., Grudzinski W., Zuk J., Structural and optical properties modification of a-SiC:H by Ga+ ion implantation, Vacuum 70, 467 (2003).
• [18] Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U., The Stopping and Range of Ions in Matter, Vol.1, Pergamon, New York (1985).
• [19] Yan X.B., Xu T., Yang S.R., Liu H.W.., Xue Q.J, Characterization of hydrogenated diamond-like carbon films electrochemically deposited on a silicon substrate, J. Phys. D: Appl. Phys. 37, 2416 (2004).
• [20] Sandulov M., Berova M., Tsvetkova T., Zuk J., Ion beam induced darkening in tetrahedral amorphous carbon thin films, Acta Physica Polonica A, in press.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.