«Разработка технологии изготовления структур стекло / железо / полидифениленфталид / железо с контролируемой толщиной металлического и полимерного слоев» - Дипломная работа

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 3

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 5

1.1. Классификация полимерных материалов 5

1.2. Электроника широкозонных полимеров с тонким слоем. 7

1.3. Описание полидифениленфталида 10

1.4. Свойства тонких металлических пленок 11

1.5. Вентильные структуры 14

Глава 2. МЕТОДИКА И ПРИБОРЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 16

2.1. Метод нанесения полимерных слоев 16

2.2. Устройство и работа вакуумного поста ВУП – 5 17

2.2.1. Схема вакуумного поста 19

2.2.2. Работа вакуумного поста 20

2.3. Изготовление металлических электродов 23

Глава 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ 25

3.1. Характеристика полимерных пленок. 26

3.2. Исследования поверхности и толщины пленок 29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33

ЛИТЕРАТУРА 34

Введение

Прогресс в оптоэлектронике и микроэлектронике, оптике и во многих других областей техники связан с развитием технологий тонких пленок [1]. В настоящее время степень развития науки, а также техники требует высокого качества пленок, целесообразность использования их специальных свойств. Удельная проводимость, особенности структуры, качество поверхности, устойчивость свойств веществ с течением времени [13] – это все играет важную роль для определения качеств изучаемого образца. Нанотехнологии, которые стремительно развиваются на наших глазах дает толчок на исследование структур и свойств пленок, толщина этих структур составляет от одного до десяти нанометров. Также сейчас активно изучается аморфное свойство вещества. В частном случае, электрические параметры пленок, например удельная проводимость, как правило, много меньше, чем у пленок, которые имеют структуру кристалла. Это связано с длиной свободного пробега электронов и уменьшением концентрации свободных электронов [15]. А также удельная проводимость – это один из основных параметров, которая определяет электродинамические свойства тонкопленочных структур. На сегодняшний день тонкие пленки применяются в различных областях промышленности, к примеру в производстве приборов оптического назначения, в микроэлектронике (пленочные активные и пассивные элементы) и в приборостроении авиакосмических аппаратов (поверхностные пленки используются для регулировки температуры спутников) [16].

В настоящей работе была поставлена задача получить структуру железо / полидифениленфталид (ПДФ) / железо, пригодную для оптических исследований. Для таких исследований структур, содержащих слой полимера с широкой запрещенной зоной, требуется создание образцов с тонким (менее 10 нм) слоем железа. Кроме того, слой полимера также должен быть менее 10 нм, причем требуется ряд толщин от 2 до 10 нм. Слой железа, напыленный на полимер сверху также должен не превышать 10 нм. То есть, толщина структуры должна быть менее 30 нм.

Актуальность работы: гетероструктуры на основе полимерных диэлектриков типа металл / полимер / металл могут работать как спиновые клапаны.

Особенно важно добиться управляемых свойств в подобных структурах.

Цель работы: добиться возможности управляемого получения структур типа спинового вентиля в лабораторных условиях с целью исследования их магнитных качеств.

Магнитные свойства структур исследуются на кафедре магнетизма МГУ.

Задачи: 1. Определить условия для осаждения в вакууме пленок железа контролируемой толщины.

2. Определить условия нанесения на железо методом центрифугирования тонких слоев полимера.

3. Модифицировать производство образцов в соответствии с возникающими задачами в процессе исследования их магнитных свойств.

Выдержка из текста работы

Глава 2. МЕТОДИКА И ПРИБОРЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Метод нанесения полимерных слоев

Полимерные слои изготавливались методом центрифугирования. Для образцов спинового вентиля стеклянную подложку очищали от загрязнений этиловым спиртом и помещали в ультразвуковую ванну на 2 минуты для окончательной очистки в дистиллированной воде. На очищенную стеклянную подложку наносились электроды методом термодиффузионного напыления (методика изготовления электродов описана в пункте 2.4). После этого на экспериментальный образец наносилось небольшое количество раствора полимера (в качестве растворителя использовался циклогексанон) с помощью автоматической пипетки переменного объема (Biotech), а затем помещали в центрифугу на 2-4 минуты для равномерного распределения растворенного полимера при скорости вращения 1500 об/мин.

Для асимметричного образца массивную подложку (поликристаллический Ni) очищали от загрязнений толуолом, затем протирали поверхность этиловым спиртом и только после этого помещали в ультразвуковую ванну. Полимерные слои наносились так же, как и для образцов спинового вентиля.

Затем подложка с полимером сушилась на воздухе при комнатной температуре в течение 15-20 минут и затем помещалась в сушильный шкаф на 40 минут при температуре 150 ºC для полного удаления остатков растворителя. Согласно работе [7] после такой процедуры в полимерной пленке остается не более 1% растворителя. Толщины полимерных пленок составляли 70 нм, 75 нм, 80 нм, 100 нм и оценивалась с помощью профилометра контактного -130, с погрешностью измерений 8 нм.

2.2. Устройство и работа вакуумного поста ВУП – 5

Данная установка состоит из четырех составляющих блоков:

1. Основной блок [19] имеет металлический корпус. Блок ВУП-5 устанавливается на полу, вакуумный колпак установлен на верхней панели данного блока. Внутри блока находятся съемные блоки, которые имеют источник питания и электронные платы, а также располагается диффузионный насос. Диффузионный насос в установке охлаждается с помощью водяного контура. Открытием металлических дверок можно увидеть внутреннее содержимое блока.

2. Существует управляющий блок с пультом ДУ. Данный блок включает в себя органы, которые управляют установкой, кнопки запускающие форвакуумный механический насос и включающее питание.

3. Вакуумметр ионизационно – термопарный устанавливается на верхнем панельном блоке управления. Данный прибор осуществляет контроль степени вакуума в системе во время работы установки.

4. Насос форвакуумный 2НВР – 5АМ. Прибор имеет закрытый металлический корпус. Находится на полу за основным блоком. Данный форвакуумный насос служит для предварительной откачки воздуха из вакуумной системы.

«ВУП – 5» - это функционально законченное устройство в защитном заземленном металлическом корпусе.

При работе на ВУП – 5 возможны вредные и опасные факторы - большое значение напряжения в электрической цепи, который может замкнуть тело человека. Чрезмерная загазованная рабочая зона.

Для того чтобы защитить человека [19] от поражения электрическим током все приборы установки и токоведущие части сделаны в закрытом исполнении. Приборы и корпус установки заземлены. Чтобы предотвратить повышенную загазованность рабочей зоны существует уличный выхлоп, который идет с форвакуумного насоса в виде резинового шланга.

В лаборатории запрещается хранить горючие, легковоспламеняющиеся жидкости и газы, взрывчатые вещества.

Требования безопасности перед началом работы. Следует провести наружний осмотр [19] установки ВУП – 5 и нужно проверить оборудования на исправность.

Проверить заземлена ли данная установка, проводную электроизоляцию.

Обследовать работу вакуумной и электрической блокировок.

Проверить циркулирует ли холодная вода в контур, который охлаждает диффузионный насос.

Требования безопасности во время работы с ВУП – 5. Следует пользоваться инструкцией по эксплуатации ВУП – 5. Запрещается без наблюдения оставлять включенную вакуумную установку.

Запрещается работать на установке или ремонтировать его, если снят кожух какого - либо прибора и в отсутствии заземления.

Перед ремонтом или чисткой установки нужно убедиться, что он полностью отключен от питающей сети. Необходимо пользоваться индивидуальными средствами защиты для безопасной работы на установке.

Такие средства защиты как [19] диэлектрические перчатки, диэлектрический коврик, который устанавливается перед установкой, инструменты для ремонта с изолированными рукоятками.

Требования безопасности по окончании работ. После окончания работы на ВУП – 5 нужно отключить установку от питающей сети, в том порядке как описано на инструкции по эксплуатации.

Следует отключить рубильник, который питает установку и закрыть кран подачи воды в контур охлаждающий диффузионный насос.

Необходимо привести в порядок [19] рабочее место. Уходя из рабочего помещения выключить рубильник, питающий рабочую комнату и выключить свет.

Если обнаружены недостатки во время работы в помещении, следует сообщить заведующему лабораторией.

Заключение

В результате проделанной работы были получены 40 образцов типа стекло / железо (сталь) / полимер / железо (сталь) и типа стекло / железо (сталь) / полимер. Полученные образцы переданы на кафедру магнетизма МГУ для дальнейшего исследования. На образцах № 1, 2 и 9 петли гистерезиса были измерены. На образцах № 3. 4 и 5 сигнал отсутствует. Причины разного магнитного состояния образцов установлены: это наличие паразитных магнитных полей в лаборатории. Для дальнейших партий образцов проводился учет внешних магнитных полей.

Образцы партии 2 не проявляли магнитных свойств вследствие малой толщины слоя железа. Образцы партии 3 содержали в основном двухслойные структуры типа железо/ полимер. В партии 4 удалось выполнить все пожелания коллег из МГУ.

Можно утверждать, что создана технология и определены условия для контролируемого получения многослойных структур типа металл / полимер / металл, которые можно использовать как в исследовательских целях, так и в рамках создания новых технологий и внедрения инноваций на основе полимеров с широкой запрещенной зоной.

Список литературы

1. Абелес, Ф. Физика тонких пленок. [Текст]/ Т. 6. М.: Мир, 1973.

2. Андриенко, А.С. Магнитные свойства аморфных сплавов редкоземельных металлов с переходными металлами [Текст] / Андриенко А.С. Никитин С. А // УФН. 1997. Т. 167 №6. С. 605.

3. Антонец, И.В. [Текст] / Антонец И.В., Котов Л.Н, Некипелов С.В, Голубев Е.А. Особенности наноструктуры и удельной проводимости тонких пленок различных металлов // ЖТФ. 2004. Т.74, №3. С.24-27.

4. Берлин, Ю.А О возможном механизме аномально высокой проводимости тонких пленок диэлектриков [Текст] / Берлин Ю.А. и др. ДАН СССР, сер Физ. Химия. 260 (6) 1386 (1981)

5. Бэк, Г. Металлические стекла [Текст] / Бэк Г., Гюнтеродт Г. Й. М.: Мир, 1983. 454 с.

6.Воробьева, Н.В. Процессы намагничивания и перемагничивания. Магнитные наноструктуры: учеб. пособие [Текст] / Воробьева Н.В., Лачинов А.Н. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2011. – 40 с.

7. Гленг, Р. Технология тонких пленок [Текст] / Гленг Р., Елинсон М.И., Смолко Г.Г. М. Сб. статей / под ред Майссела,.: Cов. Радио, 1977.

8. Гусев, С.А. Коллективные эффекты в искусственных двумерных решетках ферромагнитных наночастиц [Текст] /Гусев С.А., Ноздрин Ю.Н., Сапожников М.В., Фраерман А.А. УФН 170, 331 (2000).

9. Ениколопян, Н. С. Аномально низкое электрическое сопротивление тонких пленок диэлектриков [Текст] / Ениколопян Н.С. и др. Письма в ЖЭТФ 33 (10) 508 (1980)

10. Ениколопян, Н. С. Новое высокопроводящее состояние композиций металл полимер [Текст] / Ениколопян Н.С. и др. ДАН СССР, сер Физ. Химия. 258 (6) 1400 (1981)

11. Кулаков, А.Б. Коэрцитивность гомогенизированных ансамблей анизотропных наночастиц gamma -Fe2 O3, [Текст] /Кулаков А.Б., Лаврентьев И.П., Петинов В.И. //. ЖТФ. 2011. Т. 81. Вып. 2. С. 82–87.

12. Лачинов, А. Н. Особенности гигантского магнитосопротивления в системе ферромагнетик - полимер [Текст] / Лачинов А.Н., Воробьева Н.В., Лачинов А.А. Письма в ЖЭТФ, т. 84, вып. 11, стр. 720-722, 2006.

13. Лесник, А.Г. Наведенная магнитная анизотропия. Наук. дум., Киев. (1975). 163 с.

14. Левченко, В.Д. Фазовая диаграмма магнитных структур [Текст] / Левченко В.Д., Морозов А.И., Сигов А.С. ЖЭТФ 121, 1149 (2002).

15. Морозов, А.И. Магнитная фазовая диаграмма спин-вентильной структуры с антиферромагнитным оксидным слоем [Текст] / Морозов А.И., Морозов И.А. ФТТ, 2011, том 53, выпуск 1 с. 58.

16. Морозов, А.И. Магнитная фазовая диаграмма двухслойной системы ферромагнетик--антиферромагнетик с шероховатой границей раздела [Текст]/ Морозов А.И., ФТТ 50, 675 (2008).

17. Морозов, А.И. Фрустрированные многослойные структуры ферромагнетик-антиферромагнетик: выход за рамки обменного приближения [Текст] / Морозов А.И., Сигов А.С. ФТТ 54, 209 (2012).

18. Покатилов, В.С. Исследование мультиферроика BiFe03 методом ядерного магнитного резонанса и эффекта Мёссбауэра на ядрах 57Fe

[Текст] / Покатилов В.С., Сигов А.С., Покатилов В.В., Коновалова А.О. Изв. РАН. Сер. физ. 74, 1166 (2010)

19. Филиппов, Б.Н. Неоднородности поля анизотропии и их влияние на стохастическую магнитную структуру [Текст] / Филиппов Б.Н., Корзунин Л.Г. ФММ 75, 49 (1993).

20. Фридман, Ю.А. Магнитная фазовая диаграмма спин-вентильной структуры с антиферромагнитным оксидным слоем [Текст] / Фридман Ю.А., Космачев О.А. ФТТ 51, 1104 (2009).

21. Чопра, К. Л. Электрические явления в тонких пленках (М.: Мир, 1972)