热影响结构的银离子交换碱石灰眼镜和Aluminum-Doped氧化锌薄膜

文摘

热处理常用设备处理期间为了实现特定功能的设备。如何将一系列热处理应用于实现这个目标可以在文献中找到。然而,治疗后设备的特定属性更强调结构的细节修改的工业应用。本文旨在说明由于热处理的基本结构的变化导致所需的物理特性的设备。两个研究案例、银离子交换钠钙玻璃和铝掺杂氧化锌(偶氮)电影,说明。化学状态的变化,结构修改期间和热处理后探索。通过了解金属Ag)形成和积累在退火过程中,最佳的热处理发展适当的大小和密度银量子点的电影是有可能的。退火后影响偶氮电影表明结晶度,峰的位置变化,退火后晶粒尺寸改变。说明这两种情况表明热诱导化学状态的变化,应力释放,原子的重排在退火后材料。

1。介绍

热处理通常用于改变金属的特性,如软化或硬化,减轻内部压力和修改粮食结构(1]。热处理还广泛应用于半导体和光电设备。例如,为了激活超低能量的电特性离子注入硅体和受体,再结晶造成的损坏的硅晶体离子注入(2,保持浅掺杂剂深度剖面类似于as-implanted概要,随后快速热退火,在斜坡率高(400°C / s),短时间内(< 1),高温(> 1000°C)退火是必需的(3]。另一个例子是使用热处理形成量子点/纳米晶体在采用金属离子植入后,SiO₂和Si (4- - - - - -6]。此外,量子点的大小和密度在影片中是密切相关的退火温度(7]。尽管有很多的报道在不同的材料、热处理设备的特定属性的治疗后比结果更强调结构修改的工业应用。

化学状态的金属原子在光学材料在光学性质起着重要的作用,因为他们控制电子的极化率metal-ligand矩阵下曝光,因此,材料的折射率是深受他们的影响。他们还表明,金属原子形成不同的债券,其邻近的原子(8]。结果,本文的结构修改,也就是说,化学的Ag Ag)离子交换钠钙玻璃和偶氮结构的电影进行了x射线光电子能谱(XPS)、x射线衍射仪(XRD)期间及之后的热处理。

2。实验

2.1。银离子交换碳酸钙玻璃

银离子交换钠钙玻璃是由使用商用碳酸钙玻璃(SiO 72.6%₂,15.4%的钠₂分别以曹啊,6.3%,3.87%,1.63%₂O₃,0.2%的铁₂O₃)淹没成熔融AgNO₃盐在450°C 45分钟。样本检验的XPS分析优秀的φ560型系统。x射线是Mg Kα线(1253.6 eV),由15千伏电子影响镁阳极的功率300 W,作为激励源。通过能量被设定为25电动车提供0.5 eV决议。离子交换玻璃的热处理样品加热器是通过使用一个按钮下面的金属板安装示例。样品加热增加50°C到450°C,和收集的光电子是双向柱面镜能量分析仪在不同样品的温度。样品的时间举行每个温度是30分钟允许XPS数据的收集。为了单独的金属从Ag3d XPS峰值状态,研究了纯金属银箔原生氧化前后2.8 kev氩离子溅射XPS 1 h。一旦光谱溅射金属银和氧化银的研究已经获得,曲线拟合技术应用于解决金属和氧化状态Ag3d Ag)的光谱。XPS谱的峰值位置的结合能发出光电子代表一定的化学状态。的相对表面浓度计算元素的化学状态的综合XPS峰面积与原子敏感性因素考虑在内。由于表面结合能的校准收费甚至在表面是由低能量电子中和洪水枪,类似于其他研究人员(9),通过假设的结合能外源碳1 s光电子位于284.6 eV。

2.2。Aluminum-Doped氧化锌薄膜

离子束溅射沉积的装置(IBSD)系统包括一个离子源用于生产的高能离子束溅射金属材料从目标然后金属氧化物沉积到衬底在氧气气氛。这个系统的离子源是由Veeco公司配备3厘米直径钼网格。IBSD设置以前发表的细节(10]。99.99%的高纯度锌和铝金属目标具有相同尺寸的并排安装在一个水冷铜块如图所示在我们之前出版11]。入射角离子束与靶表面的正常45°。

安装前基质和泵送系统B270玻璃基板被酒精超声波清洁打扫,氮气吹干。室是低温泵基础的压力托。目标是清理原位由离子束与快门覆盖衬底30分钟。离子束电压与离子束电流保持在1000 V 20 mA在沉积。氩被送入离子源为工作气体和氧气送入室内的分压托我们之前检查的沉积氧化锌薄膜的研究(12]。室的总压强是维护托。偶氮薄膜沉积到B270玻璃基板在室温下。

通过调整两个目标的位置对氩离子束,铝和锌的相对浓度控制的电影气急败坏的面积比铝锌的目标。as-deposited偶氮膜在空气中退火在100年,200年,300年和400°C。x射线衍射(XRD)仪(Rigaku Multiflex)铜Kα线(1.54055)被用来检查退火后的薄膜的结构。相邻之间的d-spacing水晶飞机,晶粒大小在影片中,压力从衍射角度推导了电影和半宽度(应用)的衍射峰。

3所示。结果与讨论

3.1。银离子交换碳酸钙玻璃

一系列的原位XPS谱下加热如图1(一)-1扫描(f),其中每个XPS光电子的结合能的范围从379年到363年电动汽车在样品温度范围从20到450°C。元素的核心级光电子的起源是标记在每一个峰值的位置。银的结合能不仅高峰不断转变,而且峰值变化的线形状随着加热温度的增加。

为了研究银的化学状态在加热期间,一个纯粹的银箔与原生氧化离子溅射和XPS研究了。与氧化银银的XPS谱图所示2(一)氧化银被发现的地方。只有金属银的XPS谱后1 h (2.8 keV氩离子溅射图所示2(b)。应用的结合能和氧化银,和Ag3d金属银_5/2和3 d_3/2表列出了山峰1。Ag3d的应用_3/2和3 d_5/2峰金属银1.51 eV和1.55 eV,和Ag3d_3/2和3 d_5/2山峰的氧化银1.62和1.68 eV。很明显,金属银的线宽小于氧化银,和金属银的结合能是大约0.6 eV高于氧化银,与文献中的结果一致(13]。通过比较数据列在表中1和图1,很清楚地看到,金属银表面上逐渐增加,在热处理成为占主导地位的国家。换句话说,更多的Ag-O债券打破和金属银表面热处理过程中形成的。

Ag)°,金属和氧化银、Ag)⁺组件在Ag3d光谱图所示1是分解通过使用最好的高斯曲线拟合程序。银的两个化学状态,Ag)°和Ag)⁺,从溅射获得结果表1被用作指导符合光谱。相对Ag)包括总浓度、氧化和金属Ag)在加热计算和绘制在图3。三步增长总Ag)表面上是清楚地看到。在100°C的增长率很低,那么Ag)迅速增长到350°C,最后它会减慢。氧化Ag)增加一个小前250°C,然后降低到450°C,而金属的积累Ag)显示了一个类似的三步模式作为总Ag)。

显然图所示1银离子交换样品扩散向内表面热处理。两种化学银、Ag)°和Ag)⁺被解决通过对比线的形状Ag3d信号在不同样本温度Ag3d光谱获得的溅射纯银金属。更高的增长的结合能组件Ag3d信号表明,金属银加热时形成的。

银表面的积累是由Ag-O债券打破在加热。这个键断裂在离子交换示例结果纯银的吉布斯自由能的不同,氧化银和SiO₂。尽管氧化银的吉布斯自由能(−2.68千卡摩尔⁻¹在25°C)低于纯银(0千卡摩尔⁻¹在25°C),高于SiO₂(~ 200−粗铁摩尔⁻¹在25°C),氧气从Ag-O债券形式的离解Si-O和Ag-Ag债券仍然导致净亏损系统能量(14]。结合能量损失和表面引入的应力大小的热弛豫Ag)之间的区别⁺和钠⁺(离子半径的比值,/,1.29)(15,16)在离子交换过程中,表面扩散,积累的金属银是显而易见的。也就是说,Ag-O键断裂和Ag-Ag Si-O键形成热力学有利。因此,氧化银在玻璃网络扩散到表面,然后沉淀为了保持系统在最小能量状态。因为轻微的金属银表面离子交换过程和后观察热处理之前,这些金属银可以作为核沉淀。

新Si-O债券形成表面上证实了谱线形状变化和积极的结合能变化o1群和Si2p XPS山峰描述和讨论其他地方(17]。这些金属银簇离子交换玻璃也发现了傅里叶变换红外光谱(18]。

氧化银的扩散过程中的扩散机理与钠碱氧化眼镜(19]。只有少数氧化银有足够的精力去实现在低表面温度不完全放松;因此,小金属银。当温度足够高(高于100°C),许多Ag-O债券被打破的结果更放松的表面,因此,更多的Ag)°是沉淀。看到,金属银是主导产品扩散的样品温度高于300°C。随着越来越多的金属银和氧化银表面积累,要么排斥位能必须生成阻碍进一步扩散为银或没有更多的空间来容纳在样品表面。这不仅解释了为什么氧化银开始减少在250°C,还总银的富集明显减缓温度高于350°C。

3.2。Aluminum-Doped氧化锌薄膜

图4显示了晶体取向的as-deposited偶氮电影和电影退火后100年,200年,300年,400°C非原位通过x射线衍射。即使一个小(100)和(002)峰出现26°至40°如图4(一),只有明显的变化(002)峰退火导致的报道。(002)峰的变化由x射线衍射测量原位在特定的温度下退火期间发表之前(11]。这是看到衍射角度改变退火温度的函数图4。双衍射角,34.18°,发现as-deposited电影;没有多少双衍射角度的变化在100年之后,200年,和300°C退火34.14°;34.16°;分别和34.16°。然而,一个巨大的转变到34.42°在400°C退火后的薄膜。相应d-spacing、晶格常数之间的两个相邻(002)水晶飞机计算通过使用布喇格衍射方程。电影中的d-spacing在不同温度退火后被列在表中2。

其他的功能图4 (b)是峰的强度不同的退火温度的函数,非常强烈的峰值as-deposited电影,大致相同,但较低的峰高的电影在100年退火后,200年,和300°C,薄膜退火后的峰高最低在400°C。这些峰值高度退火温度的函数x射线衍射光谱测量时是不同的原位在特定的退火温度下报道之前(11)的峰值强度增长缓慢时,退火温度低于250°C但快速增长在250°C。自从x射线衍射峰的强度表明结晶度的质量,高质量的结晶度as-deposited电影看到的,但质量是退火后变得更糟。退火所提供的能量激活晶格中原子的重排导致结晶度的变化。大量的小^{3 +}离子半径(下午(74 - 10420.])代替大的锌^{2 +}离子半径(下午(74 - 10420.)400°C退火后可能导致局部应变的变化,减少晶格常数,和晶体质量的变化。

从分析x射线衍射峰的形状图4 (b),颗粒大小(002)取向可以计算通过使用应用的峰值和谢勒的公式。应用和晶粒尺寸绘制在图5退火温度越高,晶粒尺寸越小被检测到,也就是说,晶粒尺寸越小,结晶度的质量越糟糕。退火后晶粒的增长预期,但相反的观察。当x射线衍射光谱测量原位在400°C的替代锌^{2 +}由半岛^{3 +}发生的原因,以及晶粒尺寸的增加是前面研究中观察到的11]。然而,当光谱收集非原位在400°C和退火后冷却到室温,压力大大释放如下所示。观察裂缝的电影视觉导致晶粒尺寸的减小。热激活更换锌^{2 +}由半岛^{3 +}离子仍在电影因此减少d-spacing还检测到。

热能可以提高或降低压力的电影影响原子的重排在影片中退火。重要的是要计算应力在退火后的薄膜。双轴应变模型(21)是应用于计算压力的电影。c-axis方向由XRD的应变,其中C₀从氧化锌粉末,不牵强附会的晶格参数和C_电影的晶格常数从XRD谱获得的电影。压力平行于膜表面可以通过使用下列公式计算,这是有效的六角晶格(22]: 对弹性常数、数据单氧化锌晶体已使用:,,,平均绩点。这部电影的最后方程来源于XRD推导出压力 以上方程的负号表示压力电影是压应力。压应力确定从上面的公式作为退火温度的函数图所示6。发现压力增加一点一点100°C退火后,又减少了200和300°C退火后,但有一个巨大的400°C退火后压力下降,冷却到室温。从计算,有大约1.8 Gpa压力后的电影由IBSD方法沉积在室温下。这电影中的压应力主要是由于动能损失气急败坏的物种,电影的结构,表面膜和玻璃衬底之间的能量差。

最近的研究玻璃衬底温度在溅射沉积铝的•塞巴格•et al。23]发现衬底温度的升高在一系列2 - 7°Cca。100年代初的时间间隔的沉积。由于温度上升是如此之低,没有热影响沉积膜IBSD捏造出来的方法。气急败坏的物种的能量通常范围从几eV数万eV失去能量动量转移的过程,但没有热处理涉及使用IBSD方法在衬底上的薄膜生长。结晶度的优质as-deposited电影可能属性高的压应力。压应力的变化在退火后的薄膜热活化的结果更换更大的锌^{2 +}离子由较小的艾尔^{3 +}离子和缺陷的形成和交互,职位空缺,插页式广告。一旦压应力大大释放400°C退火后晶粒明显萎缩由于电影的裂缝,也就是说,大颗粒被切成小块。发现偶氮的电阻率和能量带隙电影相关的电影结构(24]。

4所示。结论

Ag)的两个案例研究离子交换眼镜和Al-doped氧化锌薄膜热处理前后清晰地描绘出热影响材料的结构变化。XPS, XRD被用来监控原位和非原位结构修改的Ag)在离子交换层和含氮的电影。两个化学状态的Ag)导致的减少总吉布斯能量和应力松弛退火期间被发现。通过了解金属Ag)形成和积累在退火过程中,最佳的热处理发展适当的大小和密度银量子点的电影是可能的。Postannealing影响偶氮电影表明薄膜的结晶度随着退火温度的增加而降低峰值位置转向更高的衍射角,400°C退火后粒度显著降低由于裂缝。所有观察到的属性变化可以解释由热激活锌^{2 +}离子替代由半岛^{3 +}离子和电影中的压应力。

承认

保罗·w·王承认的支持特别强调布拉德利大学的科研补助金。

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