Формування тонкоплівкових структур на полярних гранях кристалів LiNbO3

Abstract

Дисертація присвячена дослідженню особливостей формування металевих та діелектричних тонких плівок на поверхнях монокристалів LiNbO3, на яких присутній нескомпенсований електростатичний заряд, при застосуванні їх у пристроях функціональної електроніки. Вперше досліджено вплив нескомпенсованого електростатичного заряду на характер зародкоутворення при осадженні тонкоплівкових металевих та діелектричних покриттів на поверхнях монокристала ніобату літію LiNbO3. Встановлено, що плівки, нанесені на негативно заряджену поверхню, відзначаються кращою однорідністю та адгезією порівняно з плівками, нанесеними на позитивно заряджену поверхню. Показано, що структура металевих і діелектричних плівок, отриманих на полярних поверхнях монокристала ніобату літію, суттєво залежить від методів осадження, характеристик поверхні підкладки, температури і швидкості осадження. На основі аналізу різних методів вакуумного осадження металевих і діелектричних плівок показано, що плівки, отримані магнетронним методом на негативно зарядженій поверхні кристала ніобату літію LiNbO3, мають вищу однорідність за рахунок збільшення частки позитивно заряджених іонів у потоці переносу матеріалу мішені на підкладку, що дозволяє отримувати суцільні шари вже при товщині 2 нм; Встановлено, що найкращі за експлуатаційними властивостями структурно однорідні тонкі плівки отримуються на полярно заряджених поверхнях кристалів ніобату літію за допомогою методу магнетронного розпилення у вакуумі. Проведено розрахунок розподілу наночасток срібла осаджених термічним напиленням на позитивно заряджену поверхню LiNbO3 за радіусами, висотами та відстанями між ними. Встановлено, що плівка срібла масовою товщиною приблизно 10 Å складається в основному з наночасток у вигляді сплюснутих сфероїдів з середнім радіусом 7 нм та висотою близько 1,2 нм. Встановлено, що спектральне положення максимуму ППР у нанорозмірних плівках металів, осаджених на полярних гранях монокристалів ніобату літію, суттєво визначається концентрацією вільних носіїв на електрично зарядженій поверхні та товщиною плівки. Виявлено довгохвильове зміщення максимуму смуги ППР в наноплівках Ag, нанесених на полярних гранях LiNbO3. Максимум поглинання ППР в плівках Ag осаджених на позитивно зарядженій підкладці кристалу ніобату літію відповідає 564 нм, а на негативно зарядженій підкладці – 587 нм. Спостережуване довгохвильове зміщення максимуму смуги ППР в наноплівках срібла на 23 нм зумовлено відносним збільшенням концентрації вільних носіїв на негативно зарядженій поверхні підкладки з кристалу ніобату літію на 8 %. Thesis is devoted to the study of the peculiarities of the formation of metallic and dielectric thin films on the surfaces of LiNbO3 single crystal with uncompensated electrostatic charge. The influence of an uncompensated electrostatic charge on the nature of nucleation during the deposition of thin-film metal and dielectric coatings on the surfaces of a single crystal of lithium niobate LiNbO3 was first investigated. It is shown that the films deposited on a negatively charged surface are characterized by better homogeneity and adhesion as compared to the films deposited on a positively charged surface. It was found that structurally homogeneous thin films with the best performance properties are obtained on polarly charged surfaces of lithium niobate crystal using the method of magnetron sputtering in vacuum. It has been found that the spectral position of the surface plasmon resonance maximum in nanoscale metal films deposited on the polar faces of a lithium niobate single crystal is significantly determined by the concentration of free carriers on the electrically charged surface and the film thickness. The distribution of silver nanoparticles deposited by thermal sputtering on a positively charged LiNbO3 surface has been calculated in terms of radii, heights, and distances between them. It was found that the silver film with a thickness of about 10 Å consists mainly of nanoparticles in the form of flattened spheroids with an average radius of 7 nm and a height of about 1.2 nm. It is shown that the structure of metal and dielectric films obtained on the polar surfaces of a lithium niobate single crystal depends significantly on the deposition methods, the characteristics of the substrate surface, the temperature and the deposition rate. Based on the analysis of different methods of vacuum deposition of metallic and dielectric films, it is shown that the films obtained by the magnetron method on negatively charged surfaces of lithium niobate crystal LiNbO3 have a higher uniformity due to an increase in the proportion of positively charged ions in the flux of transfer of target material to the substrate, which allows obtaining continuous layers already at a thickness of 2 nm; It was found that the maximum absorption of the surface plasmon resonance (SPR) in Ag films deposited on an electrically neutral glass substrate corresponds to 532 nm, while the maximum absorption of the SPR in Ag films deposited on a positively charged lithium niobate crystal substrate corresponds to 564 nm and on a negatively charged substrate to 587 nm. The observed 23 nm long wavelength shift of the maximum of the TEM band in silver nanofilms is due to a relative increase of 8% in the concentration of free carriers on the negatively charged surface of the lithium niobate crystal substrate. Based on the study of the peculiarities of the use of thin metallic and dielectric films deposited on the polar surfaces of active elements made of lithium niobate single crystals, constructive and technological solutions are proposed for the manufacture of active elements for an acousto-optic modulator on a standing acoustic wave, an electro-optical shutter, and acoustic delay lines.