Namangan davlat universiteti
Annotatsiya. Mazkur tadqiqotda Si(111) monokristall tagliklariga impulsli radiochastotali (RF) magnetron changlatish usuli bilan turli changlatish vaqtlarida hosil qilingan niobiy (Nb) yupqa plyonkalarining atmosfera sharoitida yuqori haroratli termik oksidlanishi natijasida yuzaga keladigan strukturaviy va Raman-spektroskopik xususiyatlari o‘rganildi. Dastlabki Nb plyonkalari 99,95 % tozalikdagi niobiy mishenidan impulsli RF rejimida 300W quvvatda 3 va 5 minut davomida olindi. Hosil bo‘lgan plyonkalarning qalinligi mos ravishda 136 va 228nm ni tashkil etdi. Olingan plyonkalar 600oC haroratda 2 soat davomida mufel pechida termik oksidlandi. Namunalarning elementar tarkibi to‘lqin uzunligi dispersiyali rentgen-fluoresans spektrofotometri (WDXRF) yordamida, kristallografik tuzilishi rentgen difraksiyasi (XRD) orqali, tebranish xususiyatlari esa 532nm lazerli Raman spektroskopiyasi yordamida tadqiq qilindi.
Raman spektrlarida 200–300sm-1, 680sm-1 va 900–1000sm-1 sohalarida kuzatilgan tebranishlar mos ravishda Nb–O–Nb deformatsion tebranishlari, Nb–O cho‘zilish tebranishlari hamda Nb=O bog‘larining tebranishlari bilan bog‘liq ekanligi aniqlandi. Termik oksidlanishdan keyin 677–683sm-1 va 930–940sm-1 sohalaridagi Raman signallarining saqlanib qolishi niobiy oksidida Nb–O bog‘lari va ularning turli koordinatsion tuzilmalariga xos tebranishlarning mavjudligini ko‘rsatadi. XRD natijalarida oksidlanishdan keyin 22,6o, 28,9o, 36,5o, 37,0o va 46,2o atrofida yangi difraksion reflekslarning paydo bo‘lishi kuzatildi. 5 minut davomida olingan qalinroq Nb plyonkasida ushbu reflekslarning nisbatan yaqqolroq namoyon bo‘lishi plyonka qalinligining keyingi oksidlanish va kristallanish jarayonlariga ta’sir ko‘rsatishi mumkinligini ko‘rsatadi. Sherrer tenglamasi asosida baholangan kogerent kristallit o‘lchami oksidlangan namunalarda taxminan 41–87 nm oralig‘ida bo‘ldi. WDXRF natijalari Nb mavjudligini tasdiqlagan bo‘lsa-da, kislorod miqdorini miqdoriy aniqlashdagi cheklovlar sababli oksidning stexiometrik tarkibi XRD va Raman spektroskopiyasi natijalari bilan birgalikda tahlil qilindi. Olingan natijalar metall Nb yupqa plyonkalarini keyinchalik termik oksidlash orqali Nb–O asosidagi kristallangan oksid plyonkalarini hosil qilish mumkinligini va Nb qatlamining qalinligi oksidlanishdan keyingi kristallografik xususiyatlarga ta’sir qilishi mumkinligini ko‘rsatadi.
Kalit so'zlar: niobiy, Nb2O5, yupqa plyonka, RF magnetron purkash, termik oksidlanish, kristallanish, kristallit o‘lchami, XRD, Raman spektroskopiyasi, WDXRF.
Аннотация. В настоящем исследовании изучены структурные и раман-спектроскопические свойства тонких плёнок ниобия (Nb), сформированных на монокристаллических подложках Si(111) методом импульсного радиочастотного (RF) магнетронного распыления при различных временах распыления, после их высокотемпературного термического окисления в атмосферных условиях. Исходные плёнки Nb были получены из мишени ниобия чистотой 99,95 % в импульсном RF-режиме при мощности 300 Вт в течение 3 и 5 минут. Толщина полученных плёнок составила соответственно 136 и 228 нм. Полученные плёнки подвергались термическому окислению в муфельной печи при температуре 600 °C в течение 2 часов. Элементный состав образцов исследовали методом волнодисперсионной рентгенофлуоресцентной спектроскопии (WDXRF), кристаллографическую структуру — методом рентгеновской дифракции (XRD), а колебательные свойства — методом рамановской спектроскопии с использованием лазера с длиной волны 532 нм.
В спектрах комбинационного рассеяния наблюдаемые в областях 200–300 см-1, 680 см-1 и 900–1000 см-1 колебания были связаны соответственно с деформационными колебаниями связей Nb–O–Nb, валентными колебаниями связей Nb–O и колебаниями связей Nb=O. После термического окисления сохранение рамановских сигналов в областях 677–683 см-1 и 930–940 см-1 указывает на наличие в оксиде ниобия колебательных мод, характерных для связей Nb–O и различных координационных структур. В результате XRD-анализа после окисления наблюдалось появление новых дифракционных рефлексов вблизи 22,6o, 28,9o, 36,5o, 37,0o и 46,2o. Более выраженное проявление этих рефлексов в более толстой плёнке Nb, полученной в течение 5 минут, указывает на возможное влияние толщины плёнки на последующие процессы окисления и кристаллизации. Оценённый с использованием уравнения Шеррера размер когерентных кристаллитов в окисленных образцах составил приблизительно 41–87 нм. Несмотря на то, что результаты WDXRF подтвердили наличие Nb, из-за ограничений количественного определения кислорода его содержание и стехиометрический состав оксида анализировались совместно с результатами XRD и рамановской спектроскопии. Полученные результаты показывают возможность формирования кристаллизованных оксидных плёнок на основе Nb–O посредством последующего термического окисления тонких металлических плёнок Nb, а также возможное влияние толщины слоя Nb на кристаллографические свойства после окисления.
Ключевые слова: ниобий, Nb2O5, тонкая плёнка, RF-магнетронное распыление, термическое окисление, кристаллизация, размер кристаллитов, XRD, рамановская спектроскопия, WDXRF.
Abstract. In this study, the structural and Raman-spectroscopic properties of niobium (Nb) thin films deposited on monocrystalline Si(111) substrates by pulsed radio-frequency (RF) magnetron sputtering at different sputtering times were investigated after high-temperature thermal oxidation under atmospheric conditions. The initial Nb films were deposited from a niobium target with a purity of 99.95% in pulsed RF mode at a power of 300 W for 3 and 5 min. The thicknesses of the resulting films were 136 and 228 nm, respectively. The deposited films were thermally oxidized in a muffle furnace at 600 oC for 2 h. The elemental composition of the samples was investigated by wavelength-dispersive X-ray fluorescence (WDXRF), the crystallographic structure was characterized by X-ray diffraction (XRD), and the vibrational properties were investigated by Raman spectroscopy using a 532 nm laser.
The Raman spectra exhibited vibrational features in the 200–300 cm-1, 680 cm-1, and 900–1000 cm-1 regions, which were associated with Nb–O–Nb deformation vibrations, Nb–O stretching vibrations, and Nb=O bond vibrations, respectively. After thermal oxidation, the persistence of Raman signals in the 677–683 cm-1 and 930–940 cm-1 regions indicates the presence of vibrational modes characteristic of Nb–O bonds and different coordination structures in niobium oxide. XRD analysis revealed the appearance of new diffraction reflections near 22,6o, 28,9o, 36,5o, 37,0o, and 46.2o after oxidation. The more pronounced appearance of these reflections in the thicker Nb film deposited for 5 min suggests that the film thickness may influence the subsequent oxidation and crystallization processes. The coherent crystallite size estimated using the Scherrer equation was approximately 41–87 nm in the oxidized samples. Although the WDXRF results confirmed the presence of Nb, owing to the limitations in the quantitative determination of oxygen, the stoichiometric composition of the oxide was evaluated in conjunction with the XRD and Raman spectroscopy results. The obtained results demonstrate the possibility of forming crystallized Nb–O-based oxide films through subsequent thermal oxidation of metallic Nb thin films and suggest that the thickness of the Nb layer may influence the crystallographic properties after oxidation.
Keywords: niobium, Nb₂O₅, thin film, RF magnetron sputtering, thermal oxidation, crystallization, crystallite size, XRD, Raman spectroscopy, WDXRF.