vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2021-66-2-135-144vestift-660Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYВлияние автооблучения на формирование наноразмерных слоев золота при ионно-лучевом напыленииInfluence of the autoirradiation on nanosized gold layers formation by the ion-beam depositionГаленкоЕ. Н.GalenkoE. N.

Галенко Евгений Николаевич – аспирант, младший научный сотрудник

ул. Студенческая, 28, 247760, Мозырь, Гомельская область, Республика Беларусь

Evgeniy N. Galenko – Postgraduate Student, Junior Researcher

28, Studencheskaya Str., 247760, Mozyr, Gomel Region, Republic of Belarus

dghaer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7802-7487ШаркоС. А.SharkoS. A.

Шарко Сергей Александрович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск, Республика Беларусь

Sergei A. Sharko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

sharko@physics.byhttps://orcid.org/0000-0002-6607-4681НовицкийН. Н.NovitskiiN. N.

Новицкий Николай Николаевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск, Республика Беларусь

Nikolay N. Novitskii – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

19, P. Brovka Str., 220072 Minsk, Republic of Belarus

novitski@ifttp.bas-net.byИвашО. И.IvashO. I.

Иваш Ольга Ивановна – младший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск, Республика Беларусь

Olga I. Ivash – Junior Researcher

19, P. Brovka Str., 220072 Minsk, Republic of Belarus

https://orcid.org/0000-0002-2075-1755КецкоВ. А.KetskoV. A.

Кецко Валерий Александрович – доктор химических наук, главный научный сотрудник

Ленинский пр., 31, 119991, Москва, Российская Федерация

Valerii A. Ketsko – D. Sc. (Chemistry), Chief Researcher

31, Leninskii Ave., 119991, Moscow, Russian Federation

ketsko@igic.ras.ruМозырский государственный педагогический университет им. И. П. ШамякинаMozyr State Pedagogical University named after I. P. ShamyakinНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific-Practical Materials Research Centre of the National Academy of Science of BelarusИнститут общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наукKurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences202115072021662135144Copyright © Галенко Е.Н., Шарко С.А., Новицкий Н.Н., Иваш О.И., Кецко В.А., 20212021Галенко Е.Н., Шарко С.А., Новицкий Н.Н., Иваш О.И., Кецко В.А.Galenko E.N., Sharko S.A., Novitskii N.N., Ivash O.I., Ketsko V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/660

Методом ионно-лучевого напыления получены пленки золота толщиной 2–13 нм на кремниевых и кварцевых подложках. Показано, что применение дополнительной операции напыления с последующим распылением слоя золота толщиной 2–3 нм позволяет снизить электрическое сопротивление и поверхностную шероховатость получаемых металлических пленок по сравнению с аналогичными пленками, полученными без ее использования. Результаты измерения температурного коэффициента сопротивления образцов наноразмерных пленок золота на кремниевых подложках позволили заключить, что напыляемые пленки становятся сплошными при толщине 6–8 нм. Результаты оптических измерений пленок золота толщиной 10 нм, полученных на кварцевых подложках, показали, что коэффициент отражения электромагнитного излучения на длине волны 850 нм на 2,8 % выше соответствующего коэффициента для таких же пленок, полученных без использования данной операции, и составляет 83 %. Важную роль в формировании наноразмерных слоев золота играют процессы автооблучения растущего слоя высокоэнергетической составляющей потока атомов золота. При использовании дополнительной операции напыления/распыления происходит внедрение в подложку высокоэнергетических атомов золота на глубину до 2 нм. С одной стороны, эти атомы являются источниками точечных дефектов в приповерхностном нарушенном слое подложки; а с другой – они служат дополнительными центрами кластерообразования. За счет этого обеспечивается высокая адгезия слоя металла к подложке, и, как следствие, пленки золота становятся сплошными и более однородными по микроструктуре. Метод ионно-лучевого напыления может быть успешно применен для получения качественных проводящих оптически прозрачных наноразмерных пленок золота.

2–13 nm gold films were obtained by the method of ion-beam sputtering on silicon and quartz substrates. It is shown that the use of an additional operation of deposition followed by the sputtering of a gold layer of 2–3 nm thickness makes it possible to reduce the electrical resistance and surface roughness of the metal films, in comparison with similar films obtained without its use. The results of measuring the temperature coefficient of resistance of nanosized gold films on silicon substrates allowed us to conclude that the films deposited become continuous at a thickness of 6-8 nm. The results of optical measurements of 10 nm gold films, obtained on quartz substrates, showed that the reflection coefficient of electromagnetic radiation at a wavelength of 850 nm is 2.8 % higher than the corresponding coefficient for the same films obtained without using this operation, and is 83 %. An important role in the formation of nanoscale gold layers is played by the processes of self-irradiation of the growing layer of the high-energy component of the gold atoms flux. When using an additional operation of deposition/sputtering, high-energy gold atoms are implanted into the substrate to a depth of about 2 nm. On the one hand, these atoms are point defects in the surface damaged layer of the substrate; on the other hand, they serve as additional centers of cluster formation. This ensures strong adhesion of the metal layer to the substrate and, therefore, the gold films become continuous and more homogeneous in microstructure. The method of ion-beam deposition can be successfully applied to obtain high-quality conductive optically transparent nanosized gold films.

ионно-лучевое напыление/распылениенаноразмерные слои золотаэлектрическое сопротивлениешероховатость поверхностиавтооблучениеion-beam sputtering/depositionnanosized gold layerselectric resistancesurface roughnessautoirradiationReferencesФотоника 2D-наноразмерных слоев золота на поверхности сапфира / А. Э. Муслимов [и др.] // Кристаллография. – 2017. – Т. 62, № 2. – С. 290‒299. https://doi.org/10.7868/S0023476117020199Muslimov A. E., Butashin A. V., Kanevsky V. M., Nabatov B. V., Konovko A. A., Belov I. V., Gizetdinov R. M., Andreev A. V. Photonics of 2D nanoscale gold layers on a sapphire surface. Crystallography Reports, 2017, vol. 62, no. 2, pp. 300‒308. https://doi.org/10.1134/s1063774517020195Двухрешетчатые магнитоплазмонные структуры на основе BIG и перфорированных пленок золота / П. Н. Найденов [и др.] // Физика твердого тела. – 2019. – Т. 61, № 9. – С. 1076‒1711. https://doi.org/10.21883/FTT.2019.09.48114.22NNaydenov P. N., Chekhov A. L., Golikova O. L., Bespalov A. V., Geraskin A. A., Savin S. S., Murzina T. V. Two-lattice magnetoplasmonic structures based on BIG and perforated gold films. Physics of the Solid State, 2019, vol. 61, no. 9, pp. 1658‒1664. https://doi.org/10.1134/s106378341909018xСтогний, А. И. Получение методом ионно-лучевого распыления кислородом и оптические свойства ультратонких пленок золота / А. И. Стогний, Н. Н. Новицкий, С. Д. Тушина, С. В. Калинников // Журн. техн. физики. – 2003. – Т. 73, № 6. – С. 86–89.Stognij A. I., Novitsky N. N., Tushina S. D., Kalinnikov S. V. Preparation of ultrathin gold films by oxygen-ion sputtering and their optical properties. Technical Physics, 2003, vol. 43, no. 6, pp. 745–748. https://doi.org/10.1134/1.1583829Optical constants and structural properties of thin gold films / D. I. Yakubovsky [et al.] // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, № 21. – P. 25574–25587. https://doi.org/10.1364/OE.25.025574Yakubovsky D. I., Arsenin A. V., Stebunov Yu. V., Fedyanin D. Yu., Volkov V. S. Optical constants and structural properties of thin gold films. Optics Express, 2017, vol. 25, no. 21, pp. 25574–25587. https://doi.org/10.1364/OE.25.025574Applications of plasmonics: general discussion / V. Bochenkov [et al.] // Faraday Discuss. – 2015. – Vol. 178.– P. 435–466. https://doi.org/10.1039/c5fd90025eBochenkov V., Baumberg J., Noginov M., Benz F., Aldewachi H., Schmid S., Podolskiy V., Aizpurua J., Lin K., Ebbesen T., Kornyshev A. A., Hutchison J., Matczyszyn K., Kumar S., Nijs B. de, Rodríguez Fortuño F., Hugall J. T., de Roque P., Hulst N. van, Kotni S., Martin O., García de Abajo F. J., Flatté M., Mount A., Moskovits M., Ginzburg P., Zueco D., Zayats A., Oh S.-H., Chen Y., Richards D., Belardini A., Narang P. Applications of plasmonics: general discussion. Faraday Discuss, 2015, vol. 178,pp. 435–466. https://doi.org/10.1039/c5fd90025eFang, Y. Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits / Y. Fang, M. Sun // Light Sci. Appl. – 2015. – Vol. 4 (6). – P. 294. https://doi.org/10.1038/LSA.2015.67Fang Y., Sun M. Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits. Light: Science & Applications, 2015, vol. 4 (6), p. 294. https://doi.org/10.1038/LSA.2015.67Gwo, S. Semiconductor plasmonicnanolasers: current status and perspective / S. Gwo, C.-K. Shih // Rep. Prog. Phys. – 2016. – Vol. 79 (8). – P. 086501. https://doi.org/10.1109/NUSOD.2010.5595670Gwo S., Shih C.-K. Semiconductor plasmonicnanolasers: current status and perspective. Reports on Progress in Physics, 2016, vol. 79 (8), p. 086501. https://doi.org/10.1109/NUSOD.2010.5595670Optical negative refraction by four-wave mixing in thin metallic nanostructures / S. Palomba [et al.] // Nat. Mater. – 2011. – Vol. 11(1). – P. 34–38. https://doi.org/10.1038/nmat3148Palomba S., Zhang S., Park Y., Bartal G., Yin X., Zhang X. Optical negative refraction by four-wave mixing in thin metallic nanostructures. Nature Materials, 2011, vol. 11 (1), pp. 34–38. https://doi.org/10.1038/nmat3148Photonic hypercrystals for control of light-matter interactions / T. Galfsky [et al.] // Proc. Nath. Acad. Sci. U.S.A. – 2017. – Vol. 114, N 20. – P. 5125–5129. https://doi.org/10.1073/pnas.1702683114Galfsky T., Gu J., Narimanov E. E., Menon V. M. Photonic hypercrystals for control of light-matter interactions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, vol. 114, no. 20, pp. 5125–5129. https://doi.org/10.1073/pnas.1702683114Bundesmann, C. Tutorial: The systematics of ion beam sputtering for deposition of thin films with tailored properties / C. Bundesmann, H. Neumann // J. Appl. Phys. – 2018. – Vol. 124. – P. 231102-1-16. https://doi.org/10.1063/1.5054046Bundesmann C., Neumann H. Tutorial: The systematics of ion beam sputtering for deposition of thin films with tailored properties. Journal of Applied Physics, 2018, vol. 124, p. 231102-1-16. https://doi.org/10.1063/1.5054046Стогний, А. И. Ионно-лучевое полирование наноразмерного рельефа поверхности оптических материалов / А. И. Стогний, Н. Н. Новицкий, О. М. Стукалов // Письма в Журн. техн. физики. – 2002. – Т. 28, № 1. – С. 39–48.Stognij A. I., Novitsky N. N., Stukalov O. M. Nanoscale ion beam polishing of optical materials. Technical Physics Letters, 2002, vol. 28, no. 1, pp. 17–20. https://doi.org/10.1134/1.1448630Interface magnetoelectric effect in the layered heterostructures with Co layers on the polished and ion-beam planarized ceramic PZT substrates / A. I. Stognij [et al.]// Eur. Phys. J. Appl. Phys. – 2015. – Vol. 69. – P. 11301–11305. https://doi.org/10.1051/epjap/2014140402Stognij A. I., Novitskii N. N., Poddubnaya N. N., Sharko S. A., Ketsko V. A., Mikhailov V., Dyakonov V., Szymczak H. Interface magnetoelectric effect in the layered heterostructures with Co layers on the polished and ion-beam planarized ceramic PZT substrates. European Physical Journal Applied Physics, 2015, vol. 69, 11301-p1 (5 pages). https://doi.org/10.1051/epjap/2014140402Interface magnetoelectric effect in elastically linked Co/PZT/Co layered structures / A. I. Stognij [et al.] // J. Magn. Magn. Mater. – 2019. – Vol. 485. – P. 291–296. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.04.006Stognij A. I., Novitskii N. N., Trukhanov S. V., Trukhanov A. V., Panina L. V., Sharko S. A., Serokurova A. I., Poddubnaya N. N., Ketsko V. A., Dyakonov V. P., Szymczak H., Singh C., Yang Y. Interface magnetoelectric effect in elastically linked Co/PZT/Co layered structures. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019, vol. 485, pp. 291–296. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.04.006Стогний, А. И. Особенности перераспределения кобальта по поверхности пленок неоднородных сплавов кобальт – медь / А. И. Стогний, С. В. Корякин, Н. Н. Новицкий // Журн. техн. физики. – 2003. – Т. 73, № 4. – С. 117–123.Stognij A. I., Koryakin S. V., Novitsky N. N. Cobalt redistribution over the surface of inhomogeneous cobalt-copper alloy films. Technical Physics, 2003, vol. 48. no. 4, pp. 496–502. https://doi.org/10.1134/1.1568493Контролируемое получение наноразмерных пленок Cо на Si(100) ионно-лучевым осаждением / А. И. Стогний [и др.] // Неорган. материалы. – 2011. – Т. 47, № 11. – C. 962–968.Stognij A. I., Pashkevich M. V., Novitskii N. N., Gribkov B. A., Mironov V. L., Ketsko V. A., Fettar F., Garad H. Controlled Growth of Co Nanofilms on Si(100) by Ion-Beam Sputtering. Inorganic Materials, 2011, vol. 47, no. 8, pp. 869–875. https://doi.org/10.1134/S0020168511080206Магнитные свойства пленок кобальта на начальной стадии ионно-лучевого осаждения / А. И. Стогний [и др.] // Письма в Журн. техн. физики. – 2009. – Т. 35, № 11. – С. 96–103.Stognij A. I., Meshcheryakov V. F., Novitsky N. N., Fettar F., Pashkevich M. V. Magnetic properties of cobalt films at the initial stage of ion-beam deposition. Technical Physics Letters, 2009, vol. 35, no. 6, pp. 528–531. https://doi.org/10.1134/s1063785009060145О неоднородном характере начальной стадии ионно-лучевого осаждения ультратонких пленок золота / А. И. Стогний [и др.] // Письма в Журн. техн. физики. – 2004. – Т. 30, № 6. – С. 87–94.Stognij A. I., Novitsky N. N., Stukalov O. M., Demchenko A. I., Khitko V. I. On the inhomogeneous nature of the initial stage of ion-beam deposition of ultrathin gold films. Technical Physics Letters, 2004, vol. 30, no. 3, pp. 256–258.https://doi.org/10.1134/1.1707185Бурлаков, Р. Б. К вопросу об измерении удельного сопротивления проводящих слоев четырехзондовым методом / Р. Б. Бурлаков, В. С. Ковивчак // Вестн. Ом.ун-та. – 2014. – № 2. – С. 59–68.Burlakov R. B., Kovivchak V. S. On the question of measuring the resistivity of conducting layers by the four-probe method. Vestnik Omskogo universiteta= Herald of Omsk University, 2014, no. 2, pp. 59–68 (in Russian).Эмсли, Дж. Элементы / Дж. Эмсли. – М.: Мир, 1993. – 256 с.Emsley J. The Elements. Oxford University Press, 1998. 300 p.Физика тонких пленок / под общ.ред. Г. Хасса, Р. Э. Туна. – М.: Мир, 1967. – Т. 2: Современное состояние исследований и технические применения. – 396 с.Haas G., ThunR. E. (eds.) Physics of Thin Films. Vol. 2. Advances in Research and Development. New York; London, Academic Press, 1964. 396 p.Чопра, К. Тонкопленочные солнечные элементы / К. Чопра, С. Дас. – М.: Мир, 1986. – 440 с.Chopra K. L., Das S. R. Thin Film Solar Cells. Springer Science – Business Media New York, 1983. 615 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-0418-8Gall, D. Electron mean free path in elemental metals / D. Gall // J. Appl. Phys. – 2016. – Vol. 119. – P. 085101-5. https://doi.org/10.1063/1.4942216Gall D. Electron mean free path in elemental metals. Journal of Applied Physics, 2016, vol. 119, p. 085101-5. https://doi.org/10.1063/1.4942216Thompson, M. V. The velocity distribution of sputtered atoms / M. V. Thompson // Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res. – 1986. – Vol. B. 18. – P. 411–429. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(86)80067-2Thompson M.V. The velocity distribution of sputtered atoms. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B. 1986, vol. 18, pp. 411–429. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(86)80067-2Фальконе, Д. Теория распыления / Д. Фальконе // Уcпехи физ. наук. – 1992. – Т. 162, № 1. – С. 71–117.Falcone G. Sputtering theory. La Rivista del Nuovo Cimento, 1990, vol. 13, no. 1, pp. 1‒52. https://doi.org/10.1007/bf02742981Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. – М.: Изд-во физ.-мат. лит., 1962. – 696 с.Kittel Ch. Introduction to Solid State Physics. John Wiley and Songs Inc., 1956. 680 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.