Резонансная рамановская спектроскопия наноуглеродных материалов Богданов К.В. науч. рук.: Баранов А.В. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики Магистерская диссертация на тему:

1. Цели работы: Целью настоящей дипломной работы является исследование фононных спектров наноструктурированных углеродных и других материалов с использованием метода резонансного микро-КР света при возбуждении излучением нм и получение, на основе анализа спектров КР, информации о химическом составе и структуре исследуемых материалов. Спектры были получены в геометрии обратного рассеяния с использованием спектрометре микро-КР InVia (Renishaw, Англия) позволяющих осуществлять регистрацию спектров с разрешением до 1 см-1. Спектры возбуждались различными излучениями аргонового лазера: 514 нм, 488 нм и 457 нм. 2

2. Техника эксперимента: Общий вид спектрометра микро-КР InVia фирмы Renishaw Оптическая схема возбуждения и регистрации сигналов КР, используемая в спектрометре 3

3. Объекты исследования: Схематическое изображение образца пленки хрома на поверхности стекла, на которой методом ЛТО сформированы полоски оксида хрома. Области 1, 2 и 3 соответствуют временам травления 4, 8 и 12 минут. Кружками условно отмечены участки полосок, от которых регистрировались спектры микро-КР. Микрофотография участка образца, после 4 мин травления Показана масштабная метка 200 мкм. 4

5 Нанографиты – углеродные наночастицы с размером ~5 нм, представляющие собой вложенные друг в друга искривленные графеновые оболочки. Многослойные нанографиты были получены путём отжига детонационных наноалмазов, размерами 5 нм, в инертной аргоновой атмосфере при различных температурах, варьирующихся от 1500 до 1650 °C. Изменение условий отжига позволяет получать нанографиты с различными структурными параметрами, например структурная упорядоченность, наличие дефектов и т.д. Изображение частиц нанографитов, полученное с использованием просвечивающего электронного микроскопа.

4. Определение структуры тонких плёнок хрома и построение топографического профиля распределения окислов хрома. Спектры микро-КР, полученные от исходной пленки хрома (а) и от центральных участков полосок 1-5, подвергшихся ЛТО при различной экспозиции, расположенных в не подвергнутой травлению области образца. Спектр КР исходной пленки хрома содержит слабую широкую ассиметричную полосу с максимумом на ~660 см -1. При минимальной экспозиции (полоска 1) спектр КР также содержит пик вблизи 660 см -1, но в отличие от чистого хрома он имеет большую интенсивность и меньшую ширину. При дальнейшем увеличении экспозиции (начиная с полоски 3) в спектре появляется характерная для Cr 2 O 3 узкая полоса на 554 см -1 6

В результате травления на поверхности образца остаются только участки пленки хрома, защищенные в результате ЛТО слоем окислов. Для оптимизации топологии отражающих элементов важно определить имеет ли место селективность травления окислов разного состава. Для выяснения этого вопроса нами были получены спектры микро-КР полосок 1-5 в областях с временами травления 4, 8 и 12 минут. Обнаружено, что увеличение времени травления приводит к уменьшению интегральной интенсивности полос КР, соответствующих как CrO 2, так и Cr 2 O 3, то есть к уменьшению их толщин.Для иллюстрации приведены спектры микро-КР областей полосок 2 и 5, протравленных в течение разного времени и области без травления. 7

Для оптимизации метода изготовления и демонстрации возможностей спектроскопии микро-КР был построен профиль толщины окисных пленок для полоски 5 в её области, не подвергнутой травлению. Для этого был получен набор спектров КР при сканировании фокального пятна возбуждающего излучения поперек полоски (направление Х) с шагом 1 мкм. Зависимость интенсивности полос CrO 2 и Cr 2 O 3 в спектрах от координаты Х и представляет собой профиль КР. Видно, что в центральной части полоски находится слой Cr 2 O 3, в то время как на краях оксидные слои разного состава сосуществуют и на самых краях, где тепловое воздействие было минимальным, находится в основном слой CrO 2. 8

9 Спектры КР первого порядка и второго порядка образцов нанографитов, отожженных при разных температурах: от С до С. На полученных спектрах первого порядка видны две характерные полосы КР, называемые D- и G-пиками (~1350 см -1 и ~1580 см -1, соответственно).. Наличие D-пика говорит о присутствии разупорядочения в структуре, а его ширина отражает степень разупорядочения. 5. Влияние температуры отжига на структуру нанографитов.

10 Декомпозиции спектров КР первого порядка выявила 5 пиков, которые были подтверждены в результате декомпозиции спектров КР второго порядка, эти спектры представляют собой набор пиков, состоящих из обертонов и составных тонов линий, регистрируемых в спектре КР нанографитов первого порядка. Помимо D- и G-пиков (~1350 см -1 и ~1580 см -1 соответственно) в спектре присутствуют линии с частотами 1170 см -1, 1540 см -1, и 1625 см -1. Пик на 1170 см -1 отнесен к локальной колебательной моде трансполиацетиленоподобных цепей на краях графеновых оболочек. Пик на 1540 см -1 является признаком присутствия аморфного углерода. Линия 1625 см -1 (D'- линия), как и D-линия, характерна для неупорядоченных графитовых материалов и также возникает в результате двойного резонанса в комбинационном рассеянии.

11 На рисунках показано как изменяются параметры линий ТРА, D и А в образцах, при различных температурах отжига. Наши данные показывают, что с увеличением температуры отжига происходит уменьшение количества практически всех типов дефектов, присутствующих в структуре нанографитов.

6. Выводы: 12 В результате выполнения работы на примере ряда различных наноструктурированных материалов, таких как полупроводниковые квантовые точки, тонкие модифицированные плёнки оксидов хрома и нанографиты, продемонстрированы возможности спектроскопии микро-КР для анализа химического состава и структуры исследуемых материалов, в том числе и с высоким пространственным разрешением. Показано, что при малых экспозициях на поверхности пленки хрома образуется слой CrO 2, а увеличение экспозиции приводит к трансформации слоя CrO 2 в слой Cr 2 O 3. Исследовано влияние условий травления на состав и толщину окисных пленок. Получены карты распределения интенсивностей КР окислами в поперечном сечении экспонированных полосок хрома с пространственным разрешением

Спасибо за внимание. 13