Amorphous nano-structured coatings prepared from CVD-composites

Abstract

The main idea of the work is the development of a cheap and easy method for the manufacture of nanostructured systems based on the Chemical Vapor Deposition (CVD). Beginning with a new class of materials for interference optics in the infrared (IR) range of the spectrum, the evaporation of composites of systems germanium-metal chalcogenide (oxide), in particular, of the Ge-ZnS and Ge-Sb2Se3 systems was studied. They evaporate in vacuum congruently, and upon condensation on substrates form nano-structured thin-film coatings. In the first of these systems, the coating has an X-ray amorphous nature: the formation of a nano-dispersed composite in a Ge-ZnS film is confirmed by the absence of characteristic peaks of Ge and ZnS in X-ray diffraction patterns, but the formation of a characteristic halo takes place. At the same time, upon evaporation and condensation of a sample of the Ge-Sb2Se3 system, a glassy structure is formed; this is confirmed by high-resolution transmission electron microscopy (TEM), where no crystalline regions were found. The energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy measurements of the coating (about 10 at.% of Ge, 40 at.% of Sb and Se, respectively) indicate a certain deviation from the stoichiometry compared to the initial sample of the system. This may indicate a slightly lower volatility of germanium selenides compared to antimony selenides. The EDX line scans along the cross-section of the coating exhibited strong fluctuations in the concentration of elements, and, consequently, the heterogeneity of the coating in terms of composition. Both coatings have high mechanical strength (group 0). At the same time, their optical properties differ significantly: the refractive indices are 3.00 and 3.66 for the Ge-ZnS and Ge-Sb2Se3 systems, respectively. It is believed that nano-structuring in the above systems is due to the high capability of germanium to amorphize upon condensation on a glass substrate.

Основна ідея роботи – це розробка дешевого та простого способу виготовлення наноструктурованих систем, що базується на випаровуванні композитів систем германій – халькогенід (оксид) металу за CVD (Chemical Vapor Deposition) – механізмом із започаткуванням нового класу матеріалів для інтерференційної оптики ІЧ (інфрачервоного) діапазону спектра. Як приклади досліджено системи Ge-ZnS та Ge-Sb2Se3, які випаровуються у вакуумі конгруентно, а при конденсації на підкладці утворюють наноструктуровані тонкоплівкові покриття. У першій зі систем покриття має рентгеноаморфний характер: утворення нанодисперсного композиту у плівці Ge-ZnS підтверджується відсутністю властивих для Ge та ZnS піків на рентгенівській дифрактограммі, натомість має місце утворення характерного гало. У той же час при випаровуванні та конденсації зразка системи Ge-Sb2Se3 утворюється склоподібна структура; це підтверджується методом просвічуючої електронної мікроскопії (ПЕМ) високої роздільної здатності, якою не виявлено області кристалічності. Вміст компонентів у покритті, визначено методом енергодисперсійної рентгенівської (ЕДР) спектроскопії (біля 10 ат. % Ge, по 40 ат. % для Sb і Se, відповідно), вказує на певне відхилення від стехіометрії, властивої для вихідного зразка системи. Це може свідчити про дещо нижчу леткість селенідів германію у порівнянні з селенідами стибію. Сканування вздовж певної лінії (ЕДР) за товщиною покриття вказує на сильні флуктуації концентрації елементів, а отже – неоднорідність покриття за складом. Обидва покриття мають високу механічну міцність (група 0). У той же час їхні оптичні властивості суттєво різняться: показники заломлення становлять 3.0 та 3.66 для систем Ge-ZnS та Ge-Sb2Se3, відповідно. Вважається, що наноструктурування у зазначених вище системах зумовлено високою здатністю германію до аморфізації при конденсації на скляній підкладці.