Ανάπτυξη και Χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων κοβαλτίου και οξειδίου του κοβαλτίου με τεχνικές χημικής εναπόθεσης ατμών

Abstract

Τα λεπτά υμένια κοβαλτίου αποτελούν μια ενδιαφέρουσα προοπτική αναφορικά με την εφαρμογή τους σε διατάξεις αισθητήρων και μαγνητικής εγγραφής, καθώς το κοβάλτιο εμφανίζει την υψηλότερη τιμή μαγνητικής ανισοτροπίας μεταξύ των στοιχείων μεταπτώσεως. Η μαγνητική δομή και οι μαγνητικές ιδιότητες όμως, καθορίζονται από την ατομική δομή και τη μορφολογία των υμενίων, οι οποίες με τη σειρά τους, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη μέθοδο παρασκευής. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων κοβαλτίου και οξειδίου του κοβαλτίου, τα οποία παρήχθησαν με την τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών. Τα λεπτά υμένια που αναπτύχθηκαν χαρακτηρίστηκαν ως προς τις κρυσταλλογραφικές τους φάσεις με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων Χ, ως προς τη μικροδομή τους με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, ως προς την επιφανειακή τους τοπογραφία με μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων, ως προς τις μαγνητικές τους ιδιότητες με μαγνητομετρία δόνησης και ως προς τις νανομηχανικές και νανοτριβολογικές τους ιδιότητες με την τεχνική της νανοδιείσδυσης. Υπολογίστηκαν οι νανομηχανικές ιδιότητες των λεπτών υμενίων (σκληρότητα και μέτρο ελαστικότητας) αποδεικνύοντας ότι το λεπτό υμένιο Co3O4 παρουσιάζει υψηλότερες τιμές σκληρότητας σε σχέση με το λεπτό υμένιο Co. Το λεπτό υμένιο Co είναι πιο πλαστικό αποθηκεύει μεγαλύτερη ενέργεια μετά το τέλος της νανοδιείσδυσης. Οι καμπύλες φόρτισης-αποφόρτισης των λεπτών υμενίων Co και Co3O4 παρουσιάζουν τοπικές αλλαγές (ασυνέχειες) στην κλίση (pop-ins και elbows στην καμπύλη φόρτισης και αποφόρτισης, αντίστοιχα), που συνδέονται με μετασχηματισμούς φάσης. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης 3 διαφορετικά μοντέλα για τη μελέτη του φαινομένου indentation size effect. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση φθοράς με βάση το λόγο σκληρότητας προς μέτρο ελαστικότητας (Η/Ε) η οποία έδειξε ότι το λεπτό υμένιο Co3O4 παρουσιάζει υψηλότερη αντίσταση στη φθορά σε σύγκριση με το λεπτό υμένιο Co, γεγονός που επιβεβαιώθηκε και από μετρήσεις νανοεγχάραξης. Παρήχθησαν επίσης και λεπτά υμένια βοριδίου, καρβιδίου και νιτριδίου του κοβαλτίου, τα οποία και χαρακτηρίστηκαν με την τεχνική της νανοδιείσδυσης. Το βορίδιο του κοβαλτίου παρουσιάζει συνεπώς υψηλότερες τιμές σκληρότητας λόγω δημιουργίας ομοιοπολικών δεσμών και αμορφοποίησης του κρυσταλλικού κοβαλτίου εξαιτίας της παρουσίας του βορίου. Ακολουθεί το καρβίδιο του κοβαλτίου και στη συνέχεια το νιτρίδιο του κοβαλτίου, ενώ το λεπτό υμένιο του κοβαλτίου εμφανίζεται το μαλακότερο όλων.

Cobalt thin films appear as an interesting perspective regarding sensors and magnetic recording devices, since cobalt exhibits the highest magnetic anisotropy among transition metals. In the recent years, the deposition of Co on Si substrates has attracted special interest, as Co thin films can be used in innovative magnetic devices in microelectronics, allowing their incorporation in Si technology and rendering them as candidate materials for sensing and data storage applications. Co3O4 thin films are also promising candidates due to useful properties, such as high catalytic activity at low cost, antiferromagnetism and electrochromism and have been considered for uses as magnetic detectors, counter electrodes, humidity or oxygen optical sensors, solar-selective absorbers and protective layers. In the present study, MOCVD has been used for the synthesis of Co and Co3O4 thin films, which are characterized through X-Ray Diffraction technique, Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy and Nanoindentation-Nanoscratch technique, in order to combine the structure of the thin films with their nanomechanical properties. The AFM analysis revealed that the Co3O4 films are uniformly grain distributed with enlarged grains (mean roughness ~17.5 nm), whereas the Co films originating from Co2(CO)8 presented an extremely smooth surface (mean surface roughness ~2 nm). As far as the magnetic responses of both Co3O4 and Co films under an externally applied magnetic field, it was found that the easy axis of magnetization was the films’ plane. The anisotropy field was found around 480 kA/m and 800 kA/m, respectively. The load-displacement curves obtained from the nanoindentation technique showed that the Co3O4 thin film exhibited higher resistance to applied load (i.e. higher applied load values are needed in order to reach the same displacement. In the case of Co, greater plasticity was revealed, i.e. energy stored at the material after the indentation was over. An investigation of the local changes presented on the load-displacement curves was performed, revealing that the onset of plasticity for both thin films was at ~10 nm. Furthermore, it was found that the Co3O4 thin film was more resistant and stable under the exertion of load. The nanomechanical properties (H and E) for displacement 150 nm (H=8.65 GPa & E=54.97 GPa,) were found to be in good agreement with the literature. Finally, a wear analysis was performed using the H/E* ratio in correlation to the (Wtot-Wu)/Wtot term. The Co3O4 thin film exhibited higher resistance to wear, compared with Co thin film. Thus, depending on the demands of the application, the material used should be carefully chosen. Furthermore, cobalt boride, cobalt nitride and cobalt carbide thin films are produced through a post-treatment thermal diffusion stage of the as-deposited Co thin films and characterized by nanoindentation technique, and cobalt boride has been found to be the hardest whereas Co thin film has been found to be the more plastic one.