Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 3, стр. 301-302

Известно, что оксид трехвалентного железа существует в четырех полиморфных фазах: α, β, γ, ε. Первая и третья модификации встречаются в природе, имеют одинаковый химический состав, но отличаются строением кристаллической решетки. α-Fe₂O₃ или гематит обладает кристаллической решеткой типа корунда с тригональной сингонией и параметрами решетки a = 5.038 Å и c = 13.772 Å. γ-Fe₂O₃ (маггемит) обладает кристаллической решеткой кубической сингонии и параметром a = 8.330 Å. Наиболее распространенной модификацией является α-Fe₂O₃. В отличие от обычных ферромагнетиков, в гематите, являющемся ферримагнетиком, сумма магнитных моментов подрешеток не равна нулю, что приводит к спонтанному намагничиванию. В связи с этим гематит представляет большой интерес для изучения спин-волновых процессов.

Ниобат лития широко используется в элементах оптических модуляторов, пьезоэлектрических датчиков и других линейных и нелинейных устройств. Он также имеет кристаллическую решетку тригональной сингонии с параметрами a = 5.148 Å и c = = 13.863 Å, что весьма близко к структурным параметрам гематита. Это создает хорошие предпосылки к эпитаксиальному росту пленок гематита на ниобате лития.

В ряде работ уже сообщалось о получении пленок гематита. В частности, в [1] α-Fe₂O₃ выращивался методом газофазного осаждения (CVD) для использования в качестве буферного слоя при росте пленок Ga₂O₃ на LiNbO₃. В работе [2] эпитаксиальные пленки гематита выращивали методом диодного ВЧ-распыления на подложках из галий-гадолиниевого граната. Золь-гель-технология использовалась в [3].

Об эпитаксиальном росте пленок гематита на ниобате лития методом магнетронного распыления ранее не сообщалось. В связи с этим в ходе данной работы были проведены исследования влияния технологических параметров данного метода на структурообразование пленок гематита на таких подожках.

Осаждение проводили методом магнетронного реактивного ВЧ-распыления железной мишени в смеси кислорода и аргона. Из-за того, что железо сильно ослабляет неоднородное магнитное поле над поверхностью мишени, уменьшая эффективность ионизации рабочего газа в плазме при магнетронном разряде, был выбран метод высокочастотного распыления и увеличено давление до 10^–2 Торр. При таком давлении длина свободного пробега молекул газа и распыляемых частиц уменьшается до 1 см, снижая тем самым энергетическое воздействие на растущую пленку и уменьшая образование дефектов. Соотношение парциальных давлений кислорода и аргона составляло 1 : 10, что обеспечивало достаточное количество кислорода для образования стехиометрического оксида железа и уменьшало интенсивность бомбардировки растущей пленки отрицательно заряженными ионами кислорода. О влиянии бомбардировки, характерной для реактивных процессов при магнетронном распылении на рост оксидных пленок сообщалось в [4]. Скорость роста пленки при мощности разряда 300 Вт и расстоянии между мишенью и подложкой 5 см составила около 50 Å/мин. Осаждение пленки оксида железа было проведено при температурах подложки 20, 400, 600 и 700°С. При осаждении на подложку без нагрева из-за недостаточной локализации плазмы в области катода происходит электронная бомбардировка поверхности растущей пленки, приводящая к разогреву подложки до 200°С. Однако такой температуры оказалось недостаточно для кристаллизации. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа, пленка оксида железа оказалась рентгеноаморфной. Далее температура подложки была повышена до 400°С. На рис. 1 приведена рентгеновская дифрактограмма от полученного образца. Кроме пика от подложки наблюдается еще одна дифракционная линия, соответствующая отражению от плоскости (11$\bar {2}$0) α-Fe₂O₃. При температуре подложки 600°С происходила кристаллизация кубической полиморфной модификации γ-Fe₂O₃. Дифрактограмма для 2-го порядка отражения приведена на рис. 2. Повышение температуры подложки до 700°С позволило получить структурно-совершенные слои гематита с ориентацией (0001). Дифракционная линия 12-го порядка от α-Fe₂O₃ приведена на рис. 3.

Рис. 1.

Рентгеновская дифрактограмма от пленки (11$\bar {2}$0) α-Fe₂O₃, осажденной при температуре подложки 400°С.

Рис. 2.

Рентгеновская дифрактограмма от пленки γ‑Fe₂O₃, осажденной при температуре подложки 600°С.

Рис. 3.

Рентгеновская дифрактограмма от пленки (0001) α-Fe₂O₃, осажденной при температуре подложки 700°С.

Таким образом, использование магнетронного разряда и достаточно высокая температура подложки позволяют получать эпитаксиальные пленки гематита на подложках из ниобата лития.