Структурні перетворення наношарів AsXS100-X: рентгенфотоелектронні та електронномікроскопічні дослідження

Abstract

Методами рентгенівської фотоелектронної спектроскопії та скануючої елект-ронної мікроскопії вивчена структура приповерхневих наношарів тонких плі-вок AsxS100-x (x = 40, 45, 50) та її трансформація під дією когерентного зеленого (532 нм) лазерного опромінення. Показано, що склад отриманих плівок зале-жить не тільки від складу вихідного матеріалу, але також від складу пари в процесі випаровування. Лазерне випромінювання з енергією, близькою до ене-ргії ширини забороненої зони, знижує кількість гомополярих зв'язків As-As і S-S у плівках, отриманих термічним випаровуванням стекол As40S60 та As50S50. Композиція As45S55 демонструє при опроміненні збільшення кількості зв’язків As-As, незважаючи на часткове зменшення зв’язків S-S. Спостережуваний ефект має місце внаслідок присутності структурних одиниць As4S3. Для ви-вчення структури поверхні плівок були отримані СEM знімки зразків AsxS100-x (x = 40, 45, 50), свіжонапилених, відпалених та опромінених лазером.

Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии изучена структура приповерхностных нанослоев тонких пленок AsxS100-x (x = 40, 45, 50) и ее трансформация под действием ко-герентного зеленого (532 нм) лазерного облучения. Показано, что состав полу-ченных пленок зависит не только от состава исходного материала, но также от состава пары в процессе испарения. Лазерное излучение с энергией, близкой к энергии ширины запрещеннй зоны, снижает количество гомополярих связей As-As и S-S в пленках, полученных термическим испарением стекол As40S60 и As50S50. Композиця As45S55 демонстрирует увеличение количества связей As-As, несмотря на частичное уменьшение связей S-S. Наблюдаемый эффект име-ет место из-за наличия структурных единиц As4S3. Для изучения структуры поверхности пленок были получены СЭM снимки образцов AsxS100-x (x = 40, 45, 50), свеженапыленных, отожженных и облученных лазером.

Background: The research of chalcogenide glassy (ChG) materials formed a ge-neral understanding of electronic phenomena in disordered structures. The numerous investigations of their fundamental physical and chemical properties have been al-ready studied. Unique structural, electronic and optical properties determined their various applications. Photosensitivity is the main feature of chalcogenide glasses for fabrication phase-change memory, tailoring direct waveguides and grating pattern-ing. Materials and methods: Amorphous AsxS100-x (x = 40, 45, 50) were prepared by thermal vacuum evaporation from appropriate bulk glass powders onto silicon wa-fers. The surface chemical composition and structure of material were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM) on as-deposited ChG thin film samples and samples being illuminated by near bandgap laser (λ = 532 nm, photon energy ~ 2.4 eV, p = 25 mW), under ambi-ent conditions. Results: All spectra of S 2p electron core level were fitted by two components: S-As2 and S-SAs s.u. The As 3d core level spectra of As40S60 and As50S50 nanolayers contains As-S3, As-S2As and As-SAs2 s.u. As45S55 structure is characterized by the presence of the fourth, As-As3 component apart from previous mentioned three. Near-bandgap laser light illumination of AsxS100-x (x = 40, 45, 50) samples causes decreasing of the contribution of components with the homopolar S-S bonds in all samples, decreasing of components with homopolar As-As bonds in the structure of As40S60 and As50S50 nanolayers and increasing of concentration of components with As-As bonds in As45S55 films. Conclusion: The local and molecular structure of the surface layers of AsxS100-x thin films (x = 40, 45, 50) and their structural transformations induced by coherent laser irradiation with energy close to band gap energy, with using XPS and SEM were in-vestigated. An essential difference between the surface stoichiometry and the com-position of the appropriate glasses has been found. Established that this behavior caused by peculiarities of the molecular component of the gas phase during deposi-tion. This indicates that the type of molecules in a pair plays a decisive role in form-ing composition of the film. Laser irradiation reduces the concentration of homopo-lar S-S bonds in the structure of all AsxS100-x nanolayers (x = 40, 45, 50). However a decreasing of the As-As homopolar bond concentration induced by laser light was observed only on samples of As40S60 and As50S50 films. During illumination signifi-cant contribution of As-S2As and As-SAs2 s.u. and the appiarence of As-enriched As-As3 s.u. was seen in the case of As45S55 thin film sample. SEM photos of the sur-face of the films confirm the ordering of the structure of the films during processing.