23 Критична товщина і критична температура конденсації
Поняття критичної товщини дуже тісно пов'язане з кінетикою утворення плівки. Критична товщина dкр відповідає переходу від непровідного стану конденсату на діелектричній підкладці до електрично суцільного шару. Знання dкр дуже важливе під час практичного використання плівкових зразків. Очевидно, що перехід від непровідного до провідного стану відбувається в деякому інтервалі товщин і для кожної конкретної пари плівка-підкладка має свої значення. Початку цього інтервалу відповідає поява малої електричної провідності, яка буде мати напівпровідниковий (активаційний) характер.
В області критичної товщини електричний опір різко зменшується на декілька порядків, а провідність має металевий характер. Експериментальні результати показують, що при зміні опору в 100 - 1000 разів плівка стає лише електрично суцільною, оскільки коефіцієнт заповнення її дорівнює величині 0,6 - 0,8.
Додаткові дослідження показали, що dкр дуже залежить від температури:
dкр = А ехр(-Q/2kT), (2.2)
у той час як від швидкості конденсації змінюється залежність лише при дуже різкому збільшенні (на 3 - 4 порядки) швидкості конденсації. Це ще раз підтверджує широко розповсюджену думку про те, що температура є основним параметром, який визначає механізм і кінетику утворення тонкої плівки.
Як уже підкреслювалося, критична товщина суттєво залежить від вибору конкретної пари плівка-підкладка. Наведемо табличні дані (таблиця 2.2), які підтверджують цю думку.
Ефект критичної температури полягає в тому, що конденсація молекулярного пучка на підкладку відбувається лише в тому випадку, коли температура підкладки нижча за деяку критичну (Ткр).
Таблиця 2.2 - Залежність dкр від температури
Плівка
Критична товщина
Підкладка
100 К
150 К
200 К
250 К
300 К
Bі
1,2
1,5
1,7
2,0
2,8
Скло
Sn
-
1,5
4,0
10
24
-«-
Іn
2,5
12,5
37,5
75
-
-«-
Уперше критичну температуру конденсації спостерігали в 1916 році американські вчені М.Кнудсен та Р.Вуд. У таблиці 2.3 наведені деякі літературні дані значень критичної температури для різних металів.
Таблиця 2.3 - Величина критичної температури конденсації
Плівка
Підкладка
Ткр, К
Плівка
Підкладка
Ткр, К
Hg
Скло
133-143
Cu
Скло
>800
Zn
-«-
90-195
Ag
-«-
>848
Cd
-«-
90-195
Bі
-«-
613
Mg
-«-
90-195
Bі
Лак
633
У 1924 році Ю.Б.Харитон та М.М.Семенов уперше спостерігали залежність критичної температури від швидкості конденсації. Я.І.Френкель створив теорію, з якої випливає аналітична залежність між wкр та Ткр:
wкр = A exp (-Qзв/kТкр), (2.3)
де Qзв - енергія зв'язку між атомами плівки і підкладки. Співвідношення (2.3) дозволяє, виходячи із експериментальної залежності Ткр від wкр , розрахувати величину Qзв. Для цього необхідно вказану залежність перебудувати у напівлогарифмічних (спрямних) координатах ln wкр від (kТкр)-1 (приклад такої залежності представлений співвідношенням (1.2) і рисунком 1.1 б). Кутовий коефіцієнт прямої лінії чисельно дорівнює величині Qзв.
Насамкінець зазначимо, що фізико-хімічні властивості підкладки суттєво впливають на величину Ткр. У зв'язку з цим для вивчення ефекту "в чистому вигляді" необхідно використовувати лише нейтральні підкладки. Цю умову більшою мірою задовольняють аморфні матеріали (скло, плівки вуглецю, лак, колоїд та ін.) або полікристалічні матеріали при низьких температурах підкладки, коли дифузія конденсованих атомів дуже уповільнена і матеріал підкладки не впливає на розмір критичного зародка.