Inorganic MaterialsInorganic Materials0002-337X3034-5588Russian Academy of Science10.31857/S0002337X23060040Surface Morphology, Phase Composition, and Local Electrical Properties of Fullerite Films Containing a Varied Atomic Fraction of Tin and BismuthМорфология поверхности, фазовый состав и локальные электрические свойства пленок фуллерита с разной атомной долей олова и висмутаBaranL. V.БаранЛ. В. baran_l_v_noemail@ras.ruБелорусский государственный университетBelarusian State University01062023596610617

The surface morphology, elemental and phase compositions, and local electrical properties of fullerite films containing various atomic fractions of tin and bismuth have been studied using scanning probe microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and Fourier transform IR spectroscopy. The films were grown on oxidized single-crystal silicon substrates by deposition from a combined atomic–molecular flow using resistive evaporation in vacuum. Their thickness was 1 μm. The as-grown films consisted of grains ranging in size from 30 to 200 nm. Their X-ray diffraction patterns showed reflections from C60 fullerite with a face-centered cubic lattice, which was in a stressed state due to the incorporation of dopant atoms, and reflections from pure tin and bismuth. Optical spectroscopy results indicated the formation of complexes of fullerenes with Sn and Bi atoms. According to electric force microscopy results, the tin- and bismuth-doped fullerite films have a considerably lower surface potential and a nonuniform surface capacitance gradient distribution.

Методами сканирующей зондовой и электронной микроскопии, рентгеноспектрального и рентгенофазового анализа, КР- и Фурье-спектроскопии исследованы морфология поверхности, элементный и фазовый составы, локальные электрические свойства пленок фуллерита с разной атомной долей олова и висмута. Пленки получены из совмещенного атомно-молекулярного потока методом резистивного испарения в вакууме на подложках из окисленного монокристаллического кремния. Толщина пленок составила 1 мкм. Установлено, что свежесконденсированные пленки состоят из частиц разных размеров – от 30 до 200 нм, на рентгенограммах наблюдаются отражения фуллерита С60 с гранецентрированной кубической решеткой, находящейся в напряженном состоянии из-за внедрения атомов примеси, а также отражения чистых олова и висмута. С помощью оптической спектроскопии выявлено образование комплексов фуллеренов с атомами Sn и Bi. Электросиловая микроскопия показала значительное уменьшение поверхностного потенциала пленок фуллерита, легированных оловом и висмутом, и неоднородное распределение градиента поверхностной емкости.

тонкие пленки фуллерит легирование оловом и висмутом морфология поверхности твердофазное взаимодействиетонкие пленки фуллерит легирование оловом и висмутом морфология поверхности твердофазное взаимодействиеАвтор благодарит С.В. Злоцкого за получение дифрактограмм исследуемых пленок, О.В. Королик – за измерение КР-спектров.Автор благодарит С.В. Злоцкого за получение дифрактограмм исследуемых пленок, О.В. Королик – за измерение КР-спектров.Сидоров Л.Н., Юровская М.А., Борщевский А.Я., Трушков И.В., Иоффе И.Н. Фуллерены. М.: Экзамен, 2005. 688 с.Баран Л.В. Влияние атомной доли металла на шероховатость поверхности и электросопротивление пленок фуллерит–висмут // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2022. Т. 58. № 1. С. 38–44. https://doi.org/10.31857/S004418562201003XGothard N., Spowart J.E., Tritt T.M. Thermal Conductivity Reduction in Fullerene-Enriched P-Type Bismuth Telluride Composites // Phys. Status Solidi A. 2010. V. 207. № 1. P. 157–162. https://doi.org/10.1002/pssa.200925145Ke N., Cheung W.Y., Wong S.P., Peng S.Q. Electrical and Defect Properties of Sn–Doped C60 Thin Films // Carbon. 1997. V. 35. № 6. P. 759–762. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(97)00032-8Баран Л.В. Электросиловая микроскопия локальных электрических свойств пленок олово-фуллерит // Перспективные материалы. 2009. № 5. С. 86–90.Баран Л.В. Твердофазное взаимодействие в пленках фуллерит-висмут при термическом отжиге // Поверхность. Рентген. синхротр. и нейтрон. исследования. 2019. № 8. С. 30–34. https://doi.org/10.1134/S0207352819080031Дроздов А.Н., Вус А.С., Пуха В.Е., Пугачев А.Т. Особенности формирования дифракционных картин кристаллами металлофуллеренов // ФТТ. 2010. Т. 52. Вып. 9. С. 1861–1866.Баран Л.В. Структурные и фазовые изменения в пленках олово-фуллерит при отжиге // Поверхность. Рентген. синхротр. и нейтрон. исследования. 2010. № 8. С. 89–94.Cornelius B., Treivish S., Rosenthal Y., Pecht M. The Phenomenon of Tin Pest: A Review // Microelectron. Reliab. 2017. V. 79. P. 175–192. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2017.10.030Baran L.V. Spontaneous Growth of Petal Crystals in Fullerite Films // Nanosyst.: Phys., Chem., Math. 2018. V. 9. № 2. P. 295–299.Россошинский А.А., Лапшов Б.П., Яценко Ю.К. Олово в процессах пайки. Киев: Навукова думка, 1985. 195 с.Tanigaki K., Zhou O. Conductivity and Superconductivity in C60 Fullerides // J. Phys. I. 1996. V. 6. № 12. P. 2159–2173. https://doi.org/10.1051/jp1:1996212. jpa-00247304Захарова И.Б., Зиминов В.М., Романов Н.М., Квятковский О.Е., Макарова Т.Л. Оптические и структурные свойства пленок фуллерена с добавлением теллурида кадмия // ФТТ. 2014. Т. 56. Вып. 5. С. 1024–1029.Кульбачинский В.А., Кытин В.Г., Бланк В.Д., Буга С.Г., Попов М.Ю. Термоэлектрические свойства нанокомпозитов теллурида висмута с фуллеренами // ФТП. 2011. Т. 45. Вып. 9. С. 1241–1245.Баран Л.В. Структурно-фазовое состояние и локальные механические свойства пленок фуллерит – алюминий с разной атомной долей металла // Перспективные материалы. 2014. № 12. С. 51–58.Popescu R., Macovei D., Devenyi A., Manaila R., Barna P.B., Kovacs A., Labar J.L. Metal Clusters in Metal/C60 Thin Film Nanosystems // Eur. Phys. J. B. 2000. V. 13. P. 737–743. https://doi.org/10.1007/s100510050093Chen N., Yu P., Guo K., Lu X. Rubrene-Directed Structural Transformation of Fullerene (C60) Microsheets to Nanorod Arrays with Enhanced Photoelectrochemical Properties // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 6. P. 954 (1–13). https://doi.org/10.3390/nano12060954Lei Y., Wang S., Lai Z., Yao X., Zhao Y., Zhang H., Chen H. Two-dimensional C60 Nano-meshes: Via Crystal Transformation // Nanoscale. 2019. V. 11. № 18. P. 8692–8698. https://doi.org/10.1039/c8nr09329fБаран Л.В. Самопроизвольный рост монокристаллов различной формы в пленках олово–фуллерит // Кристаллография. 2006. Т. 51. № 4. С. 736–741.Баран Л.В. Структура и условия образования кристаллитов фуллерита в пленках Sn–C60 // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 1. С. 112–115.Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eklund P.C. Raman Scattering in Fullerenes // J. Raman Spectrosc. 1996. V. 27. P. 351. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4555(199603)27: 3/4%3C351::AID-JRS969%3E3.0.CO;2-NKuzmany H., Matus M., Burger B., Winter J. Raman Scattering in C60 Fullerenes and Fullerides // Adv. Mater. 1994. V. 6. № 10. P. 731–745. https://doi.org/10.1002/adma.19940061004Hare J.P., Dennis T.J., Kroto H.W., Taylor R., Allaf A.W., Balm S., Walton D.R.M. The IR Spectra of Fullerene-60 and -70 // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991. № 6. P. 412–413. https://doi.org/10.1039/C39910000412Wilson William L., Hebard A.F., Narasimhan L.R., Haddon R.C. Doping-Induced Spectral Evolution in C60: Evidence of Immiscible Stoichiometric Phases in AxC60 (A = K, Rb; X = 0, 3, and 6) Thin Films // Phys. Rev. B. 1993. V. 46. № 4. P. 2591–2594. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.2738Титова С.Н., Домрачев Г.А., Хоршев С.Я., Объедков А.М., Калакутская Л.В., Кетков С.Ю., Черкасов В.К., Каверин Б.С., Жогова К.Б., Лопатин М.А., Карнацевич В.Л., Горина Е.А. Стехиометрический синтез соединений фуллерена с литием и натрием, анализ их ИК и ЭПР спектров // ФТТ. 2004. Т. 46. № 7. С. 1323–1327.Sun Y.-P., Ma B., Bunker Christ E., Liu Bing. All-Carbon Polymers (Polyfullerenes) from Photochemical Reactions of Fullerene Clusters in Room-Temperature Solvent Mixtures // J. Am. Chem. Soc. 1995. V. 117. P. 12705–12711.Shuichi Osawa, Jun Onoe, Kazuo Takeuchi. Coalesced C60 Molecules in Toluene under Ultrahigh Pressure // Fullerene Sci. Technol. 1998. V. 6. № 2. P. 301–308.Казаченко В.П., Рязанов И.В. Структура полимерных покрытий из С60, полученных методом электронно-лучевого диспергирования фуллерита // ФТТ. 2009. Т. 51. № 4. С. 822–827.