Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

О формировании фрактальных пленок железа

Д.В. Иванов1, А.С. Антонов1,2, Е.М. Семенова1, А.И. Иванова1, Н.Б. Кузьмин1, Н.Ю. Сдобняков1

1 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
2 ФГБОУ ВО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия»

DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.108

Оригинальная статья

Аннотация: Рассмотрены закономерности формирования фрактального рельефа наноразмерных пленок железа на поверхности слюды с использованием атомно-силовой микроскопии. С целью не допустить образования оксидного слоя, пленки железа исследовались непосредственно после их получения на установке магнетронного напыления. Установлено, что магнетронное напыление позволяет получать островковые пленки железа, структурным элементом которых являются усеченные нанокубы – нанопирамиды. Определена фрактальная размерность полученных агломератов на различных масштабах: на масштабе 5 мкм Dc = 2,462±0,113; на масштабе 3 мкм Dc = 2,373±0,122; на масштабе 1 мкм Dc = 2,298±0,139. Проведена оценка распределения вероятности обнаружения агломератов на исследуемых пленках с определенной фрактальной размерностью поверхности пленок железа. Последующий элементный анализ пленок железа показал наличие кислорода, а следовательно формирование упорядоченных оксидных пленок типа ядро-оболочка.

Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, магнетронное напыление, фрактальная размерность, пленки железа, нанопирамиды

  • Иванов Дмитрий Викторович – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Антонов Александр Сергеевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет», доцент ФГБОУ ВО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия»
  • Семенова Елена Михайловна – к.ф.-м.н., доцент кафедры физики конденсированного состояния, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Иванова Александра Ивановна – к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Кузьмин Николай Борисович – студент 4 курса кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
  • Сдобняков Николай Юрьевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»

Ссылка на статью:

Иванов, Д.В. О формировании фрактальных пленок железа / Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Е.М. Семенова, А.И. Иванова, Н.Б. Кузьмин, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2022. — Вып. 14. — С. 108-119. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.108.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В. Иванов. – Тверь: ТвГУ, 2019. – 168 с.
2. Иванов, Г.С. Фрактальная геометрическая модель микроповерхности / Г.С. Иванов, Ю.В. Брылкин // Геометрия и графика. – 2016. – Т. 4. – № 1. – С. 4-11. DOI: 10.12737/18053.
3. Брылкин, Ю.В. Тестирование алгоритма моделирования рельефа шероховатой поверхности на основе теории фракталов / Ю.В. Брылкин, А.Л. Кусов, А.В. Флоров // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. – 2014. – Т. IV. – № 5. – С. 86-89.
4. Zhou, W. Fractal analysis on surface topography of thin films: a review / W. Zhou, Y. Cao, H. Zhao et al. // Fractal and fractional. – 2022. – V.6. – I. 3. – Art. № 135. 30 30 p. DOI: 10.3390/ fractalfract6030135.
5. Torkhov, N.A. The fractal geometry of TiAlNiAu thin film metal system and its sheet resistance (lateral size effect) / N.A. Torkhov, M.P. Evstigneev, A.A. Kokolov, L.I. Babak // Symmetry. – 2021. – V. 13. – I. 12. – Art. № 2391. – 11 p. DOI: 10.3390/sym13122391.
6. Семенова, Е.М. Фрактальная геометрия нано- и магнитной доменной структуры ферромагнитного сплава Sm–Co–Cu–Fe в высококоэрцитивном состоянии / Е.М. Семенова, Д.В. Иванов, М.Б. Ляхова и др. // Известия РАН. Ceрия физическая. – 2021. – Т. 85. – № 9. – C. 1245-1248. DOI: 10.31857/S0367676521090258.
7. Серов, И.Н. Применение метода магнетронного распыления для получения структурированных тонких пленок / И.Н. Серов, Г.Н. Бельская, В.И. Марголин и др. // Известия РАН. Серия физическая. – 2003. – Т. 67. – № 4. – С. 575-578.
8. Серов, И.Н. Исследование воздействия фрактально-матричных структуризаторов на процессы образования и роста наноразмерных структур / И.Н. Серов, В.А. Жабрев, В.И. Марголин // Физика и химия стекла. – 2004. – Т. 30. – № 1. – С. 45-71.
9. Zhou, C. Effect of the sputtering power on the structure morphology and magnetic properties of Fe films / C. Zhou, T. Li, X. Wei, B. Yan // Metals. – 2020. – V. 10. – I. 7. – Art. № 896. – 11 p. DOI: 10.3390/met10070896.
10. Мягков, В.Г. Фрактальное окисление аморфных плёнок железа / В.Г. Мягков, В.С. Жигалов, С.М. Жарков // Доклады академии наук. – 1996. – Т. 346. – № 5. – С. 612-615.
11. Krim, J. Scanning tunneling microscopy observation of self-affine fractal roughness in ion-bombarded film surfaces / J. Krim, I. Heyvaert, C. Van Haesendonck, Y. Bruynseraede // Physical Review Letters. – 1992. – V. 70. – I. 1. – P. 57-60. DOI: 10.1103/PhysRevLett.70.57.
12. Иванова, Н.А. Образование в газовой фазе агрегатов железа и углеродных наноструктур с включениями железа / Н.А. Иванова, А.М. Бакланов, А.А. Онищук // Химическая физика. – 2005. – Т. 24. – № 4. – С. 84-94.
13. Forrest, S. Long-range correlations in smoke-particle aggregates / S.R. Forrest, T.A. Witten Jr // Journal of Physics A: Mathematical and General. – 1979. – V. 12. – № 5. – P. L109-L117. DOI: 10.1088/0305-4470/12/5/008.
14. Юрков, А.Н. Использование планарного магнетрона для напыления ферромагнитных пленок микронной и нанометровой толщины / А.Н. Юрков, Т.В. Власова, Г.А. Крикунов, М.А. Кононов // Прикладная физика. – 2010. – № 3. – С. 103-108.
15. Антонов, А.С. Исследование фрактальных свойств наноразмерных пленок золота, серебра и меди: атомно-силовая и туннельная микроскопия / А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков, Д.В. Иванов и др. // Химическая физика и мезоскопия. – 2017. – Т. 19. – № 3. – С. 473-486.
16. Иванов, Д.В. Получение наноразмерных пленок платины, обладающих фрактальными свойствами / Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Е.М. Семенова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 73-88. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.073.
17. Иванов, Д.В. Различные схемы получения фрактального рельефа наноразмерных пленок платины / Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Е.М. Семенова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 156-165. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.156.
18. Zhao, J. Formation mechanism of Fe nanocubes by magnetron sputtering inert gas condensation / J. Zhao, E. Baibuz, J. Vernieres et al. // ACS Nano. – 2016. – V. 10. – I. 4. – P. 4684-4694. DOI: 10.1021/acsnano.6b01024.
19. Wu, H. Facile synthesis of amorphous Ge supported by Ni nanopyramid arrays as an anode material for sodium-ion batteries / H. Wu, W. Liu, L. Zheng et al. // ChemistryOpen. – 2019. – V. 8. – I. 3. – P. 298-303 DOI: 10.1002/open.201900024.
20. Koirala, K.P. Bimetallic Fe–Ag nanopyramid arrays for optical communication applications / K.P. Koirala, H. Garcia, V.P. Sandireddy et al. // ACS Applied Nano Materials. – 2021. – V. 4. – I. 6. – P. 5758-5767. DOI: 10.1021/acsanm.1c00547.
21. DigitalSurf. – Режим доступа: www.url: https://www.digitalsurf.com. – 15.08.2021.
22. Image Analysis P9. Руководство пользователя. – M.: НТ-МДТ СИ, 2019. – 582 c.
23. Gwyddion – Free SPM (AFM, SNOM/NSOM, STM, MFM, …) data analysis software. – Режим доступа: www.url: http://gwyddion.net. – 15.09.2021.
24. Douketis, C. Rough silver films studied by surface enhanced Raman spectroscopy and low temperature scanning tunnelling microscopy / C. Douketis, T.L. Haslett, Z. Wang, M. Moskovits, S. Iannotta // Progress in Surface Science. – 1995. – V. 50. – I. 1-4. – P. 187-195. DOI: 10.1016/0079-6816(95)00053-4.
25. Zahn, W. The dependence of fractal dimension on measuring conditions of scanning probe microscopy / W. Zahn, A. Zösch // Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. – 1999. – V. 365. – I. 1-3. – P. 168-172. DOI: 10.1007/s002160051466.
26. Van Put, A. Quantitative characterization of individual particle surfaces by fractal analysis of scanning electron microscope images / A. Van Put, A. Vertes, D. Wegrzynek, B. Treiger, R. Van Grieken // Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. – 1994. – V. 350. – I. 7-9. – P. 440-447. DOI: 10.1007/BF00321787.
27. Mannelquist, A. Influence of tip geometry on fractal analysis of atomic force microscopy images / A. Mannelquist, N. Almqvist, S. Fredriksson // Applied Physics A. – 1998. – V. 66. – Supplement I. 1. – P. S891-S895. DOI: 10.1007/s003390051262.
28. Zahn, W. Characterization of thin-film surfaces by fractal geometry / W. Zahn, A. Zösch // Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. – 1997. – V. 358. – I. 1-2. – P. 119-121. DOI: 10.1007/s002160050360.
29. Сдобняков, Н.Ю. Определение фрактальной размерности островковых плёнок золота на слюде / Н.Ю. Сдобняков, Т.Ю. Зыков, А.Н. Базулев, А.С. Антонов // Вестник ТвГУ, серия «Физика». – 2009. – Вып. 6. – С. 112-119.
30. Wang, C.M. Morphology and oxide shell structure of iron nanoparticles grown by sputter-gas-aggregation C.M. Wang, D.R. Baer, J.E. Amonette et al. // Nanotechnology. – 2007. – V. 18. – Art. № 255603. – 7 p. DOI: 10.1088/0957-4484/18/25/255603.
31. Pratt, A. Enhanced oxidation of nanoparticles through strain-mediated ionic transport / A. Pratt, L. Lari, O. Hovorka et al. // Nature Materials. – 2014. – V. 13. – № 1. – P. 26-30. DOI: 10.1038/NMAT3785.
32. Błoński, P. Structural, electronic, and magnetic properties of bcc iron surfaces / P. Błoński, A. Kiejna // Surface Science. – 2007. – V. 601. – P. 123-133. DOI: 10.1016/j.susc.2006.09.013.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒