Formation of silver nanocrystals in Ag-Si composite films obtained by ion beam sputtering

Константин Александрович Барков; Владимир Андреевич Терехов; Дмитрий Николаевич Нестеров; Кирилл Евгеньевич Величко; Сергей Александрович Ивков; Никита Сергеевич Буйлов; Сергей Владимирович Канныкин; Игорь Евгеньевич Занин; Борис Львович Агапов; Сергей Владимирович Родивилов; Евгений Сергеевич Керсновский; Иван Васильевич Польшин; Станислав Викторович Рябцев; Маргарита Владимировна Гречкина; Александр Викторович Ситников

doi:10.17308/kcmf.2024.26/12215

Константин Александрович Барков ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8290-1088
Владимир Андреевич Терехов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0668-4138
Дмитрий Николаевич Нестеров ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-2462-7153
Кирилл Евгеньевич Величко ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация
Сергей Александрович Ивков ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-1658-5579
Никита Сергеевич Буйлов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-1793-4400
Сергей Владимирович Канныкин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8756-5722
Игорь Евгеньевич Занин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
Борис Львович Агапов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация
Сергей Владимирович Родивилов АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация
Евгений Сергеевич Керсновский ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0006-8215-6077
Иван Васильевич Польшин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0006-8215-6077
Станислав Викторович Рябцев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7635-8162
Маргарита Владимировна Гречкина ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-7873-8625
Александр Викторович Ситников ФГБОУ ВО Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-9438-9234

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/12215

Ключевые слова: наночастицы серебра, Ag NPs, пленки Ag-Si, ультрамягкая рентгеновская эмиссионная спектроскопия, ионно-лучевое распыление

Аннотация

Наноструктурированные композитные пленки на основе Ag-Si, содержащие наночастицы серебра, используются в качестве материала SERS-подложек (Surface-enhanced Raman spectroscopy), плазмонных отражателей, наноплазмонных сенсоров, устройств нелинейной оптики, мемристорных структур и т. д. Широкое применение нанокомпозитных пленок на основе Ag-Si приводит к необходимости развития простых и доступных методов их получения, совместимых с полупроводниковой технологией. Поэтому настоящая работа посвящена получению нанокомпозитной пленки Ag₈₀Si₂₀ с высоким содержанием серебра (80 ат. %) методом ионно-лучевого распыления с одновременным контролем морфологии, структуры, фазового состава и электрических свойств получаемого образца.

В результате комплексных исследований рентгеновской дифракции, ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии, РЭМ и АСМ микроскопии установлено, что пленка представляет собой нанокомпозитный материал на основе серебряных наночастиц со средним размером ~15÷30 нм. При этом некоторые наночастицы серебра находятся в непосредственном контакте, в то время как часть Ag наночастиц изолированы друг от друга оболочкой из диоксида кремния SiO₂ и аморфного кремния a-Si.

Такая наногранулированная структура пленки Ag₈₀Si₂₀ обуславливает наличие в исследуемом образце эффекта переключения из высокоомного состояния (880 Ом) в низкоомное (~1 Ом) под действием напряжения ~0.2 В в результате образования проводящих мостиков (филаментов) из атомов Ag в слое диэлектрика между серебряным гранулами

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Константин Александрович Барков, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., заведующий лабораторией кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государст-венный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Владимир Андреевич Терехов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, кафедра физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Дмитрий Николаевич Нестеров, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Кирилл Евгеньевич Величко, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация

инженер-технолог 3 категории, АО «НИИЭТ» (Воронеж, Россия)

Сергей Александрович Ивков, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., ведущий электроник кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Никита Сергеевич Буйлов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет; инженер 1 категории, АО «НИИЭТ» (Воронеж, Российская Федерация)

Сергей Владимирович Канныкин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент кафедры материаловедения и индустрии наносистем, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Игорь Евгеньевич Занин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Борис Львович Агапов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация

к. т. н., Центр коллективного пользования научным оборудованием, Воронежский государственный университет, АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (Воронеж, Российская Федерация)

Сергей Владимирович Родивилов, АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», ул. Старых Большевиков, 5, Воронеж 394033, Российская Федерация

ведущий инженер-технолог, АО «НИИЭТ» (Воронеж, Российская Федерация)

Евгений Сергеевич Керсновский, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

студент кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Иван Васильевич Польшин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

студент кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Станислав Викторович Рябцев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., в. н. с., совместная научно-образовательная лаборатория «Атомное и электронное строение функциональных материалов» Воронежского государственного университета и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Маргарита Владимировна Гречкина, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

ведущий электроник кафедры физики полупроводников и микроэлектроники, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Александр Викторович Ситников, ФГБОУ ВО Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж 394006, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор кафедры твердотельной электроники, Воронежский государственный технический университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Dzhagan V., Mazur N., Kapush O., … Yukhymchuk V. Self-organized SERS substrates with efficient analyte enrichment in the hot Spots. ACS Omega. 2024;9(4): 4819–4830. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c08393

Ermina A. A., Solodovchenko N. S., Levitskii V. S., … Zharova Y. A. Plasmonic disordered array of hemispherical AgNPs on SiO2@c-Si: their optical and SERS properties. Materials Science in Semiconductor Processing. 2024;169: 107861. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107861

Yang Z. W., Meng L. Y., Lin J. S., … Li J. F. 3D hotspots platform for plasmon enhanced Raman and second harmonic generation spectroscopies and quantitative analysis. Advanced Optical Materials. 2019;7: 3–8. https://doi.org/10.1002/adom.201901010

Morawiec S., Mendes M. J., Priolo F., Crupi I. Plasmonic nanostructures for light trapping in thinfilm solar cells. Materials Science in Semiconductor Processing. 2019;92: 10–18. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.04.035

Atwater H. A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nature Materials. 2010;9: 205–213. https://doi.org/10.1038/nmat2629

Cesca T., Michieli N., Kalinic B., Balasa I. G., Rangel-Rojo R., Reyes-Esqueda J. A., Mattei G. Bidimensional ordered plasmonic nanoarrays for nonlinear optics, nanophotonics and biosensing applications. Materials Science in Semiconductor Processing. 2019; 92: 2–9. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.03.025

Lippitz M., Van Dijk M. A., Orrit M. Third-harmonic generation from single gold nanoparticles. Nano Letters. 2005;5: 799–802. https://doi.org/10.1021/nl0502571

Sato R., Ohnuma M., Oyoshi K., Takeda Y. Experimental investigation of nonlinear optical properties of Ag nanoparticles: Effects of size quantization. Physical Review B. 2014;90: 1–6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.125417

Polat D. B., Eryilmaz L., Keles O. Generation of agsi film by magnetron sputtering for use As anodes in lithium ion batteries. ECS Meeting Abstracts. 2015;MA2015-01: 514–514. https://doi.org/10.1149/ma2015-01/2/514

Liu B., Xu G., Jin C., … Zhou L. The Si/Ag2Si/Ag particles with the enhanced mechanical contact as anode material for lithium ion batteries. Materials Letters. 2020;280: 128536. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128536

Li S., Ma W., Luo B., … Wang L. High-performance porous silicon/nanosilver anodes from industrial low-grade silicon for lithium-ion batteries. ACS Applied Materials and Interfaces. 2020;12: 49080–49089. https://doi.org/10.1021/acsami.0c14157

Li R., Yang H., Zhang Y., … Huang P. Physical mechanisms and enhancement of endurance degradation of SiOx:Ag-based volatile memristors. 2023 Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW). 2023;40: 117–118. https://doi.org/10.23919/SNW57900.2023.10183918

Ding X., Huang P., Zhao Y., Feng Y., Liu L. Understanding of the volatile and nonvolatile switching in Ag-based memristors. IEEE Transactions on Electron Devices. 2022;69: 1034–1040. https://doi.org/10.1109/TED.2022.3144373

Sarkar D. K., Cloutier F., El Khakani M. A. Electrical switching in sol-gel derived Ag-SiO2 nanocomposite thin films. Journal of Applied Physics. 2005;97: 2–7. https://doi.org/10.1063/1.1870112

Dias C., Lv H., Picos R., …Ventura J. Bipolar resistive switching in Si/Ag nanostructures. Applied Surface Science. 2017;424: 122–126. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.140

Cha J. H., Yang S. Y., Oh J., … Choi S. Y. Conductive-bridging random-access memories for emerging neuromorphic computing. Nanoscale. 2020;12: 14339–14368. https://doi.org/10.1039/d0nr01671c

Sokolov A. S., Abbas H., Abbas Y., Choi C. Towards engineering in memristors for emerging meCondensed ory and neuromorphic computing: a review. Journal of Semiconductors. 2021;42(1): 013101. https://doi.org/10.1088/1674-4926/42/1/013101

Raeis-Hosseini N., Lim S., Hwang H., Rho J. Reliable Ge2Sb2Te5-integrated high-density nanoscale conductive bridge random access memory using facile nitrogen-doping strategy. Advanced Electronic Materials. 2018; 4(11). https://doi.org/10.1002/aelm.201800360

Cuenya B. R. Synthesis and catalytic properties of metal nanoparticles: Size, shape, support, composition, and oxidation state effects. Thin Solid Films. 2010;518: 3127–3150. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.01.018

Semenova A.A., Semenov A.P., Goodilin E.A., Semenova I.A. Synthesis of Plasmonic Photonic Crystal SiO2–Ag Nanostructures by Ion Beam Deposition of Silver Clusters onto Silica Microspheres. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019; 83: 1415–1418. https://doi.org/10.3103/S1062873819110200

Lunin L.S., Chebotarev S.N., Pashchenko A.S., Bolobanova L.N. Ion beam deposition of photoactive nanolayers for silicon solar cells. Inorganic Materials. 2012; 48: 439–444. https://doi.org/10.1134/S0020168512050111

Saad A. M., Fedotov A. K., Fedotova J. A., … Sitnikov A. V. Characterization of (Co0.45Fe0.45Zr 0.10)x(Al2O3)1-x nanocomposite films applicable as spintronic materials. Physica Status Solidi C. 2006;3: 1283–1290. https://doi.org/10.1002/pssc.200563111

Svito I.,Fedotov A. K., Koltunowicz T. N., Saad A. Hopping of electron transport in granular Cux(SiO2)1-x nanocomposite films deposited by ionbeam sputtering. Journal of Alloys and Compounds. 2015;615: S371–S374. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.01.136

Agarwal B. K. Soft X-ray spectroscopy. X-Ray Spectroscopy. Springer, Berlin, Heidelberg; 1979, p. 311–330 https://doi.org/10.1007/978-3-662-14469-5_7

Zimmermann P., Peredkov S., Abdala P. M., … van Bokhoven J. A. Modern X-ray spectroscopy: XAS and XES in the laboratory. Coordination Chemistry Reviews. 2020;423: 213466. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2020.213466

Terekhov V. A., Kashkarov V. M., Manukovskii E. Yu., Schukarev A. V., Domashevskaya E. P. Determination of the phase composition of surface layers of porous silicon by ultrasoft X-ray spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy techniques. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2001;114–116: 895–900. https://doi.org/10.1016/S0368-2048(00)00393-5

Domashevskaya E. P., Peshkov Y. A., Terekhov V. A., Yurakov Y. A., Barkov K. A. Phase composition of the buried silicon interlayers in the amorphous multilayer nanostructures [(Co45Fe45Zr10)/a-Si:H]41 and [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65/a-Si:H]41. Surface and Interface Analysis. 2018;50: 1265–1270. https://doi.org/10.1002/sia.6515

Langford J. I., Wilson A. J. C. Scherrer after sixty years: a survey and some new results in the determination of crystallite size. Journal of Applied Crystallography. 1978;11: 102–113. ttps://doi.org/10.1107/S0021889878012844

Kovba L. M., Trunov V. K. X-ray phase analysis. Moscow: Moscow University Publ.; 1976, 232 p. (In Russ.)

Jain R. A review on the development of XRD in ferrite nanoparticles. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2022;35: 1033–1047. https://doi.org/10.1007/s10948-022-06213-9

Wiech G., Feldhütter H. O., Šimůnek A. Electronic structure of amorphous SiOx:H alloy films studied by X-ray emission spectroscopy: Si K, Si L, and O K emission bands. Physical Review B. 1993;47: 6981–6989. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.6981

Nekrashevich S. S., Gritsenko V. A. Electronic structure of silicon dioxide (a review). Physics of the Solid State. 2014;56(2): 207–222. https://doi.org/10.1134/s106378341402022x

Gladskikh I. A., Gushchin M. G., Vartanyan T. A. Resistance switching in Ag, Au, and Cu films at the percolation threshold. Semiconductors. 2018;52: 671–674. https://doi.org/10.1134/S1063782618050093

Vartanyan T. A., Gladskikh I. A., Leonov N. B., Przhibel’skii S. G. Fine structures and switching of electrical conductivity in labyrinth silver films on sapphire. Physics of the Solid State. 2014;56: 816–822. https://doi.org/10.1134/S1063783414040349