Chemistry and structure of sputter deposited boron-carbon-nitrogen thin films

Eşsiz elektriksel, optik veya mekanik özelliklere sahip yeni malzeme sentezine ilgi büyümektedir. Bor-Karbon-Azot (BCN) üçlü faz diyagramı potansiyel olarak benzersiz özelliklere sahip, değişken band aralığına sahip yarı iletkenler veya çok sert fazlar gibi yeni malzemeler vaat etmektedir. Diğer yandan, bu yeni BCN temelli malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri malzemedeki atomların kimyasal çevresine ve atomik yapısına bağlıdır. Bu tezde, B4C hedeften reaktif magnetronlu saçtırma (RMS) tekniği ile sentezlen BCN filmlerdeki atomların bağ yapıları ve kimyasal çevreleri araştırılmıştır. Biriktirme sırasında farklı işlem parametreleri değiştirilerek, örneğin alttaş meyillendirmesi, alttaş-hedef mesafesi ve N2 akış miktarı gibi, bunların sentezlenen filmin özelliklerine etkisi incelenmiştir.İşlem sırasında kullanılan parametrelerin kimyasal ve atomik yapı üzerine nihai etkisini anlamak için birçok deney seti planlanıp ve uygulanmıştır. Filmlerdeki kimyasal çevrenin karakterizasyonu için, Kızılötesi Spektroskopisi, Raman Spektroskopisi, X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi, X-ışını Kırınımı ve Elektron Enerjisi Kayıp Spektroskopisi kullanılmıştır. Ayrıca, yapıdaki atomik değişiklikler için, Odaklanmış İyon Demeti tekniği ile hazırlanan, elektron geçirgen, ince, yan kesit BCN örnekleri Yüksek Çözünürlüklü Geçirgenli Elektron Mikroskopu`nda incelenmiştir.B serisi olarak isimlendirilen ilk deney serisinde, alttaş üzerinde büyümekte olan filme enerji, alttaşa uygulanan radyo frekansı ile oluşturulmuş doğrusal akım meyillendirmesi ile sağlandı. Uygulanan meyillendirmenin şiddeti seri içinde belli bir aralıkta değiştirilmiştir. P ve D serisi olarak isimlendirilen ikinci ve üçüncü serilerde, alttaş-hedef mesafesinin etkisi incelendi. Bu serilerde BCN ve BN filmler hedefin yüzeyine göre değişik mesafelere yerleştirilen alttaşlar üzerine biriktirilmiştir. Bu serilerin alt-serilerinde ise alttaşa uygulanan meyillendirmenin şiddeti ve tipinin BCN filmlerin kimyasına etkisi detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca, G serisinde de atomik kompozisyonun bağlanma tercihleri üzerine etkisi çalışıldı. Bu seride değişik miktarda N2 içeren çalışma gazı akışı altında radyo frekansı saçtırmasında tabii tutulan B4C hedeften değişik uzaklıklara yerleştirilen alttaşlar üzerine BCN filmler biriktirilmiştir.Yukarıda bahsedilen serilerden sentezlenen BCN filmlerde çoğunluğu spektroskopik tekniklerle elde edilen bilgiler dikkatlice analiz edildikten sonra birçok önemli sonuç elde edilmiştir. İlk olarak, biriktirilen filmlerde kullanılan işlem parametrelerinden bağımsız bir şekilde bağlanma tercihinin faz ayrışmasından yana olduğu gözlemlenmiştir. Örneğin, filmlerde baskın biçimde B-N ve C-C veya C-N bağları gözlemlenmiştir. Ayrıca, uygulanan alttaş meyillendirmesinin arttırılması veya alttaş-hedef mesafesinin azaltılmasının BCN filmlerde atomik düzenliliği arttırarak ve tabakalı (turbostratic) BCN yapısının gözlemlenmesine yol açmıştır. Spektroskopik datanın detaylı incelenmesi de; herbir tabaka ayrışmış h-BN ve grafitik karbon benzeri kümeler içeren bölgelerden oluştuğunu, bu durumun ise faz ayrışması iddiasını desteklediğini göstermiştir.BCN filmlerin büyümesinde, termodinamik ve kinetik olarak kontrol edilen iki ana rejim tanımlanmıştır. Yüksek alttaş meyillendirmesi ile veya hedef yüzeyine yakın alttaşlar üzerinde sentezlenen BCN filmlerin atomik yapısı genel olarak daha düzenlidir. Buna neden olarak alttaşa ulaşan iyonların yüzeyde film büyümesine katılan saçtırılmış ve eklemlenen atomlara, enerji olarak en uygun pozisyonu yüzeyde bulmaları için gerekli enerjiyi sağlaması gösterilebilir. Bu ve benzer durumlara termodinamik olarak kontrol edilen rejim denilebilir. Tam aksi durumda ise, eklemlenen atomların yüzeydeki hareketlerinin sınırlandırıldığı rejim, elde edilen son kimya ve yapı kinetik tarafından belirlenmiştir. Ancak, her iki durumda da egemen olan B-N bağı ve melezlenmiş kimyanın gözlemlenmemesi, BCN filmlerde bağlanma enerjisinin belirleyici ana unsur olduğunu işaret etmektedir.Sonuç olarak; sunulan çalışma, uygulanan işlem parametresi uzayı veya kümesinde, faz ayrışmasının BCN filmler için tabii bir karakter olduğunu ve melezlenmenin mümkün olmadığını ileri sürmektedir. Bunun temel nedeni, B-N ve C-C bağlarının görece kararlılığı ve enerjisidir.