Interaction of a Metallic Catalyst with the Barrier Layer Material during High-Temperature Formation of Nickel Nanoparticles

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We have studied the effect of annealing conditions on the formation of nickel particles on a titanium nitride barrier layer produced by atomic layer deposition. The results demonstrate that the nanoparticle size depends on annealing temperature and time. At temperatures above 700°C, annealing for more than 5 min results in coalescence, which leads to particle growth and a decrease in the surface density of the particles. During annealing, nickel diffuses into the titanium nitride and the amount of nickel on the surface decreases. The experimental data agree with results of nanoparticle formation modeling in the hydrodynamic model. We have determined the catalyst–buffer interaction potential and melt viscosity, which demonstrate that, in the case of melting of a thin nickel layer, on the order of a few nanometers in thickness, the metal is similar to a supercooled liquid. Modeling results suggest that, during annealing of a thin metal film/barrier layer couple, the average nanoparticle size is smaller at lower potentials of interaction between the constituent materials of the couple.

About the authors

S. V. Bulyarskiy

Institute of Nanotechnology of Microelectronics, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: bulyar2954@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32А

A. A. Dudin

Institute of Nanotechnology of Microelectronics, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: bulyar2954@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32А

P. E. L’vov

Institute of Nanotechnology of Microelectronics, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia; Ulyanovsk State University, 432017, Ulyanovsk, Russia

Email: bulyar2954@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32А; Россия, 432017, Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42

T. S. Grishin

Institute of Nanotechnology of Microelectronics, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: bulyar2954@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32А

G. A. Rudakov

Institute of Nanotechnology of Microelectronics, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Email: bulyar2954@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32А

G. G. Gusarov

Institute of Nanotechnology of Microelectronics, Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: bulyar2954@mail.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32А

References

  1. Булярский С.В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение. Ульяновск: Стрежень, 2011. 480 с.
  2. Dasgupta K., Joshi J.B., Banerjee S. Fluidized Bed Synthesis of Carbon Nanotubes – A Review // Chem. Eng. J. 2011. V. 171. № 3. P. 841–869. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.05.038
  3. Kumar M., Ando Y. Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes: A Review on Growth Mechanism and Mass Production // J. Nanosci. Nanotechnol. 2010. V. 10. № 6. P. 3739–3758. https://doi.org/10.1166/jnn.2010.2939
  4. Ago H., Komatsu T., Ohshima S., Kuriki Y., Yumura M. Dispersion of Metal Nanoparticles for Aligned Carbon Nanotube Arrays // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. № 1. P. 79–81. https://doi.org/10.1063/1.126883
  5. Melechko A.V., Merkulov V.I., McKnight T.E., Guillorn M.A., Klein K.L., Lowndes D.H., Simpson M.L. Vertically Aligned Carbon Nanofibers and Related Structures: Controlled Synthesis and Directed Assembly // J. Appl. Phys. 2005. V. 97. № 4. P. 41301. https://doi.org/10.1063/1.1857591
  6. Lee C.J., Park J., Yu J.A. Catalyst Effect on Carbon Nanotubes Synthesized by Thermal Chemical Vapor Deposition // Chem. Phys. Lett. 2002. V. 360. № 3–4. P. 250–255. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)00831-X
  7. Andrews R., Jacques D., Qian D., Rantell T. Multiwall Carbon Nanotubes: Synthesis and Application // Acc. Chem. Res. 2002. V. 35. № 12. P. 1008–1017. https://doi.org/10.1021/ar010151m
  8. Bulyarskiy S.V., Zenova E.V., Lakalin A.V., Molodenskii M.S., Pavlov A.A., Tagachenkov A.M., Terent’ev A.V. Influence of a Buffer Layer on the Formation of a Thin-Film Nickel Catalyst for Carbon Nanotube Synthesis // Tech. Phys. 2018. V. 63. № 12. P. 1834–1839. https://doi.org/10.1134/S1063784218120253
  9. L’vov P.E., Bulyarskiy S.V., Gusarov G.G., Molodenskiy M.S., Pavlov A.A., Ryazanov R.M., Dudin A.A., Svetukhin V.V. Kinetics of Nickel Particle Formation on Silicon Substrate with a Buffer Layer of Niobium Nitride // J. Phys.: Condens. Matter. 2020. V. 32. № 24. P. 245001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab7870
  10. Львов П.Е., Светухин В.В., Булярский С.В., Павлов А.А. Моделирование смачивающих фазовых переходов в тонких пленках // Физика твердого тела. 2019. T. 61. № 10. C. 1916–1925.
  11. Peng Y., Wang Z., Alsayed A.M., Yodh A.G., Han Y. Publisher’s Note: Melting of Colloidal Crystal Films // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. № 21. P. 205703. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.219901
  12. Thiele U. Recent Advances in and Future Challenges for Mesoscopic Hydrodynamic Modelling of Complex Wetting // Colloids Surf., A. 2018. V. 553. P. 487–495. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.049
  13. Shchekin A.K., Lebedeva T.S., Suh D. The Overlapping Surface Layers and the Disjoining Pressure in a Small Droplet // Colloids Surf., A. 2019. V. 574. P. 78–85. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.04.071
  14. Kukushkin S.A., Osipov A.V. Kinetics of First-Order Phase Transitions in the Asymptotic Stage // J. Exp. Theor. Phys. 1998. V. 86. № 6. P. 1201–1208. https://doi.org/10.1134/1.558591
  15. Slezov V.V., Schmelzer J. Kinetics of Formation and Growth of a New Phase with a Definite Stoichiometric Composition // J. Phys. Chem. Solids. 1994. V. 55. № 3. P. 243–251. https://doi.org/10.1016/0022-3697(94)90139-2
  16. Nowak W.B., Keukelaar R., Wang W., Nyaiesh A.R. Diffusion of Nickel Through Titanium Nitride Films // J. Vac. Sci. Technol., A. 1985. V. 3. № 6. P. 2242–2245. https://doi.org/10.1116/1.572900

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (312KB)
4.

Download (1MB)
5.

Download (70KB)
6.

Download (127KB)
7.

Download (57KB)

Copyright (c) 2023 С.В. Булярский, А.А. Дудин, П.Е. Львов, Т.С. Гришин, Г.А. Рудаков, Г.Г. Гусаров

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».