Evaluation of disorder and determination of mass density of ion-modified thin carbon films by XPS

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

In this work, thin carbon films were deposited on the surface of armco-iron using magnetron sputtering of a carbon target in an Ar+ working gas environment. Then the carbon films were implanted with argon and nitrogen ions. In order to clarify the content of differently hybridized (i. e., in different chemical states) carbon atoms in the deposited material, the method of analyzing the photoelectron energy loss spectra was used in this work. It is shown that the satellite structure of c1s spectra, when analyzed jointly with xps of the c1s core level, confirms the formation of a disordered structure of the carbon film and allows one to determine the mass density of thin carbon films.

Full Text

Restricted Access

About the authors

T. S. Kartapova

Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tskartapova@udman.ru
Russian Federation, Izhevsk

F. Z. Gil’mutdinov

Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: tskartapova@udman.ru
Russian Federation, Izhevsk

References

  1. Шульга Ю.М., Моравский А.П., Лобач А.С., Рубцов В.И. Спектр потерь энергии электронов фуллерена С60, сопровождающий фотоэлектронный пик C1s // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т. 55. Вып. 2. С. 137–140.
  2. Kratcshmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., Huffman D.R. Solid C60: a new form of carbon // Nature. 1990. V. 347. P. 354–358.
  3. Байтингер Е.М., Бржезинская М.М., Шнитов В.В. Плазмоны в графите // Химич. физика и мезоскопия. 2002. Т. 4. № 2. С. 178–187.
  4. Байтингер Е.М., Бржезинская М.М., Шнитов В.В. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронами углеродных нанотрубок // Химич. физика и мезоскопия. 2003. Т. 5. № 1. С. 5–19.
  5. Brzhezinskaya M.M., Vinogradov A.S., Krestinin A.V., Zvereva G.I., Kharitonov A.P. Electronic structure of fluorinated single-walled carbon nanotubes studied by X-Ray absorption and photoelectron spectroscopy // Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2010. V. 18. P. 590–594.
  6. Hoffman S. Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy in Materials Science. Springer Berlin Heidelberg. 2012. P. 528. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27381-0
  7. Афанасьев В.П., Попов А.И., Баринов А.Д., Бодиско Ю.Н., Бочаров Г.С., Грязев А.С., Елецкий А.В., Капля И.Н., Мирошникова О.Ю., Ридзель П.С. Анализ углеродных и углеродосодержащих материалов методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // Микроэлектроника. 2020. Т. 49. № 1. С. 50–57.
  8. Schultrich B. Tetrahedrally Bonded Amorphous Carbon Films I. Basics, Structure and Preparation // Springer Series in Materials Science. 2018. V. 263. P. 769. https://link.springer.com/book/ 10.1007/978-3-662-55927-7
  9. Немошкаленко В.В., Алехин В.Г. Электронная спектроскопия кристаллов. Киев: Наукова думка, 1976. 326 с.
  10. Nesbitt H.W., Bancroft G.M., Davidson R., McIntyre N.S., Pratt A.R. Minimum XPS core-level line widths of insulators, including silicate minerals // Am. Mineral. 2004. V. 89. P. 878–882.
  11. Zakaznova-Herzog V.P., Nesbitt H.W., Bancroft G.M., Tse J.S. High resolution core and valence band XPS spectra of nonconductor pyroxenes // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 3175–3186.
  12. Zakaznova-Herzog V.P., Nesbitt H.W., Bancroft G.M., Tse J.S., Gao X., Skinner W. High-resolution valence-band XPS spectra of the nonconductors quartz and olivine // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 205113.
  13. Bancroft G.M., Nesbitt H.W., Ho R., Shaw D.M., Tse J.S., Biesinger M.C. Toward a comprehensive understanding of solid-state core-level XPS linewidths: Experimental and theoretical studies on the Si2p and O1s linewidths in silicates // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. P. 075405.
  14. Siegbahn K. Electron spectroscopy-an outlook // Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1974. V. 5. Iss. 1. P. 3–97.
  15. Sokolowski E., Nordling C., Siegbahn K. Chemical Shift Effect in Inner Electronic Levels of Cu Due to Oxidation // Phys. Rev. 1958. V. 110. P. 776.
  16. Fahlman A., Hamrin K., Hedman J., Nordberg R., Nordling C., Siegbahn K. Revision of Electron Binding Energies in Light Elements // Nature. 1966. V. 210. P. 4–8.
  17. Fukue H., Nakatani T., Takabayashi S., Okano T., Kuroiwa M., Kunitsugu Sh., Oota H., Yonezawa K. Raman spectroscopy analysis of the chemical structure of diamond-like carbon films deposited via high-frequency inclusion high-power impulse magnetron sputtering // Diamond Related Mater. 2024. V. 142. Р. 110768. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110768
  18. Moseenkov S.I., Kuznetsov V.L., Zolotarev N.A., Kolesov B.A., Prosvirin I.P., Ishchenko A.V., Zavorin A.V. Investigation of Amorphous Carbon in Nanostructured Carbon Materials (A Comparative Study by TEM, XPS, Raman Spectroscopy and XRD) // Materials. 2023. V. 16(3). Р. 1112. https://doi.org/10.3390/ma16031112
  19. Gengenbach T.R., Major G.H., Linford M.R., Easton C.D. Practical guides for x-ray photoelectron spectroscopy (XPS): Interpreting the carbon 1s spectrum // J. Vac. Sci. Technol. A. 2021. V. 39. Iss. 1. P. 023207.
  20. Гомоюнова М.В. Электронная спектроскопия поверхности твердого тела // Успехи физ. наук. 1982. Т. 136. № 1. С. 105–148.
  21. Pinder J., Major G., Baer D., Terry J., Whitten J., Cechal J., Crossman J., Lizarbe A., Jafari S., Easton Ch., Baltrusaitis J., van Spronsen M., Linford M. Avoiding common errors in x-ray photoelectron spectroscopy data collection and analysis, and properly reporting instrument parameters // Appl. Surface Sci. Advances. 2024. V. 19. Р. 100534. https://doi.org/ 10.1016 /j.apsadv. 2023. 100534
  22. Щапова Ю.В., Вотяков С.Л., Кузнецов М.В., Ивановский А.Л. Влияние радиационных дефектов на электронную структуру циркона по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // ЖСХ. 2010. Т. 51. № 4. С. 687–692.
  23. Щапова Ю.В., Замятин Д.А., Вотяков С.Л., Жидков И.С., Кухаренко А.И., Чолах С.О. Атомная и электронная структура радиационно-поврежденного монацита: совместный анализ данных рамановской и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / Минералы: строение, свойства, методы исследования: материалы XI Всероссийской молодежной научной конференции (Екатеринбург, 25–28 мая, 2020). Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2020. C. 328–330.
  24. Dukes C.A., Baragiola R.A., McFadden L.A. Surface modification of olivine by H+ and He+ bombardment // J. Geophys. Res.: Planets. 1999. V. 104 (E1). P. 1865–1872.
  25. Loeffler M.J., Dukes C.A., Baragiola R.A. Irradiation of olivine by 4 keV He+: Simulation of space weathering by the solar wind // Geophys. Res. 2009. V. 114. P. E03003.
  26. Зигбан К., Нордлинг К., Фальман А. и др. Электронная спектроскопия / Пер. с англ. Под ред. И.Б. Боровского. М.: Мир, 1971. 493 с.
  27. Картапова Т.С., Бакиева О.Р., Воробьев В.Л., Колотов А.А., Немцова О.М., Сурнин Д.В., Михеев Г.М., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Характеризация тонких углеродных пленок на поверхности железа, сформированных магнетронным напылением с ионно-лучевым перемешиванием // ФТТ. 2017. Т. 59. № 3. С. 594–600.
  28. Михеев К.Г., Шендерова О.А., Когай В.Я., Могилева Т.Н., Михеев Г.М. Раман-спектры наноалмазов детонационного и статического синтеза и влияние лазерного воздействия на их спектры люминесценции // Химич. физика и мезоскопия. 2017. Т. 19. № 3. С. 396–408.
  29. Mikheev K.G., Mogileva T.N., Fateev A.E., Nunn Nicholas A., Shenderova O.A., Mikheev G.M. Low-Power Laser Graphitization of High Pressure—High Temperature Nanodiamond Films // Applied Sciences. 2020. V. 10. No. 9. P. 3329.
  30. Новиков Н.В., Кочержинский Ю.А., Шульман Л.А. и др. Физические свойства алмаза: Справочник / Под ред. Н.В. Новикова. Киев: Наукова думка, 1987. 188 с.
  31. Васильев Л.А., Белых З.П. Алмазы, их свойства и применение. М.: Недра, 1983. 101 с.
  32. Shirley D.A. High-Resolution X-Ray Photoemission Spectrum of the Valence Bands of Gold // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. No. 12. P. 4709–4714. http://www.srim.org.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Photoelectron energy loss spectra: 1 – HOPG, 2 – HASS.

Download (19KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. XPS C1s spectra (a) and Raman spectra (b): 1 – HOPG; 2 – polycrystalline graphite (target); 3 – carbon film on iron; 4 – carbon film on iron after implantation of argon ions; 5 – carbon film on iron after implantation of nitrogen ions. The FWHM values ​​are given in brackets.

Download (58KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. N1s spectrum of carbon film after implantation of nitrogen ions.

Download (21KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Satellites of π+σ C1s spectra of a HOPG sample (1), a carbon film on armco iron (2), a carbon film implanted with argon ions with E = 30 keV, D = 1017 ion/cm2 (3), a carbon film implanted with nitrogen ions with E = 30 keV, D = 1017 ion/cm2 (4).

Download (30KB)
Indexing metadata