Sputteroitujen metallisten nanokerrosten agglomeroitumisen tutkiminen: resistanssien seurantalaitteiston rakentaminen ja mittaukset palladiumilla

Erittäin ohut metallikalvo muuttuu agglomeroituessaan epäjatkuvaksi muodostaen substraatin pinnalle nanopartikkelikerroksen, jonka katalyysiominaisuuksia käytetään hyväksi esimerkiksi herkistimenä metallioksidipuolijohdekaasuantureissa. Diplomi-työn tarkoituksena oli tutkia agglomeraatiota palladiumnanokerroksissa pääasiassa mittaamalla niiden johtavuusmuutoksia hehkutettaessa erilaisissa kaasuatmosfääreissä. Mittaukset tehtiin systeemillä, joka kehitettiin vanhasta, kaasuanturien tutkimiseen tarkoitetusta laitteistosta. Tutkitut Pd-ohutkalvot oli kasvatettu RF-sputteroinnilla Corning 7059 -lasialustoille. Näytteiden hehkuttaminen ja sähköinen kytkentä ohutkalvoihin toteutettiin valmistamalla pienet kuumennuspidikkeet, jotka asetettiin suljettuun kammioon. Mittauslaitteistoon kuului lisäksi kaasuvirtaussysteemi, elektroniset mittarit ja tietokone. Käsittelyjen jälkeen nanokerrosten pinta- ja kiderakenteita tutkittiin atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja röntgendiffraktiolla (XRD). AFM:llä nähtiin Pd-kalvojen olevan kasvatuksen jälkeen 2, 4 ja 14 nm paksuja, sileitä ja jatkuvia. Kuitenkin vain 4 ja 14 nm:n kalvoja voitiin käyttää mittauksissa, koska ohuimpien nanokerrosten vastus oli liian suuri huoneenlämmössä. Kun ohutkalvoja hehkutettiin synteettissä ilmassa, ne hapettuivat tasaisella nopeudella 300 °C:een yläpuolella säilyttäen jatkuvuutensa. PdO:n muodostus tapahtui lähes vastaavasti argonkaasussa hapettavien epäpuhtauksien takia, reaktiolämpötilat olivat kuitenkin korkeampia ja riippuivat epäpuhtauskonsentraatiosta. Kun PdO:n dissosiaatiolämpötila ylittyi, nanokerrokset pelkistyivät Pd:ksi ja agglomeroituivat täysin. Näin tapahtui hapetuksen jälkeen myös, jos korkeassa lämpötilassa kaasu vaihdettiin pelkistävään, vetyä sisältävään seokseen. Hehkutettaessa 5 %:a H_2:ta sisältävässä kaasuseoksessa 4 nm:n kalvot agglomeroituivat nopeasti metallisiksi nanohiukkasiksi noin 250 °C:ssa, mutta 14 nm:n kalvojen agglomeraatio tapahtui hitaasti ja vasta yli 550 °C:ssa. Tulokset tukevat aiempia havaintoja, joiden mukaan sputteroidut Pd-nanokerrokset voidaan agglomeroida tehokkaasti hapetus- ja pelkistysreaktioin, jotka on helppo toteuttaa kuumentamalla ilmassa ja vaihtamalla atmosfääri vetypitoiseksi yli 400 °C:ssa. Tarpeeksi ohuille kalvoille pelkkä hehkutus vedyssä on myös riittävä. Kokeissa havaittiin myös useita vähäisiä nanokerrosten resistiivisyyteen vaikuttaneita ilmiöitä, joita ei pystytty kunnolla selittämään