Условия формирования и топография поверхности никелевых нанопленок на меди

Целью данной работы является разработка методики получения однородных никелевых пленок нанометровой толщины на поверхности металла. Объектом исследования выбраны электрохимические пленки никеля на меди. В статье описана методика определения топографии электрохимических пленок никеля нанометровой толщины (40–60 нм), наносимых на  проводниковую подложку с малой шероховатостью. Методы. Выполнено исследование шероховатости подложки Cu пленки Ni с использованием металлографического и зондового микроскопов. Для получения электрохимических пленок никеля использовался раствор Уоттса и установка по получению электрохимических пленок капельным методом; для минимизации шероховатости поверхности никеля использовался режим малых токов с временем электролиза 2– 10 мин на подложке из медной и алюминиевой фольги. Для теоретического обоснования методики построена электродинамическая краевая задача, решенная методом Фурье. 

Результаты. Построены математическая и компьютерная модели распределения нормальной составляющей плотности тока на границе электролит-металл. С помощью метода силовой туннельной микроскопии определена шероховатость полученных нанопленок никеля на меди. Для получения однородных магнитных пленок толщиной около 50 нм показана необходимость качественной предварительной полировки поверхности подложки. Рассмотрены условия формирования цельной пленки нанометровой толщины и получены свойства никелевых магнитных пленок на меди. Проведен расчет энергий связей димеров по методам квантовой химии NDDO PM3 и ab initio (HF) для оценки реакционной способности и возможности взаимодействия атомов никеля с поверхностными атомами алюминия и меди. 

Заключение. Определены параметры шероховатости поверхности никеля, влияющие на эксплуатационные свойства устройств. Показано, что формирование никелевой пленки на поверхности меди возможно для толщин Ni, превосходящих среднюю шероховатость подложки.

1. Румянцева К. Е. Физические и технологические свойства покрытий. Иваново: Иванов. гос. хим.-техн. ун-т, 2018. 80 с.

2. Vaz C. A. F., Bland J. A. C., Lauhoff G. Magnetism in ultrathin film structures // Reports on Progress in Physics. 2008. Vol. 71, is. 5. P. 056501. https://doi.org/10.1088/00344885/71/5/056501.

3. Anatomy of large perpendicular magnetic anisotropy in free-standing Co/Ni (111) multilayer / Indra Pardede, Daiki Yoshikawa, Tomosato Kanagawa [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 500. P. 166357. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019. 166357.

4. Electroless deposition of Ni–Fe alloys on scaffolds for 3D nanomagnetism / P. Pip, C. Donnelly, M. M. Döbeli [et al]. // Nano micro small. 2020. Vol. 16, no. 44. P. 2004099. https://doi.org/10.1002/smll.202004099.

5. Maximizing necking-delayed fracture of sandwich-structured Ni/Cu/Ni composites / Fei Liang, Hai-Feng Tan, Bin Zhang [et al.] // Scripta Materialia. 2017. Vol. 134, no. 6. P. 28–32. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.02.032.

6. Апокин И. А. Технология изготовления ферромагнитных пленок. М.: Физматлит, 2016. 80 с.

7. Бережная А. Г. Электрохимические технологии и материалы. Ростов н/Д; Таганрог: Южный федер. ун-т, 2017. 118 с.

8. Вирбилис С. Гальванотехника для мастеров. М.: Наука, 2017. 208 с.

9. Поляков Н. Н., Мицук С. В., Филиппов В. В. Капельный метод электрохимического осаждения контактов металл-полупроводник и исследование их свойств // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72, № 2. С. 30–34.

10. Джумалиев А. С., Никулин Ю. В., Филимонов Ю. А. Шероховатость поверхности и магнитные свойства поликристаллических пленок Co/SiO2/Si(100), полученных магнетронным распылением на постоянном токе // Радиотехника и Электроника. 2017. Т. 54, № 3. С. 347–351.

11. Джумалиев А. С., Никулин Ю. В., Филимонов Ю. А. Магнетронное осаждение тонких пленок Cu (200) на подложки Ni(200)/SiO2/Si // Журнал технической физики. 2014. Т. 84, вып. 7. С. 152–155.

12. Логинов Б. А., Логинов П. Б., Логинов В. Б. Зондовая микроскопия: применения и рекомендации по разработке // Наноиндустрия. 2019. Т. 12, № 6. С. 352–365.

13. Chen C. J. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy. New York: Oxford University Press, 2015. 488 p.

14. Филиппов В. В., Лузянин С. Е., Емельянов В. М. Моделирование электрических полей в неоднородных полупроводниках и композитных структурах при зондовых измерениях // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 9, № 3. С. 64‒78.

15. Filippov V. V., Mitsuk S. V., Luzyanin S. E. Electric Field Mathematical Modelling at Probe Measurement in Anisotropic Semiconductor Films // Proceedings - 2019 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency, SUMMA 2019. Lipetsk, 2019. P. 465–468. https://doi.org/10.1109/SUMMA48161.2019.8947507.

16. Влияние текстуры пленок никеля на размеры оксидных наноструктур, полученных методом локального анодного окисления / А. Ю. Павлова, Ю. В. Никулин, А. С. Джумалиев [и др.] // Наноинженерия. 2018. Т. 11, № 5. C. 14–20.

17. Houselt A. van, Zandvliet H. J. W. Colloquium: Time-resolved scanning tunneling microscopy // Reviews of Modern Physics. 2010. Vol. 82. P. 1593–1605. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1593.

18. Особенности формирования топографии поверхности конструкционной стали 09Г2С при ультразвуковой ударно-фрикционной упрочняющей обработке / Н. В. Лежкин, А. В. Макаров, С. Н. Лучко [и др.] // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2020. Т. 22, № 2. С. 16–29. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2020-22.2-16-29.

19. Бутырская Е. В. Компьютерная химия: основы теории и работа с программами Gaussian и GaussView. М.: Солон-Пресс, 2017. 224 с.

20. Минкин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. Ростов н/Д: Феникс, 1997. 560 с.