[論文レビュー] Bond formation at polycarbonate | X interfaces (X = Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, TiAlO$_2$) studied by theory and experiments

Lena Patterer, Pavel Ondračka+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Semiconductor materials and devices被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、スパッタリング法で堆積された酸化アルミニウム（Al₂O₃）、酸化チタン（TiO₂）、酸化チタンアルミニウム（TiAlO₂）の薄膜とポリカーボネート（PC）の界面における結合形成を、ab initio 分子動力学シミュレーションとX線フォトン分光法（XPS）を併用して調査した。その結果、酸素を含む（C-O）-金属結合が支配的であり、Al₂O₃は高い結合密度と強い結合強度の組み合わせのおかげで、TiO₂およびTiAlO₂と比べて界面接着強度がそれぞれ約70%および約60%優れていることが明らかになった。

ABSTRACT

Interfacial bond formation during sputter deposition of metal oxide thin films onto polycarbonate (PC) is investigated by ab initio molecular dynamics simulations and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of PC | X interfaces (X = Al$_2$O$_3$, TiO$_2$, TiAlO$_2$). Generally, the predicted bond formation is consistent with the experimental data. For all three interfaces, the majority of bonds identified by XPS are (C-O)-metal bonds, whereas C-metal bonds are the minority. Compared to the PC | Al$_2$O$_3$ interface, the PC | TiO$_2$ and PC | TiAlO$_2$ interfaces exhibit a reduction in the measured interfacial bond density by ~ 75 and ~ 65%, respectively. Multiplying the predicted bond strength with the corresponding experimentally determined interfacial bond density shows that Al$_2$O$_3$ exhibits the strongest interface with PC, while TiO$_2$ and TiAlO$_2$ exhibit ~ 70 and ~ 60% weaker interfaces, respectively. This can be understood by considering the complex interplay between the metal oxide composition, the bond strength as well as the population of bonds that are formed across the interface.

研究の動機と目的

• ポリカーボネート（PC）とスパッタリング法で堆積された金属酸化物（Al₂O₃、TiO₂、TiAlO₂）の界面における結合形成メカニズムを理解すること。
• X線フォトン分光法（XPS）を用いて、界面結合の化学的性質と相対的な結合密度を特定すること。
• 密度汎関数理論（DFT）およびab initio 分子動力学を用いて、界面結合の固有の結合強度を計算すること。
• 実験的に測定した結合密度と理論的に予測された結合強度を関連付けて、界面接着エネルギーを定量すること。
• PC/金属酸化物系における界面接着を支配する主な要因を特定すること、特に酸素と金属カチオンの組成が果たす役割を明らかにすること。

提案手法

• アルゴンと酸素の分圧を制御した条件下で、PC基板上にAl₂O₃、TiO₂、TiAlO₂薄膜（厚さ約1 nm）を反応性スパッタリング法で堆積した。
• C 1sおよびO 1sコアレベルスペクトルのデコンボリューションを用いて、XPS分析により（C-O）-金属結合およびC-金属結合の種類を定量した。
• ab initio 分子動力学（AIMD）および密度汎関数理論（DFT）を用いて界面構造をシミュレートし、平均的なイオン的内束エネルギー（ICOHP）の絶対値を用いて結合強度を計算した。
• 実験的に測定した界面結合分率と理論的に計算された結合強度（ICOHP）の積を、界面接着エネルギーの指標として用いた。
• 理論的予測と実験結果の整合性を確認するため、シミュレートされた結合形成経路および電子構造解析による妥当性を検証した。
• 全3種の界面について得られた接着指標を比較し、相対的な界面強度を順位付けした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパッタリング堆積後、PC｜Al₂O₃、PC｜TiO₂、PC｜TiAlO₂界面で、主にどのような界面結合（例：（C-O）-金属、C-金属）が形成されるか？
• RQ2 XPSを用いて測定した場合、3種の金属酸化物系における界面結合密度はどのように変化するか？
• RQ3 DFTおよびab initio 分子動力学によって予測された、主要な界面結合の固有の結合強度は何か？
• RQ4 結合強度と結合密度の組み合わせが、PC｜X界面の総合的界面接着エネルギーにどのように寄与するか？
• RQ5 同じ堆積条件のもとで、Al₂O₃はTiO₂やTiAlO₂よりもPCと強い界面を形成する理由は何か？

主な発見

• XPSで同定された界面結合の大部分は、3系統すべてにおいて（C-O）-金属結合であり、C-金属結合はわずかにしか存在しない。
• C 1sスペクトルのXPSデコンボリューションにより、PC｜Al₂O₃界面の界面結合密度は、PC｜TiO₂に比べて約75%高く、PC｜TiAlO₂に比べて約65%高いことが判明した。
• DFT計算により、（C-O）-金属結合はC-金属結合よりも高い固有の結合強度を示しており、PC｜Al₂O₃の平均絶対ICOHP値は10.38 ± 1.38 eVであった。
• 計算された接着指標（結合密度 × 結合強度）は、Al₂O₃がPCと最も強い界面を形成しており、次にTiAlO₂、その後にTiO₂の順に強度が低く、相対的な強度はそれぞれ100%、約60%、約30%であった。
• PC｜Al₂O₃界面では（C-O）-金属結合分率が最も高く（22.92%）、結合強度も強く（10.38 eV）あり、接着指標は237.90 ± 31.63 %·eVに達した。
• PC｜TiO₂界面では、（C-O）-金属結合分率が最も低く（5.66%）、わずかに高い結合強度（13.05 eV）を示したが、その積は著しく低い接着指標（73.86 ± 13.13 %·eV）となった。