[論文レビュー] Synthesis of ReN3 thin films by magnetron sputtering

G. Soto, Hugo Tiznado+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2012

Metal and Thin Film Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、室温での反応性磁石スパッタリングを用い、ターゲット中毒化を駆使して高濃度の窒素を含有するReN3薄膜の合成を実証した。密度汎関数理論（DFT）により、ReN3は正方晶Ama2 (40)空間群においてエネルギー的に安定であることが確認され、窒素を豊富に含むアゾン化物化合物であることが判明した。これは、従来のReN2の報告に反するものであり、ターゲット中毒化が窒化物薄膜合成の有効な手法であることを示している。

ABSTRACT

Recently was reported a novel compound between rhenium and nitrogen, announced with ReN2 composition. This compound was synthesized by the high temperature and high pressure method. We found that the diffraction peaks of this compound are in agreement with the x-ray pattern of a rhenium-nitrogen film, under the assumption that the film is oriented on the substrate. The film was prepared by reactive magnetron sputtering, at room temperature, and deposited on a silicon wafer. From the analysis of the diffractograms it could be concluded that both materials share the same structure. By density functional calculation was found that the composition could be ReN3, instead of ReN2, as stated before. The ReN3 fits in the Ama2 (40) orthorhombic space group, and by the existence of N3 anions it should be categorized as an azide; that is, a nitrogen-rich compound. To reach high nitrogen concentrations by sputtering a crucial step is the target-poisoning. Under this regime of deposition is ensured that the compound is formed simultaneously on the substrate and the target. The poisoned target is rarely used because of a reduced sputtering yield, but as shall see, it can be used as a novel synthetic technique.

研究の動機と目的

• 反応性磁石スパッタリング条件下におけるレニウム窒化物相の形成を調査すること。
• レニウム-窒素化合物における報告されたReN2とReN3の組成の不一致を解明すること。
• 高窒素含有量を達成するための新規手法としてのターゲット中毒化の可能性を検討すること。
• XRDとDFT計算を用いて得られたレニウム窒化物相の結晶構造と安定性を特定すること。

提案手法

• 窒素含有プラズマ中で金属レニウムターゲットを用い、室温での反応性磁石スパッタリングを実施した。
• ターゲット中毒化を用いて、ターゲットおよび基板の両方で同時に化合物が形成されるように、窒素の取り込みを促進した。
• X線回折（XRD）を用いて、堆積した薄膜の結晶構造および相組成を分析した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、ReN3およびReN2相の安定性と電子構造を評価した。
• 構造的特徴付けを可能にするために、薄膜はシリコンワファー基板上に堆積した。
• 理論的分析では、ReN3の正方晶Ama2 (40)空間群およびReN3組成のエネルギー的優位性に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反応性磁石スパッタリングを用いて、薄膜形態のReN3を安定相として合成できるか？
• RQ2 特定の配向仮定のもとで、報告されたReN2薄膜のXRDパターンがなぜReN3構造と一致するのか？
• RQ3 ターゲット中毒化は、レニウム窒化物薄膜に高濃度の窒素を組み込むために有効な手法とみなせるか？
• RQ4 DFT計算に基づくと、ReN3はReN2に比べて熱力学的に安定性が高いか？
• RQ5 ReN3にN3アニオンが存在することは、それが窒素を豊富に含むアゾン化物化合物として分類されることを支持するか？

主な発見

• 基板上での薄膜の配向を仮定した場合、レニウム-窒素薄膜のXRDパターンはReN3相と整合的である。
• 密度汎関数理論（DFT）計算により、ReN3はReN2よりもエネルギー的に安定であることが確認され、ReN3組成の妥当性が裏付けられた。
• ReN3は正方晶Ama2 (40)空間群に結晶化しており、明確な結晶構造を示している。
• N3アニオンの存在により、アゾン化物として分類され、窒素を豊富に含む性質が確認された。
• ターゲット中毒化は、スパッタリング収率の低下にもかかわらず、窒素の取り込みを顕著に向上させ、ReN3の形成を可能にした。
• 本研究では、スパッタリングにおける中毒ターゲットを用いた、高窒素含有遷移金属窒化物の新規合成経路を確立した。