Синтез і дослідження фізичних властивостей плівок стабілізованої при низьких температурах
Одержання методом реактивного магнетронного розпилення плівок різних фаз оксиду. Дослідження будови та мікроструктури плівок Bi2O3 за допомогою рентгенофазового аналізу, оптичної та електроннооптичної мікроскопії і специфіка їх температурної стабільності.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.07.2014 |
| Размер файла | 127,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
УДК 539.234:546.87
СИНТЕЗ І ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПЛІВОК СТАБІЛІЗОВАНОЇ ПРИ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ -ФАЗИ Bi2O3
01.04.07 - фізика твердого тіла
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
ЧАСОВСЬКИЙ КОСТЯНТИН ВАЛЕНТИНОВИЧ
Дніпропетровськ - 2005
АНОТАЦІЇ
Часовський К. В.. Синтез і дослідження фізичних властивостей плівок стабілізованої при низьких температурах - фази Bi2O3. - Рукопис.
Дисертація містить результати дослідження структурних, мікроструктурних, електрофізичних властивостей плівок -Bi2O3, отриманих реактивним магнетронним розпиленням. Проведено експериментальні рентгенофазові, електроннооптичні й електронографічні дослідження, дослідження мікроструктури поверхні за допомогою оптичного мікроскопа, температурної стабільності розпаду метастабільних фаз плівок, діелектричних спектрів. Виведено аналітичний вираз, який дозволяє описати діелектричні спектри й визначити параметри, що характеризують електрофізичні процеси в плівках -Bi2O3. Аналіз всіх отриманих результатів дозволяє припустити, що стабілізація високотемпературної _фази Bi2O3 при низьких температурах стає можливою завдяки малому розміру кристалітів і наявності навколо них прошарку аморфної фази, а також, що в провідності беруть участь як електрони, так й іони кисню.
Часовский К.В.. Синтез и исследование физических свойств пленок стабилизированной при низких температурах - фазы Bi2O3. - Рукопись.
Диссертация содержит результаты исследования структурных, микроструктурных, электрофизических свойств пленок -Bi2O3, полученных реактивным магнетронным распылением. Рентгенофазовые исследования показали, что в зависимости от режимов осаждения получаются монофазные пленки аморфной, -, - и _фаз Bi2O3. Исследования микроструктуры поверхности пленок с помощью оптического микроскопа показали, что без специальной обработки поверхности пленок аморфной, - и _модификации являются гладкими, а пленки _модификации состоят из поликристаллов в виде неправильных многоугольников, средний размер которых составляет 5000 нм. Поверхность этих пленок после травления приобрела различимый рельеф, где стала проявляться микроструктура с размерами поликристаллов для _модификации 3000 нм, для _модификации - менее 1000 нм. Изображения микроструктуры пленок -Bi2O3, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, представляют в основном мелкодисперсную кристаллическую структуру. Средний размер зерен составляет 160 нм и при увеличении скорости осаждения в 1,5-2 раза практически не изменяется. Электронно-графические исследования строения подтверждают результаты рентгенографических измерений для пленок -Bi2O3. Анализ полученных впервые диэлектрических спектров пленок -Bi2O3 показывает проявление нескольких характерных видов дисперсии. Во-первых, по мере увеличения температуры все более четко вырисовывается область спектра, где проявляется дисперсия проводимости - ` практически не зависит от частоты, а `` имеет угол наклона к горизонтальной оси близкий к -/4. Во-вторых, на низких частотах при высоких температурах наблюдаются участки спектра, где проявляется дисперсия диэлектрической проницаемости - частотные зависимости мнимой `` и действительной ` составляющих * практически параллельны друг другу и обе наклонены к горизонтальной оси. По причине зависимости проводимости пленок ` от частоты, в качестве эквивалента диэлектрической проницаемости использовали “универсальную” емкость Cn(), которая является комплексной степенной функцией частоты, а для описания спектров пленок -Bi2O3 использовали выражение, описывающее двухполюсник, состоящий из двух различных “универсальных” емкостей Cn(), Cm() и одного активного сопротивления R. Аппроксимация этим выражением диэлектрических спектров позволила определить параметры n, m, (0), f1 и f2 и построить температурные зависимости =f(T), n=f(T), m=f(T), ln(0)=f(1/T), lnf1=f(1/T) и lnf2=f(1/T). На графиках зависимости удельной электропроводности на постоянном токе (0), частот релаксации проводимости f1 и диэлектрической проницаемости f2 от температуры в цикле нагрев- охлаждение при нагреве величина удельной электропроводности выше, чем при охлаждении, то есть наблюдается температурный гистерезис. Поляризация в области высоких частот, где проявляется “универсальная” емкость Cn(), сопровождается насыщением диэлектрической проницаемости при значениях 30, которые близки к известным из литературы (для керамики 25, для пленок 29). Частотная зависимость удельной проводимости `() в этом диапазоне частот свидетельствует о прыжковом механизме проводимости, а, следовательно, высокочастотная поляризация относится к разряду тепловой. Поскольку значение показателя степени n близко к единице и мало изменяется с температурой, частотная зависимость “универсальной” емкости близка к идеальной, а, следовательно, она является эквивалентом емкости объема диэлектрика, которая обусловлена высокочастотной диэлектрической проницаемостью . Вид диэлектрических спектров в области низких частот, где происходит резкое увеличение диэлектрической проницаемости ` до аномально больших значений в несколько тысяч, аналогичен частотной дисперсией Дебая. Такие высокие значения диэлектрической проницаемости на низких частотах и относительно низкие частоты релаксации f2=2/2 свидетельствуют о проявлении низкочастотной миграционной поляризации, которая сопряжена с накоплением зарядов на границах неоднородностей с образованием области объемного заряда. При накоплении в этой области зарядов следует ожидать усиления их взаимодействия между собой, следствием чего является появление процессов обратной диффузии, что может быть причиной существенного отличия значения параметра m от единицы. В таком случае “универсальная” емкость Cm(), должна быть эквивалентом емкости области объемного заряда. Удельная проводимость (0) в выражениях аппроксимации определяет удельную проводимость объема образца на постоянном токе, эквивалентом которой является сопротивление R. Поскольку общая величина электропроводности (=qinii) при прыжковом механизме в диэлектриках определяется температурной зависимостью подвижности носителей заряда i, изменение кривой температурной зависимости (0) в циклах нагрев-охлаждение должно быть обусловлено изменением концентрации носителей заряда ni. Такое изменение концентрации носителей может происходить при вариации содержания кислорода в решетке пленки _Bi2O3 при установлении термодинамического равновесия с окружающей средой посредством электрохимических реакций на электродах. Это подтверждается литературными данными и результатами исследований: нестационарными и нелинейными вольт-амперными характеристиками, зависимостью от давления окружающей среды проводимости и термоЭДС пленок -Bi2O3.
Chasovskyi K.V. Synthesis and research of physical properties of - phase Bi2O3 films stabilised at low temperatures. - Manuscript.
The dissertation contains the research results of investigation structural, micro-structural and physical properties of -Bi2O3 films, received by reactive sputtering evaporation. There were done the experimental investigations of the surface microstructure by the optical microscope, temperature stability of disintegration metastable phases of films, dielectric spectra, X-ray, electron-optical and electron-ray. The analytical expression allowing to describe dielectric spectra and to define parameters, describing electro-physical processes in films -Bi2O3 is deduced. The analysis of all received results allows assuming, that the stabilization of a high-temperature -phase Bi2O3 at low temperatures is possible due to the small size crystallites and presence of an amorphous phase layer around them and allows to assume, that as electrons, such ions of oxygen take part in the conductivity.
Дисертацією є рукопис
Дисертація виконана в Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Черненко Іван Михайлович, професор кафедри радіоелектроніки, Дніпропетровський національний університет, м. Дніпропетровськ
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Поплавко Юрій Михайлович, професор кафедри мікроелектроніки, Національний технічний університет України, м. Київ
доктор фізико-математичних наук, професор Кудзін Аркадій Юрійович, професор кафедри фізики твердого тіла, Дніпропетровський національний університет, м. Дніпропетровськ
Провідна установа: Донецький національний університет, кафедра фізики твердого тіла та фізичного матеріалознавства, м. Донецьк.
Захист дисертації відбудеться “ 09 ” грудня 2005 р. о 14 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.02 в Дніпропетровському національному університеті (49050 м. Дніпропетровськ, вул. Наукова 10, корп. 11, ауд. 301)
З дисертацією можна ознайомитись у Науковій бібліотеці Дніпропетровського національного університету.
Автореферат розісланий “ 08 ” листопада 2005 р.
Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д 08.051.02, Професор Спиридонова І.М.
ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Матеріали на основі оксиду вісмуту (III) знаходять широке застосування при створенні надпровідників, елементів з нелінійною вольт-амперною характеристикою, каталізаторів та іншого.
Особливістю триоксиду вісмуту (ІІІ) є те, що при високих температурах після перетворення в _фазу зі структурою типу флюориту він має найбільшу іонну провідність серед відомих твердотільних іонних провідників. Використання матеріалів з такою структурою в електрохімічних перетворювачах, надчуттєвих датчиках, конденсаторах найбільш ефективно у вигляді плівок. Однак висока температура існування флюоритної _фази обмежує застосування Bi2O3 і створює додаткові незручності, пов'язані з попереднім нагріванням.
Одержання плівок на основі Bi2O3, що володіють іонною провідністю, пов'язане із труднощами створення при кімнатній температурі метастабільних модифікацій Bi2O3.
Рішення задачі синтезу плівок стабілізованої при кімнатній температурі флюоритної _фази Bi2O3 має важливе значення не тільки в науково-дослідному плані, але й для практичного використання - створення електролітичних конденсаторів, а також елементів, що працюють на основі ефекту електрохімічного перетворення із ККД близьким до 100%.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота пов'язана із планом науково-дослідної роботи кафедри радіоелектроніки ДНУ й держбюджетною темою № 06-83-98 “Дослідження впливу деградаційних факторів на електронні явища в неоднорідних оксидних системах” (Науково-технічний план Міністерства освіти України, наказ №37 від 13.02.97 р., № реєстрації 0198U003735)
Мета й завдання досліджень. Метою роботи є дослідження будови, температурної стабільності, мікроструктурних та електрофізичних властивостей плівок оксиду вісмуту (ІІІ) для розробки технології отримання плівок оксиду вісмуту Bi2O3.
Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:
одержання методом реактивного магнетронного розпилення плівок різних фаз оксиду вісмуту Bi2O3;
дослідження будови та мікроструктури плівок Bi2O3 за допомогою рентгенофазового аналізу, оптичної та електроннооптичної мікроскопії, визначення розміру блоків і зерен, що створюють отримані плівки, визначення постійної елементарної кристалічної ґратки для плівок _Bi2O3
дослідження температурної стабільності плівок різних фазових станів;
дослідження діелектричних спектрів у широких температурному інтервалі й частотному діапазоні плівок _фази Bi2O3, а також, утворених в результаті розпаду її структури - і _фаз Bi2O3;
проведення математичного аналізу та вибір математичної моделі, що має фізичне обґрунтування й задовільно описує експериментальні дані; проведення апроксимації аналітичним виразом, що описує цю модель; визначення параметрів, що відповідають реальним фізичним величинам;
визначення механізмів поляризації й електропровідності в плівках _фази Bi2O3.
Об'єкт дослідження. Плівки метастабільної _фази Bi2O3, отримані реактивним магнетронним розпиленням.
Предмет дослідження. Будова, мікроструктура, температурна стабільність та електрофізичні властивості плівок _фази Bi2O3.
Методи дослідження. Проведено рентгенографічні, оптичні, електроннооптичні дослідження та дослідження частотної залежності повного комплексного імпедансу у широкому температурному інтервалі плівок _фази Bi2O3. На основі проведеного аналітичного аналізу вибрано математичну модель, що задовільно описує експериментальні діелектричні спектри.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:
1. Методом реактивного магнетронного розпилення отримані плівки високотемпературної _фази Bi2O3 у метастабільному стані при кімнатній температурі, а також детально досліджений вплив технологічних параметрів на будову, мікроструктуру й електрофізичні властивості тонких плівок оксиду вісмуту (III). реактивний оксид мікроструктура рентгенофазовий
2. Досліджено однорідність плівок _Bi2O3 та розмір кристалітів за допомогою електронної й оптичної мікроскопії.
3. Досліджено температурну стабільність при розпаді плівок _Bi2O3 та визначено, що метастабільна _фаза розпадається в стабільну _фазу через проміжну -фазу, однак при такому розпаді _фаза виявляється більш стійкою у вакуумі, у той час як _фаза - на повітрі.
4. Проведено дослідження діелектричних властивостей плівок _Bi2O3 в широкому температурному інтервалі й широкому частотному діапазоні та установлено характерні види дисперсій й виділено параметри, що стосуються об'ємних властивостей отриманого матеріалу.
5. Запропоновано механізми поляризації й електропровідності в плівках _фази Bi2O3, які ураховують утворення об'ємного заряду на електродах.
Практичне значення отриманих результатів. Синтезовано плівки метастабільної _модифікації оксиду вісмуту, які можуть бути використані для створення конденсаторів, датчиків, електрохімічних перетворювачів з поліпшеними параметрами. Результати дослідження фізичних властивостей дозволяють визначити температурні й частотні діапазони роботи таких пристроїв.
Особистий внесок здобувача полягає в розробці фізико-технологічних основ одержання тонких плівок оксиду вісмуту (ІІІ) методом реактивного магнетронного розпилення [1]. Методом реактивного магнетронного розпилення отримано плівки аморфної, -, - і _фаз Bi2O3 [2-4]. Досліджено будову та мікроструктуру отриманих плівок рентгенофазовим аналізом, оптичною та електроннооптичною мікроскопією [5-7]. Досліджено температурну стабільність плівок Bi2O3 [8, 9]. Досліджено діелектричні характеристики - частотні залежності повного комплексного опору плівок _Bi2O3 [10]. Проведено аналітичний аналіз та вибрано математичну модель, апробація якої шляхом апроксимації показує задовільний збіг з експериментальними даними [11]. Запропоновано механізми поляризації та електропровідності в плівках _Bi2O3 [12].
Черненко І.М. належить постановка задачі дисертаційної роботи й обговорення результатів дисертації.
Рябцев С.І. та Дуда В.М. здійснювали консультації здобувача щодо інтерпретації даних електроннооптичних, електроннографічних, рентгенографічних та електрофізичних вимірювань.
Апробація результатів дисертації. Основні результати й висновки роботи були представлені на 4-ому міжнародному симпозіумі “Вакуумные технологии и оборудование” (Харків, 2001), 12-ому міжнародному симпозіумі “Тонкие пленки в электронике” (Харків, 2001), 13-ому міжнародному симпозіумі “Тонкие пленки в оптике и электронике” (Харків, 2002), 8-й міжнародній конференції “Фізика й технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 2001), 10-й міжнародній конференції “Фізика й технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 2005), а також на щорічних наукових конференціях Дніпропетровського національного університету.
Публікації результатів досліджень. За результатами досліджень опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 5 статей у наукових журналах, 7 робіт у працях міжнародних симпозіумів і конференцій.
Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 95 найменувань, у тому числі 12 на авторські роботи, і доповнень. Загальний об'єм роботи становить 140 сторінок і містить 52 рисунка й 13 таблиць.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обговорюється актуальність і практичне значення роботи, сформульована її мета й основні результати, які виносяться на захист.
У першому розділі проведений літературний огляд вже відомих результатів досліджень по темі даної дисертації. Рентгено- і нейтроннографічні дослідження показують, що полікристалічний Bi2O3 може перебувати в чотирьох фазових станах. Стабільна при кімнатній температурі _фаза існує до 1002 K, при подальшому нагріванні переходить у кубічну _модифікацію, яка стабільна аж до температури плавлення 1097 K. При швидкому охолодженні _фаза Bi2O3 при 923 K переходить у метастабільну _фазу, яка при подальшому охолодженні при 893-878 K переходить у стабільну _фазу. При охолодженні _фази Bi2O3 з витримкою в атмосфері кисню при температурах 1073-1093 K відбувається її перетворення в _фазу при температурі 908 K. Гравіметричні дослідження полікристалічного Bi2O3 у різних газових середовищах показують, що _фаза, яка стабілізується при надлишку кисню, відповідає сполуці Bi2O3,04-Bi2O3,37, а зниження парціального тиску кисню розширює температурний інтервал існування -Bi2O3. Дослідження фазової сполуки плівок Bi2O3 за допомогою техніки рентгенофазових й електронографічних вимірів показують, що при товщині менш 0,5 мкм структура плівок не розпадається в стабільну _фазу навіть після тривалої їхньої термообробки. Крім цього, при одержанні плівок товщиною 200-300 ? виявлено ще дві нові тетрагональні фази. Дослідження електропровідності кераміки Bi2O3 показують, що _фаза має електронну електропровідність р_типу. Збільшення електропровідності при фазовому переході на 2-3 порядки до значень 1-10 Смсм-1 пояснюють високою іонною провідністю кераміки Bi2O3, що має дефектну флюоритну структуру. Відсутність відбиття від кисневих площин навіть при нейтроннографічних дослідженнях підтверджує високу рухливість кисню в решітці. Відомі значення діелектричної проникності для полікристалічного Bi2O3 становлять 25, для плівок Bi2O3 29. Оскільки високотемпературна _фаза Bi2O3 має найбільшу іонну провідність з усіх відомих твердотільних іонних провідників, стабілізація такої структури при знижених температурах є актуальною науковою задачею. У заключній частині розділу сформульована мета роботи й конкретні задачі досліджень.
У другому розділі описані: установка й методика одержання плівок Bi2O3 реактивним магнетронним розпиленням, одержання зразків для дослідження, методика проведення експериментів.
Плівки аморфної, -, - і _фаз Bi2O3 отримано реактивним магнетронним розпиленням на установці ВУП-5М. Будову та мікроструктуру плівок цих фаз досліджували за допомогою установки рентгенофазового аналізу ДРОН-2.0, оптичних мікроскопів ММУ-3У4.2 и ЛЮМАМ-И1, та електроннооптичного мікроскопа ЕММА. Температурно-частотні дослідження повного комплексного опору плівок проводили за допомогою вимірювача повного опору ВМ-507.
У третьому розділі досліджені: фазовий склад, структура, мікроструктура поверхні плівок Bi2O3, отриманих реактивним магнетронним розпиленням.
Рис. 1. Дифрактограма плівок _фази Bi2O3.
Розходження у кольорі плівок стимулювало рентгенофазові дослідження. Виявилося, що на дифрактограмах від прозорих плівок спостерігається ряд дифракційних максимумів, відносна інтенсивність і положення яких відповідають відомим значенням для полікристалічного _Bi2O3. Положення й відносна інтенсивність рефлексів на дифрактограмах плівок коричневого кольору (рис. 1) збігаються з відповідними значеннями для високотемпературної _фази Bi2O3. Значення параметрів елементарної ґратки, визначеної нами для цієї простої кубічної структури, досить точно збігаються з відомими з літератури значеннями. Залежно від режимів розпилення плівки жовтого кольору виходили або рентгеноаморфними, або мали структуру, що збігається з _фазою Bi2O3. Дослідження мікроструктури поверхні плівок за допомогою оптичного мікроскопа показало, що без спеціальної обробки поверхні плівок аморфної, - і _модифікації є гладкими, а плівки _модифікації складаються з полікристалів у вигляді неправильних багатокутників, середній розмір яких становить 5000 нм. Поверхня цих плівок після травлення придбала помітний рельєф, де стала проявлятися мікроструктура з розмірами полікристалів для _модифікації 3000 нм, для _модифікації - менш 1000 нм.
Зображення мікроструктури плівок -Bi2O3, отриманих за допомогою електронного мікроскопа, представляють, в основному, дрібнодисперсну кристалічну структуру. Середній розмір зерен становить 160 нм і при збільшенні швидкості осадження в 1,5-2 рази практично не змінюється. Електронограма плівки містить 8 дифракційних кілець, відносна інтенсивність і радіальні розміри яких відповідають структурним параметрам I/I0 й dhkl/n, значення яких підтверджують результати рентгенофазових досліджень плівок _Bi2O3. Результати досліджень термічної стабільності плівок -Bi2O3 на повітрі й у вакуумі показують, що з підвищенням температури обробки дифракційні максимуми, що відповідають -фазі, розмиваються, а на їхньому місці з'являються рефлекси, що відповідають структурі _фази, які стають основними після прогріву на повітрі при Т=570 К, а після прогріву у вакуумі при Т=520 К. У процесі термообробки колір плівок змінюється від коричневого до жовтого. При подальшому підвищенні температури термообробки з'являються рефлекси, що відповідають стабільній -фазі, які стають основними при Т>620 К як після прогріву на повітрі, так і після прогріву у вакуумі. Колір зникає, і плівки стають безбарвними.
У четвертому розділі проводиться аналіз діелектричних спектрів плівок -Bi2O3, пропонується модель, що описує ці спектри, за результатами апроксимації якої будуються температурні залежності параметрів, що відповідають певним фізичним величинам. Аналіз отриманих результатів дозволив зробити висновки щодо фізичних властивостей плівок -Bi2O3.
Рис. 2. Логарифмічні частотні характеристики `, `` для зразка плівки _Bi2O3, при температурах: а) 120С; б) 160С; 1_ `; 2_ ``.
На діелектричних спектрах плівок _Bi2O3 чітко можна виділити декілька характерних видів дисперсії (рис. 2). По-перше, у міру збільшення температури чіткіше вимальовується та область спектра, де ` практично не залежать від частоти, а `` має нахил до горизонтальної осі близький до -/4. По-друге, на низьких частотах при високих температурах спостерігаються ділянки спектра, де частотні залежності уявної `` і дійсної ` складових * практично паралельні одна одній й обидві нахилені до горизонтальної осі. При моделюванні електрофізичних властивостей діелектриків часто у якості еквівалентів фізичних параметрів питомої провідності об'єму і діелектричної проникності користуються відповідно ідеальними опором R та ємністю С. Однак у багатьох діелектриках насправді їхній опір (провідність) залежать від частоти. Не виключенням є й досліджувані плівки _Bi2O3, питома провідність яких, як можна бачити з рис. 3, помітно залежить від частоти. Отже, використання для моделювання процесів, що відбуваються в реальних діелектриках, простої комбінації паралельного й послідовного з'єднання ідеальних R і С було б досить грубим наближенням. Вихід знайдений у використанні замість ідеальної ємності так званої “універсальної” ємності, що є комплексною функцією частоти:
, (1)
де Bn - деяка константа, а n - безрозмірний параметр, що може змінюватися в межах 0<n<1.
Уявлення про “універсальну” ємність поряд із загальним поняттям “елемент постійної фази” одержали поширення у фізиці діелектриків. Використання “універсальної” ємності дозволяє описувати механізми поляризації, що залежать від руху будь-яких заряджених часток (електронів, іонів і диполів), зміна положення яких здійснюється дискретно за допомогою стрибків між можливими стійкими станами. Таке поводження суперечить з одного боку дебаевській моделі вільно “плаваючих” диполів, а з іншого боку, зовсім не схоже на поводження вільних електронів у зоні провідності в напівпровідниках. Крім цього, необхідно враховувати взаємодію часток та явище часткового екранування кожного диполя або заряду після переходу в новий стійкий стан всіма іншими диполями або зарядами, що існують у системі. Така взаємодія мінімальна при n1 і максимальна при n0. Провідність багатьох реальних діелектриків часто описують виразом, що відбиває паралельне з'єднання ідеального резистора R й “універсальної” ємності Cn():
,(2)
де (0) - питома провідність на постійному струмі, 1 - частота релаксації провідності, n - безрозмірний параметр. На діелектричних спектрах цим виразом може бути описана високочастотна область спектра, де ще не спостерігається дисперсія діелектричної проникності. Як виявилося, для повного опису спектрів плівок _Bi2O3 найбільш підходить двополюсник (рис. 4), що складається із двох різних “універсальних” ємностей Cn(), Cm() і одного активного опору R. Провідність двополюсника, зображеного на рис. 4, можна записати у вигляді суми провідності послідовного RCm()- двополюсника й провідності “універсальної” ємності Cn():
(3)
де 1=(RB)-1/n, 2=(RB)-1/m - відповідно частоти релаксації провідності й діелектричної проникності. Виділивши із цього виразу уявну й дійсну частини, можна одержати вираз для компонентів комплексної діелектричної проникності:
Рис. 4. Еквівалентний двополюсник.
, (4)
, (5)
які використовувалися для апроксимації експериментальних діелектричних спектрів. Отримані з виразів (4), (5) розрахункові криві зображені на рис. 2 разом з експериментальними крапками. Використовуючи результати апроксимації, були визначені й побудовані температурні залежності =f(T) (рис. 5), n=f(T) (рис. 6), m=f(T), (рис. 7), ln(0)=f(1/T) (рис. 8), lnf1=f(1/T) (рис. 9) та lnf2=f(1/T) (рис. 10).
Поляризація в області високих частот, де проявляється “універсальна” ємність Cn(), супроводжується насиченням діелектричної проникності при значеннях, близьких відомим з літератури (для полікристалічного Bi2O3 25, для плівок 29) (рис. 5). Частотна залежність питомої провідності `() (рис. 3) у цьому діапазоні частот свідчить про стрибковий механізм провідності. Отже, високочастотна поляризація відноситься до розряду теплової. Оскільки значення показника ступеня n близько до одиниці й мало змінюється з температурою (рис. 6), частотна залежність “універсальної” ємності близька до ідеальної, отже, вона є еквівалентом ємності об'єму діелектрика, що обумовлена високочастотною діелектричною проникністю . Вид діелектричних спектрів в області низьких частот, де відбувається різке збільшення діелектричної проникності ` до аномально великих значень у кілька тисяч (рис. 1), аналогічний частотній дисперсії Дебая. Такі високі значення діелектричної проникності на низьких частотах і відносно низькі частоти релаксації f2=2/2 свідчать про прояв низькочастотної міграційної поляризації, що пов'язана з нагромадженням зарядів на границях неоднорідностей з утворенням області об'ємного заряду. При нагромадженні в цій області зарядів варто очікувати посилення їхньої взаємодії між собою, наслідком чого є поява процесів зворотної дифузії, що може бути причиною істотної відмінності значення параметра m від одиниці (рис. 7). У такому випадку “універсальна” ємність Cm(), повинна бути еквівалентом ємності області об'ємного заряду. Питома провідність (0) у виразах апроксимації (4, 5), також як й у виразі (6), визначає питому провідність об'єму зразка на постійному струмі, еквівалентом якої є опір R.
На рис. 8, 9, 10 в ареніусовських координатах представлені відповідно залежності питомої електропровідності на постійному струмі (0), частот релаксації провідності f1 і діелектричної проникності f2 від температури в циклі нагрівання - охолодження. Видно, що при нагріві величина питомої електропровідності (0) вище, ніж при охолодженні, тобто спостерігається температурний гістерезис. На графіках можна виділити три лінійних ділянки, які можуть бути описані експоненціальними залежностями. Величини передекспоненціальних множників (0), f1(0), f2(0) і енергії активації Е, Еf1, Еf1, обумовлені для кожної лінійної ділянки в циклі нагрівання-охолодження, наведені в табл. 1. Як можна бачити з рис. 11, після розпаду плівок _фази в _фазу через проміжну _фазу питома провідність (0) зменшується на два порядки, при цьому значення параметра n і діелектричної проникності практично не змінюються.
На температурній залежності діелектричної проникності, яка представлена на рис. 5, також спостерігається температурний гістерезис. Значення при нагріванні й охолодженні змінюються відповідно в межах 30-33 й 23-27. З табл. 1 видно, що для ділянок 1 й 3 значення передекспоненціальних множників f1(0) і f2(0) не перевершують значень частоти власних коливань закріплених у кристалічній ґратці іонів у твердих діелектриках (1013 Гц). Крім цього, екстраполяція кривих провідності на цих ділянках (рис. 8) в область існування високотемпературної - фази (1002 K) показує значення питомої провідності близьке до відомого з літератури значення (0,01_ 0,1 Ом_1м_1). Однак, екстраполяція ділянки 2 до цієї температури показує значення на кілька порядків вище. Передекспоненціальні множники f1(0), f2(0) для ділянки 2 (рис. 9, 10), мають значення значно вище частоти власних коливань закріплених іонів у діелектриках, а оскільки електронна поляризація встановлюється набагато швидше, у вимірюваному діапазоні частот не може спостерігатися ділянка з подібними характеристиками. Це дає можливість припустити, що на ділянці 2 кривої провідності (рис. 8) відбувається встановлення рівноваги між двома станами з різною стехіометрією при відносно низьких температурах.
Таблиця. 1. Значення передекспоненціальних множників (0), f1(0), f2(0) і енергії активації Е, Еf1, Еf1, отримані в циклі нагрівання - охолодження.
|
Ділянка 1 |
Ділянка 2 |
Ділянка 3 |
||
|
(0), Ом-1м-1 |
1,6102 |
1108 |
1,7102 |
|
|
Е, еВ |
0,65 |
1,1 |
0,68 |
|
|
f1(0), Гц |
0,91011 |
8,41015 |
1,11011 |
|
|
Еf1, еВ |
0,65 |
1,1 |
0,67 |
|
|
f2(0), Гц |
2,61010 |
7,81019 |
6,910 8 |
|
|
Еf2, ев |
0,69 |
1,5 |
0,68 |
Оскільки загальна величина електропровідності (=qinii) при стрибковому механізмі електропровідності в діелектриках визначається температурною залежністю рухливості носіїв заряду i, зміна кривої температурної залежності (0) у циклі нагрівання-охолодження повинна бути обумовлена зміною концентрації носіїв заряду ni. Така зміна концентрації носіїв може відбуватися внаслідок варіації вмісту кисню в ґратці плівки -Bi2O3 при встановленні термодинамічної рівноваги з навколишнім середовищем за допомогою електрохімічних реакцій на електродах. Це підтверджується літературними даними й результатами досліджень: нестаціонарними й нелінійними вольт-амперними характеристиками, залежністю від тиску навколишнього середовища провідності й термоЕРС плівок _Bi2O3.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ Й ВИСНОВКИ РОБОТИ
1. Проведено дослідження будови, температурної стабільності, мікроструктурних та електрофізичних властивостей монофазних плівок різних фаз оксиду вісмуту (ІІІ) для розробки технології отримання плівок оксиду вісмуту -Bi2O3 методом реактивного магнетронного розпилення.
Вперше методом реактивного магнетронного розпилення, який дозволяє отримувати метастабільні монофазні плівки, отримано плівки високотемпературної _фази Bi2O3 у метастабільному стані при кімнатній температурі й детально досліджений вплив технологічних параметрів на структуру, мікроструктуру й електрофізичні властивості плівок оксиду вісмуту.
Вперше проведено дослідження будови та мікроструктури плівок -Bi2O3 за допомогою рентгенофазового аналізу, оптичної та електроннооптичної мікроскопії та встановлено розмір блоків і зерен, що створюють отримані плівки, визначено постійну елементарної кристалічної ґратки для плівок _Bi2O3.
4. Вперше досліджено температурну стабільність при розпаді плівок -Bi2O3. Ці дослідження показують, що розпад плівок метастабільних фаз при термообробці приводить до утворення стабільної -фази. Метастабільна _фаза після термообробки перетворюється безпосередньо в _фазу. Розпад аморфної фази в _фазу відбувається через проміжну метастабільну -фазу. Метастабільна _фаза розпадається в стабільну _фазу також через проміжну -фазу, однак при такому розпаді _фаза виявляється більш стійкою у вакуумі, у той час як _фаза - на повітрі.
5. Вперше виконано дослідження діелектричних спектрів плівок -Bi2O3 та встановлено, що у високочастотній області плівки проявляють себе як ідеальний діелектрик, а спостережуване в цій області насичення діелектричної проникності при величині 30 за значенням близьке з відомими літературними даними для полікристалічного _Bi2O3 і плівок Bi2O3. У низькочастотній області при високих температурах проявляється об'ємно зарядова поляризація, що супроводжується утворенням області об'ємного заряду. У проміжній області спостерігається дисперсія між цими двома видами поляризації.
6. Вперше проведено аналітичний аналіз експериментальних діелектричних спектрів та вибрана модель, що має фізичне обґрунтування. Апроксимація експериментальних даних моделлю, що описує двополюсник, який складається з активного опору й двох “універсальних” ємностей, дозволила визначити параметри, що характеризують досліджувані плівки -Bi2O3. Аналіз поведінки графіків частотної й температурної залежності ємності й питомої провідності дозволяє зробити висновок, що опір R відповідає питомій провідності об'єму плівок, ємність Сn() - об'ємній ємності С, а ємність Сm() - ємності об'ємного заряду.
7. Вперше запропоновано механізми поляризації й електропровідності в плівках _фази Bi2O3, які ураховують утворення об'ємного заряду на електродах. Зміна питомої провідності ` із частотою свідчить про стрибковий характер провідності в плівках -Bi2O3. Активаційний характер зміни питомої провідності (0) у такому випадку пояснюється зміною рухливості носіїв заряду . Зміна питомої провідності плівок _ Bi2O3 на постійному струмі (0) у циклі нагрівання-охолодження і при зміні парціального тиску кисню обумовлена зміною концентрації дефектів ni, приблизно кисневих вакансій. Збільшення провідності зі зменшенням парціального тиску кисню свідчить про електронний n-тип часткової електропровідності в плівках _Bi2O3. Зменшення електропровідності більш ніж на два порядки при розпаді плівок _фази Bi2O3 в _ фазу свідчить про зменшення ступеня розупорядкованості в отриманих у такий спосіб плівках. Існування іонної електропровідності в досліджуваних плівках _фази Bi2O3 підтверджується залежністю електропровідності від парціального тиску кисню, яка проявляється на температурних залежностях провідності гістерезисом, появою в плівках _Bi2O3 термоЕРС, що залежить від тиску, а також не стаціонарністю й нелінійністю вольт-амперних характеристик плівок _фази Bi2O3.
ПЕРЕЛК ДРУКОВАНИХ РОБIТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦIЇ
Черненко И. М., Часовский К. В. Вакуумная технология получения тонких диэлектрических пленок. // Сборник докладов 4-го Международного симпозиума “Вакуумные технологии и оборудование” - Харьков: - 2001. - С. 324-327.
Черненко И.М., Часовский К.В., Сеферовский Ю.В. Реактивное магнетронное напыление пленок оксидов цинка, олова, висмута, ванадия. // Вiсник Днiпропетровського університету. Фізика. Радiоелектронiка. - 2002. Вип. 9, - С. 114-116.
Черненко І. М., Часовський К. В., Катков В. Ф. Одержання плівок оксиду вісмуту напилюванням у магнетронній системі // Фізика і хімія твердого тіла - 2001. - Т. 2, № 4, - С. 719-722.
Черненко І. М., Часовський К. В., Тарасенко Ю. С. Напилювання і властивості плівок оксидів олова і цинку // VIII Мiжнародна конференцiя “Фізика i технології тонких плівок” - Івано-Франківськ: - 2001. - С.225.
Черненко І. М., Часовський К. В., Катков В. Ф. Стабілізація -фази плівок Bi2O3 при 300 К. // Фізика і хімія твердого тіла - 2002. - Т. 3, № 3, - С. 531-534.
Черненко І. М., Часовський К. В., Катков В. Ф. Одержання плівок оксиду вісмуту напилюванням у магнетроннiй системi // VIII Мiжнародна конференцiя “Фізика i технології тонких плівок” - Івано-Франківськ: - 2001. - С.226.
Черненко И. М., Часовский К. В., Мысов О. П. Микроструктура тонких пленок оксидов висмута // Сборник докладов 13-го Международного симпозиума “Тонкие пленки в оптике и электронике” - Харьков: - 2002. - С. 187.
Черненко И. М., Часовский К. В., Катков В.Ф. Исследование кинетики распада метастабильных модификаций пленок оксида висмута. // Сборник докладов 12-го Международного симпозиума “Тонкие пленки в электронике” - Харьков: - 2001. - C. 238-240.
Черненко И. М., Дуда В.М., Часовский К. В. Распад метастабильной -фазы в пленках Bi2O3 // X Мiжнародна конференцiя “Фізика i технології тонких плівок” - Івано-Франківськ: - 2005. Т.1, - С. 276.
Черненко И. М., Часовский К. В. Характер проводимости пленок оксида висмута // Вісник Донецького університету. Серія А. Природничі науки. - 2002. №2, - С.306-311.
Черненко И.М., Дуда В.М., Часовский К.В. Диэлектрические спектры пленок -Bi2O3 и их моделирование свойствами эквивалентного двухполюсника. // Вiсник Днiпропертовського унiверситету. Фiзика і Радiоелектронiка. - 2004. Вып.12., - С. 168-170.
Черненко И. М., Дуда В.М., Часовский К. В. Диэлектрические спектры пленок -Bi2O3 // X Мiжнародна конференцiя “Фізика i технології тонких плівок”, Івано-Франківськ: - 2005. Т.1, - С.276.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Характеристика основних вимог, накладених на різні методи одержання тонких діелектричних плівок (термовакуумне напилення, реактивне іонно-плазмове розпилення, термічне та анодне окислення, хімічне осадження) та визначення їхніх переваг та недоліків.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.04.2010Розмірні і температурні ефекти та властивості острівцевих плівок сплаву Co-Ni різної концентрації в інтервалі товщин 5-35 нм та температур 150-700 К. Встановлення взаємозв’язку морфології, структури та електрофізичних властивостей надтонких плівок.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 12.12.2011Сутність технології GаАs: особливості арсеніду галію і процес вирощування об'ємних монокристалів. Загальна характеристика молекулярно-променевої епітаксії, яка потрібна для отримання плівок складних напівпровідникових з’єднань. Розвиток технологій GаАs.
курсовая работа [3,4 M], добавлен 25.10.2011Види магнітооптичних ефектів Керра. Особливості структурно-фазового стану одношарових плівок. Розмірні залежності магнітоопіру від товщини немагнітного прошарку. Дослідження кристалічної структури методом електронної мікроскопії та дифузійних процесів.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 19.04.2016Дослідження функцій, які описують спектри модуляційного фотовідбивання; експериментально отримано спектри модуляційного фотовідбивання для епітаксійних плівок; засобами пакету MatLab апроксимовано експериментальні спектри відповідними залежностями.
курсовая работа [815,3 K], добавлен 08.06.2013Електрофізичні властивості гранульованих плівкових сплавів в умовах дії магнітного поля. Дослідження електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co, фазового складу та кристалічної структури. Контроль товщини отриманих зразків.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.07.2014Взаємодія заряджених частинок з твердим тілом, пружні зіткнення. Види резерфордівського зворотнього розсіювання. Автоматизація вимірювання температури підкладки. Взаємодія атомних частинок з кристалами. Проведення структурних досліджень плівок.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 21.05.2015Завдання сучасної оптоелектроніки з досліджень процесів обробки, передачі, зберігання, відтворення інформації й конструюванням відповідних функціональних систем. Оптична цифрова пам'ять. Лазерно-оптичне зчитування інформації та запис інформації.
реферат [392,5 K], добавлен 26.03.2009Вивчення будови та значення деревини в народному господарстві. Опис фізичних та хімічних властивостей деревини. Аналіз термогравіметричного методу вимірювання вологості. Дослідження на міцність при стиску. Інфрачервона та термомеханічна спектроскопія.
курсовая работа [927,3 K], добавлен 22.12.2015Методи добування наночастинок. Рентгенофазовий аналіз речовини. Ніхром та його використання. Рентгеноструктурні дослідження наночастинок, отриманих методом вибуху ніхромових дротинок. Описання рефлексу оксиду нікелю NiO за допомогою функції Гауса.
курсовая работа [316,6 K], добавлен 24.05.2015Класифікація планарних оптичних хвилеводів. Особливості роботи з хлороформом. Методи вимірювання показника заломлення оптичного хвилеводу. Спектрофотометричні методи вимірювання тонких плівок. Установка для вимірювання товщини тонкоплівкового хвилеводу.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 29.04.2013Дослідження особливостей будови рідких кристалів – рідин, для яких характерним є певний порядок розміщення молекул і, як наслідок цього, анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей. Способи одержання та сфери застосування.
курсовая работа [63,6 K], добавлен 07.05.2011Дослідження стану електронів за допомогою фотоелектронної й оптичної спектроскопії. Аналіз електронної й атомної будови кристалічних і склоподібних напівпровідників методами рентгенівської абсорбційної спектроскопії. Сутність вторинної електронної емісії.
реферат [226,5 K], добавлен 17.04.2013Осаждение пленочных покрытий сложного химического состава (оксидов, нитридов, металлов). Проблема магнетронного осаждения. Исследование влияние нестабильности мощности и давления магнетронного разряда на процесс осаждения пленок, результаты экспериментов.
диссертация [1,1 M], добавлен 19.05.2013Феромагнітні речовини, їх загальна характеристика та властивості. Магнітна доменна структура, динаміка стінок. Аналіз впливу магнітного поля на електричні і магнітні властивості феромагнетиків. Магніторезистивні властивості багатошарових плівок.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 15.10.2013Кристалічна структура металів та їх типові структури. Загальний огляд фазових перетворень. Роль структурних дефектів при поліморфних перетвореннях. Відомості про тантал та фазовий склад його тонких плівок. Термодинамічна теорія фазового розмірного ефекту.
курсовая работа [8,1 M], добавлен 13.03.2012Види, конструктивні відзнаки електронно-променевих випарників; особливості графітових або мідних водоохолоджуючих тиглів, електронно-променевих гармат, катодного, високочастотного і реактивного розпилення; переваги і недоліки принципу дії випарників.
реферат [1,1 M], добавлен 25.03.2011Акумуляція енергії в осередку. Анізотропія електропровідності МР, наведена зовнішнім впливом. Дія електричних і магнітних полів на структурні елементи МР. Дослідження ВАХ МР при різних темпах нагружения осередку. Математична теорія провідності МР.
дипломная работа [252,7 K], добавлен 17.02.2011Характеристики та класифікація напівпровідників. Технологія отримання напівпровідників. Приготування полікристалічних матеріалів. Вплив ізохорного відпалу у вакуумі на термоелектриці властивості і плівок. Термоелектричні властивості плюмбум телуриду.
дипломная работа [4,4 M], добавлен 09.06.2008Характеристика основних властивостей рідких кристалів. Опис фізичних властивостей, методів вивчення структури рідких кристалів. Дослідження структури ліотропних рідких кристалів та видів термотропних.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 17.06.2010
