Введение к работе
Актуальность теш. В современной науке и тзхнвхо наряду с монокристаллами различных соединений широко применяются и тон-. кие пленки, получаемые различными методами.
... Анализ развития новых направлений электроники выявяяэг богатые возможности практического использования сложных' еегкето-- электрических матеркл,-^, применение их в виде дерамякк д монокристаллов достигло широких масштабов..
. Однако, выдвигаемые требования новой техники не могут быть .удовлетворены, использованием только керамики я монокристаллов. Таковыми являются' микроминиатюризация устройств, chessheb их энергоемкости, пбвыйениа'чувствжгвльядЬм !ибыстродействие алй-; ментов при одновременном уиегтнявния управляющих волей. 'Использование плёнок не только'реивег. этя'гфдйдеш, но я,расширяет функциональные В03М02Н0СТЗ." Шэтому'.пристальное внимание к твердо-, тельным слоям является вполне, одряддятм; Ибо дяешса прздотав-ляет собой модель, нередко уникальную, для гаучеим размерных .." эффектов и выясяетяя роли дефектов строения в 'спонтанной деформации решетки, а в случае сегветоэлекгрячвскйх япенок вариации структурного упорядочения и толщины-пленки, типа и плотности дефектов в ней реализуют условия, критичные. к еегнетоэлевтрзческо-"му состоянию. Следовательно мояко сказать, что новые при.звения материалов будут связаны с использованием пленок,*а широта ах использования буде:: определяться достигнутыми знаниями фязяяв, уимия и технологии пленочных структур.
Интерес к металлоойсидннм соединениям вызван стремительным расширением фронта их использования в таких областях техники, как макро-, опто и акустоэлектроника, акустооптика, квантовая электроника, а также при создания оптических реверсивных сред.'
~ 4. -
Основным тормозом для реализации научных я прикладных прогнозов
является недостаточная изученность особенностей физико-химичес
кого состояния тонкого слоя вещества слоаного состава. Как пра
вило, металлсоксида многокомпонентны, что .существенно усложняет
механизмы струкїурообразованая, усугубляет |езовую и структурную
неравномерность, вндвигает на первый план проблемы стехиометрии
я упорядочения. 3 этой связи особое значение приобретают способы
синтеза пленок, которые оказывают решающее влияние на структуру,
состав, свойства, а зачастую определяют само наличие того или .
иного ъффеяхв'. Поэтому весьма важно знание строения неупорядо
ченных пленок для пояска оптимальных услозяй кристаллизации и не
менгз существенна расшифровка структуры кристаллических тонких
слоев, так как конфигурация атомных смещенай определяет характер
спонтанной поляризация и свойства слоя.''Решение -проблемы стехио
метрии зависит от сЕтшизацяс условий синтеза, которое требует
применения таких эффективных методов контроля состава, включая
го локальные вариации, как локальные рентгеноспектральний ана
лиз, электронография, просзечивающая и растровая электронная
микроскопия. "
Таким обр-?~см, актуальность темы данной диссертационной работы определяв/«;» тем значительным научным и практическим интересом, который икезт целенаправленный синтез моталлооксидпых пленок, ксмпдеь'.;2,тв пс-лкгдснзик нх структуры и физических саойої'В, а также распаргкиеи й?нкцдонадъных возможностей я раз-
! ' '
.яичных практических применений структур на их основе.
" '.""'.. Основная цель диссертация - установление технологических рвкаиов получения пленок а&етаыооксидов стехиометрзческого состава с различной степенью структурной упорядоченности, определЕ
' кие рсдд фазико-хгі'ическах процессов в формирования слоя, коми-
лексное изучение оптических я фотоэлектрических свойств слозв я структур на их основе в широком диапазоне энергий фотонов, температур я электрических полой, для вдавлення особенностей их зонной структуры, определяющих оптическое поглощение на крап в фундаментальной полосе поглощения, включающей область вакуумного ультрафиолета, а таг-', выяснение природа нелинекостя ВАХ я механизма проводимости, открывающие новые воззговпозтя ас прзктя-
. ческого'применения. ".-''.'
Достизениэ поставленной целя требовало ресзние следующих
задач: ". _:--'."'.'
- I. Разработать, технолога» получения дезяок кзталжюясядов сгехиометряческого состава, 'определить основные рзкзш к'устано-
вить неханяза образования рззличннх фзз. "" .
2. Экспериментально яеслзддезть <|ззиго-х^1тгзсж;:з процессы
распыления, переноса я ссацдендя езйллсэзсядпого соединения. ,"":
-.Выявить роль акислятадьно і&ссгановотельйого лродооса з формиро
вании слоя. - -"'-'
-
Исследовать энергетический спектр от хграя и области фундаментальной полосы поглощения до уровней, определяемых электронными состояниями с энергиями порядка 40 зВ (область вакуумного ультрафиолета). . і
-
На основе анализа спектра выявить природу и особенности _ оптических переходов в области фундаментального поглощения, а такте переходов из атомных остовов.
-
Исследовать электрические, диэлектрически? я фогозлек-трические свойства пленок метвллооясадов.
Решение поставленных задач составляет основу раззявземого s работе научного направления - фгаико-химачеоізге иргзйсся образования метадлооксвдша пленок, установление основных залонсмэр-
яостей формирования энергетического спектра электронов в них и выяснение ыехааазиа электро«еренооа во взаимосвязк со структурой.
Объекты и методу исследования. ,. '
В качестве основных объектов исследования были выбраны -окись висмута (-5/. 0, ). кристаллизующаяся в четырех ысдификаци-ях и входящая е состав ыяогях сложных охсддных соединений; силикат висмута (&Ї Si 0~о ) - со структурой сялленита, содержащий октаэдряческие комплексы. Сегнетоэлектраческий титанат висыута (Зі\. Ті,О*,} с тетрагональной структурой и высокой температурой'. фазового перехода (~6?5С), а также кислородно-окгаэдряческий кристалл - титякят стронция (.Sr/tfij), структура которого состоит из ТсОе -охтаедров, а в пустотах занимают места атомы Sr.
Сктаэдряческиа комплексные группы, входящие в кристаллическую структуру данных соединений, являются или основными структурными элементами или стабялЕзирушаиа факторами, кроме того необходимая анионная и яатаоняоя- нестехиометрия но кислороду в »тях соединениях позволяет' устансвать общую закономерность физл-ко-хкшпесквх процес'ов Формирования слоев и комплексное.исследование их физичпских свойств во взаимосвязи со структурой...
3 качеств:, сснсьных методов исследования были выбраны элек-тронко-зондозке иеігсда определения хамаческогс состава я структуры слоев, ыст-";~,оптической сльктроскопак, основанные ка измерениях оптического поглощения и отракзшш света. При исследованиях сиоктрсв отракения использовалось патзризозаянсе синхро-тронное излучение накопительных колец ("ТАНГІЛУС я "(ЖАР" США), н'-'-ВЭПП-гМ" (СССР).
Наряду с йтим , при исследованиях локальных состояний исполь-асвалсії комплекс экспериментальных методов, основанных: на дзмаре-киях фотепрозодимостг, термсстииудярованкой проіюдлиости, золы-
а лскс-аыпершлс характерясгяк, а танке 'полевых, тешературют, частотных характеристик пр'.зоджюстя я диэлектрических сеойстл. Научная новизна впервые лровздешшх в работе исследований заключается в следушцем:
-
іЛагяетрокпнн распыленлеи ва постоянном тоге полгчзни пленки -{z03 .> ^. ''іОЛ(г ВиТс30^ 6гТіСл отємямюї-рического состава с различной стеяеякэ -структурной упорядоченности» .,-' .'.
-
Проведені'-исследования фззяг.с-хпіяч5скЕГ прадесооз формирования, тонкого -слоя прз иагнэгрояпогл' jaonazsanr. Показано калачне деух механизмов осагдання' сяоя агсгзрлого я иолзкуддряого
,в завяоимостя отдзішєішя :д:/сос?згз рз&яэгоуеза. .'
3. 0пределеа''технрлогач?ОЕЕ^.'іепа,''уог^пдаирз «чгаяшзмз
образования я стабиЕіз'гцзз.гі;іогогоггзр223Р-":сЗ о -^огг-^жандз
5t, А щи нЕзкоЗ-^темп'зратугзіг".'_' . '':.- . !
4» Исзледованн'спектра отрз±їЕзя a-iarzc^m.nisses зп-рокоЗ области онврлга квантов ЦС *3. Ощ>сдзсгз щрлаа вапрз-цекной'зоны для пряма* раарзезпднх езрзхолез, етгачзскгз посто-
. йеннз а энвргдя влезілзЕЯцх ксжсЗзішЙ гздаггсшз електролов. Показано, что особенности етеятро ОТрЗПЇІїПЯ з с&шотя ОЕзргяЯ до
22,5 эВ обусловлены переходэмз знутрл ектаздрзчеейк ко*г*чексов BiOg для &izQ4* Тї4 ana бґТЩ, Sffywa кі,2&%0 и в случае Ви ТС, О Построена ЭЕергэгячвсвая схема иэжгонньи .
туй пзреходов.
5. .Установлен механизм ад.екгропроюдяостя словак. Змазано,
что в области Т 2SQ К ещхэдеаявдви является враззоБзя прсэдди-
мооть по локальний стетаяниям.вскиэя уровзя Фвриа, a »a T>250S
- проводимостьпа зояа.< '" -'-,'., ';".''.
;.' 6. Обнаружен часто?пс-кс*п»кеадаоннкй вффэи з a^sra». Уо-
.- s -.
гановлеко, что крупномасштабный флуктуацлоняый потенциал, связанный о мевкристаллитнша карьерами, обуславливает такие особенности кинетика как: температурная зависимость проводимости, .ДАХ фсгсцроводшосги я нелинейность БАХ.
; ?. Определены диэлектрическая проницаемость и диэлектричес
кие потери пленок. Исследована их температурная-и частотная за-
апсаиосш. _
Основные положения, шносимые на защиту:
-
Атомарный и молекулярный механизмы образования сложных ' ыеталлооксяднкх пленок, физико-химические процесса их формирования, в осношом контролируется давлении! и составом рабочего газа.
-
Технология получения пленок маталлоокскдов отехиометри-ческого состава и с различной етепзаыо структурной упорядоченности магнетронним распыленней на постоянное токе.
-
Стабилизация образовавшейся высокотемпературной о -фазы в тонких слоях &L Q , при низкой температуре обусловлена при-месами инородных ИО.'ОВ.
4. ОообеіЦ'мхи в спектрах отражения в области энергий .фото
нов до 22,5 эВ обусловлены переходами внутри октаэдрических
структурных коїхтге .хсв 8і Og для іг03 , ТІ0& для ЗґТїЦ,
ВЮ7 для &i)2$iQ0u ТіО? для Зі^Т/^Оф а выше переходами
с уровней атокэг^гс остоьй.
5. Нелинейность ВАХ я особенности фотоиядуцированных про-
' цессов в структурах мзтадя-оксддняя пленка-металл обусловлена
,ме*крясталлигкша барьерам.
'/'-.. 6. Электропроводность оксидных шієнок в области низких тем-: .тарзтур и высоких частот определяется перескоком заряда путем
'пражкоз. Частотная зависимость параметров электропроводности на
переменной тояе носит компеясационннЗ ззрзктзіХ.
7. Диэлектрическая продщае.'.:ооть л дислэктрэтескпо погорд
пленок определяются механизмом осаадеияя я оглсдлтельно-госста-
нсвягельшзыа .процессами. -" . .,
Практическая значимость работа. ''
-
Разработав : ^ехкологик в комплексе о фязлко-химтеэс.-л-кя процесса»! формирования я установленные два гегааязна образования мегэллооЕслдяых пленок ^совместно со стругауршмз ксеяедск,-йлямл (электронная ддіракпдя'я мгкроекопдя, плектронво-зовдоп/5 анализ) позволяют изготавливать слоя о.заданной структурой з стехиометрией.- ^ '- .' .'.' ' *'
-
Установленные,закономерности стабилизации Еысояотемпера-:.7ряой фазы (например, $- @h„03 з тонких ело.?:-: скяел висмута) при низкой температура, обусловленные дрдуесгщ пдередзта гомоз йогу г бкть использованы .при создания пленочных структур :;ак яз і} ориентированных, так д на неордзнтдрсваяпкх подлогзазг.
Зі На основании'цроеєдєкнкх исследований оптячзекпз сзсістл металлоскелдных пленокЧ Вс7О->^В1,п^^02п, 8і±, TV, Л,л ОГ Тс От,) s пирогам те;.5пёратушси:я Е-нергетлчо'с:со:л интервале: получены данные об оптических параметрах, необхедикне как для. -теоретического расчета дх зонной -структуры! так д'-дзя '.оздаздя слоев л структур на лх осноез с заданными харзягардстлгакя. .
4. Знание прлродн нелинейности БАХ структур на основе скелд? них слоев могут быть попользованы для расЕирзняя фукдцлоналъЕнз' возможностей и практического применения металлоокеддпкх гарпсто-ров (ШВ). Результаты структурных, спектральных д электрических исследований позволяют строго разграничивать фактори технології. я размерных эффектов л могут способствовать улучкжтз характеристик днтеграчьных схем, где вспользуетгея велдвелдкэ:1«)кд5яса?ору
о.шсокой емкостью, ыалымл потерями вплоть до частот 10 1ц.
-
Выявление зависимости спектральных й электрических сзойств от фазико-хямяческих процессов- формирования могут способствовать улучшению характеристик фотографических систем ионизационного тлла, з которых используются химические активные элементы , плазьы (ионы кислорода) для несеребряной регистрация изображений за счет образований окиси элемента.
-
Частично результаты работы огракены в монографиях:
а) Ю.Я.Томашпсльскзй, Г.П.Платонов. Сегнетоэлектрическпе
пленки сложных окислов металлов - Н.Металлургия, IS78. - 199 с.
б) Е.й.Гегзэнич, В.М.Зрядклк. Сегнетоелектрики. Ыосква,
"Hayxa", IS82, с.225;
а тахке нашли свое подтверждение в ряде научных - статей других
авторов . '.,'.'
, Достоверность результатов исследований.
Достоверность экспериментальных результатов исследований я полученных- ка их основе научных положений и выводов обеспечиЕз егся применением "современных экспериментальных методов электро-ю-ыакроокоютеекого анализа, оптической спектроскопии, многоплановой ыехолйка для исследования термостимулирозанной проводимости, поленії, текцеьт.ургіах к частотных характеристик ПРОВОДИМОСТИ, Ъ:\-\*:-'П1->У2?УСГ.-Ж Я ДЯЭЛОКТрИЧеСКЕХ СВОЙСТВ, В ТЭК
яе использования .измерительной аппаратуры высокой точности и вычислительной техники дія сбора й статической обработки даннь'
Апробация рг.боты.
Основные ь-лтериалн диссертации докладывались и обсувдалкс на следующее конференциях, симпозиумах я семинарах: Республиканская конференция-"Укиверсятегская наука - производству" (Баку, 1984), В ыездукародная конференция по твердому телу
- II- -
(Каир, Египет, 2-5 июня IS89 г.), Всесоюзная меизузовская икола
семинар "Молодые ученые - народному хозяйству" (Бэлу, I9S8), Ш
Всесоюзная конференция тт> физико-хишгчесюш основам технология
сегнетоэлектряческих я родственных материалов (Москва, г.Звени
город, 24-28 октября, ISB8 г.), Научно-техническая конференция
по информационным пге .л'г-азователям неэлектрических величин (Ба
ку, 23-26 октября, 1989 г.), 2П Европейская коЕференцяя по до
следованию поверхности (Стокгольм, Швеция, 9-12 сентября, 1991
г.). Научная конференция; посвященная 70-детиэ Бел. Окт.револю
ция СЕэку,- 1987 г.)., I Всесоюзный сшгоэяум."Методы дифракции
электронов в исслёд'сванпя структуры вещества. Шосква,, Звенигород,
1991 г.), Г. республиканская,, межвузовская научная конференция
Ссаку, 22-24 октября, І992), а также на семинарах ЖАН АН СССР, '
" КРЭ АН СССР, Бакинского Государственного университета иы.М.Э.Ра-
сулзаде. .: ' , , ,:. '. " .',*.:. , .. '. >,
Публикации» По-теме ^диссертация опубляковаво 4& работы* список которых приводится в конце автореферата.
Структура к ооъеы диссертации. Диссертация состоят из введения, 5 глав, основных выводов и списка литературы. Она изложена на 231 странице машинописного текста, включая //? ра- " сунка, /5 таблиц я списка литература жъ^270 наименований.
" 4.1
