Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1 Королев Константин Геннадьевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Литературный обзор 9

1.1. Гетерогенные наносистемы 9

1.1.1. Структура нанокомпозитов металл-диэлектрик 10

1.1.2. Структура многослойных наносистем 17

1.2. Электрические свойства гетерогенных наносистем 23

1.2.1. Механизм активированного туннелирования электронов 25

1.2.2. Механизм прыжковой проводимости (модель Мотта) 28

1.2.3. Механизм неупругого резонансного туннелирования 36

1.3. Магнитные свойства гетерогенных наносистем 41

1.3.1. Магнитные свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик 41

1.3.2. Магнитные свойства многослойных наносистем 48

1.4. Выводы, цели и задачи диссертации 52

2. Образцы и методика эксперимента 54

2.1. Получение образцов многослойных наноструктур 54

2.2. Измерительный комплекс для исследований электрических и магнитных свойств тонкопленочных образцов 62

2.3. Измерение низкотемпературных зависимостей электрического сопротивления в диапазоне 80-300 К 63

2.4. Измерение магниторезистивного эффекта 65

2.5. Измерение намагниченности 66

2.6. Измерение комплексной магнитной проницаемости 69

3. Электрические свойства многослойных наносистем [Со ASFe45Zrl0 la - Si : Я] 73

3.1. Температурные зависимости в интервале 80-300 К электрического сопротивления многослойных структур [Соі5 Fe4SZri01 a-Si: Я]54 перпендикулярно плоскости пленки с толщиной слоев более 10 нм 74

3.2. Температурные зависимости в интервале 80-300 К электрического сопротивления многослойных структур [Co45FeA5Zrw /a-Si: Н]т перпендикулярно плоскости пленки с толщиной слоев менее 10 нм 79

3.3. Выводы к глав'е 3 84

4. Электрические и магнитные свойства многослойных наносистем [(CoA5Fe45Zrl0)35(Al2On)65/a-Si:H]30 86

4.1. Зависимость удельного электрического сопротивления 87

4.2. Температурные зависимости электрического сопротивления многослойной структуры композит-полупроводник в интервале 80-300 К 88

4.3. Магниторезистивный эффект в многослойных структурах [(Со4^е45г,]0)35(А12Оп)65/а-Я:Н]30 95

4.4. Высокочастотные магнитные свойства многослойной структуры [(Co45Fe45Zrl0)35(Al2O„)6i la-Si: Я]30 97

4.5. Влияние термической обработки на электрическое сопротивление и комплексную магнитную проницаемость многослойной структуры [(Со45Fe45Zrw)35(Al2Оп)65 la-Si: Я]30 100

4.6. Выводы по главе 4 104

Основные результаты и выводы 106

Список литературы 108

• Структура нанокомпозитов металл-диэлектрик
• Измерительный комплекс для исследований электрических и магнитных свойств тонкопленочных образцов
• Температурные зависимости в интервале 80-300 К электрического сопротивления многослойных структур [Co45FeA5Zrw /a-Si: Н]т перпендикулярно плоскости пленки с толщиной слоев менее 10 нм
• Температурные зависимости электрического сопротивления многослойной структуры композит-полупроводник в интервале 80-300 К

Введение к работе

Актуальность темы

В последнее время искусственно созданные наномультислойные структуры - многослойные магнитные пленки металл - полупроводник (диэлектрик) с толщинами слоев нанометрового диапазона представляют большой интерес как для фундаментальной физики, так и для различных применений. Практический интерес связан с обнаруженным в них достаточно сильным обменным взаимодействием между металлическими слоями, которое изменяется от ферромагнитного к антиферромагнитному при изменении толщины прослойки, и открытию в них гигантского магнитосопротивления. Научный интерес к мультислойным структурам обусловлен тем, что уменьшение размеров функциональных устройств современной электроники привело к ряду проблем, которые связаны, не только с технологическими ограничениями, но и с тем, что при этом «включаются» новые физические явления, характерные для наномира. В частности, малый размер слоев в таких системах приводит к квантовым эффектам в транспортных явлениях (проводимости, эффeктe^. Холла, термоэдс, магнитосопротивлении).

В настоящее время актуальной научной проблемой является разработка на основе существующих технологий новых методик получения наномате-риалов с новым составом и функциональными характеристиками, установление новых физических закономерностей и построение новых физических моделей для их адекватного описания. В связи с этим не вызывает сомнений актуальность исследований, направленных на установление более глубокого понимания физических механизмов переноса носителей заряда в многослойных наносистемах металл-полупроводник.

Тема данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 - «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел L2.5 - «Физика твердотельных наноструктур, мезоскопика»). Диссертационная ра-

5 бота является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 1.4.06 «Природа электронного транспорта в твердотельных гетероструктурах с различной размерностью», а также по гранту РФФИ № 06-02-81035-Бел_а «Нелинейные явления в композитных и мультислойных магнитных наноструктурах при воздействии внешних полей».

Цель работы: .

Экспериментально исследовать механизмы электронного транспорта в многослойных системах [Co_ASFe_ASZr_l0/a-Si: #]„ в интервале температур 80-300

К и высокочастотные магнитные свойства многослойных гетероструктур KCo^Fe^Zr^iAIO^/a-Si: Н]_п.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

методом ионно-лучевого распыления получить многослойные наноструктуры [Co_ASFe_A5Zr_l0 la- Si: Н]„ и [(Co₄₅Fe₄₅Zr₁₀)₃₅(/i/O„)₆₅1 a-Si: #]„;

исследовать квантовые механизмы электропереноса в полученных многослойных наноструктурах в интервале температур 80-300 К;

изучить высокочастотные магнитные свойства многослойных наноструктур [{Co,_i5Fe,₅Zr_l0)_i5(AlO_n)_6s/a-Si: Н\.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Исследованы механизмы проводимости многослойной структуры [Co_ASFe₄₅Zi\₀/a-Si:H]_5A перпендикулярно плоскости при толщине металлических слоев ~ 11 нм и полупроводниковой прослойки -14 нм в интервале 80-300 К. Экспериментально установлено, что режим неупругого резонансного туннелирования по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми в исследуемых структурах реализуется в интервале температур 150-220 К после прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка, но раньше прыжковой проводимости между ближайшими локализованными состояниями.

2. Из экспериментальных данных определены: значение плотности со
стояний на уровне Ферми для полученной гетероструктуры
[Co_A5Fe_A5Zf\₀1 а - Si: #]„ в области проводимости с переменной длиной прыжка,

которое составило g(E,) ~3.29><10²⁰ эВ"'-см"³, и энергия активации прыжка W - 0.080±0.005 эВ - в области термоактивированной прыжковой проводимости между ближайшими соседними состояниями.

3. Изучены транспортные и магнитные свойства многослойных нано-
размерных систем [{Co_A5Fe_A5Zr_l0)₃₅{AlO_n)₆₅ la-Si: Я]₃₀ с аморфной структурой.

Установлено, что при толщинах полупроводниковой прослойки 1-2 нм наблюдается сильное изменение изучаемых характеристик, связываемое с образованием бесконечной сетки проводящих каналов между гранулами металла, разделенных полупроводниковой прослойкой. Показано, что в интервале температур 80-300 К в исследуемых многослойных структурах доминирует прыжковый механизм проводимости с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми. По результатам исследований температурных зависимостей электрической проводимости была сделана оценка эффективной плотности локализованных состояний на уровне Ферми, которая изменяется от значений g(E,) = 3.51хЮ²⁰ эВ"'см"³ при толщине полупроводниковой прослойки 0.45 нм до g(E,) = 25.07x10²⁰ эВ"'см"³ при толщине 1.2 нм.

4. В многослойных структурах [(Co_ASFe_A5Zr_w)₃₅(AlO_n)₆₅/a-Si:H]_3Q обна
ружен переход от суперпарамагнитного состояния гранулированного компо
зита к ферромагнитному упорядочению многослойной структуры при тол
щине полупроводниковой прослойки ~1.1 нм, связанное с возникновением
эффективного обменного взаимодействия между ферромагнитными гранула
ми Co_AiFe_A5Zr_l0 через прослойки кремния.

Практическая значимость работы

Исследования высокочастотных магнитных свойств многослойных на-норазмерных систем [(Co_A5Fe_A5Zr_l0)₃₅(AlO_n)₆₅/a-Si:H]₃₀ с аморфной структурой

7 показали, что изменением толщины полупроводниковой прослойки можно

изменять в широких пределах действительную и мнимую части комплексной магнитной проницаемости и использовать данные структуры в качестве магнитно-мягких ферромагнитных материалов в ВЧ диапазоне. Результаты работы могут быть использованы при разработке технологий получения новых материалов для спинтроники и высокочастотной электроники.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Механизмы электропереноса в аморфных многослойных наноструктурах [Co₄₅Fe₄₅Zr_]01 а - Si: Н]_п и [(Co₄₅Fe₄₅Zr_l0)_iS(AlO_N)₆₅ I a-Si: Я]₃₀ в интервале температур 80-300 К.

2. Влияние толщины слоев на электрические свойства многослойных систем [Co₄₅Fe₄₅Zr_l0 la-Si: #]„ с аморфной структурой.

3. Высокочастотные магнитные свойства аморфной многослойной наноструктуры [(Co„Fe_4bZr_w),₅(AlO_n)_GS /a-Si:H],₀.

4. Образование межгранульной полупроводниковой прослойки a-Si:H в мультислойной структуре [(Co_4SFe_4sZr_l0)₃₅(AlO_n)₆₅ la-Si:Н]₃₀ приводит к возникновению эффективного обменного взаимодействия между ферромагнитными гранулами Co₄₅Fe₄₅Zr_l0.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
были представлены на следующих научных конференциях: II научно-
практическая конференция «Нанотехнологии - производству 2005» (Фрязи-
но, 2005); Научно-техническая конференция профессорско-

преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, ВГТУ, 2006, 2007); The Fifth International Seminar on Ferroelastics. Voronezh, Russia. September 10-13, 2006; XX Международная юбилейная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2006); III Всероссийская конференция «Химия поверхности и нанотехнология» (Санкт-Петербург - Хилово, 2006).

8 Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в

том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ — 2 статьи.

Личный вклад автора

Автором выполнены все эксперименты по измерению транспортных и магнитных свойств. Проведена обработка экспериментальных результатов средствами вычислительной техники. Автор участвовал в обсуждении результатов эксперимента и проводил подготовку научных статей для печати.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 112 наименования. Основная часть работы изложена на 118 страницах, содержит 46 рисунков и 2 таблицы.

Структура нанокомпозитов металл-диэлектрик

Гранулированные аморфные композиционные материалы металл-диэлектрик представляют собой наноразмерные частицы металла изолированные друг от друга и случайным образом распределенные в диэлектрической матрице. Для получения в нанокомпозитах гранулированной структуры необходимо, чтобы процесс формирования компонент, образующих диэлектрическую фазу в результате химического взаимодействия был энергетически более выгодным, чем взаимодействие с компонентами, образующими металлическую фазу. Поэтому, при получении нанокомпозитов выбор в качестве компонент диэлектрической фазы приходится, как правило, на легкоокис-ляемые элементы (например, Si, Al). Однако существует ряд работ, где при получении гранулированной структуры использовались соединения Hf-0 [2], Mg-F [3], Pb-0 [4]. В качестве металлической фазы в начальных работах, посвященных изучению композитов, использовались благородные металлы (Ли, Pt) с высокой стойкостью к окислению [5] и никель [6]. Но позднее, с обнаружением гигантского магниторезистивного эффекта — ферромагнитные элементы (Fe, Со) [7,8] и их сплавы (Со - Fe) [3]. Опираясь на исследования других авторов [9], стоит упомянуть о том, что в реальной ситуации в нанокомпозитах существуют две фазы, которые соответственно обогащены металлической и диэлектрической составляющей, так как система является неравновесной и атомы металла частично растворены в диэлектрической матрице.

Известно, что получить аморфное состояние в чистом металле (одноэлементном материале), стабильное при комнатной температуре, практически невозможно. То есть, использование такого элемента в качестве металлической фазы в нанокомпозите характеризуется кристаллической структурой. Поэтому в настоящей работе в качестве материала для формирования металлической составляющей в композиционном слое многослойной струткры использовался сплав Co45Fe45Zrl0, который формирует аморфное состояние при относительно невысоких скоростях закалки -10-10 К 1 [10]. Авторы работ [11] отмечают, что Si02 может формировать примесные фазы во многих ферромагнитных материалах (Со, Fe, Ni), что приводит к изменению состава и свойств металлических гранул. В этой связи, А1203 является более хорошим материалом для создания ферромагнитных нанокомпозитов, так как не образует с переходными металлами подобных фаз. Из большинства работ [5,7,8,12-15] известно, что в композитах, полученных при совместном распылении оксидов (например, А12Ог или Si02) и металлов (Fe, Со , Ni, Pt, Ag, Си), вследствие процессов самоорганизации, протекающих в формирующихся на подложках пленках, происходит раздельное образование диэлектрической и металлической фаз. Взаимодействие между этими фазами отсутствует и в зависимости от их объемного соотношения структура таких материалов представляет собой или изолированные друг от друга наноразмерные металлические области (наногранулы) в сплошной диэлектрической матрице, или диэлектрические островки в проводящей среде [5].

На Рис. 1.1 приведены микрофотографии тонкопленочных образцов СоыА12ЬОи (а) и Co52Al2Q02s (б), полученные авторами работы [9]. На фотографиях видны светлые области аморфного окисла А1203, и темные области металлических частиц, где отчетливо видны атомные плоскости Со. Светлые области предположительно соответствуют фазе с высокой концентрацией оксида, который более прозрачен для электронов. Так как в этих областях не видны атомные плоскости, можно сделать вывод о том, что окисел алюминия является аморфным. Было показано, что металлические частицы в композите состава Co52Al2Q02S состоят из чистого Со со структурой ГПУ и ГЦК благодаря существованию дефектов упаковки; это видно для частицы, показанной стрелкой на Рис. 1.1 (б) [9]. С другой стороны, металлические частицы композита Сой1А12йОи - это в основном фаза CoAl со структурой типа CsCl. Следовательно, металлическая фаза может включать в себя некоторое количество алюминия, когда концентрация кислорода мала. Более важной особенностью является распределение этих металлических частиц. В композите состава СомЛ/,6Оп металлические частицы соединены друг с другом, то есть, области аморфного окисла алюминия окружены соединенными друг с другом металлическими частицами (Рис. 1.1 а). Таким образом, через эти соединенные друг с другом металлические частицы может осуществляться металлическая проводимость. В противоположность этому, металлические частицы композита состава Со52А120О28 со всех сторон окружены аморфным окислом алюминия, как показано на Рис. 1.1 (б). В этом случае проводимость осуществляется путем туннелирования, потому что не существует сплошных металлических проводящих каналов.

Измерительный комплекс для исследований электрических и магнитных свойств тонкопленочных образцов

Для исследований температурных зависимостей электрического сопротивления в диапазоне 80-300 К измерительный зонд помещался криостат. Рабочий объем находился под низким вакуумом ( 10" Торр). Измерительный зонд представлял собой шток, спаянный из тонкостенных нержавеющих трубок с толщиной стенок 0.2 мм (для минимизации отвода тепла), фланца ваку 64 умного уплотнения и держателя образца. Держатель образцов (Рис. 2.7) представлял собой медный цилиндр (3) диаметром 14 мм, в котором сделана площадка для крепления образца.

Электрические контакты (2) изготовлены из платиновой проволоки диаметром 0.5 мм и закреплены через текстолитовые изоляторы на корпусе держателя. С торцов держателя в проточку намотаны два резистивных нагревателя (5), предназначенных для нагрева образца. Для улучшения теплового контакта образца с медным основанием между ними наносится теплопроводная паста.

Для достижения необходимой температуры рабочий объем криостата охлаждался до 80 К с помощью жидкого азота. После охлаждения включали резистивные нагреватели зонда, с помощью которых увеличивали температуру медного основания, и, следовательно, образца со скоростью 5 К/мин от 80 до 300 К.

Исследование магниторезистивного эффекта образцов осуществлялось непосредственным измерением электрического сопротивления при изменении внешнего магнитного поля. Измерительная установка (Рис. 2.8) состоит из цепи питания катушек электромагнита (5), включающей в себя переменный трансформатор (1), выпрямитель (2), фильтр (3) и переключатель полярности магнита (4). Цепь питания позволяет плавно и равномерно менять магнитное поле в зазоре между кернами электромагнита в пределах от 0 до 11 кЭ. Напряженность магнитного поля в зазоре электромагнита определяется с помощью датчика Холла (6). С помощью переменного трехфазного трансформатора (1) осуществляется изменение тока в катушках магнита (5) и, соответственно, изменение магнитного поля в зазоре, где расположен образец (9). Магнитное поле Н напряженностью до 10 кЭ было ориентировано в плоскости образцов.

Одним из вариантов конструктивного решения магнитоэлектрического метода исследования магнитных характеристик тонких пленок является вибрационный магнетометр. Принцип работы магнитометра основан на возникновении ЭДС в неподвижных катушках при гармонических колебаниях маг 67 питного образца в подмагничивающем магнитном поле между измерительными катушками.

Образец, закрепленный на штоке (10), располагается между двумя катушками (7), которые находятся в зазоре электромагнита (5). От генератора (6) гармонический сигнал частотой 63 Гц и амплитудой 10 В подается на электромагнит (1), который возбуждает вертикальные гармонические колебания образца, с частотой задаваемой генератором. Колебания штока контролируются с помощью осциллографа (3), для чего на штоке располагается катушка (14), находящаяся между неподвижными постоянными магнитами (2) и (13). С помощью электромагнита (5) создается внешнее магнитное поле, которое намагничивает образец (4).

Образец (4), расположенный между измерительными катушками (7), обладая собственным магнитным моментом рт, создает вокруг себя магнитный поток, пересекающий витки измерительных катушек (7). Если образец неподвижен, то изменение магнитного потока в обмотках отсутствует - ЭДС в измерительных катушках не возникает. В случае, когда образец совершает колебания, реализуются условия, при которых в катушках возникает ЭДС, величина которой пропорциональна рт . Для усиления полезного сигнала (ЭДС, возникающей в измерительных катушках), являющегося очень слабым при измерении тонкопленочных образцов гранулированных нанокомпозитов, используется линейный усилитель (8) и селективный усилитель (9).

Полезный синусоидальный сигнал (так как колебания образца являются гармоническими), идущий от измерительных катушек, преобразуется в постоянный сигнал и усиливается усилителем (8), до значений, которые можно сравнительно легко регистрировать. Для повышения чувствительности методики полезный сигнал обрабатывается с помощью селективного усилителя УПИ-2.

Опорный сигнал на канал "Ь" УПИ-2 подается от генератора (6) с той же частотой, с которой совершает колебания шток. Вид усиливаемого сигнала контролируется на канале 2 осциллографа (3). Сигнал, пропорциональный намагниченности образца снимается с канала "d" УПИ-2 и подается на вход канала "X" платы АЦП универсального измерительного комплекса. Напряжение с датчика Холла (11), пропорциональное напряженности магнитного поля, также поступает на вход канала "Y" платы АЦП.

Температурные зависимости в интервале 80-300 К электрического сопротивления многослойных структур [Co45FeA5Zrw /a-Si: Н]т перпендикулярно плоскости пленки с толщиной слоев менее 10 нм

В разделе 3.1 были представлены исследования многослойной структуры с толщинами, достаточных для образования сплошных слоев. В этом случае перенос заряда осуществляется между металлическими слоями через полупроводниковую прослойку, то есть доминирует двухмерная проводимость. Однако из работы [94] следует, что при определенных толщинах ( 2.2 нм) металлические слои не являются сплошными, то есть имеют между собой относительно низкоомные и/или туннельные контакты, которые способствуют повышению удельного электрического сопротивления вдоль плоскости многослойной пленки и переходу к трехмерной проводимости.

Также в разделе 3.1 было показано, что в многослойных структурах [Co4$Fe45Zr]0 /a-Si:H]„ при толщинах слоев более 10 нм в интервале температур 80-300 К реализуются три механизма электропереноса. Уменьшение толщины слоев должно оказывать влияние на процессы электропереноса и/или области их реализации. С этой целью были проведены исследования температурных зависимостей электрического сопротивления в интервале от 80 до 300 К перпендикулярно плоскости пленки многослойной структуры [Co4SFe4sZrl0/a-Si:H]m при толщине металлической слоя -2.25 нм и полу 80 проводниковой прослойки -1.25 нм.

Из зависимости R(T) видно, что электрическое сопротивление заметно увеличивается с уменьшением температуры, что типично для неметаллического характера переноса заряда. Для определения доминирующих механизмов электропереноса зависимости были перестроены в координатах In R ос Т ], \п(а0/а)ссТ и2 и \n(a0/a)ccT"iU , где а0/ст - нормированная электрическая проводимость, а0 - электропроводность при комнатной температуре Т0.

Анализ полученных результатов показал, что в диапазоне 180-300 К электрическое сопротивление является линейной функцией от обратной температуры (Рис. 3.6). Подобная зависимость электрического сопротивления от температуры наблюдалась и в системах [Co4SFeA5Zrl01a-Si:II]iit с толщинами слоев более 10 нм (Рис. 3.2), однако механизм термоактивированной прыжковой проводимости между ближайшими соседними состояниями [40] наблюдается уже при температуре -180 К, т.е. раньше, чем в системах с боль 81 шей толщиной полупроводниковой прослойки.

В интервале температур от 80 до 150 К электропроводность системы [CoisFeA5Zr]0 la-Si: Н]т , описывается законом \п(а0 /сг) ос T V2 (Рис. 3.7, а) и удовлетворяет степенному закону 1п( т0 /а) ос \п(Т0/Т) (Рис. 3.7, б). Следовательно, можно утверждать, что в данном температурном интервале доминирует механизм неупругого резонансного туннелирования электронов по отдельным проводящим каналам от одного металлического слоя к другому через локализованные состояния в полупроводниковой прослойке. По формуле (1.25) (см. раздел 1.2.3) [45] было определено значение среднего числа локализованных состояний в канале проводимости (и)-2.7. Полученное при этом значение среднего числа локализованных состояния между металлическими слоями оказывается меньшим по величине, чем в системах с толщиной полупроводниковой прослойки 14 нм, где (и)-3.8.

Снижение среднего числа локализованных состояний в полупроводниковой прослойке является вполне закономерным, поскольку существенно уменьшается сама толщина полупроводника. Это обстоятельство приводит также к тому, что в исследуемом диапазоне температур при такой толщине прослойки не наблюдается прыжковый механизм проводимости по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка. Как видно из результатов эксперимента, в многослойных структурах

[CoA5FeA5Zrw /a-Si:H]m при толщине металлического слоя -2.25 нм и полупроводниковой прослойки -1.25 нм в температурном интервале 80-300 К механизмами электропереноса являются процессы переноса заряда через локализованные состояния в полупроводнике (путем неупругого туннелирова-ния и термоактивированных прыжков между ближайшими соседями). Проявление данных механизмов проводимости в исследованных многослойных структурах [Co45Fei5Zrm/a-Si:H]m свидетельствует о том, что даже при такой небольшой толщине полупроводниковые прослойки формируются в виде сплошной пленки. Этот вывод является следствием более низкого значения энергии поверхностного натяжения кремния (/(5/)-1.2 Дж/м") по сравнению с металлическим слоем (например /(Со)-2.7 Дж/м", /(Fe) 2.9 Дж/м") [104]. Как показано в работе [94], для двухслойных структур Co45Fe45Zrwla-Si:H критической толщиной, при которой формируется сплошной металлический слой, является d « 2.2 нм. Выбранное в данном разделе значение толщины металлических слоев d « 2.25 нм в исследованных многослойных системах [CoASFe4SZrl0 la-Si: Н]т превышает критическую, что позволяет предположить о формировании сплошных слоев металла, учитывая, что даже если будет наблюдаться явление разрыва слоя, это не скажется на процессах электропереноса перпендикулярно плоскости пленки.

Таким образом, исследования электрической проводимости перпендикулярно плоскости пленки многослойной системы [Co4iFe45Zrwla-Si: Н]т с аморфной структурой при толщине полупроводниковой прослойки -1.25 нм показали, что уменьшение толщины прослоек приводит к снижению температуры перехода от режима неупругого резонансного туннелирования по локализованным состояниям близи уровня Ферми к механизму прыжковой проводимости между ближайшими локализованными состояниями. При этом в исследованном температурном интервале (80-300 К) отсутствует прыжковый механизм проводимости по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка, наблюдаемый для многослойных систем с толщиной полупроводниковой прослойки —14 нм.

Температурные зависимости электрического сопротивления многослойной структуры композит-полупроводник в интервале 80-300 К

Для установления механизма электропроводности в многослойной структуре [ІСоА5ГеА5гг10)і5(А12Оп)65/а-8і:Н]30 были исследованы температурные зависимости электрического сопротивления в интервале температур 80-300 К [98]. Измерения были проведены при ориентации прикладываемого электрического поля вдоль плоскости пленки в области толщин полупроводниковой прослойки до 1.2 нм. При большей толщине полупроводниковой прослойки не удалось выявить механизмы электропереноса вследствие нестабильности результатов измерений при наложении электрического поля.

Увеличение электрического сопротивления с уменьшением температуры говорит о том, что в данном случае электроперенос носит неметаллический характер. Также из рисунка видно, что увеличение толщины полупроводниковой прослойки снижает экспериментально измеренное значение электрического сопротивления многослойной структуры.

Анализ полученных температурных зависимостей электрического сопротивления показал, что все экспериментальные точки хорошо спрямляются в координатах \п(а0/а)ссТ и4 (где т0/сг - нормированная электрическая проводимость, а0 - электропроводность при комнатной температуре Т0) в интервале температур от 80 до 300 К (Рис. 4.3). Справедливость установленного закона Мотта позволяет утверждать, что в указанной области температур перенос заряда вдоль слоев структуры [(CoiSFe45Zrw)J5(Al2On)65 / а - Si: П]30 осуществляется посредством прыжковой проводимости по состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми [40].

Так как зависимости удовлетворяют закону 1п( т0/сг)осГ"1/4 в интервале температур 80-300 К, то по формуле (3.2) (см. раздел 3.1) [40] были определены значения эффективной плотности локализованных состояний вблизи уровня Ферми многослойных структур [(C04SFe45Zrlo)35O4/20,,)65/a-S/:#]3O в интервале толщин кремниевой прослойки от 0.45 до 1.2 нм (см. Табл. 4.1 и Рис. 4.4) [99]. По формуле (3.3) (см. раздел 3.1) [40] были сделаны оценки длины прыжков носителей заряда R(T = 100 К) в исследуемых многослойных структурах для различных толщин полупроводниковой прослойки (см. Табл. 4.1) [100]. Полученные значения плотности локализованных состояний для аморфного гидрогенизированного кремния согласуются с литературными данными [40,101].

Из приведенных данных расчета следует, что с увеличением толщины прослойки a-SI-.H значения g(EF) увеличиваются, что свидетельствует о возрастающем вкладе полупроводниковой фазы в процесс проводимости, и как следствие, в величину эффективной плотности локализованных состояний на уровне Ферми исследуемой структуры [102]. Также следует заметить, что при малых толщинах полупроводник значительно снижает значение эффективной плотности состояний на уровне Ферми структуры относительно объемного композита и при этом более чем в два раза увеличивается средняя длина прыжка R.

Обсудим полученные результаты. Установленные закономерности изменения удельного электрического сопротивления p(h) с толщиной полупроводниковой прослойки структуры [(Co Fe45Zrl0)35(Al2On)6s la-Si: Н]за и других вычисленных параметров может быть обусловлено структурными особенностями роста прослойки a-SI:H на поверхности слоя композита (CoA5Fei5Zrl0)35(Al2On)6s [103]. Так как система гетерогенна, то есть состоит из нескольких фаз, то между фазами обязательно существует граница раздела. Поскольку оксид алюминия имеет более низкую энергию поверхностного на-тяжения ( у(А1203) -1.4 Дж/м") по сравнению с аморфным металлическим сплавом (например у(Со)-2.7 Дж/м , y(Fe)—2.9 Дж/м") [104]), то кремний при осаждении с большей вероятностью будет формировать сплошную пленку на поверхности металлических гранул. Рост полупроводника a-SI :Н на грануле металла будет происходить послойно. Первые несколько атомных слоев полупроводника образуются на поверхности гранулы в виде сплошной пленки и в виде островковой структуры на диэлектрической матрице (Рис. 4.5 а). Такая структура (Рис. 4.5 б) прослойки a-SI:H будет оказывать незначительное влияние на величину удельного электрического сопротивления многослойной системы до толщины, при которой образуется бесконечная сетка проводящих каналов «гранула-полупроводник-гранула» .

Похожие диссертации на Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1

Влияние анизотропии на магнитные свойства эпитаксиальных CO и CO/CU/CO наноструктурДавыденко, Александр Вячеславович

Влияние электрического поля на фазовые переходы, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства монокристаллов (1-x)PbMg1/3 Nb2/3 O3-xPbTiO3Емельянов Антон Сергеевич

Исследование равновесных свойств жидких 1-бромалканов на основе акустических измеренийРышкова Ольга Сергеевна

Теплофизические свойства кристаллов AxA'1-xLIMO4(M=S, Cr) при структурных фазовых переходахКарташев Андрей Васильевич

Особенности теплофизических свойств манганитов (Sm, La)1-xSr_xMnO_3 в области фазовых переходов Алиев Ахмед Магомедович

Структура и магнитные свойства кубических геликоидальных магнетиков Fe(1-x)Co(x)Si и Mn(1-y)Fe(y)SiДядькин Вадим Александрович

Особенности свойств микронеоднородных сплавов PdMn_x Fe_1-x с взаимодействующими структурными и магнитными параметрами порядка Волкова Наталья Владимировна

Низко- и инфранизкочастотные диэлектрические свойства сегнетоэлектрических твердых растворов типа xPZN-(1-x)PSN и (1-x)Pb(Ti, Zr)O3-xBi(Sr,Ti)O3Алпатов Алексей Викторович

Гальваномагнитные свойства двумерных ферромагнитных структур GaAs()/InxGa(1-x)As/GaAsПанков, Михаил Александрович

Электронные свойства и моделирование разбавленных магнитных полупроводников: Ga_(1-x)Mn_(x)N, Ga_(1-x)Mn_(x)As, Ge_(1-x)Mn_(x)Титов Андрей Анатольевич