Введение к работе
Актуальность темы
Тонкопленочные гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик представляют собой гетерогенные системы, состоящие из металлических гранул нанометрового размера, случайным образом распределенных в диэлектрической матрице. Эти структурные особенности обусловливают проявление ряда свойств и эффектов, которые в гомогенных системах выражены слабо или совершенно не наблюдаются: отрицательное (гигантское) магнитосо-противление, аномальный эффект Керра, туннельный механизм электропереноса, высокий коэффициент поглощения электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне и целый ряд других магнитных, электрических, оптических и магнитооптических свойств. Одним из важных аспектов изучения физических свойств этих материалов является исследование электропроводности, величина которой может изменяться на несколько порядков в зависимости от соотношения долей металлической и диэлектрической фаз.
Уникальность физических свойств гранулированных нанокомпозитов, их туннельная, спин-зависимая проводимость делает эти материалы привлекательными не только для фундаментальных исследований, но и для применения в микроэлектронике и спинтронике. Поскольку нанокомпозиты получают различными методами осаждения из газовой фазы, они имеют вид тонких пленок (обычно толщиной от 2 до 10 микрон). При приложении к таким композитам напряжения величиной порядка единиц вольт весьма высока вероятность того, что в объеме материала будет реализован режим сильного электрического поля, когда энергия поля становится по порядку величины равной или больше тепловой энергии при данной температуре. Для такого режима протекания тока характерны отклонения от закона Ома, что наблюдалось в ранее проводимых исследованиях. Однако до сих пор остается открытым вопрос о механизмах воздействия сильного электрического поля на такие свойства гранулированных нанокомпозитов, как магнитосопротивление, намагниченность, диэлектрическую проницаемость. Это и является предметом исследования в настоящей работе.
Тема данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 — «Физика конденсированного состояния вещества»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 07.96 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычисли-
тельной техники", а также по грантам РФФИ № 02-02-16102-а «Высокочастотные магнитные и магниторезистивные свойства нанокомпозитов аморфных металлов в диэлектрической матрице», № 03-02-96486-р2003цчр_а «Магнитный импеданс и магнитосопротивление ферромагнитных гранулированных нанокомпозитов и многослойных наноструктур», № 05-02-17012-а «Магнитоэлектрический эффект и магнитосопротивление в гранулированных нанокомпозитах и многослойных наноструктурах ферромагнетик-сегнетоэлектрик», № 06-02-81035-Бел_а «Нелинейные явления в композитных и мультислойных магнитных наноструктурах при воздействии внешних полей», МО РФ на поддержку ведущих научно-педагогических коллективов, № 06-08-01045-а «Аномальные магнитотранспортные эффекты в нанограну-лированных композиционных материалах металл-диэлектрик», программе Университеты России «Развитие научного потенциала высшей школы» №34154.
Цель работы; Исследование проводимости гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик в условиях сильного электрического поля, и v выяснение механизмов влияния сильного электрического поля на электрические и магнитотранспортные свойства этих нанокомпозитов. Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
1: Спроектировать и изготовить автоматизированный измерительный «комплекс для исследования электрических и магнитотранспортных свойств -тонкопленочных гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик, создать программное обеспечение для его работы.
2. Исследовать ВАХ композитов (Co4iFe39B2o)x(SiO„)ioo-x при различ-
ных температурах и определить механизм проводимости в этих композитах в
условиях сильного электрического ПОЛЯ.
3. Исследовать влияние сильного электрического поля на электросо
противление и среднее число локализованных состояний <«>, принимающих
- участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x-
-
Установить механизм воздействия сильного электрического поля на электронный транспорт в нанокомпозитах.
-
Провести сравнительное исследование влияния сильного электрического поля на электроперенос и магнитотранспортные свойства композитов с различными материалами диэлектрической матрицы на примере систем (Co4iFe39B2o)x(SiOn)10o-x и Co-LiNbCv
Научная новизна. В работе впервые:
1. Предложена модель кластерных электронных состояний, использо
ванная для объяснения гистерезисных явлений на ВАХ гранулированных на-
HOKOMn03HTOB(C04iFe39B2o)x(SiOn) юо-х-
-
Предложен механизм воздействия электрического поля на электроперенос в нанокомпозитах, заключающийся в создании новых локализованных состояний на вновь образующихся дефектах.
-
Экспериментально обнаружено наличие обратимого и необратимого изменения электрического сопротивления нанокомпозитов, вызванного полевым воздействием и зависящим от величины напряженности поля.
-
Установлена взаимная обратимость термического и полевого воздействий на электрические свойства нанокомпозитов, обусловленная появлением дефектов после воздействия высокого электрического поля и их исчезновением после последующего термического отжига.
-
Впервые исследованы гранулированные нанокомпозиты с диэлектрической матрицей, сформированной из LiNbOn, и показано, что основные характеристики этой системы (концентрационная зависимость сопротивления и магнитосопротивления) аналогичны исследованным ранее нанокомпозитам с простыми диэлектрическими матрицами. При этом нанокомпозиты с матрицей LiNbOn проявляют больший отклик на воздействие сильного электрического поля по сравнению с композитами на основе SiOn.
Практическая значимость работы
-
Изготовлен оригинальный автоматизированный измерительный комплекс с компьютерным управлением для исследования электрических и магнитотранспортных свойств тонкопленочных гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик.
-
Разработан пакет прикладных программ для стандартного АЦП с IBM-совместимого компьютера, позволяющий осуществлять измерение и сбор экспериментальных данных в автоматическом режиме.
-
Предложен способ значительного изменения удельного сопротивления и магнитосопротивления нанокомпозитов без изменения наногранули-рованной структуры и соответствующих магнитных характеристик.
-
Нелинейность вольт-амперной характеристики нанокомпозитов, наблюдаемая в высоких электрических полях, позволяет использовать такие материалы в качестве нелинейных элементов электронных схем.
-
Полученные результаты позволяют сформулировать критерий для выбора диэлектрической матрицы композитов с целью получения материала, максимально устойчивого к высоким электрическим полям.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Наличие необратимых эффектов, изменяющих электрические и магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn) юо-х и Cox(LiNbOn), после воздействия электрического поля.
-
Модель кластерных электронных состояний, существующих в на-нокомпозитах вследствие делокализации электронов на группе из нескольких близкорасположенных гранул.
-
Механизм воздействия сильного электрического поля на гранулированный нанокомпозит, заключающийся в увеличении среднего числа лока-
* лизованных состояний <«>, принимающих участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу между соседними гранулами.
4. Результат сравнительного анализа вольт-амперных характеристик
и магнитосопротивления гранулированных нанокомпозитов
(Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x и Cox(LiNbO„) до и после воздействия сильного элек
трического поля, заключающийся в том, что нанокомпозиты с диэлектриче
ской матрицей LiNbOn проявляют больший отклик на воздействие сильного
электрического поля, по сравнению с матрицей SiOn.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:
8th European Magnetic Materials and Applications Conference. - Киев, 2000.
Седьмой Всероссийской конференции с международным участием «Аморфные прецизионные сплавы: технология-свойства-применение». - Москва, 2000.
Международной конференции «Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia». - Москва, 2002.
Всероссийской научной конференции ВНКСФ-9. - Красноярск, 2003.
Международной конференции «International Conference On Magnetism».-Рим, 2003.
Международной научно-практической конференции Пьезотехника-2003. «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». -Москва, 2003.
Всероссийской научной конференции ВНКСФ-10. - Москва, 2004.
XIX Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». - Москва, 2004.
Международной конференции «Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" EASTMAG-2004». - Красноярск, 2004.
V Международной конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении». — Воронеж, 2004.
Международной конференции «XXI International Conference on Relaxation Phenomena in Solids (RPS-21)». -Воронеж, 2004.
Всероссийской научной конференции ВНКСФ-11. — Екатеринбург, 2005.
VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». — Воронеж, 2005.
Международной конференции «Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005)». - Москва, 2005.
XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков ВКС-XVIL- Пенза, 2005.
П Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. — Анапа, 2005.
XX Международной юбилейной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». — Москва, 2006.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ — 4 статьи. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит приготовление к эксперименту и аттестация образцов, получение и анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 162 страницах, содержит 89 рисунков и 10 таблиц.
