Транспортные свойства некоторых наногетерогенных систем металл-диэлектрик и металл-полупроводник Кудрин, Алексей Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы

В текущем столетии стремительно развиваются исследования физических явлений в наноструктурированных системах, то есть такое научное направление, одним из объектов которого являются твердые гетерогенные тела с неоднородностями структуры нанометрового масштаба. Устройства электронной техники, изготавливаемые из наноструктурированных материалов, должны обладать рядом преимуществ: малые габариты, управляющие напряжения и времена срабатывания. Для таких систем характерно проявление нелинейных свойств в чрезвычайно малых внешних полях, изменение температур фазовых превращений, проявление новых механизмов транспортных явлений (электропроводности, термоэдс, магнитосопротивления, магнитной термоэдс), возникновение большого магнитоэлектрического эффекта и др. Физической причиной таких особенностей является существенно квантовая природа эффектов, локализация носителей заряда и усиление электрических полей на границах раздела в неоднородном материале.

Установление закономерностей влияния различных параметров на физические свойства и исследование транспортных явлений в новых гетерогенных системах необходимо для развития уже сформировавшихся научных направлений, таких как нанофотоника, спинтроника, функциональная наноэлектроника, термоэлектрическая энергетика и др. Вследствие этого транспортные явления в наногетерогенных средах металл-диэлектрик и металл-полупроводник представляют повышенный интерес, что определяет актуальность исследования настоящей работы.

Тема данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 – «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5 – «Физика твердотельных наноструктур, мезоскопика»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по плану и при финансовой поддержке федерального агентства по образованию (проект РПИ 2.1.1/4406) и РФФИ (гранты № 05-02-17012, № 08-02-00840).

Цель и задачи работы. Установление фундаментальных закономерностей влияния состава, условий получения, термической обработки, внешнего магнитного поля на транспортные свойства некоторых наногетерогенных систем металл-диэлектрик и металл-полупроводник.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

1. получить методом ионно-лучевого распыления композиционные структуры, содержащие металлические гранулы сложного состава (Co₄₁Fe₃₉B₂₀, Co₄₅Fe₄₅Zr₁₀, Fe₆₈Tb₁₂Dy₂₀) в диэлектрической (MgO_n, ЦТНСВ) и полупроводниковой (In_35,5Y_4,2O_60,3) матрицах;

2. спроектировать и изготовить измерительный комплекс для исследования термоэдс тонкопленочных гранулированных нанокомпозиционных структур металл-диэлектрик и металл-полупроводник;

3. исследовать концентрационные и температурные зависимости транспортных свойств, а также влияние внешнего магнитного поля на электросопротивление и термоэдс композитов при различном содержании доли металлической фазы;

4. изучить механизмы электропроводности композиционных структур в широком диапазоне температур и концентраций металлической фазы;

5. исследовать влияние углерода на транспортные свойства гетерогенной системы In-Y-O;

6. провести анализ полученных экспериментальных результатов с целью установления основных закономерностей влияния состава, условий получения, температурной обработки и магнитного поля на транспортные явления в наногранулированных системах.

Научная новизна. В работе впервые:

1. В ходе экспериментальных исследований гетерогенных систем (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-x показано, что концентрационная зависимость электрического сопротивления композита от доли металлического сплава имеет нехарактерный для перколяционных кривых вид. Наблюдаемая зависимость объясняется наличием двух перколяционных кривых по разным металлическим фазам: кристаллического индия и металлического сплава Co₄₁Fe₃₉B₂₀ для первой перколяционной кривой и металлического сплава Co₄₁Fe₃₉B₂₀ – для второй.

2. Обнаружена отрицательная магнитотермоэдс, а также явление гистерезиса при ориентации внешнего магнитного поля перпендикулярно плоскости образца на зависимостях термоэдс гетерогенных систем (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(MgO_n)_100-x от напряженности магнитного поля. При ориентации поля параллельно плоскости образца наблюдается отрицательный магнитотермоэлектрический эффект (5 %) только в положительной области намагниченности магнитного поля, в отрицательной – изменения с полем незначительны. Асимметрия в значениях термоэдс связывается с различным составом композита вблизи подложки и на свободной поверхности пленки.

3. В ходе исследований температурных зависимостей электросопротивления и термоэдс нанокомпозитов (In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-xC_x в диапазоне температур от 80 до 300 К были выявлены две основные закономерности для составов до порога протекания: в интервале от 80 до 190 К выполняется закон Мотта ( exp(Т^-1/4)), в интервале 190 – 300 К – закон Аррениуса. В доперколяционной области термоэдс удовлетворяет степенному закону ( Т^1/2) в интервале от 80 до 190 К. Дальнейшее изменение термоэдс от температуры для составов до порога протекания носит линейный характер.

4. Выявлено, что в нанокомпозитах металл-диэлектрик (Co₄₅Fe₄₅Zr₁₀)_хЦТНСВ_100-x, (Fe₆₈Tb₁₂Dy₂₀)_xЦТНСВ_100-x и (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(MgO_n)_100-x в температурном диапазоне 80 – 300 К температурные зависимости электрического сопротивления подчиняются определенным закономерностям. Для всех изученных композитов при 180 К наблюдается смена механизмов проводимости от закона Мотта ( exp(Т^-1/4)) к степенной зависимости ( Т). Сделаны оценки плотности электронных состояний композитов на уровне Ферми, а также среднего числа локализованных состояний диэлектрической матрицы между соседними гранулами.

5. Экспериментально обнаружен максимум на концентрационных зависимостях термоэдс для гетерогенных структур (In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-xC_x и (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-x. Показано, что до порога протекания термоэдс определяется туннельной, а за порогом – диффузионной проводимостью.

Практическая значимость работы

1. Изготовлен оригинальный измерительный комплекс, частично с компьютерным управлением, предназначенный для исследования концентрационных зависимостей термоэдс как для тонкопленочных гранулированных нанокомпозитов, так и для массивных образцов.

2. Показана практическая возможность получения гранулированных композиционных материалов металл-полупроводник на примере гетерогенных структур (In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-xC_x и (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-x.

3. Изменение термоэдс нанокомпозитов металл-диэлектрик (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(MgO_n)_100-x под воздействием внешнего магнитного поля позволяет использовать подобные материалы в качестве датчиков магнитного поля.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Отличная от S-образной концентрационная зависимость электрического сопротивления наногранулированной структуры металл-полупроводник (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-x.

2. Несимметричное поведение магнитотермоэдс для композитов (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(MgO_n)_100-x.

3. Для композиционных структур металл-полупроводник (In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-xC_x в интервале температур от 80 до 190 К – выполняется закон Мотта, от 190 до 300 К – закон Аррениуса.

4. Для композиционных структур металл-диэлектрик (Co₄₅Fe₄₅Zr₁₀)_хЦТНСВ_100-x, (Fe₆₈Tb₁₂Dy₂₀)_xЦТНСВ_100-x и (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x (MgO_n)_100-x в интервале температур от 80 до 180 К – выполняется закон Мотта, в диапазоне от 180 до 300 К – степенной закон ( Т).

5. Максимум термоэдс на концентрационных зависимостях структур (In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-xC_x и (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(In_35,5Y_4,2O_60,3)_100-x.

6. F-электроны в гетерогенной структуре (Fe₆₈Tb₁₂Dy₂₀)_xЦТНСВ_100-x не участвуют в спин-поляризованном туннелировании.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Международной научно-практической конференции «Структурная релаксация в твердых телах» (Винница – Украина, 2006); XX Международной юбилейной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2006); V, VI International Seminars on Ferroelastics Physics (Voronezh, 2006, 2009); VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2007); II Всероссийской конференции по физике наноматериалов «Нано 2007» (Новосибирск, 2007); XIII и XVI Всероссийских научных конференциях молодых учёных ВНКСФ (Ростов-на-Дону, 2007 и Волгоград, 2010); VIII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск-Ставрополь, 2008); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2008, 2009, 2010); Всероссийской научной школе для молодежи «Современная нейтронография: междисциплинарные исследования наносистем и материалов» (Дубна, 2009); I Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Функциональные материалы для космической техники» (Москва, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-18] - подготовка к эксперименту, [1-18] - получение и анализ экспериментальных данных, [1-18] - обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 129 наименований. Основная часть работы изложена на 178 страницах, содержит 84 рисунка и 3 таблицы.

Похожие диссертации на Транспортные свойства некоторых наногетерогенных систем металл-диэлектрик и металл-полупроводник

Высокополевая туннельная инжекция в системах металл-диэлектрик-полупроводник и разработка методов их контроляСтоляров, Александр Алексеевич

Электронные свойства поверхностей металлов, полупроводников, диэлектриков со структурными дефектами, адсорбатами и тонкими пленкамиЕремеев Сергей Владимирович

Электрические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик и поликристаллических полупроводников с инверсно-легированными границами зерен Рожанский Игорь Владимирович

Свойства компенсированных полупроводников вблизи индуцированного магнитным полем перехода металл-диэлектрикЧумаков Николай Константинович

Электрические и магнитные свойства наногетерогенных систем металл-диэлектрикСитников, Александр Викторович

Исследование процессов инжекционной модификации в структурах металл-диэлектрик-полупроводник и приборах на их основеСтоляров Максим Александрович

Инжекционная деградация и модификация структур металл-диэлектрик-полупроводник при сильнополевых и радиационных воздействияхАндреев Владимир Викторович

Исследование зарядовых дефектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в условиях сильнополевой туннельной инжекцииВасютин, Денис Сергеевич

Релаксация зарядового состояния структур металл - диэлектрик - полупроводник в сильных электрических поляхЛоскутов Сергей Александрович

Зарядовый транспорт и магнетизм в сильно коррелированных полупроводниках и полуметаллах с переходом металл-диэлектрикГлушков, Владимир Витальевич