Автореферат (1090572), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Показано,что качество отожженных микроструктур соответствует качествуизотермически отожженных пленок.2.Предложена оптическая схема, позволяющая одновременнопроизводить отжиг и диагностировать его кинетику по временнойзависимости интенсивности оптической второй гармоники.3.Показано, что превышение нелинейной восприимчивостизначения 50 пм/В свидетельствует об образовании сегнетоэлектрическойфазы, локально переключаемой электрическим полем до 10 В.4. Показана достаточность совокупности методов нелинейнооптической in-situ и ex-situ диагностики для определения качествасегнетоэлектрических микроструктур.7Внедрение результатов работ и рекомендации по их использованию.Результаты были использованы при выполнении следующих проектов,соисполнителем которых являлся автор: «Разработка фундаментальныхоснов лазерных методов формирования и диагностики сегнетоэлектрическихнаноструктур», Министерство образования и науки РФ, госзадание вузу,ДПННиТ 2.2208.2011 (2011-2013), «Фазовые переходы в органическихнизкоразмерных системах» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадрыинновационной России» мероприятие № 1.2.1 (2009-2011), ГК П804;«Созданиефункционирующеговрежимеудаленногодоступаинтерактивногоучебно-научногокомплексанабазеустановокфемтосекундной и нелинейно-оптической диагностики наноматериалов иструктур» ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии» ГК №16.647.12.2046.Кроме того, результаты диссертационной работы использовались накафедре физики конденсированного состояния МГТУ МИРЭА привыполнении лабораторного практикума по курсу «Материалы и методынанотехнологий»Апробация работыМатериалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:12-я научная молодежная школа по твердотельной электронике "Физика итехнология микро- и наносистем" (Санкт-Петербург, 2009), InternationalConference "Functional Materials" (Партенит, Украина, 2011), 21st IEEEInternational Symposium on Applications of Ferroelectrics& 11th EuropeanConference on the Applications of Polar Dielectrics & 4th Conference onPiezoresponse Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in PolarMaterials Location (Авейро, Португалия, 2012); 19th IEEE InternationalSymposium on the Applications of Ferroelectrics (ISAF) & 10th EuropeanConference on the Applications of Polar Dielectrics.
(Эдинбург,Великобритания, 2010), VIII Международной научно-техническойконференции INTERMATIC-2010 (Москва, 2010); VII Международнойнаучно-технической конференции INTERMATIC-2009 (Москва, 2009);Progress In Electromagnetics Research Symposium (Москва, 2012).8ПубликацииОсновные результаты диссертации изложены в 6 публикациях: в 1-йстатье в журнале, входящем в Перечень ВАК РФ, 1-й статье в зарубежномжурнале, индексируемом в Web of Science, 1-й статье в сборнике трудовМеждународной конференций, индексируемом в Scopus, 1-й статье вжурнале, индексируемом в РИНЦ, 2-х статьях в сборниках трудовмеждународных конференций.Личный вклад автораВ диссертации использованы только те результаты, в получении иинтерпретации которых автору принадлежит определяющая роль.Опубликованные работы написаны в соавторстве с членами научной группы.В совместных работах с А.С.
Елшиным, Н.А. Ильиным, С.В. Сенкевичем,И.П. Прониным, А.Л. Холкиным, М.А. Марченковой, А.К. Болотовым, М.С.Ивановым, диссертант принимал участие в создании экспериментальныхустановок; в проведении экспериментов по локальному фемтосекундномулазерному отжигу и нелинейно-оптической диагностике микроструктур ЦТС;в моделировании, в обсуждении и интерпретации результатов. Постановказадач исследований осуществлялась научным руководителем.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и спискацитируемой литературы, содержащего 117 библиографических ссылок.Общий объем диссертации составляет 121 страницу.
Работа содержит 37рисунков.Содержание работыВо введении дается обоснование актуальности темы диссертации,формируется цель работы и выносимые на защиту основные научныеположения. Определена научная новизна и практическая значимостьполученных результатов, кратко излагается содержание диссертации поглавам.Первая глава является обзорной и посвящена описанию методовотжига сегнетоэлектрических пленок, где особое внимание уделенолазерномуотжигу,методамдиагностикисегнетоэлектрических9микроструктур, а также теоретическим моделям, описывающим процессылазерного отжига.Раздел 1.1 посвящен описанию традиционным методикам отжига впечи, изотермическому и скоростному, а также микроволновому.
В разделе1.2 описаны виды используемого в настоящее время лазерного отжига припомощи эксимерных и полупроводниковых лазеров, а также лазера намолекулах СО2. Описаны особенности и недостатки перечисленных методовлазерного отжига. В разделе 1.3 описаны особенности взаимодействияфемтосекундного лазерного излучения с веществом, а также примерыиспользования фемтосекундных лазеров для обработки поверхности.
Вразделе 1.4 описаны возможности нелинейно-оптической диагностики,основанной на генерации второй гармоники, интенсивность которой длясегнетоэлектрика пропорциональна квадрату диэлектрической поляризации,для исследования фазовых переходов различных типов, а также способыопределения абсолютных значений нелинейной восприимчивости.В разделе 1.5 описаны механизмы процессов отжига и их модели.Наибольшее внимание уделено лазерному отжигу. В частности, представленамодель В.И. Емельянова, предложенная в работах [1,2] для кремния.
Прилазерном отжиге процесс кристаллизации в значительной мере зависит оттеплопроводящих свойств подложки. Если тепло, выделяемое прикристаллизации в пленке (скрытая теплота кристаллизации), быстроотводится в подложку, то скорость кристаллизации мала. Если же скоростьтермоотвода в подложку мала, то выделяемое при кристаллизации тепло,распространяется в пленке и стимулирует кристаллизацию соседней области.При этом может возникнуть режим автокаталитической (взрывной)кристаллизация.В случае медленной кристаллизации лазерный нагрев аморфной пленкиPZT вызывает нуклеацию и рост кристаллической фазы в ней. Обычно дляописания кинетики кристаллизации аморфной фазы PZT используетсяформула Аврами для относительного объема кристаллической фазыxc (t ) Vс (t ) / V , где Vс (t ) – объем кристаллической фазы в объеме V[3]:xc (t ) 1 e kt10n(1)где n – коэффициент, изменяющийся от 1 до 3.
Уравнение кинетикигомогенной кристаллизации имеет вид:=,(2)где a(t ) Va (t ) / V – относительный объем, занимаемый аморфной фазой,Ea – энергия активации кристаллизации, τ – параметр.Интегрирование уравнения (2) даетa(t ) a(t 0)e kt ,(3)где.(4)Если в начальный момент весь объем занят аморфной фазой, то ввыражении a(t=0)=1. Тогда относительный объем кристаллической фазыхс (t) = 1- a(t) изменяется по законуxc (t ) 1 e kt(5)Формула (5) соответствует общей формуле (1), в которой n=1, а коэффициентk задается формулой (4).В случае быстрой кристаллизации превращение аморфной пленки вкристаллическую может происходить по двум различным сценариям:взрывная твердофазная эпитаксия и взрывная твердофазная нуклеация(ВТФК) [4].В упругой среде, распространение волны взрывной кристаллизацииописывается тремя уравнениями [1].Это - уравнение теплопроводности(6)где - коэффициент температуропроводности, Т- константа скороститеплопроводности в подложку, ТS – однородная температура подложки, Qextэнергия, поступающая от лазера, WQ=скрытая теплота кристаллизации,11-теплоемкость, 0 – кинетическая постоянная кристаллизации, локальная деформация div u , u - вектор смещения в упругой среде.Уравнение кристаллизационной кинетики:где - деформационный потенциал.Уравнение для локальной деформации среды(8)где - коэффициент теплового расширения, К – объемный модульупругости, - плотность среды, сl – продольная скорость звука,1 K (Vс Va ) / Va K ( c a ) / c-деформационныйпотенциалкристаллизации ( c,a –плотности кристаллической и аморфной фаз,соответственно), ain 1 - начальный относительный объем аморфной фазы.Уравнения (6), (7), (8) образуют замкнутую систему уравнений,описывающуюкинетикукристаллизациивкристаллизационнодеформационно-тепловой модели.Введем безразмерные бегущую координатуy x Vt 1 / 2(9)где V – скорость фронта нуклеации (волны переброса), двигающегося вдольоси x,1 E exp a -константа скорости кристаллизации;0 k BT0 1температуруBEa T1k BT0 T0и относительный объем аморфной фазы12(10)AWQ Ea a1cvT02 k B(11)Тогда на основе уравнений (6-8) можно получить, в пренебрежениитеплоотводом в подложку, зависимость безразмерной температуры отбегущей безразмерной координаты [1](12)и зависимость относительного безразмерного объема аморфной фазы отбегущей безразмерной координаты(13)С , , y0 – константы.
Поскольку y является «бегущей» координатой, товыражения (12) и (13) описывают пространственно-временные зависимости(то есть кинетику для каждой фиксированной точки) температуры икристаллизации. Они описывают волны переброса температуры (формула(9)) и аморфной фазы в кристаллическую (10)), распространяющиеся соскоростью V.В разделе 1.6 на основе анализа патентных источников приведеныпримеры использования лазерного отжига микроструктур при созданииэлементов электронной техники.В разделе 1.7 на основе проведенного в первой главе анализалитературы сформулированы основные задачи диссертационной работы.Вторая глава посвящена описанию образцов, экспериментальныхметодик, использованных для отжига сегнетоэлектрических микроструктур, атакже для исследования их свойств и структуры.В разделе 2.1. приведено описание образцов. Плёнки твёрдого растворацирконата-титаната свинца (ЦТС) толщиной 100-1000 нм, с 10-процентнымизбытком оксида свинца (Рb(Zr0,54Ti0,46)О3+10%PbO) наносились наплатинизированную кремниевую подложку методом высокочастотногомагнетронного распыления (без отжига) (ФТИ РАН, И.П.