Диссертация (1102573)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВА»ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиМаксимова Ольга ВладимировнаВлияние легирования и условий осаждения на локализацию и перенос электронов втонких плёнках оксида цинка и оксида индияСпециальность 01.04.09Физика низких температурДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководителькандидат физ.-мат. наукВ.Г. КытинМосква-20152Оглавление4ВведениеГлава 1 Структура, электронные, электрофизические и гальваномагнитныесвойства ZnO, ZnO:Ga, ZnO:Co, In2O3, In2O3:Sn1.1. Кристаллическая и электронная структура ZnO и In2O310101.1.1.
Кристаллическая структура ZnO, ZnO:Ga, ZnO:Co101.1.2 Кристаллическая структура In2O3 и In2O3:Sn151.1.3 Зонная структура ZnO и In2O3181.2. Влияние легирования на проводящие свойства пленок ZnO и In2O3231.3. Подвижность и механизмы рассеяния в n-ZnO и n-In2O3251.4. Прыжковая проводимость в пленках ZnO и In2O3311.5. Квантовые поправки к проводимости в пленках ZnO и In2O3 n-типа при низкихтемпературах441.6. Механизмы релаксации фазы волновой функции в тонких пленках n-ZnOи n-In2O353Выводы Главы 160Глава 2 Методика синтеза и характеристики исследованных образцов632.1 Методика синтеза пленок ZnO:Ga и ZnO:Co632.2 Структура и морфология поверхности пленок ZnO:Ga652.3 Структура и морфология поверхности пленок ZnO:Со682.4 Магнитные свойства пленок ZnO:Co712.5 Методика синтеза пленок In2O3:Sn722.6 Характеристики и морфология поверхности пленок In2O3:Sn732.7 Методика исследования электрофизических и гальвано-магнитных свойств762.8 Оценка погрешности измерений77Глава 3 Слабая локализация электронов в тонких пленках ZnO:Ga и In2O3:Sn783.1 Температурные зависимости сопротивления пленок ZnO:Ga,синтезированных в окислительных условиях, и In2O3:Sn, полученных распылениемоксидных мишеней783.2 Эффект Холла, концентрации и подвижности электронов в пленках ZnO:Ga,синтезированных в окислительных условиях, и In2O3:Sn, полученныхраспылением оксидных мишеней7933.3 Магнетосопротивление пленок ZnO:Ga и In2O3:Sn с металлическим типомпроводимости813.4 Выражение для магнетосопротивления пленок, обусловленного слабойлокализацией, в условиях изменения эффективной размерности электроннойсистемы843.5 Анализ магнетосопротивления тонких пленок ZnO:Ga, синтезированных вокислительных условиях, и пленок In2O3:Sn, осажденных распылениемоксидных мишеней903.6 Анализ температурной зависимости времени релаксации фазы волновойфункции электронов в пленках ZnO:Ga и In2O3:Sn94Глава 4 Влияние легирования кобальтом на проводимость игальваномагнитные свойства пленок ZnO1004.1 Температурная зависимость сопротивления и эффект Холлав пленках ZnO:Co1004.2 Положительное магнетосопротивление в пленках ZnO:Co105Глава 5 Особенности прыжковой проводимости в пленках ZnO:Ga и In2O3:Sn1125.1 Температурные зависимости сопротивления и магнетосопротивлениеплёнок ZnO:Ga, синтезированных в условиях пирогидролиза1125.2 Электрофизические и гальваномагнитные свойства пленок In2O3:Sn,синтезированных в условиях дефицита кислорода115Основные результаты и выводы120Список литературы122Основные обозначения и сокращения131Благодарности1324ВведениеАктуальностьОксиды цинка и индия, являясь широкозонными полупроводниками, обладаютнеобычным сочетанием свойств — прозрачностью в видимом диапазоне электромагнитногоизлучения и высокой электропроводностью.
Такое сочетание свойств обеспечивается большойшириной запрещённой зоны и относительно такой концентрацией подвижных носителейзаряда, что плазменная частота находится в инфракрасной области спектра. Несмотря насходство с другими широкозонными полупроводниками оксиды металлов имеют рядособенностей. Во многих случаях можно считать, что кристаллическая решётка оксидовметаллов состоит из катионов металла и анионов кислорода. Из-за этого такие дефекты, каквакансии и междуузельные атомы, являются заряженными и электрически активными, то естьпроявляют донорные или акцепторные свойства.
Предполагается что такие дефекты, а такжеграницы кристаллитов в оксидах металлов значительно влияют на перенос заряда иэлектропроводность. При этом механизмы этого влияния остаются во многом невыясненными.Несмотря на большое внимание со стороны научного сообщества к исследованию оксидовметаллов, природа многих экспериментально наблюдаемых особенностей электрофизических игальваномагнитных свойств остается до конца неясной.Это утверждение в особенности справедливо по отношению к тонким плёнкам, вкоторых помимо дефектов существенную роль может играть размерность системы электроновпо отношению к тем или иным явлениям. Например, в некоторых работах сообщалось онаблюдении при низких температурах отрицательного магнетосопротивления в легированныхдонорной примесью плёнках оксида цинка.
Данный эффект был интерпретирован в рамкахявления слабой локализации. При этом типичная толщина исследуемых пленок оксида цинка ииндия такова, что под действием магнитного поля и изменения температуры должнопроисходить изменение размерности системы электронов по отношению к явлению слабойлокализации.
Обсуждение такого изменения размерности отсутствует в доступной литературе.В то же время его изучение важно как для описания наблюдаемых гальваномагнитных свойств,так для определения времени и изучения механизмов релаксации фазы волновой функцииэлектронов, которое является важнейшим параметром в теории Ферми-жидкости и определяетприменимость концепции квазичастиц при описании электронов проводимости.Известно, что электропроводность плёнок оксидов цинка и индия существенно зависитот условий их синтеза. При этом значения электропроводности, представленные в литературе,5изменяются от типичных для вырожденных полупроводников с зонным механизмомпроводимости до очень малых, характерных для изоляторов с активационной или прыжковойпроводимостью.
Это указывает на то, что при определённом уровне дефектности в плёнкахоксида цинка может происходить локализация подвижных носителей заряда. Вместе с теммеханизмы этой локализации и параметры локализованных электронных состояний остаютсямалоизученными, в то время как их понимание важно для получения плёнок с более высокойподвижностью электронов и высокой прозрачностью.Модификация электрофизических свойств проводящих пленок достигается не толькоизменением условий синтеза, но и легированием.
Так, для увеличения концентрацииэлектронов, оксид цинка легируют элементами III группы. Недавно были опубликованыданные, показывающие, что в плёнках ZnO:Ga концентрация электронов может превышать 1021см-3. Это максимальное значение концентрации электронов в оксиде цинка, достигнутое кнастоящему времени.Значительное количество современных работ посвящено изучению проводящих оксидовметаллов, легированных магнитными примесями. В частности, активно исследуются плёнкиоксида цинка, легированные марганцем и кобальтом. Магнитная примесь заметно влияет напроводящие свойства плёнок, особенно при низких температурах. Наиболее ярким проявлениемэтоговлиянияявляетсянаблюдениенеобычногомагнетосопротивленияпринизкихтемпературах.
Величина наблюдаемого магнетосопротивление достигает сотен процентов. Приэтом магнетосопротивление может изменять знак при изменении магнитного поля итемпературы. Общепринятая интерпретация данного эффекта в настоящее время отсутствует. Втоже время объяснение наблюдаемого магнеторезистивного эффекта важно для выяснениямеханизмов влияния магнитной примеси на перенос электронов и получения тонких плёнок снеобычными гальвано-магнитными свойствами.Цель и задачи работыЦелью работы являлось изучение влияния условий осаждения и легирования галлием икобальтом на механизмы переноса и локализацию электронов в тонких плёнках оксидов цинкаи индия.В рамках поставленной цели были сформулированы следующие задачи:1.
Анализ механизмов низкотемпературной электропроводности в плёнках оксида цинка,легированного галлием, синтезированных методом химического осаждения из газовой фазы;2. Изучение влияния примеси кобальта на электропроводность и гальвано-магнитныесвойства плёнок оксида цинка при низких температурах (до 4,2К);63. Определение механизмов проводимости и исследование влияния условий синтеза напроводящие свойства пленок оксида индия, легированного оловом, полученных методоммагнетронного распыления.4. Расчет в рамках диффузионного приближения магнетосопротивления, обусловленногоявлением слабой локализации, в пленках произвольной толщины.Научная новизна работыПроанализировано влияние легирования галлием на электропроводность, концентрациюи подвижность электронов в эпитаксиальных плёнках оксида цинка, синтезированных методомхимического осаждения из газовой фазы в окислительных условиях.В плёнках оксида цинка, легированного галлием, синтезированных в условияхпирогидролиза,исследованамагнетосопротивление.Изтемпературнаяанализазависимостьтемпературнойзависимостисопротивлениясопротивленияиимагнетосопротивления получены значения радиуса локализации электронных состояний иплотности электронных состояний на уровне Ферми.При низких температурах исследовано отрицательное магнетосопротивление в плёнкахоксида цинка, легированного галлием, и в пленках оксида индия, легированного оловом.Получены температурные зависимости времени релаксации фазы волновой функцииэлектронов.
Проведено сравнение полученных зависимостей с теоретическими зависимостямидля электрон-электронного и электрон-фононного механизма релаксации фазы.Проведен анализ положительного магнетосопротивления плёнок оксида цинка,легированного кобальтом, в рамках модели, учитывающей обменное взаимодействиеэлектронов, участвующих в проводимости, с d - электронами кобальта, а также случайноераспределение атомов кобальта. Получено значение радиуса локализации электронныхсостояний, близкое к радиусу мелких доноров в ZnO.Врамкахдиффузионногомагнетосопротивлениетонкихприближенияплёнокполученовырожденныхвыражение,описывающееполупроводников,обусловленноеявлением слабой локализации, действительное при изменении размерности плёнок поотношению к явлению слабой локализации под действием магнитного поля и температуры.Научная и практическая значимость работыНаучная ценность работы заключается в том, что представленные в работе данныеполучены при исследовании пленок легированных оксидов цинка и индия, являющихся7широкозонными полупроводниками и обладающими необычным сочетанием свойств —прозрачностью в видимом диапазоне электромагнитного излучения и высокой подвижностьюэлектронов.Приисследованияхопределялисьзависимостиэлектрофизическихигальваномагнитных свойств пленок оксида цинка, легированного галлием и кобальтом, и пленококсида индия, легированного оловом, от содержания легирующей примеси в широкомдиапазоне температур от 4,2 до 295К и магнитных полей до 6 Тл, при этом учитывались методыи параметры синтеза исследуемых пленок.Так, в результате выполнения работы установлено, что при легировании галлиемконцентрация и подвижность электронов в плёнках ZnO:Ga, осаждённых из газовой фазы вокислительных условиях, достигает максимального значения при содержании галлия близком к7 ат.%, При таком содержании галлия преобладает зонный механизм электропроводности.Установлено, что в поликристаллических плёнкахZnO:Ga,осаждённых в условияхпирогидролиза, наблюдается прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка.Обнаружено, что в плёнках оксида цинка, легированного кобальтом, при низких температурахнаблюдаетсяаномальноеположительноемагнетосопротивление,величинакоторогоувеличивается при увеличении содержания Со.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
