Диссертация (1145326), страница 45
Текст из файла (страница 45)
В сильных электрических полях размеры кластероввдоль направления электрического поля будут увеличиваться, что должно приводить кросту ²̄. Так как размер локализации L КЭС растет с увеличением температуры, то принагревании диэлектрическая проницаемость гранулированной структуры будет увеличиваться.
Особенности полевых и температурных зависимостей диэлектрической проницаемости рассмотрены в [170] и в разделе 4.4.(4) Уменьшение диэлектрической проницаемости с уменьшением количества дефектов в матрице. С уменьшением количества дефектов понижается туннельная прозрачность барьеров между металлическими частицами и размер локализации LКЭС (5.6) уменьшается.
Этим объясняется уменьшение мнимой части диэлектрическойпроницаемости при отжиге в гранулированных композитах (a-SiO2 )100−x (Co41 Fe39 B20 )x вдиапазоне частот 4,8 - 16,6 GHz [94]. Рассмотрение этого вопроса проведено в разделе 4.4.(5) Дополнительные пики на спектрах малоуглового рентгеновского рассеяния. Достоинством малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) является то, что онпозволяет исследовать образования с размерами нанометрового масштаба и анализироватьструктуру гранулированных систем [188].
В [169] обнаружено, что спектры МУРР грану223лированных пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами кобальтаa-C:H(Co) определяются двумя типами рассеивателей: от гранул кобальта и от объектов,размеры которых больше размеров наночастиц. Наблюдаемые объекты были идентифицированы с КЭС.Пленки (a-C:H)100−x Cox были выращены на подложках аморфного кремния методомодновременного магнетронного распыления графитовой и кобальтовой мишеней в атмосфере аргон-водородной плазмы (80% Ar и 20% H2 ). Присутствие кобальта в пленках контролировалось по линиям Kα , Kβ характеристического рентгеновского излучения для Co.Точная концентрация кобальта в пленках определялась с помощью обратного резерфордовского рассеяния. Исследовались пленки с концентрациями x от 24 до 46 at.%.
Диапазонтолщин пленок составлял 250 - 550 nm.Малоугловое рентгеновское рассеяние проводилось в диапазоне волновых векторов 0.04< q < 0.7 Å−1 (q = 2π sin(2ΘBr )/λ), что соответствует углам рассеяния 0.5◦ < 2ΘBr < 10◦ .Регистрация рассеяния осуществлялась в однокристальной схеме в (Θ, 2Θ)-геометрии надифрактометре Dmax-B/RC фирмы "Rigaku Cor". Использовалось медное излучение (λ =1.5418 Å).
Экспериментальные кривые рассеяния приведены на Рис. 5.2. Наличие гранулированной структуры подтверждается локальными максимумами при волновых векторахq = 0.10 - 0.14 Å−1 , которые присутствуют на спектрах МУРР для всех образцов. Этимаксимумы соответствуют рассеянию от частиц Co и определяются их размерами. Приодновременном распылении кобальтовой и углеродной мишеней кобальт входит в матрицу аморфного углерода в виде гранул, что подтверждается при исследовании структурметодами электронной микроскопии и электронной дифракции [189]. Кроме максимумовот рассеяния на гранулах, в наших экспериментах на спектрах МУРР при q < 0.10 Å−1наблюдалось рассеяние от объектов, имеющих размеры значительно большие размеровгранул кобальта.
При малых концентрациях Co это рассеяние незначительно. С увеличением концентрации Co оно резко возрастает. Размер этого типа рассеивателя составляетбольше 50 Å.На Рис. 5.3 представлена зависимость, полученная в результате обработки максимумоврассеяния от металлических гранул - изменение средних размеров гранул при увеличенииконцентрации кобальта x. Средний размер гранул d0 растет с увеличением x. В первомприближении эта зависимость может быть аппроксимирована формулой d0 [Å] = 32.9 −0.86x + 0.0177x2 . Разброс размеров составляет ∆d = 7 Å.2241E+004Intencity, a.u.1E+00351E+0024321E+00110.070.200.100.50Wave vector q (1/A)Рис. 5.2: Кривые малоуглового рентгеновского рассеяния для образцов (a-C:H)100−x Coxпри разных концентрациях кобальта x: 1 - 24; 2 - 30; 3 - 35; 4 - 44; 5 - 46 at.%.Particle size d0 (A)32028242020304050Co concentration x (at.%)Рис.
5.3: Средние размеры гранул в (a-C:H)100−x Cox в зависимости от вхождения кобальтаx.2255.3Электронный транспорт в гранулированных структурах с металлическими наночастицами5.3.1Приготовление образцов и схема измеренийИсследования электронного транспорта проводились на гранулированных пленках аморфного гидрогенизированного углерода a-C:H с наночастицами кобальта и меди (сокращенно,a-C:H(Co) и a-C:H(Cu)), на пленках аморфной двуокиси кремния a-SiO2 с ферромагнитными металлическими наночастицами сплава Co86 Nb12 Ta2 (сокращенно, a-SiO2 (Co,Nb,Ta)) ина пленках аморфной двуокиси кремния a-SiO2 с ферромагнитными металлическими наночастицами сплава Co41 Fe39 B20 .Гранулированные пленки (a-C:H)100−x Cux были выращены на кварцевых подложкахметодом одновременного распыления графитовой и медной мишеней в атмосфере аргонводородной плазмы (80% Ar и 20% H2 ).
На подложку и на поверхность пленок былинапылены контакты (Рис. 5.4a). Ширина контактов составляла 0.5 mm. Толщины пленокD лежали в диапазоне 1.0 - 1.73 µm. Исследования проводимости показали, что пленкис x = 16 at.% находятся ниже порога перколяции и размер проводящих кластеров меньше расстояния между контактами.
Пленки (a-C:H)100−x Cux с x > 16 at.% имеют размерпроводящих кластеров, равный или больший расстоянию между контактами, в результатечего для этих структур наблюдался металлический тип проводимости. Средний размер d0медных частиц в пленках (a-C:H)84 Cu16 , полученный путем обработки оптических спектров, данных малоуглового рентгеновского рассеяния и электронной микроскопии, составил 4 nm [190–192].
Разброс значений размеров частиц равен ∆d = 1.7 nm. В напыленныхгранулированных структурах (a-C:H)100−x Cux аморфный гидрогенизированный углерод aC:H является органическим аморфным полупроводником и выполняет роль изолирующейматрицы, в объеме которой находятся частицы меди [193].Пленки a-C:H(Co) были выращены на поликоровых подложках методом магнетронногосораспыления графитовой и кобальтовой мишеней на постоянном токе в аргон-водороднойплазме (80% Ar и 20% H2 ). Изменение концентрации вводимого в углеродные пленки кобальта осуществлялось за счет изменения соотношения площадей кобальтовой и графитовой мишеней.
Пленки осаждались на подложки, нагретые до 200◦ C. В распылительнойкамере предварительно создавался базовый вакуум 1 µTorr. Осаждение пленок производилось в потоке рабочего газа при давлении 10 mTorr и плотности ионного тока 10−1 A/cm2 .Скорость роста пленок зависела от концентрации вводимого кобальта и в составляла 1.4- 3.0 nm/min. На подложки предварительно были напылены омические контакты в видемедных микрополосков шириной 0.5 mm и длиной 15 mm (Рис.
5.4b). Расстояние между микрополосками было равно 3.5 mm. Толщины пленок находились в диапазоне 250 550 nm.226a.Granular film123abDquartzUb.Granular filmabDsubstrateUРис. 5.4: Геометрия электрических контактов изучаемых гранулированных структур. (a)Ток протекает перпендикулярно поверхности пленки, (b) ток протекает в плоскости пленки.227Рис. 5.5: Микроструктура гранулированной пленки (a-SiO2 )100−x (Co86 Nb12 Ta2 )x с x =63 at.%.Состав пленок был определен ядерно-физическими методами элементного анализа назаряженных частицах. Атомное отношение кобальта к углероду определено из спектровобратного резерфордовского рассеяния протонов при Ep = 1 MeV. Пленки также содержали кислород и примеси азота.
Их концентрации определялись методом ядерных реакцийс дейтронами при Ed = 1 MeV:16O(d, p)17 O,14N(d, p)15 N и12C(d, p)13 C. Более подробноэта методика изложена в [194]. Исходя из полученных данных, концентрация кобальта xопределялась как отношение числа атомов кобальта к общему количеству атомов. Дляисследованных пленок концентрации x лежали в диапазоне от 24 до 46 at.% и соответствовали структуре, находящейся ниже перколяционного порога. Размер частиц кобальта определялся методом малоуглового рентгеновского рассеяния.
Средний размер частицувеличивался при увеличении концентрации x: от 2.3 nm при x = 24 at.% до 3 nm при x= 46 at.% (Рис. 5.3).Пленки (a-SiO2 )100−x (Co86 Nb12 Ta2 )x были выращены на неподвижных ситалловых подложках методом ионно-лучевого сораспыления SiO2 и сплава Co86 Nb12 Ta2 ионами аргона.Толщины пленок находились в диапазоне 4.0 - 5.1 µm.
Значения концентраций металлической фазы x, выраженные в атомных процентах, лежали в диапазоне 22.4 - 63 at.%и соответствовали структурам с концентрациями гранул, находящимся ниже перколяционного порога. Средний размер гранул увеличивался при увеличении концентрации: от2.0 nm при x = 22.4 at.% до 5 nm при x = 63 at.%.
На Рис. 5.5 представлена типичнаямикроструктура гранулированной пленки a-SiO2 (Co,Nb,Ta). Темные включения соответствуют гранулам металлического сплава, а светлый фон – диэлектрической фазе двуокисикремния.Тонкопленочные наногранулированные композиты (a-SiO2 )100−x (Co41 Fe39 B20 )x были получены методом ионно-лучевого распыления составной сплавной мишени Co41 Fe39 B20 с228навесками SiO2 в атмосфере аргона и кислорода при давлении P = 30 µTorr. Материалосаждался на отполированные ситалловые подложки. Толщина пленок в среднем составляла 5 µm.
Композиты представляли собой системы, состоящие из металлических гранулразмером 2 - 5 nm, расположенных случайным образом в диэлектрической матрице. Дляисследования были приготовлены образцы гранулированных композитов с составами, находящимися ниже порога перколяции.5.3.2Электронный транспорт при малых напряженностях электрического поляСогласно модели КЭС проводимость гранулированной структуры σ определяется совокупностью каналов i, которые включают в себя проводящие области с КЭС и области сбольшим сопротивлением, являющиеся диэлектрическими прослойками между КЭС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
