Диссертация (1145326), страница 46
Текст из файла (страница 46)
ПриPэтом σ = i σi . Проводимость может осуществляться туннелированием электронов в диэлектрических прослойках через локализованные состояния (например, через дефектыв матрице) и термически активированными электронами в зоне проводимости матрицы.Исследованные гранулированные пленки несколько отличались друг от друга по характеру проводимости. Из-за значительной величины активационного барьера ∆ (Рис. 5.1) вструктурах a-SiO2 (Co,Nb,Ta) проводимость определяется резонансным туннелированиемпо локализованным состояниям в диэлектрических прослойках. В структурах a-C:H(Co) иa-C:H(Cu) величина активационного барьера ∆ меньше и к резонансному туннелированиюмежду проводящими кластерами прибавлялась проводимость, осуществляемая термически активированными электронами из проводящих кластеров в π*-зону проводимости aC:H [163].
Кроме этого, в структуре a-C:H содержатся графитоподобные нанокластеры,которые могут давать вклад в формирование каналов проводимости [194]. При наличииграфитоподобных нанокластеров в волновых функциях КЭС (5.1) необходимо учитыватьне только волновые функции электронов металлических частиц и локализованных состояний в матрице, но и волновые функции sp2 -фазы графитоподобных нанокластеров. Прималых концентрациях металлической фазы преобладающим механизмом проводимости вструктурах a-C:H(Co) и a-C:H(Cu) является проводимость, осуществляемая термическиактивированными электронами в зоне проводимости a-C:H. С ростом концентрации металлических наночастиц увеличивается прозрачность туннельных барьеров и основныммеханизмом проводимости становится туннелирование электронов через локализованныесостояния в диэлектрических прослойках между КЭС.Исследования электронного транспорта при малых напряженностях электрическогополя для случая, когда проводимость определяется термически активированными электронами в зоне проводимости матрицы, проводились на пленке (a-C:H)84 Cu16 толщиной1.73 µm в геометрии Рис.
5.4a. Поскольку концентрация носителей зависит от темпера229Current J (nA)3002001000012345Voltage U (V)Рис. 5.6: Начальный участок вольт-амперной характеристики пленки (a-C:H)84 Cu16 дляконтакта a2 геометрии Рис. 5.4a.туры, то были сняты температурные зависимости вольт-амперных характеристик. Этопозволило определить величину активационного барьера ∆ и концентрацию носителей.На Рис. 5.6 представлена вольт-амперная характеристика при малых напряжениях.
ПриU < 2 V она приближается к линейной зависимости. На Рис. 5.7 показана зависимостьлогарифма сопротивления ln R от обратной температуры 1/T в интервале T ∈ [230, 293K]для контакта a2 геометрии Рис. 5.4a. Прикладываемое напряжение U = 0.1 V. Так какпроводимость σ пропорциональна концентрации носителей nc , сопротивление R ∝ σ −1 иконцентрация электронов в зоне проводимости a-C:H связана с концентрацией электроновв зоне проводимости медных частиц распределением Больцманаnc = exp(−∆/kT ),(5.7)то по двум точкам линейной части температурной зависимости сопротивления была найдена величина активационного барьера∆=k(ln R1 − ln R2 )= 0.48 eV.T1−1 − T2−1Концентрация носителей в зоне проводимости аморфного углерода при T = 293 K nc =5.5 · 1014 cm−3 .Релаксация сопротивления гранулированной структуры к равновесному состоянию,связанная с перестройкой КЭС при росте температуры, наблюдалась на пленке (a-C:H)84 Cu16 .230Resistance R (M W)1000100103.43.63.84.04.21/T (x10-3 1/K)Рис.
5.7: Температурная зависимость сопротивления пленки (a-C:H)84 Cu16 для контактаa2 геометрии Рис. 5.4a.Температурный рост увеличивает туннельную прозрачность барьера между высокопроводящими областями и увеличивает размер локализации L КЭС (5.6). Релаксация сопротивления, наблюдаемая после быстрого нагрева пленки, представлена на Рис. 5.8 для контакта a3 геометрии Рис. 5.4a. Пленка охлаждалась до температуры T = 77 K и 45 minвыдерживалась при этой температуре.
Сопротивление между контактами было больше1.2 GΩ. После охлаждения пленка подвергалась быстрому нагреву до 297 K. Начало кривой релаксации (t = 0) соответствует тому моменту, когда температура пленки достигла297 ±1 K. После этого момента температура не менялась. Сопротивление при t = 0 имеломинимальную величину. Во временном интервале 1.5 - 5.5 min наблюдался линейный ростсопротивления. При t = 5.5 min происходила смена зависимости релаксации сопротивления. При t > 5.5 min изменения величины сопротивления были незначительными. Согласно модели КЭС релаксация сопротивления может быть объяснена следующим образом.При низких температурах (T = 77 K) размер локализации КЭС L (5.6) и, соответственно,электрическая емкость кластера частиц, на котором локализована КЭС, имеют меньшуювеличину, чем при более высоких температурах.
Если нагрев осуществляется достаточнобыстро, L не успевает существенно вырасти. Это приводит к тому, что при T = 297 K дляполучившегося неравновесного состояния кулоновский сдвиг энергии Wc при нахожденииэлектрона на КЭС оказывается большим по сравнению с кулоновским сдвигом энергии(eq)Wcдля равновесного КЭС, который должен быть характерен для этой температуры.23170Resistance R, M605040302010024681012Time t, minРис. 5.8: Релаксация сопротивления R на контакте a3 для пленки (a-C:H)84 Cu16 .Увеличение кулоновского сдвига ведет к увеличению числа термически активированныхэлектронов в π*-зоне проводимости a-C:H, которая выражается формулой (5.7) на множи(eq)тель exp(Ec /kT ), где Ec = Wc − Wc– разность кулоновских сдвигов энергии (Рис.
5.1a),и, соответственно, к меньшему сопротивлению в неравновесном состоянии при t = 0. Отношение сопротивлений между контактами при равновесном (t > 5.5 min) и неравновесном(t = 0) состояниях определяется соотношениемR(eq)= expRµEckT¶.При температуре 297 K размеры кластеров растут и Wc релаксирует к равновесному зна(eq)чению Wc. Результатом этого является понижение числа термически активированныхэлектронов в π*-зоне проводимости a-C:H и увеличение сопротивления между контактами.Зависимость проводимости σ гранулированной структуры от концентрации металлических частиц исследовалась на пленках a-SiO2 (Co,Nb,Ta). Проводимость σ гранулированной структуры определяется отношением проводимостей металла и матрицы. В первомприближении гранулированную структуру Mat100−x Grx , где Mat – матрица и Gr – гранулы металла, можно рассматривать как перколяционную систему, которая в зависимостиот проводимости кластеров гранул σGr и матрицы σM at может быть описана двумя предельными моделями.
В первой модели рассматривается случай σM at = 0 (ant limit), вовторой – σGr = ∞ (termite limit) [184, 204, 205]. Для перколяционных систем ant limit иtermite limit характерны существование определенного значения перколяционного порогаxperc и скейлинговая зависимость общей проводимости от концентрации металлической232фазы x, σ ∝ (x − xperc )µ [184]. Если отношение проводимостей σGr /σM at отлично от бесконечного значения и нуля, то не существует точной величины перколяционного порога. Онразмывается, и можно говорить лишь об области порога протекания [204,205].
Область порога протекания можно определить по изменению характера температурных зависимостейпроводимости – переходу от неметаллического к металлическому типу.Удельное электрическое сопротивление гранулированной структуры(a-SiO2 )100−x (Co86 Nb12 Ta2 )x в зависимости от концентрации металлической фазы x до ипосле проведения отжига представлено на Рис. 5.9. Из-за значительной величины активационного барьера ∆ в этих структурах проводимость определяется резонансным туннелированием по локализованным состояниям дефектов матрицы.
На Рис. 5.9 представлены концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления ρ = σ −1пленок (a-SiO2 )100−x (Co86 Nb12 Ta2 )x при комнатной температуре для образцов в исходномсостоянии и после термической обработки. Измерения проводились в геометрии Рис. 5.4b.Отжиг пленок проводился в вакууме 10 µTorr при T = 400◦ С в течение 30 min. Отжиг влияет на проводимость σ гранулированной структуры. После отжига уменьшается количество дефектов в диэлектрических прослойках между КЭС, через которые осуществляетсятуннелирование электронов.
После термообработки зависимости удельного сопротивленияприобретали S-образную форму, характерную для перколяционных систем. Отожженныегранулированные структуры приближались к пределу termite limit с σGr = ∞. Отжиггранулированных структур приводит к увеличению электрического сопротивления длясоставов с малой концентрацией металлической фазы и к его уменьшению при больших x,находящихся вблизи области порога перколяции.
При этом область порога перколяции после отжига сдвигается в сторону меньших концентраций x. При отжиге гранулированныхструктур происходят два процесса.(A). Отжиг уменьшает количество дефектов в матрице, что ведет к уменьшению количества локализованных состояний в туннельных каналах между гранулами и к падениюпрозрачности туннельных барьеров между КЭС. Проводимость матрицы уменьшается.(B). При отжиге происходит структурная релаксация металлической фазы. Гранулы могут укрупняться и сливаться между собой. Это приводит к увеличению проводимостиметаллических кластеров.При малых концентрациях гранул превалирует первый механизм и отжиг ведет к увеличению общего удельного сопротивления гранулированных структур a-SiO2 (Co,Nb,Ta).При больших концентрациях наблюдается второй процесс, который проявляется в уменьшении сопротивления.2331.0E+21.0E+11Resistivity r ( W m)1.0E+01.0E-121.0E-21.0E-31.0E-41.0E-5203040506070Metal concentration x (at.%)Рис.
5.9: Удельное электрическое сопротивление гранулированной структуры (aSiO2 )100−x (Co86 Nb12 Ta2 )x в зависимости от концентрации металлической фазы x: 1 – послепроведения отжига; 2 – до отжига.5.3.3Большие напряженности электрического поля и туннельныеэффектыРассмотрим действие больших напряженностей электрического поля на структуру aC:H(Cu) с малой концентрацией металлической фазы. При малых напряженностях электрического поля проводимость осуществляется термически активированными электронами в π*-зоне проводимости матрицы a-C:H. Проводимость в диэлектрических прослойкахмежду КЭС посредством туннелирования электронов через локализованные состоянияявляется незначительной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
