Диссертация (1145326), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Температурная зависимость удельного сопротивления является линейной, имеет31металлический тип с большим остаточным сопротивлением и определяется рассеянием нафононах, дефектах и границах проводящего кластера.В заключении рассмотрения температурных зависимостей проводимости гранулированных структур стоит отметить термически активационный тип проводимости. Он наблюдается, когда разность энергий между дном зоны проводимости матрицы и уровнем Ферми металлических частиц сравнима со значением kT .
В этом случае проводимость σ ∝ exp(−εa /kT ), где εa – энергия активации. Такой тип проводимости наблюдалсяна структурах с полупроводниковой матрицей a-C:H, содержащей наночастицы меди, aC:H(Cu), при малых концентрациях наночастиц [163]. Большое расстояние между частицами приводило к малым значениям величины резонансного туннелирования, к доминированию активационного механизма и к электронной проводимости через зону проводимостиa-C:H.Зависимости проводимости от электрического поля. Рассмотрим зависимостипроводимости гранулированных структур от приложенного электрического поля. При малых напряженностях поля вольт-амперные характеристики подчиняются закону Ома.
Прибольших величинах электрического поля начинают наблюдаться отклонения проводимости от омического типа и появляются аномалии вольт-амперных характеристик. Причинами возникновения аномалий являются туннелирование электронов между гранулами иэффект кулоновской блокады [201–203]. Туннельный механизм электронного транспортапри больших прикладываемых напряжениях наблюдался в a-C:H(Cu) [163].
При превышении определенного порогового напряжения осуществлялся переход из изолирующегосостояния в проводящее и обратный переход при снятии поля. В [170] обнаружен гистерезис вольт-амперных характеристик и необратимые изменения сопротивления в сильныхэлектрических полях на структурах a-SiO2 (Co41 Fe39 B20 ), пики проводимости на температурной зависимости тока при понижении температуры в сильных полях и релаксацияпроводимости при нагревании на пленках a-C:H(Cu). В сильных полях на структурахAl2 O3 (Fe) наблюдалось отклонение от закона Мотта (1) с α = 1/4 (Рис. 1.5) [176].Кластерные электронные состояния. Попытка объяснить вышеприведенные эффекты в сильных электрических полях, релаксацию проводимости при нагревании, а также обнаруженные значительные изменения диэлектрической проницаемости и увеличение диэлектрических потерь с ростом температуры привела к необходимости модификации классической перколяционной теории и введения кластерных электронных состояний(КЭС) [94,169,170].
Волновая функция КЭС формируется из волновых функций электронов металлических частиц и волновых функций электронов локализованных состояний(дефектов, примесей) в матрице. КЭС образуются при достаточно большой прозрачноституннельных барьеров между металлическими частицами, когда волновая функция электрона, находящегося на уровне Ферми в частице, расплывается и локализуется на группе(кластере) частиц. Ниже порога перколяции КЭС имеют ограниченные размеры и опре32Рис. 1.5: Температурная зависимость сопротивления пленки Al2 O3 (Fe) с объемной концентрацией Fe 0.33 толщиной 100 nm при двух разных токах в current-in-plane геометрии [176].деляют области проводимости в гранулированной структуре.
Выше порога перколяцииразмеры КЭС становятся неограниченными и КЭС образует бесконечный проводящийкластер. Определение размера локализации КЭС проведено в разделе 5.2 с помощью модели локализации Андерсона [173,174]. Внешние факторы, действующие на гранулированную структуру – сильное электрическое поле, температура, изменяют размер локализацииКЭС и проводящих областей, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости и удельной проводимости. После прекращения действия внешних факторов структура КЭС может отрелаксировать к первоначальному состоянию, либо перейти к новомусостоянию, характеризуемому другой волновой функцией КЭС.
Это должно приводитьк особенностям и гистерезису полевых зависимостей проводимости. Экспериментальныепроявления этих особенностей представлены в разделе 5.3. Также в этом разделе из степенных температурных зависимостей проводимости определено среднее число локализованных состояний дефектов и примесей в туннельных каналах между высокопроводящимиобластями.331.4.2Диэлектрические свойства гранулированных структур с металлическими наночастицами, поглощение электромагнитного излучения и радиопоглощающие покрытияГранулированные структуры с металлическими наночастицами, расположенными случайным образом в диэлектрической или полупроводниковой матрице, обладают диэлектрическими свойствами, которые значительно отличаются от объемных образцов.
В области перколяции диэлектрическая проницаемость ε гранулированных структур достигаеточень больших величин [94]. Значительное увеличение диэлектрической проницаемостинаблюдается с ростом температуры [170]. Существует достаточно много феноменологических моделей и основанных на них методов нахождения проницаемости гетероструктур, состоящих из двух фаз: метод функционала плотности [207], метод конечных элементов [208, 209], алгоритм Монте-Карло [210], метод мультипольных моментов [211, 212].Этими методами найдено, что величина ε зависит от формы наночастиц, входящих в диэлектрическую матрицу [209,213] и их распределения в матрице [214–217]. Но вышеназванные методы расчета хорошо работают для гранулированных структур с диэлектрическими наночастицами, например, Fe3 O4 (Рис.
1.6) [218], и неприменимы для гетероструктур снаночастицами металла. Причиной этого является формирование проводящих кластеров,состоящих из группы частиц, и, вследствие этого, образование больших дипольных моментов, определяющих диэлектрические свойства. Так как согласно разделу 5.2 проводящиекластеры связаны с КЭС, то эта теоретическая модель применена для расчета диэлектрической проницаемости. Теоретический вывод и температурные зависимости ε рассмотреныв разделе 5.4. Термически возбужденные уровни КЭС и зависимость размера локализации КЭС от температуры определяют температурные свойства проницаемости. МодельКЭС позволяет объяснить наблюдаемое значительное увеличение диэлектрических потерьгранулированных гетероструктур с ростом температуры: ε00 гетероструктур изменяется стемпературой значительно сильнее, чем диэлектрические свойства компонентов, взятыепо отдельности и обладающие слабой температурной зависимостью.Если металлические частицы в гранулированной структуре являются ферромагнитными, то наряду с большими величинами диэлектрической проницаемости, которая достижима в области перколяционного порога, в этих структурах наблюдается ферромагнитный резонанс и эффекты, связанные с магнитными потерями.
В [219] исследовалиськомпозиты, полученные из нано- и микропорошков ZnO и γ-Fe2 O3 . Было найдено, чтодиэлектрическая и магнитная проницаемости имеют значительно большие величины длянанокомпозитов и для них ФМР сдвигается в сторону более высоких СВЧ частот, что объясняется большим значением внутреннего эффективного поля, действующего от соседнихчастиц. Те же закономерности были прослежены для нанокомпозитов с металлическиминаночастицами Co и Ni в матрице ZnO [115]. Замена матрицы ZnO на BaTiO3 позволила34Рис. 1.6: (a) Действительная и (b) мнимая части диэлектрической проницаемости композита, состоящего из эпоксидной резины с наночастицами Fe3 O4 с разными объемнымифакторами заполнения наночастицами [218].35получить магнитоэлектрический эффект [220].
В нанокомпозитах BaTiO3 с наночастицами Ni величина диэлектрической проницаемости изменялась приложенным магнитнымполем.Большие величины диэлектрической и магнитной проницаемостей, диэлектрических имагнитных потерь делают гранулированные структуры с ферромагнитными металлическими наночастицами перспективным материалом для создания радиопоглощающих покрытий. В [221] теоретически рассмотрены нанокомпозиты с ферромагнитными металлическими частицами и отмечено, что большие магнитные потери приводят к поглощениюэлектромагнитных волн (ЭМВ) в широком частотном диапазоне. Использование наночастиц Fe и Co позволяет делать легкие покрытия, а сочетание диэлектрических и магнитныхпотерь дает возможность этим покрытиям работать не только в СВЧ диапазоне, но и вдиапазоне миллиметровых волн.
В [222] отмечается, что для достижения оптимальныхмагнитных свойств (магнитной проницаемости) нанокомпозитов с ферромагнитными металлическими наночастицами в СВЧ диапазоне необходимо учитывать размер, форму иориентацию наночастиц и их концентрацию. Выбором этих параметров можно получитьпокрытие с малыми вихревыми токами и положением пиков ФМР в нужном диапазоне.Экспериментальные исследования показывают, что для поглощения ЭМВ важны нетолько свойства ферромагнитного металла, но и свойства диэлектрической матрицы илиоболочки, окружающей частицы и влияющей на положение естественного ФМР. В [223]исследовались нанокомпозиты из частиц Fe с ZnO оболочкой. Поглощение ЭМВ покрытиями с толщинами 1.5 - 5 mm в диапазоне 6.1 - 15.7 GHz достигало 20 dB.
Покрытиена основе нанокомпозита α-Fe/Fe3 B/Y2 O3 в [224] имело ЭМВ-поглощение 20 dB в диапазоне 2.7 - 6.5 GHz. Очень перспективным в покрытиях является применение аморфнойуглеродной матрицы. В [225] получены нанокомпозиты α-Fe/C, Fe2 B/C, Fe1.4 Co0.6 B/C с40 vol.% содержанием металлической фазы. Благодаря разному полю магнитокристаллической анизотропии нанокомпозиты имели широкие пики ФМР в разных частотныхобластях. Поглощение ЭМВ в покрытиях толщиной 0.82 -3.3 mm достигало 20 dB в диапазонах: 4.3 - 8.2 GHz (α-Fe/C), 7.5 - 16.0 GHz (Fe2 B/C) и 26.5 - 40 GHz (Fe1.4 Co0.6 B/C).В [226] на композитах с нанокапсулами Ni/C естественный ФМР наблюдался на частоте5.5 GHz, что обеспечивало высокие поглощающие свойства ЭМВ вблизи этой частоты.На покрытиях с нанокапсулами Fe/C толщиной 3.1 mm максимум поглощения ЭМВ былдостигнут на частоте 9.6 GHz [227]. Нанокомпозиты Fe/SiO2 обнаруживают два пика поглощения: на частоте 5.91 GHz, который, по мнению авторов, соответствуют возбуждениюспинов внутренней части частиц Fe, и на частоте 11.01 GHz, связанный с возбуждениемповерхностных спинов [228].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
