Прикарпатський національний університет

імені Василя Стефаника

На правах рукопису

Пенюх Богдан Романович

УДК 539.216 + 546.3

ВПЛИВ НЕОДНОРІДНОСТЕЙ ПОВЕРХНІ НА ПЕРЕНОС ЗАРЯДУ В ТОНКИХ ПЛІВКАХ МЕТАЛІВ

01.04.18 – Фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Івано-Франківськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичної і біомедичної електроніки

Львівського національного університету імені Івана Франка,

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри фізичної і біомедичної електроніки Львівського національного університету імені Івана Франка

Стасюк Зиновій Васильович

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач відділу теорії нерівноважних процесів

Інституту фізики конденсованих систем НАН України (м. Львів)

Токарчук Михайло Васильович

кандидат фізико-математичних наук, професор кафедри фізики металів Львівського національного університету імені Івана Франка

Миколайчук Олексій Гордійович

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “ 23 ” грудня 2005 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 20.051.06 у Прикарпатському національному університеті імені Василя Стефаника Міністерства освіти і науки України за адресою: 76000, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника (76000, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57).

Відгуки на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою, просимо надсилати за адресою: 76000, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57, вченому секретарю спеціалізованої вченої Ради Д 20.051.06.

Автореферат розісланий “_22___” __листопада_ 2005 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Ради Д 20.051.06

д.т.н., професор Сіренко Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Значна увага до вивчення фізичних явищ в тонких плівках обумовлена як широким використанням тонких шарів речовини у ряді сучасних технологій, так і важливим пізнавальним значенням цих досліджень. Тонкі шари речовини є основними елементами ряду пристроїв у мікроелектроніці, техніці надвисоких частот, оптоелектроніці та інших галузях сучасної техніки. Вивчення фізичних властивостей плівок дозволяє отримати не тільки надзвичайно цінну інформацію необхідну для розуміння фундаментальних властивостей твердих тіл та їхньої поверхні, а й передбачити особливості технології виготовлення тонкоплівкових елементів із прогнозованими властивостями. Подальша мініатюри-зація електронних пристроїв та поява нанотехнологій призвели до необхідності вивчення надтонких (в ряді випадків – субатомних) плівок металів перспективних з точки зору використання їх в якості провідних і резистивних елементів мікроелектронних пристроїв.

При наявності значної кількості публікацій з питань фізики тонких плівок у багатьох роботах не забезпечена необхідна чистота експерименту (в першу чергу ступінь розрідження газового середовища та знегаження підкладок і випарників досліджуваних матеріалів), відсутні дані про структуру досліджуваних плівок, значна частина експериментальних робіт присвячена вивченню об’єктів товщиною понад 20 нм. Особливо цікавими є роботи останніх років, в яких вказано на можливості формування провідних плівок товщиною в декілька нанометрів шляхом попереднього нанесення на діелектричну підкладку сурфактантних шарів субатомної товщини, що змінюють умови росту в гетероепітаксіальних системах і сприяють переходу від острівцевих до суцільних плівок.

Тому проведення комплексного дослідження структури і розмірних залежностей різних кінетичних коефіцієнтів ультратонких плівок і сумісне трактування отриманих результатів становить значний науковий і практичний інтерес.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрах загальної фізики та фізичної і біомедичної електроніки в лабораторії “Фізики тонкошарових покрить” Львівського національного університету імені Івана Франка за планом наукових держбюджетних тем Фз-43Б "Вплив субатомних покрить на електронні властивості поверхні кристалів та тонких плівок перехідних металів" (№ держреєстрації 0100U001451) та Фз-147ф "Структура і електронні властивості тонких шарів металів субатомної та нанометрової товщини" (№ держреєстрації 0103U001942).

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи – встановити закономірності змін електричних властивостей тонких плівок Fe, Mn, Pb, Pd, Ho та Dy під впливом поверхневого і зерномежового розсіювання носіїв струму та наявності на поверхні діелектричної підкладки сурфактантного підшару (Al або Ge) в процесі зміни їхньої товщини.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі основні завдання:

- розробка та удосконалення методик отримання плівок металів із відтворюваними структурою та електрофізичними властивостями;

- проведення комплексних експериментальних дослідженнь структури, морфології поверхні та розмірних залежностей кінетичних коефіцієнтів плівок, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках на основі квазікласичних та квантових модельних уявлень про перенос заряду в плівках металів;

- з’ясування впливу сурфактантних підшарів на електропровідність плівок в області малих товщин (до 10 нм);

Об’єкти досліджень: тонкі плівки марганцю, заліза, свинцю, паладію, гольмію та диспрозію (товщиною до 100 нм), нанесені на чисті діелектричні підкладки (поліровані скло і кварц, хлористий натрій) та діелектричні підкладки, покриті підшаром алюмінію або германію (товщина до 2,5 нм), в умовах надвисокого вакууму.

Предмет досліджень: електропровідність, температурний коефіцієнт опору (ТКО), термоелектрорушійна сила, структура і морфологія поверхні плівок та зміна порогу протікання струму в плівках при наявності сурфактанту на підкладці.

Методи досліджень: для одержання металевих плівок використаний метод термічного випаровування матеріалів в умовах надвисокого вакууму при тиску залишкових газів, що не перевищував 10-6 Па. Товщину плівок визначали за зсувом резонансної частоти п’єзокварцового датчика, розміщеного в потоці пари металу. Опір плівок вимірювали двохзондовим методом, термо-е.р.с. – компенсаційним методом. Структуру плівок досліджували методами просвічуючої електронної мікроскопії та електронографії. Морфологію поверхні плівки вивчали за допомогою скануючого тунельного мікроскопа (СТМ).

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше отримані розмірні залежності питомого опору та ТКО плівок гольмію та диспрозію, обчислені параметри переносу заряду в плівках та зроблена оцінка середньої амплітуди макроскопічних неоднорідностей товщини плівки. Обчислена величина добре узгоджується з даними, отриманими нами за допомогою СТМ.

2. Встановлено, що нанесення підшару Al або Ge субатомної товщини дозволяє зменшити товщину плівок паладію, марганцю і свинцю, яка відповідає порогу протікання струму в плівках.

3. Вперше виявлено вплив розмірного квантування на питомий опір плівок паладію та марганцю, з’ясовано вплив на квантовий розмірний ефект умов виготовлення зразків.

4. На основі розмірних залежностей термо-е.р.с. та питомого опору плівок марганцю та заліза проведене розділення внесків електронних та діркових траєкторій носіїв струму в сумарний перенос заряду в плівках.

Практичне значення отриманих результатів. Наукові результати, отримані в ході виконання дисертаційної роботи, що характеризують структуру, морфологію поверхні та розмірні залежності питомого опору, ТКО і термо-е.р.с. тонких плівок можуть бути використані в сучасному матеріалознавстві, мікро-, наноелектроніці та інших галузях науки і техніки для виготовлення тонкоплівкових зразків з наперед заданими фізичними властивостями.

Результати розрахунку параметрів переносу заряду в плівках придатні для подальшого розвитку квазікласичних та квантових модельних уявлень про кінетичні явища в тонких плівках металів.

На основі отриманих даних про електропровідність тонких плівок на початкових стадіях їх зародження і росту підтверджено ефективність використання сурфактантних підшарів для зменшення товщин, що відповідають порогу протікання струму провідності. Результати досліджень використані для розробки методик створення ультратонких (товщиною порядку 2-7 нм) провідних металевих покрить.

Особистий внесок здобувача полягає в самостійному пошуку та аналізі літературних джерел по темі дисертації, розробці експери-ментальних методик, технологічного обладнання та програмного забезпечення для дослідження електропровідності тонких металевих плівок при неперервному їх напиленні за допомогою комп’ютера, виконанні експериментальних досліджень структури та електропровідності тонких металевих плівок, обробці експериментальних даних, виготовленні ілюстративного матеріалу для публікацій, участі в написанні статей. Постановку завдань дослідження і узагальнення результатів здійснено спільно з науковим керівником проф. Стасюком З.В. Дослідження розмірних залежностей термо-е.р.с. були проведенні спільно з доц. Мельничуком Б.Л. та н.сп. Козаком М.М., морфології поверхні металевих плівок – спільно з н.сп. Ярішем І.Я. Автор брав участь в обговоренні та тлумаченні експериментальних даних для публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на наступних наукових симпозіумах, семінарах і конференціях: Другій Міжнародній конференції “Конструкційні та функціональні матеріали” (м. Львів, 1997); VI, VII, VIII, IX і X Міжнародних конференціях “Фізика і технологія тонких плівок” (м. Івано-Франківськ, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005 р.); VI, VIII і X Міжнародних семінарах з фізики та хімії твердого тіла (м Львів, 2000, 2002 і 2004 р.); 20-th International Seminar on Surface Physics (Kudova-Zdroj, Poland, 2000); Звітних наукових конференціях Львівського національного університету імені Івана Франка (1997–2005 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 18 наукових публікацій: у тому числі 6 статей у фахових наукових журналах та 12 у матеріалах і тезах міжнародних наукових конференцій.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що включає 150 найменувань. Обсяг дисертації становить 130 стор., включаючи список використаних джерел, 50 рисунків і 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У Вступі подано обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, вказано на її зв’язок із держбюджетними науковими програмами, що виконуються на кафедрі, сформульована мета і основні завдання дослідження, вказані наукова новизна, практична цінність та апробація отриманих результатів, наведені відомості про публікації, об’єм і структуру дисертації.

У першому розділі “Електронні кінетичні явища в зразках обмежених розмірів” зроблений короткий огляд робіт за темою дисертації. Наведено сучасну класифікацію розмірних ефектів у плівках та причини їх виникнення. Здійснено порівняльний аналіз сучасних моделей опису розмірних залежностей кінетичних коефіцієнтів у рамках квазікласичного та квантового підходів. Зроблено висновок, що найбільш коректно явища переносу заряду в плівках металів товщиною більшою за 5–10 нм можуть бути описані за допомогою квазікласичної моделі полікристалічного шару неоднорідної товщини, яка враховує додаткове розсіювання носіїв струму як неоднорідностями поверхні (мікро- і макроскопічними), так і границями зерен, з яких складається плівка. За менших товщин плівок доцільно використовувати квантову модель Фішмана-Цалецького. Проаналізовано умови спостереження осциляцій кінетичних коефіцієнтів. Окремо розглянуто особливості переносу заряду в плівках перехідних металів. В аналізі експериментальних робіт вказано на розбіжності експериментальних даних, отриманих різними авторами, що є наслідком неідентичності умов проведення експериментів (вакуумних умов та методик отримання досліджуваних зразків).

У другому розділі “Об’єкти та методика досліджень” подане обґрунтування вибору об’єктів дослідження. Описано використані методики препарування зразків, дослідження їх структури, морфології поверхні і електричних властивостей. Вказано, що сукупність цих методик дає вичерпну інформацію, необхідну для розуміння і трактування процесів переносу заряду, що відбуваються в тонких металевих плівках. Приготування плівок та дослідження їхніх електричних властивостей проводили в умовах надвисокого вакууму у відпаяних скляних приладах та металевій надвисоковакуумній установці УСУ-4. Для контролю газового складу в приладі під час експерименту використовували омегатронний мас-спектрометр. Плівки металів отримували методом конденсації пари термічно випаровуваного матеріалу на охолоджені до 78 К підкладки з полірованого скла, кварцу або монокристалічні сколи хлористого натрію. Отримання плівок зростаючої товщини досягалось послідовним допиленням матеріалу. Після напилення плівки підлягали низькотемпературному (при Т=370 К) відпалу протягом 1–2 годин до стабілізації їх електричних властивостей. Товщину плівок визначали за зсувом резонансної частоти п’єзокварцового резонатора, розміщеного в потоці пари металу. Чутливість датчика по сріблу становила 70–100 Гц/нм і забезпечувала чутливість визначення товщини порядку 0,1–0,2 нм при товщинах плівок 2–100 нм.

Опір плівок вимірювали двохзондовим методом за допомогою цифрових вольтметрів В7-34А та Щ-301 (похибка вимірювань не перевищувала 0,1%), термо-е.р.с. вимірювали компенсаційним методом за допомогою нановольтамперметра Р-341 (похибка визначення не перевищувала 5%). Для дослідження розмірних залежностей питомого опору невідпалених плівок при неперервному їх напиленні використали ЕОМ, з оригінальним програмним забезпеченням, під’єднану до цифрового виходу В7-34А.

Структуру плівок досліджували методами просвічуючої електронної мікроскопії (ПЕМ 100М та УЭМВ-100) та електронографії (УЭМВ-100). Морфологію поверхні плівки досліджували за допомогою скануючого тунельного мікроскопа, розміщеного в УСУ-4.

Третій розділ “Структура та електропровідність тонких плівок Fe, Mn, Pb, Pd, Ho та Dy” складається п’яти підрозділів.

У першому підрозділі “Структура і розмірні залежності питомого опору та ТКО плівок Fe, Mn, Pb, Pd, Ho та Dy” проаналізовані результати дослідження структури та електропровідності плівок. Дослідження структури проведено з використанням стандартних методик – електронографії та електронної мікроскопії на просвіт. Показано, що в умовах малої швидкості нанесення матеріалу плівки (не більшої за 0,1 нм/сек) і низькотемпературного відпалу (Твідп=370 К) можна отримати однорідні полікристалічні зразки з граткою, аналогічною до гратки масивного металу. При цьому отримуються зразки ізотропні в площині плівки без нерівноважних фаз. Виявлено, що при більших швидкостях напилення металу або при використанні високотемпературного відпалу плівкам досліджених металів притаманне утворення текстур. При дослідженні плівок різної товщини, отриманих послідовним допиленням металу, показано, що розміри кристалітів не залежать від товщини плівки. Середнє значення лінійних розмірів кристалітів у площині, паралельній до підкладки, було в межах від 6–12 нм (для плівок Mn і Pd) до 25 нм (для плівок Pb). Дослідження морфології поверхні плівок методом СТМ показало існування макроскопічних неоднорідностей на поверхні плівки. Середня амплітуда цих неоднорідностей при товщині плівки, більшій за 7–10 нм, не залежала від товщини плівки, і корелювала з середніми лінійними розмірами кристалітів (). Отримані результати структурних досліджень дозволили стверджувати, що спостережувані нами розмірні залежності кінетичних коефіцієнтів зумовлені лише додатковими внесками розсіювання носіїв струму на поверхні плівок та на границях кристалітів, а не впливом зміни їх структури (фазового розмірного ефекту).

а) |

б)

Рис. . Розмірні залежності і плівок Ho (а) і Dy (б).

На рис. зображені типові розмірні залежності питомого опору та температурного коефіцієнта опору отримані для плівок диспрозію (рис. , а)) та гольмію (рис. , б)). Початково трактування цих залежностей проведено в рамках моделі Фукса-Зондгеймера [1]. Згідно з нею, в діапазоні товщин залежності та для плівок незмінної структури описуються наступними наближеними виразами:

(1)

, (2)

де та – питомий опір та ТКО безмежно товстої плівки (); – середня довжина вільного пробігу носіїв струму в плівці; – коефіцієнт дзеркальності відбивання носіїв струму зовнішніми поверхнями плівки. Апроксимувавши отримані експериментальні дані виразами (1) і (2) за умов повністю дифузного розсіювання носіїв струму на поверхнях плівок (), отримано значення , та для всіх матеріалів.

У другому підрозділі “Вплив зернограничного розсіювання носіїв струму на параметри переносу заряду в плівках” подане трактування результатів досліджень на підставі теорій внутрішнього розмірного ефекту (Маядаса-Шацкеса (М-Ш) [2] та Тельє-Тоссе-Пішара (Т-Т-П) [3]). З метою розрахунку значень параметрів переносу заряду в плівках використані наступні вирази, що описують взаємозв’язок величин і , отриманих з виразів (1) і (2), із відповідними їм значеннями та , притаманними масивному матеріалу:

(2)

(3)

(4)

згідно моделі [2] та

, (5)

згідно моделі [3]. Тут середня довжина вільного пробігу носіїв струму в масивному металі, а – середній лінійний розмір кристалітів, з яких складається плівка. Параметри: – імовірність зерномежового розсіяння (має зміст імовірності розсіювання носіїв струму на міжзереннній межі), – імовірність тунелювання носіїв струму з одного зерна в сусіднє.

Враховуючи взаємозв’язок між величинами і : (), проведено співставлення цих величин, розрахо-ва-них з допомогою згаданих моделей. Отримані експериментальні результати, підтвердили гіпотезу про відсутність температурної залежності параметра (принаймні в діапазоні температур 78–370 К).

У третьому підрозділі “Вплив макроскопічних неоднорідностей товщини на питомий опір плівок” представлені результати досліджень питомого опору плівок металів в області товщин, менших за 10 нм. Експериментально виявлено більш швидке зростання питомого опору плівок із зменшенням , ніж передбачає теорія [1] (див. рис. . а) – для плівок Pd, рис.2. б) – для плівок Ho (крива 1 – відпалені плівки, крива 2 – свіжонанесені)). Це зумовлено, на наш погляд, впливом додаткового розсіювання носіїв струму макроскопічними неоднорідностями, середня амплітуда яких стає співмірною з . Трактування отриманих даних здійснене в межах квазікласичної моделі полікристалічного шару неоднорідної товщини [4], згідно із якою розмірну залежність питомого опору плівки можна представити у вигляді:

. (6)

Параметр має сенс амплітуди макроскопічних неоднорідностей товщини плівки. Здійснено порівняння значення , отриманого нами за допомогою виразу (6), з результатами СТМ досліджень. Показано, що в межах похибки експериментальні та розрахункові значення однакові.

а) | б)

Рис. . Розмірні залежності плівок Pd (а) і Ho (б).

У четвертому підрозділі “Вплив субатомних сурфактантних шарів Al та Ge на перенос заряду в тонких плівках Pd, Mn та Pb” подані результати дослідження плівок металів, сформованих на сурфактантних підкладках. Вивчені можливості отримання електропровідних шарів металів товщиною 2–5 нм шляхом попереднього нанесення на підкладку шару сурфактанту (товщиною 0,5–3 нм). Показано, що наявність такого підшару суттєво змінює характер росту плівки на початкових стадіях (див. рис. : а) – для плівок Pb, б) – для плівок Mn). Експериментально встановлено залежність порогу протікання струму в таких системах від товщини підшару. Дані структурних досліджень показали, що середні лінійні розміри кристалітів у плівках, нанесених на підшар сурфактанту, менші за лінійні розміри кристалітів у плівках, нанесених на чисті діелектричні підкладки. У межах вище наведених моделей обчислені параметри переносу носіїв струму в таких системах. Показано, що нанесення підшару призводить до збільшення і зменшення і плівок, що зумовлене зміною їх структури.

а) |

б)

Рис. . Розмірні залежності плівок Pb (а) і Mn (б).

У п’ятому підрозділі “Розмірне квантування в ультратонких плівках Pd та Mn” досліджено вплив розмірного квантування на питомий опір плівок паладію та марганцю. Умова спостереження квантового режиму електронного переносу, при приведенні до одиниць вимірювання довжини, може бути виражена як , з , де – ферміївська швидкість електрона, – час релаксації електрона, обумовлений розсіюванням. З точки зору квантової теорії електронного переносу в тонких металевих плівках, залишковий опір плівки зумовлений поверхневим розсіюванням носіїв, є пропорційним до :

, (7)

де . (Зауважимо, що квазікласичні [1, 4] моделі передбачають ). Підтвердженням цього є аналіз даних, наведений на рис. .а, на якому крива 1 у логарифмічному масштабі ілюструє розмірну залежність питомого опору свіжонанесених на скло плівок паладію, а крива 2 – аналогічну залежність для плівок паладію, нанесених на сурфактантне алюмінійове покриття товщиною 0,3 нм. Експериментальні дані позначені точками. Як видно з рисунка, кожну з експериментальних залежностей можна апроксимувати двома лінійними ділянками: в області  нм залишкова провідність пропорційна , а при нм . Таким чином, при великих товщинах залежність залишкової провідності від товщини плівки може бути пояснена з допомогою класичної моделі [1], а при  нм – з допомогою квантової моделі [5]. В перехідній ділянці товщин для опису експериментальних даних може бути використана класична модель [4], створена для плівок неоднорідної товщини (рис. .б)).

а) |

б)

Рис. . Розмірні залежності залишкової провідності плівок Pd.

Квантові теорії електронного переносу, крім того, передбачають наявність осциляцій з періодом , де – довжина хвилі де-Бройля електрона провідності. В ході проведених досліджень осциляції питомого опору не спостерігалися, що є наслідком впливу додаткового внеску розсіювання носіїв струму поверхневими недосконалостями плівки та недостатньої чутливості вимірювання товщини плівки. Наявність чи відсутність осциляцій може бути також викликана особливостями динаміки росту плівки [6].

У четвертому розділі “Термоелектричні властивості тонких плівок Fe та Mn” представлені результати експериментального дослідження термо-е.р.с. плівок у залежності від їхньої товщини. Трактування розмірних залежностей плівок згідно моделей [1–4] некоректне, оскільки згадані теорії побудовані для ідеального зоммерфельдівського металу, а залізо і марганець належать до перехідних d-металів, і володіють складною енергетичною структурою зон і в них присутні декілька груп носіїв струму з різними ефективними масами. Враховуючи, що поверхневе та зерномежове розсіювання можуть по різному впливати на перенос заряду носіями різних груп, слід очікувати появи складних ефектів в розмірних залежностях . Тому для трактування отриманих даних, нами використана спрощена модель [7], що базується на наступних припущеннях:

1. У плівці перехідного металу є принаймні дві незалежні групи носіїв струму з різними ефективними масами.

2. Поверхневе та зерномежове розсіювання незалежно впливають на перенос заряду кожною групою носіїв струму зокрема.

Це дало змогу використати теорії розмірного ефекту [1–4] для опису переносу заряду кожною з груп носіїв струму. Згідно з модельними припущеннями [7] розмірні залежності питомого опору та термо-е.р.с. плівок можна представити наступними виразами:

(8)

(9)

Тут і – електронні та діркові складові питомої електропровідності плівок; – постійна Больцмана; – елементарний заряд; – абсолютна температура; – енергія Фермі; і – параметри електронної структури металу.

а) |

б)

Рис . Розмірні залежності , , та плівок Fe (а) і Mn (б).

Користуючись виразами (8) і (9) обчислено залежності і для плівок заліза (рис. , а)) та марганцю (рис. . б)). Розраховано параметри електропереносу носіями струму кожної групи зокрема.. Температурної залежності параметрів і в діапазоні температур 78–370 К не виявлено.

ВИСНОВКИ

Основні наукові і практичні результати роботи такі:

1. Дослідження структури плівок Fe, Mn, Pb, Pd, Ho та Dy методами електронної мікроскопії електронографії та СТМ показали, що отримані зразки є дрібнодисперсними, полікристалічними та ізотропними у площині плівки і володіють кристалічною граткою, характерною масивному металу. Це дозволяє стверджувати, що спостережувані нами розмірні залежності кінетичних коефіцієнтів зумовлені лише додатковими внесками розсіювання носіїв струму на поверхнях плівок та на границях кристалітів, а не впливом зміни їх структури.

2. Отримані залежності питомого опору та ТКО плівок Fe, Mn, Pb, Pd, Ho та Dy трактовано в рамках моделі, що вважає адитивними процеси розсіювання носіїв струму: об’ємне, зерномежове та два види поверхневого розсіювання (недосконалостями поверхні плівки атомного масштабу та макроскопічними неоднорідностями поверхні, обумовленими дрібнозернистою будовою плівки). В рамках даної моделі розраховані значення середньої довжини вільного пробігу носіїв струму та імовірності міжзеренного тунелювання, що повністю характеризують перенос заряду в плівці.

3. Величина середньої амплітуди макроскопічних неоднорідностей товщини плівки, розрахована з розмірних залежностей провідності плівок металів, добре узгоджується з даними СТМ досліджень морфології поверхні. Це підтверджує придатність моделі полікристалічного шару неоднорідної товщини для опису електричних властивостей плівок металів.

4. Показано, що наявність підшару Ge або Al товщиною 0,3–2,5 нм суттєво послаблює коагуляцію зародків росту плівки, зменшуючи при цьому товщину шару, що відповідає порогові протікання струму в плівках Mn, Pd та Pb і дозволяє отримати електропровідні шари цих металів товщиною 3–10 нм.

5. Результати дослідження абсолютної диференціальної термо-е.р.с. плівок Fe та Mn пояснено на основі моделі переносу заряду, що враховує наявність в плівці перехідного металу двох незалежних груп носіїв струму з різними ефективними масами, розраховано параметри переносу заряду по електронних та діркових траєкторіях.

6. Отримані експериментальні дані підтвердили передбачення теорії Тельє-Тоссе-Пішара про відсутність температурної залежності імовірності міжзеренного тунелювання носіїв струму в інтервалі температур 78–370 К.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.

[1] Чопра Л.К. Электрические явления в тонких пленках.- М.: Мир, 1972.- 435 с.

[2] Mayadas A.F., Shatzkes M. Electrical model for polycrystalline films: the case of arbitary reflection at external surfaces // Phys.Solid State.- 1970.- V.B1,№4.- p.1382–1389.

[3] Pichard C.R., Tellier C.R. and Tosser A.J. A three-dimensional model for grain boundary resistivity in thin metal films // Thin Solid Films.- 1979.- V.69№ 2.- p.189–194.

[4] Stasyuk Z.V. Quasiclassical models of electron transport phenomena in thin metal films // Journ. Phys. Stud.- 1999.- V.3,№1.- p.102–106.

[5] Fishman G. and Calecki D. Surface-indused resistivity of ultrathin metallic films: a limit law // Phys. Rev. B.- 1989.- V62.№11.- p.1302–1305.

[6] PalasantzasElectrical conductivity and thin-film growth dynamics // Phys.B.- 2000.- V61.№16.- p.1109–1117.

[7] З.В. Стасюк, М.М. Бигун, Б.Л. Мельничук, Р.С. Панчишин. Электрон–ные явления в тонких пленках некоторых переходных металлов // Известия АН СССР, сер.физ.- 1974.- T.38.- C.370-373.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ:

[1] Пенюх Б.Р. Вплив поверхневого та зерномежового розсіювання носіїв струму на електропровідність плівок заліза // Вiсн. львiв. ун-ту. Сер.фiз.Вип.30.- 1998.- С.132-135.

[2] Мельничук Б.Л., Пенюх Б.Р. Електропровідність тонких плівок гольмію та диспрозію // Журн. фiз. досл.- 1999.- Т.3, № 1.- С.95-97.

Проведення експериментальних досліджень, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, написання статті.

[3] Козак М.М., Мельничук Б.Л., Пенюх Б.Р., Стасюк З.В. Електропровідність плівок марганцю нанометрової товщини // Вiсн. львiв. ун-ту. Сер.фiз.Вип.33.- 2000.- С.333-336.

Постановка експерименту, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків.

[4] Стасюк З.В., Козак М.М., Пенюх Б.Р., Бігун Р.І. Вплив алюмінієвих та германієвих субатомних шарів на перенос заряду в тонких паладієвих плівках // Фізика і хімія твердого тіла.- 2002.- Т.2, № 3.- С.418-422.

Розробка методики вимірювання опору плівок при неперервному їх напиленні, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків.

[5] StasyukKozakPenyukhBihunThe transition from quantum to classical electron transport in palladium films of nanometer thickness // Journ. of Phys. Stud.- 2003.- Vol.7,№.2.- P.207-208.

Розробка методики напилення ультратонких плівок металів, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків.

[6] Мельничук Б.Л., Пенюх Б.Р., Стасюк З.В. Електричні властивості тонких плівок марганцю // Фізика і хімія твердого тіла.- 2004.- Т.5, № 2.- С.318-320.

Отримання розмірних залежностей термо-е.р.с. та питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, написання статті.

[7] Стасюк З.В., Пенюх Б.Р. Вплив неоднорідностей товщини на електропровідність дуже тонких плівок Но та Dy // Конструкційні та функціональні матеріали: Матеріали Другої міжнародної конференції .- (14-18 жовтня) Львів, 1997.- С 228-229.

[8] Мельничук Б.Л., Стасюк З.В., Пенюх Б.Р. Наближені вирази в теорії розмірних кінетичних явищ // VI Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок: Матеріали конф. Т.1.- Івано-Франківськ.- 1997.- С.64.

[9] Стасюк З.В., Пенюх Б.Р., Козак М.М. Електронні явища в тонких шарах марганцю // VIІ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок: Матеріали конф., Івано-Франківськю- 1999.- С.18.

[10] Стасюк З., Пенюх Б., Яріш І., Козак М., Мельничук Б.. Поверхнева структура і електро-провід-ність ультратонких плівок паладію // VI Міжнародний семінар з фізики і хімії твердого тіла. Тези доповідей.- Львів.- 2000.- С.53.

[11] Stasyuk Z., Penyukh B., Jarish I., Kozak M., Melnichuk. B. An influence of Ge adsorption on surface structure and resistivity of ultrathin palladium films // 20-th International seminar on surface Physics.- Kudowa-Zdroj, Poland.- 2000.- P.46.

[12] Stasyuk Z., Penyukh B., Kozak M., Jarish I. The influence of surface asperities on electron transport in very thin palladium films // VIII Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок: Матеріали конф. Т.1.- Івано-Франківськ.- 2001.- С.125.

[13] Kozak M., Penyukh B., Stasyuk Z. The influence of aluminium and germanium surfactant layers on electron transport in thin palladium films // VIII Міжнародний семінар з фізики та хімії твердого тіла: Тези допов.- Львів.- 2002.- С.30.

[14] Стасюк З.В., Пенюх Б.Р., Козак М.М. Електричні властивості в тонких плівках марганцю // ІХ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок: Матеріали конф.Т.2.- Івано-Франківськ.- 2003.- С.173-174.

[15] Бородчук А.В., Козак М.М., Пенюх Б.Р., Стасюк З.В. Вплив субатомних покрить сурми та германію на електропровідність плівок міді і марганцю // Х Міжнар. семінар з фізики та хімії твердого тіла: Тези допов.- Львів.- 2004.- .85.

[16] Мельничук Б.Л., Пенюх Б.Р., Стасюк З.В. Термоелектричні властивості тонких плівок марганцю // Х Між нар. семінар з фізики та хімії твердого тіла: Тези допов.- Львів.2004- С.86.

[17] Мельничук Б.Л., Пенюх Б.Р., Стасюк З.В. Термоелектричні властивості тонких плівок заліза // Ювілейна Х Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок: Матеріали конф.Т.1.- Івано-Франківськ.- 2005.- С.259.

[18] Козак М.М., Пенюх Б.Р., Стасюк З.В Особливості переносу заряду в тонких плівках марганцю // Ювілейна Х Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок: Матеріали конф.Т.1.- Івано-Франківськ.- 2005.- С.325-326.

АНОТАЦІЯ

Пенюх Богдан Романович. Вплив неоднорідностей поверхні на перенос заряду в тонких плівках металів.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні.– Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника. Міністерство освіти і науки України, Івано-Франківськ, 2005 рік.

На захист виносяться результати досліджень, опублікованих в 18 наукових працях, присвячених дослідженню структури та електрофізичних властивостей тонких плівок металів. Експеримент проведено в умовах надвисокого вакууму при тиску залишкових газів нижчому за 10'7 Па. Вивчено вплив поверхневого та зерномежового розсіювання носіїв струму на перенос заряду в плівках. Залежності від товщини шару питомого опору та абсолютної диференціальної термоелектрорушій-ної сили плівок пояснено на основі існуючих теоретичних моделей кінетичних явищ в зразках обмежених розмірів. Визначено параметри переносу заряду в плівках. Здійснено узагальнюючий аналіз отриманих результатів.

Ключові слова: тонкі плівки, кінетичні коефіцієнти, поверхневе та зерномежове розсіювання носіїв струму, розмірні явища

АННОТАЦИЯ

Пенюх Богдан Романович. Влияние неоднородностей поверхности на перенос заряда в тонких пленках металлов.- Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 - физика и химия поверхности.- Прикарпатский национальный университет имени Василия Стефаника, Министерство образования и науки, Ивано-Франковск, 2005 год.

К защите представлены результаты исследований, изложенные в 18 научных работах, посвященных исследованию структуры и электрофизи-ческих свойств тонких пленок ряда переходных металлов. Эксперимент проведен в условиях сверхвысокого вакуума при давлении остаточных газов, не превышающем 10-7 Па. Изучено влияние поверхностного и зерно-граничного рассеяния носителей тока на перенос заряда в пленках. Зависи-мости от толщины слоя удельного сопротивления и аб-солютной дифференциальной термоэлектродвижущей силы пленок объяс-нены с помощью существующих теоретических моделей кинетических яв-лений в образцах ограниченных размеров. Вычислены параметры переноса заряда в пленках. Проведен обобщающий анализ полученных результатов.

Ключевые слова: тонкие пленки, кинетические коэффициенты, поверхностное и зернограничное рассеяние носителей тока, размерные явления.

RESUME

Penyukh B.R. The Influence of Surface Asperities on Charge Transport in Metallic Thin Films.- Manuscript.

Thesis on search of the scientific degree of candidate of Physical and Mathematical Science, speciality 01.04.18- Physics and Chemistry of Surface. Vasyl Stefanyk Prycarpathian National University, Ivano-Frankivsk, 2005.

The results of researches published in 18 scientific works are presented to defense a thesis. The thesis is devoted to investigation of structure and electrical properties thin metallic films. The aim of present study is to investigate the influence of charge carriers surface and grain-boundary scattering on electron transport in films.

The investigations were performed in all-glass soldered ultra-high vacuum chambers. The residual gas pressure in the chamber was less than 10-7 Pa. The metal films were deposited onto glass or NaCl substrate held on 78K or 300K at a rate of 0.1 to 0.2 nm/min by thermal evaporation. Thin films thickness was monitored by applying a quartz-crystal oscillator. The sample thickness increased by additional deposition on the same film.

Electron-microscopic and electron-diffraction examinations of films gave the following results. Metal layers more than 5–8 nm thick were polycrystalline and continuous, they had a crystal lattice similar to that of bulk metal. The average linear crystalline size in the plane parallel to substrate did not depend on the film thickness (from =6 to 15 nm for Mn, Fe, Pd, Ho and Dy films deposited onto cooled to T=78glass to D=30 nm for Pb films deposited onto NaCl (100) crystal face at T=300

Experimentally the resistivity and the thermopower dependences on thin films thickness were investigated. The experiment showed that and possessed a size-dependence. The experimental results for were interpreted in the framework of heterogeneous cross section polycrystalline film model size-effect theories. The grain-boundary scattering was explained in framework of Mayadas-Shatzkes and Tellier-Tosser-Pichard theories. The electron transport parameters for thin films were calculated. It was shown that the value of the coefficient of charge carrier grain-boundary transmission did not depend on temperature in temperature region 78to 370The average amplitude of one-dimentional surface asperieties was estimated from the results of electrical measurements and show a good agreement with STM dates. It was shown that subatom Al or Ge layers (mass thickness less than 0.3–2.5 nm) hastened Pd, Mn and Pb films metallization. The experemental results were explained within the framework of the classical and the quantium size-effect theories.

The size-dependencies were interpreted in the framework of modified classical size-effect theories. It was supposed there were two independent groups of charge carriers in the transition metal thin film. The surface and grain-boundary scattering had influence on charge transport of each group separately. This assumption allowed us to explain the size dependences peculiarities. The general feature on the results obtained in this part of work was that the value of the coefficient of electron grain-boundary transmission is higher then the value calculated for hole trajectories.

At last the generalized conclusion about electron transport in thin metal films were made.

Key words: thin films, kinetic coefficient, charge carriers, surface and grain-boundary scattering, size-effect.

Підписано до друку 16.11.2005 р. Формат 60х84 1/16 Папір друк. № 

Друк офсетний. Обл.-вид. арк. 1,0. Тираж 100 примірників. Зам.370

Видавничий центр Львівського національного

університету імені Івана Франка

79000, м. Львів, вул. Дорошенка, 41.