СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Гричановська Тетяна Михайлівна

УДК 621.316.8

ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДИСПЕРСНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ПЛІВОК

V, Ti, Cr, Cu ТА Ni

01.04.07 – фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Суми – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Сумському державному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – заслужений діяч науки і техніки України,

доктор фізико-математичних наук, професор

Проценко Іван Юхимович,

зав. кафедри прикладної фізики

Сумського державного університету.

Офіційні опоненти доктор фізико-математичних наук, старший

науковий співробітник

Татаренко Валентин Андрійович,

провідний науковий співробітник відділу

теорії твердого тіла Інституту металофізики

ім. Г.В. Курдюмова НАН України;

доктор фізико-математичних наук, професор

Багмут Олександр Григорович,

зав. кафедри теоретичної та експериментальної фізики Харківського національного технічного університету „ХПІ”.

Захист відбудеться «25» квітня 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалі-зованої вченої ради Д.55.051.02 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, корпус ЕТ, ауд. 236.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розісланий « » березня 2008 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради А.С.Опанасюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми Особливі властивості нанокристалічних плівкових системи знайшли досить широке використання при виготовленні мікроелектронних приладів і сенсорів, елементів опто- і акустоелектроніки, пристроїв для запису інформації, у створенні надтвердих покриттів тощо. Наприклад, висока чутливість плівки діоксиду ванадію до фотонного і електронного опромінення та стійкість при плазмових і термічних обробках роблять її перспективним резистом для субмікронної літографії; відносно висока чутливість плівок TiO2 до деформацій знаходить своє місце в тензометрії; наявність фазового переходу ІІ роду типу “метал – напівпровідник” (діелектрик), що спостерігається у плівках VO2 може застосовуватись в датчиках критичної температури, як елементах захисту різних вузлів від нагрівання. Отже, характеристики і параметри мікроприладів певною мірою визначаються електрофізичними властивостями плівок (питомий опір, термічний коефіцієнт опору, коефіцієнти тензочутливості) які, у свою чергу, пов’язані з дією розмірних ефектів, що проявляються як у структурно-фазових, так і в електрофізичних властивостях. Тому багатошарові плівкові системи на основі металів набули широкого використання як об’єкти дослідження розмірних ефектів.

Незважаючи на накопичений у цій галузі значний теоретичний і експериментальний матеріал, ряд теоретичних і прикладних питань залишається до кінця не з’ясованими. Так, існує необхідність в апробації теоретичних моделей розмірного ефекту в електропровідності, температурному коефіцієнті опору та тензочутливості плівкових систем, до складу яких входили б нанокристалічні шари V, Cr або Ti. Для вказаних плівкових зразків важливо встановити вплив температури і деформації та ступеня дисперсності кристалітів на параметри електроперенесення і на відповідність експериментальних і розрахункових значень температурного коефіцієнта опору та коефіцієнта тензочутливості.

Зазначене вимагає детального вивчення електрофізичних властивостей двошарових плівкових систем на основі нанокристалічних (шари V, Cr або Ti) та високодисперсних (шари Cu і Ni) плівок. Постійний інтерес до цих питань свідчить про перспективність обраного напряму досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана на кафедрі прикладної фізики Сумського державного університету у рамках держбюджетних тем №0100U003219 «Дифузійні процеси у багатошарових системах плівка/плівка і плівка/масивний матеріал» (2000-2002 рр.); №0103U000773 «Вплив статичної деформації і температури на електрофізичні властивості багатошарових плівкових систем» (2003-2005 рр.) та №0106U001942 «Формування кристалічної структури і електрофізичних властивостей плівкових матеріалів на основі багатошарових металевих систем (2006-2008 рр.).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є вивчення розмірних ефектів у електрофізичних властивостях плівкових систем на основі дисперсних і нанокристалічних шарів та з різною взаємною розчинністю компонентів. Важливим етапом є з’ясування впливу температури та деформації на питомий опір, температурний коефіцієнт опору (ТКО), коефіцієнт тензочутливості (КТ) та параметри електроперенесення плівкових систем V/Ni, V/Cu, Cr/Cu та Ni/Ti.

Відповідно до мети досліджень вирішувались такі задачі: – 

експериментальне дослідження структурно-фазового стану двоша-рових плівкових систем V/Ni, V/Cu, Cr/Cu та Ni/Ti;– 

проведення досліджень електрофізичних властивостей двошарових плівкових систем V/Ni, V/Cu, Cr/Cu та Ni/Ti при термоциклічній обробці в інтервалі 300–900 К;– 

вивчення структурно-фазового стану, розрахунок внеску в загальну величину питомого опору, ТКО і КТ об’ємного, поверхневого і зерномежового механізмів розсіювання носіїв заряду для одношарових плівок V, Cr, Ni, Cu і Ti та визначення їх параметрів електроперенесення при поздовжній деформації до 1%;–

розрахунок величин термічного коефіцієнта опору та коефіцієнта поздовжньої тензочутливості двошарових плівкових систем V/Ni, V/Cu, Cr/Cu та Ni/Ti у рамках феноменологічної (макроскопічної) і напів-феноменологічної моделей та порівняня їх з експериментальними даними;–

узагальнення отриманих результатів про вплив температури і деформації на електрофізичні характеристики двошарових плівкових систем V/Ni, V/Cu, Cr/Cu та Ni/Ti з метою прогнозування та моделювання їх властивостей.

Об’єкт досліджень – електрофізичні властивості плівкових систем в умовах прояву розмірних, температурних і деформаційних ефектів.

Предмет досліджень – електропровідність і тензочутливість плівкових систем на основі нанокристалічних (шари V, Cr або Ti) та високо-дисперсних (шари Cu і Ni) плівок з різною взаємною розчинністю компонентів.

Відповідно до поставлених задач використовувалися такі методи дослідження зразків: – 

резистометрія при термоциклічному відпалюванні і деформації зразків у вакуумі;– 

просвічуюча електронна мікроскопія (ПЕМ);– 

вторинна іонна мас-спектрометрія (ВІМС);– 

електронна оже-спектроскопія (ЕОС);– 

апробація теоретичних моделей й комп’ютерне моделювання термо- і тензорезистивних властивостей плівкових систем.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше були використані відомі феноменологічна та напів-феноменологічна моделі для коефіцієнта тензочутливості (КТ) при обробці експериментальних результатів у плівкових системах на основі V і Ni, V і Cu та Ni і Ti; підтверджено, що зазначені моделі кількісно описують експериментальні результати, якщо враховувати розмірні і деформаційні ефекти в параметрах електроперенесення; здійснено апробацію феноменологічної та напівфеноменологічної моделей для температурного коефіцієнта опору (ТКО) на плівкових системах, де складовими виступають Cu і V; підтверджено задовільну відповідність розрахункових і експериментальних результатів для систем з низькою взаємною розчинністю, що дозволяє здійснити математичне прогно-зування і моделювання їх електрофізичних властивостей.

2. Вивчені електрофізичні властивості оксидів VOx, V2O3+VOx та V2O3; зроблено висновок про можливість використання плівок V2O3 з температурою переходу “метал-напівпровідник” близькою до 500К, що приблизно на 100К більше у порівнянні з плівкою VO2, як чутливих елементів датчиків критичної температури.

3. Вперше для одношарових плівок V і Ti використана методика розділення внеску об’ємного, поверхневого і зерномежового розсіювання електронів у величину КТ, що дозволяє визначити статистичну вагу названих механізмів у зміні величини СДВП при зміні деформації; підтверджено, що у нанокристалічних зразках V і Ti питомий опір, обумовлений поверхневим та зерномежовим розсіюванням, має значно більші величини, у порівнянні з крупнодисперсними полікристалічними плівками, і низькі коефіцієнти проходження меж зерен (r0,1-0,3).

4. Вперше досліджена температурна залежність коефіцієнта поздовжньої тензочутливості плівок V, Ni і Ti в інтервалі 400-500К; відмічено зростання КТ із збільшенням температури та підтверджено, що значення ТКО і ТК КТ не співпадають.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, отримані в роботі, можуть бути використані в різних галузях науки і техніки: плівковому матеріалознавстві для прогнозу електрофізичних властивостей багатошарових плівкових структур на основі металів з різним типом взаємної розчинності компонентів та ступенем дисперсності, мікроелектроніці та приладобудуванні для створення високотехнологічних та стабільних термоперетворювачів опору і тензодатчиків. Фунда-ментальне значення отриманих результатів полягає в розширенні уявлень про електрофізичні властивості плівкових систем.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягає у самостійному пошуку та аналізі літературних джерел щодо стану досліджуваної проблеми, проведенні експериментальних досліджень та обробці і узагальненні отриманих результатів. Автор особисто здійснював приготування плівкових зразків, проводив дослідження електрофізичних властивостей, фазового складу, кристалічної структури. Постановка задачі, вибір експериментальних методик, обговорення результатів досліджень, статей та формулювання висновків проводилися спільно з науковим керівником доктором фіз.-мат. наук, проф. Проценком І.Ю. В обговоренні результатів експериментальних досліджень брав участь доктор фіз.-мат. наук Чорноус А.М., кандидат фіз.-мат. наук Шпетний І.О. Дослідження фазового і елементного складу та дифузійних процесів у плівкових зразках проводилися за участю кандидата фіз.-мат. наук Проценка С.І. Особисто автором підготовлено статі [4, 5], окремі розділи у роботах [1-3, 6-8] та тези доповідей [9-12].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на таких наукових конференціях: Науково-технічній конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету СумДУ (Суми, 2002, 2004, 2006 рр.); Науково-технічній конференції «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології» (Кременчук, 2004 р.); IX та X Міжнародних конференціях „Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 2003, 2005 рр.); Всеукраїнських конференціях молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА (Львів, 2004 р.); 18-му Міжнародному симпозіумі «Тонкие пленки в электронике» (Харків, 2006, 2007 рр.).

Публікації. Основні матеріали дисертації відображені в 8 статтях, в т. ч. 6 із них у фахових виданнях, та 4 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Обсяг дисертації складає 159 сторінок, містить 54 рисунка та 24 таблиці. Список використаних джерел містить 133 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, визначені наукове та практичне

значення результатів, внесок здобувача та наведено структуру роботи.

Перший розділ “Розмірні ефекти в електрофізичних властивостях металевих плівок” вміщує огляд літературних даних і складається з двох підрозділів.

У першому підрозділі аналізуються моделі теорії розмірного ефекту (РЕ) електропровідності і температурного коефіцієнта опору одно- і багатошарових металевих плівок. Вказується, що найбільш ефективними при обробці експериментальних даних, у випадку одношарових зразків, є лінеаризована модель та модель ізотропного розсіювання Тельє, Тоссе та Пішар. На їх основі можна коректно проводити розрахунок параметрів електроперенесення. Але, застосовуючи вказані моделі, потрібно враховувати співвідношення між розмірами кристалітів (L) і товщиною досліджуваного зразка (d).

Особливістю розмірного ефекту в електрофізичних властивостях багатошарових плівок є розсіювання вільних носіїв заряду на межах поділу (МП) окремих шарів, яке суттєво впливає на провідність і ТКО. У зв’язку з цим, в роботі відмічається важливість, з точки зору аналізу фундаментальних питань розмірного ефекту в ТКО, спрощеного співвідношення теорії Дімміха для двошарових полікристалічних плівок на випадок, коли коефіцієнт проходження межі поділу шарів (Q) дорівнює нулю. Але, поряд з вказаним, макроскопічний підхід у вивченні розмірних ефектів дозволяє аналізувати особливості явища, при зміні товщини окремих шарів, та здійснювати прогнозування електрофізичних властивостей за значно простішим співвідношенням. Вказане співвідношення дає задовільний результат для зразків з низькою взаємною розчинністю компонентів, які найкраще задовольняють умові паралельності з’єднання окремих шарів. В роботі відмічено, що для покращення відповідності між розрахунковою і експериментальною величиною ТКО, поряд з урахуванням таких факторів, як поверхневе і зерномежове розсіювання, фазоутворення, інтерфейс та ін., необхідно враховувати і температурні зміни параметрів електроперенесення, як це зроблено в напівфеноменологічній моделі.

Другий підрозділ присвячено аналізу відомих теоретичних моделей розмірного ефекту тензочутливості одно- і багатошарових плівок. В роботі розглянуто граничні випадки отриманої Тельє, Тоссе та Пішар формули для коефіцієнта поздовжньої тензочутливості, які дозволяють провести якісний аналіз РЕ в тензоефекті. Проаналізовані експериментальні результати різних авторів по РЕ тензочутливості тонких полі- чи монокристалічних плівок. Приведені результати, експериментальних і теоретичних досліджень РЕ тензочутливості в двошарових плівкових системах інших авторів, узагальнені у вигляді таблиць.

Відмічено, що адаптоване, з використанням маядасівського підходу, співвідношення Ф.Хатера і М.Ель-Гіті, на випадок полікристалічних плівок виявилось малоефективним, оскільки відповідність розрахункових і експериментальних результатів незадовільна. Урахування недоліків адаптованої моделі, здійснене в напівфеноменологічній (де функція Фукса залежить не тільки від k (наведена товщина), p і r, а й від m (наведений середній розмір зерна) і Q), забезпечило більш якісне узгодження розрахункових і експериментальних даних. Також, за результатами апробації феноменологічної моделі, зроблено висновок, що, поряд з вказаною напівфеноменологічною, вона є досить зручною для прогнозування розмірної залежності коефіцієнта тензочутливості багатошарової плівкової системи.

Другий розділ “Методика і техніка експерименту” містить інформацію про використані в роботі експериментальні методики препарування та дослідження плівкових зразків.

Приготування, післяконденсаційна обробка плівок і дослідження їх електрофізичних властивостей проводились в умовах технологічного вакууму (тиск газів залишкової атмосфери становить ~10-4Па), в робочому об’ємі ВУП-5М. Плівки отримувалися методом терморезистивного або електронно-променевого випаровування. Щойно конденсовані зразки, товщиною 20–120 нм, витримувалися у вакуумі протягом однієї години при температурі підкладки для їх стабілізації. Для оцінки товщини плівок використовувався метод кварцового резонатора. Мас-спектрометричний контроль складу залишкової атмосфери робочої камери проводився з використанням газоаналізатора МХ7304-А, вмонтованого безпосередньо у вакуумну камеру.

При вивченні електропровідності плівок, на скляних або ситалових підкладках, проводилася термостабілізація зразків протягом двох-трьох циклів „нагрівання–охолодження” в інтервалах температур 300–(650-700) К та 300-1000К відповідно.

Для дослідження явища тензочутливості одно- чи багатошарових плівок підкладки, виготовлені з пластин тефлону Ф4, поздовжньо деформувались безпосередньо у вакуумі. Використання приладів UT70D та UT70В, для визначеня опору і температури відповідно, дозволило відразу виводити показання на монітор комп’ютера у графічному та табличному вигляді.

Дослідження структурних характеристик зразків проводилося з використанням електронних мікроскопів ЕММА-2 та ПЕМ-125К. Елементний склад зразків та дифузійні процеси вивчалися методом вторинної іонної мас-спектрометрії, за допомогою приладу МС–7201 М і в окремих випадках методом ОЕС.

Третій розділ “Розмірні ефекти у температурному коефіцієнті опору плівкових систем на основі V, Cr, Ni, Cu та Ti” присвячено вивченню двошарових плівкових систем, складовими яких виступають одношарові нанокристалічні плівки V, Ti та Cr, або високодисперсні плівки Cu та Ni. Вибір, в якості досліджуваних зразків V/Ni, V/Cu, Cr/Cu та Ni/Ti, пов’язано з малою вивченістю таких плівкових систем і обмеженістю інформації про їх ЕФВ. Даний розділ складається з трьох підрозділів. У першому підрозділі наводяться результати вивчення фазового складу та кристалічної структури одно- та двошарових плівок на основі V, Cr, Ni, Cu та Ti, які пройшли термообробку в температурному інтервалі 300–900 К, що дозволило сформувати потрібний структурно-фазовий стан. Приклади електронограм та мікроструктури зразків представлені на рис.1. Структурні дослідження показали, що плівки V і Ti нанокристалічні (L~10нм), в той час як плівки Cr (L~0,5d), Ni і Cu (L~d) відносно крупнокристалічні.

Рис.1. Електронограми та мікро-структура плівок V(60)/П (а), Ni(60)/П (б) та Ni(25)/V(10)/П (в). Товщина у дужках в нм. Темпера-тура відпалювання, К: 350 (а), 900 (б), 300 (в)

Результати обробки електронограм і, попередньо отримані дані про одношарові зразки (таблиця1),

Таблиця 1

Умови отримання і обробки плівок та їх фазовий склад

Плівка | Тп, К | Інтервал товщин, нм | Тв, К | Фаза | а, нм

V | 420

300-320

300-320

450 | 20-120 | 320

320

450

900 | аморф. VO

ГЦК VOx

ОЦК V

V2O3 | -

0,411

0,302

a=0,546

c=1,471

Cr | 450

400 | 10-100

40-80 | ?700

950 | ОЦК Cr

Cr2O3 | 0,288

a=0,490

c=1,371

Ti | 450

450 | 20-40

50-100 | 700

700 | ГЦК ТіO

-Ті | 0,370

a=0,295, c=0,471

Ni | 320-400 | 20-100 | 700 | ГЦК Ni | 0,353

Cu | 300 | 20-100 | 300-900 | ГЦК Cu | 0,362

дозволили зробити висновки про процеси фазоутворення у двошарових плівкових системах Ni/V, Cu/V, Ni/Ti та Cu/Cr, складові яких мають різний ступінь взаємної розчинності.

Дослідження фазового та елементного складу дало можливість встановити, що у плівкових системах з низькою взаємною розчинністю (зразки на основі Cr і Cu або V і Cu), незважаючи на існування зерномежової взаємної дифузії, спостерігається збереження індивідуальності окремих шарів, тоді як у системах Ni/(Ti або V) у результаті термодифузії відбувається утворення твердих розчинів або інтерметалідів (таблиця 2, с-концентрація). Збільшення температури і часу відпалювання зразків сприяє розповсюдженню фазоутворення на всю плівкову систему.Другий підрозділ присвячений вивченню розмірних залежностей ТКО одношарових плівок. В роботі, окрім металевих плівок V, Cr, Ni, Cu та Ti, також проведені дослідження фазового і елементного складу оксидних плівок VOx, V2O3+VOx, V2O3, TiOx та їх електрофізичних властивостей. Здійснено розрахунок енергії активації електропровідності VОх і TiOx та показано, що вона має відносно малі значення в діапазоні 0,05-0,07еВ. Дослідження показали, що при відпалюванні у вакуумі p~10-3 Па плівка складу VOx поступово переходить в V2O3 з незначною кількістю VOx. Вказані процеси впливають на провідність зразка і виражаються у зміні температурної залежності питомого опору зі збільшенням концентрації кисню. В інтервалі температур 430-500 К величина питомого опору збільшується майже у два рази, в інтервалі 500-570 К темп зростання с уповільнюється, але потім

Таблиця 2.

Фазовий склад досліджуваних зразків

№ | Система

(d2/d1, нм) | Tв, K | cNi/cV | Склад

1 | Ni(40)/V(50)/П | 300

700

800

1000 | 0,88 | Ni+V

т.р.(Ni-V)+V+VOx

т.р.(Ni-V)+VOx+V2O3

т.р.(Ni-V)+V2O3

2 | Ni(60)/Ti(20)/П | 300

800

900 | 1,23 | ГЦК-Ni+ГЩП-Ті.

ГЦК-Ni+ГЩП-Ті+Ni3Ti

NiTi+ NiТ2

3 | V(50)/Cu(40)/ П | 300

700

850

1000 | 0,92 | Cu+V

Cu+V+VOx–

//–

Cu2O+VOx+ V2O3

4 | Cr(50)/Cu(40)/П | 300

780

850

1000 | 0,92 | Cr+Cu

Cr+Cu+ Cu2O

Cr2O3+ Cu2O–

//–

в інтервалі 570-600 К питомий опір різко збіль шується від 1,2·10-5 до 1,7·105Ом м.

Можна припустити, що в інтервалі 500-570 К повністю закінчується перехід від фазового складу V2О3+VОх до V2О3. Слід відмітити гістерезіс залежності с(Т) при Т< 600К і, незворотність його, якщо плівкуV2O3 витримати при Т=600–700К. Такий хід процесу можна пояснити подальшим окисленням V2O3 до складу V2O5, VO1,75 та VО2.

В роботі з’ясовано, що особливо виразно розмірні залежності ТКО і питомого опору проявляються в області відносно малих товщин (до 100 нм), де дуже відчутним є розсіювання електронів на фононах і дефектах, на зовнішніх поверхнях плівки та зерномежове розсіювання. Проведені в роботі розрахунки по розділенню внеску кожного з перелічених факторів у питомий опір і ТКО зразків та аналіз отриманих результатів показав, що збільшення товщин зразків Ti, V, Cr і Ni призводить до зменшення внеску поверхневого розсіювання електронів у питомий опір і ТКО, в той час, як внесок зерномежового (сgb) розсіювання визначається ступенем дисперсності кристалітів: величина сgb максимальна для нанокристалічних плівок (Ti, V і Cr) та має мінімальне значення у плівках з відносно великим середнім розміром зерна (Ni, Cu).

На підставі обробки експериментальних результатів про розмірні залежності питомого опору та ТКО в одношарових плівках з використанням лінеаризованої, ізотропної і моделі ефективної СДВП ТТП, було розраховано параметри електроперенесення для плівок V, Cr, Ni, Cu і Ti та показано, що їх величина визначається ступенем дисперсності кристалітів у плівкових зразках: для нанокристалічних зразків, якими є V і Ti (L~10 нм), коефіцієнт р завжди менший за 0,1. Для високодисперсних плівок Ni і Cu зі збільшенням розміру кристалітів (30<L<100нм) відбувається вдосконалення зовнішніх поверхонь плівок і р?0,1, оскільки низька ймовірність дзеркального відбиття електронів.

У третьому підрозділі досліджено температурні та розмірні ефекти в ТКО плівкових систем V/Ni, V/Cu, Cr/Cu та Ni/Ti, в яких певним чином іде чергування нанокристалічних шарів, та здійснено апробацію теоретичних моделей. При прогнозуванні величин ТКО у двошарових плівках було використано спрощене, на випадок, коли коефіцієнт проходження межі поділу шарів (Q) дорівнює нулю, співвідношення напівкласичної теорії Дімміха:

, (1)

де , , ;

Fi=уi/у0i – функція Фукса (уi–питома провідність); ki=di/л0i, mi=Li/л0i – наведені товщина та середній розмір зерна (di–товщина і–го шару, Li – середній розмір зерна, л0i – середня довжина вільного пробігу носіїв електричного заряду в об’ємі зразка); та феноменологічна модель розмірного ефекту в ТКО, основне співвідношення якої має вигляд:

, (2)

де вi та сi – ТКО та питомий опір і-го шару.

Для розрахунку величини в у двошарових плівках на основі Ni і V додатково використовувалась формула для ТКО сплавів, оскільки в таких зразках має місце утворення твердих розчинів. Розмірні залежності, приведені на рис. 2, дають можливість наочно порівняти експериментальні дані ТКО з розрахованими в рамках напівкласичної теорії (1) та феноменологічної моделі (2).

Рис.2. Залежність розрахункових та експериментальних значень ТКО від товщини верхнього шару для плівок Ni(d2)/V(10)/П (а) та V(d2)/Ni(20)/П (б). 1, 2 – розрахункові дані на основі співвідношення (1), (2) відповідно; 3 – експериментальні дані для плівок, отриманих у вакуумі ~10-3 Па. В дужках указана товщина у нм

На підставі апробації співвідношень моделі Дімміха та феномено-логічної моделі розмірного ефекту в ТКО для багатошарових металевих плівок встановлено, що найкраща відповідність експериментальних і розрахункових значень ТКО спостерігається для плівок на основі Cu і V або Cr, у яких зберігається індивідуальність окремих шарів. Урахування температурних ефектів у параметрах електроперенесення зменшує похибку до декількох відсотків для зразків з чітким розмежуванням шарів на основі Cu і Cr або Cu і V (розбіжність між експериментальними і розрахунковими значеннями ТКО складає 5-10%). Для зразків в яких можливе утворення інтерметалідів та твердих розчинів (на основі V і Ni та Ti і Ni) похибка не перевищує 25%. Такі результати відкрили можливість комп’ютерного моделювання розмірних залежностей ТКО, яке в роботі здійснено на прикладі сукупності тришарових плівок Cu/V/Cu(30)/П, де товщини двох верхніх шарів змінювались з кроком 1нм. Отримані залежності показали, що, при фіксованій товщині одного із шарів, ТКО тришарової плівки монотонно змінюється з ростом товщин інших шарів і характер тенденції розмірних залежностей визначають співвідношенням між ТКО складових плівкової системи.

Четвертий розділ “Тензорезистивний ефект” складається з двох підрозділів. У першому підрозділі приведено результати дослідження тензочутливості одношарових зразків і плівкових систем, складовими яких виступають нанокристалічні плівки V, Ti та Cr та високодисперсні плівки Cu та Ni. В роботі відмічені деякі загальні закономірності прояву тензоефекту. Наприклад, незалежно від метала і структурного стану плівки, коефіцієнт поздовжньої тензочутливості гl в значній мірі зв’язаний з номером цикла “навантаження-зняття навантаження”. Тензочутливість плівкових зразків стабілізується тільки починаючи з 3-4 циклу і майже не змінюється при наступних навантаженнях. Характер розмірних залежностей гl(d) однаковий для всіх металевих і оксидних зразків: із збільшенням товщини КТ зменшується. Найбільші значення гl, серед металевих зразків, мають нанокристалічні нанорозмірні плівки. При переході до дво- і багатошарових плівок та побудові деформаційних залежностей спостерігаються ті ж самі тенденції, що і в одношарових плівках. В роботі була здійснена оцінка відносного внеску поверхневого () і зерномежового () розсіювання електронів у загальну величину плівок V, Cr, Ni, Cu і Ti та з’ясовано, що із збільшенням товщини роль поверхневого розсіювання зменшується, а внесок у зерномежового розсіювання залишається постійним. Поряд з вказаними внесками у величину , значну роль також відіграють т.зв. деформаційні ефекти, суть яких полягає в тому, що не тільки СДВП, але і коефіцієнти p і r (а в багатошарових плівкових системах і Q) залежать від деформації.

У другому підрозділі здійснено апробацію феноменологічної та напів-феноменологічної моделей тензоефекту для плівкових систем на основі V, Cr, Ni, Cu і Ti та проведено порівняльний аналіз розрахункових і експериментальних даних. При апробація феноменологічної моделі розмірного ефекту в тензочутливості встановлено, що у зразках де зберігається індивідуальність окремих шарів (на основі V і Cu та Cu і Cr) при їх відносно малих товщининах (до 70нм) спостерігається узгодження експериментальних даних з розрахунковими з точністю до 34%, в той час, як в зразках з значною взаємною розчинністю (на основі V і Ni та Ni і Ti) цей показник сягає 48% і суттєво залежить від чистоти складових. Такі результати можна пояснити недоліками самої моделі, яка не враховує більш складний характер розсіювання електронів у двокомпонентних плівках із значною взаємною розчинністю.

Враховуючи вказане вище, в роботі здійснено апробацію напів-феноменологічної моделі КТ з урахуванням і без урахування деформаційних ефектів в параметрах електроперенесення. Основне співвідношення моделі відносно легко порівняти із експериментальними даними, оскільки в праву частину входять величини і параметри, які можна розрахувати, виходячи із експериментальних результатів для одношарових плівок за умови статичних деформацій, наприклад, 0 і (таблиця 3). Спільною закономірністю для розглянутих в роботі зразків є те, що у випадку нанокристалічних плівок, таких як V або Tі, розмірні ефекти проявляються слабкіше (зміни величин r, rl і на відрізку товщин 20-100нм менші) у порівнянні з відповідними залежностями для крупнокристалічних плівок Cu або Ni. Приклади графічних залежностей деяких з коефіцієнтів від товщини плівки представлено на рис. 3.

Урахування внеску деформаційних коефіцієнтів параметрів електро-перенесення у тензочутливість багатошарових плівкових систем (на основі V, Cr, Ni, Cu і Ti) у рамках

Таблиця 3

Деякі параметри електроперенесення і тензорезистивні характе-ристики (300K)

Рис.3. Величини коефіцієнтів (а), (б) і (в) для плівок V, Ti, Cu і Ni

напівфеноменологічної моделі підвищує узгодженість експериментальних та розрахункових значень КТ в зразках на основі V і Cu та Cu і Cr до 20%, на основі V і Ni та Ni і Ti до 37%, що дозволяє використовувати робоче співвідношення моделі для прогнозу-вання тензорезистивних властивостей зразків методом комп’ютерного моделювання. На рисунку 4 наведено найбільш типові тривимірні діаграми, які описують розмірні залежності КТ у тришарових плівках.

Аналіз отриманих результатів дозволив встановити деякі законо-мірності в розмірному ефекті коефіцієнта поздовжньої тензочутливості тришарових плівок на основі V і Cu та V і Ni. В першу чергу те, що існує можливість корегувати значення КТ, тобто змінювати його від мінімального до максимального, нарощуючи товщину шару Ni, який має найбільше значення серед компонентів зразка.

Рис.4. Тривимірні діаграми розмірної залежності для КТ. Плівкові систе-

ми: Cu/V/Cu(25)/П (а), Ni/V/Ni(25)/П (б)

Конструювання багатофункціональних сенсорів потребує нових плівкових структур з значною тензочутливістю. Проведений аналіз показав, що величини коефіцієнтів поздовжньої тензочутливості двошарових плівок порівняно із одношаровими такої ж товщини відрізняються у співвідношенні =1,3-3,1 (системи Cu/V і Cu/Cr), =3-5 (система Ti/Ni) або =1,2-1,9 (система Ni/V), що є наслідком додаткового розсіювання електронів межею поділу шарів.

При дослідженні температурної залежності коефіцієнтів поздовжньої тензочутливості плівок V, Cr, Ti, Ni і Cu в інтервалі температур 300-500К було помічено незначне зростання . Наприклад, для плівки V товщиною 30нм залежність КТ від температури наступна:(400)=5,01 та (500)=5,22 і ТК КТ становить 0,42·10-3К-1. Для плівки Ti товщиною 50нм (400)=2,31 та (500)=2,34 і ТК КТ приймає значення 0,42·10-3К-1.

Відомо, що напівпровідникові плівкові матеріали мають значно більші величини , при значно меншій термічній стабільності. Наприклад, відносно велике значення для оксидів ванадію і титану досить типова ситуація, оскільки у випадку плівок VOx(50)/П було отримано =27 одиниць та TiOx(75)/П =77, що теж може знайти своє застосування.

У висновках подано перелік та стислу характеристику основних результатів роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язана задача по встановленню особливостей електрофізичних властивостей (питомий опір, термічний коефіцієнт опору і коефіцієнт поздовжньої тензочутливості) нанорозмірних одно-, дво- і багатошарових плівок на основі V, Cr, Ni, Cu і Ti, окремі шари яких представляють собою нанокристалічні плівки (V, Cr і Ti). У роботі отримані експериментальні результати стосовно структурно-фазового стану плівок і їх електрофізичних властивостей та були розв’язані поставлені задачі і отримані такі наукові і практичні результати:

1. Методами електронографії та мас-спектрометрії проведені комплексні дослідження структурно-фазового стану і його еволюції при термовідпалюванні в одно- і двошарових зразках V, Cr, Ni, Cu, Ti, Ni/V, Ni/Ti, Cu/V та Cu/Cr:

- установлені умови формування оксидних фаз VOx (x?1), V2O3+VOx, V2O3, Cr2O3 та TiOx в одношарових плівках;

- застосування методів мас-спектрометрії залишкових газів (при конденсації усіх одношарових зразків), вторинно-іонної мас-спектрометрії (на прикладі систем Cu/V, Cu/Cr, Ni/Ti і Ni/V) і оже-електронної спектроскопії (система Cu/Cr) дозволили з’ясувати роль залишкових газів при стабілізації домішкових фаз, ефективності зерно межової дифузії атомів у дво- і багатошарових системах з точки зору збереження індивідуальності окремих шарів, глибини взаємного проникнення атомів, величини коефіцієнтів дифузії.

2. Методами резистометрія при термоциклічному відпалюванні зразків у вакуумі проведені дослідження електрофізичних властивостей оксидних плівок VOx (x?1), V2O3+VOx, V2O3 та TiOx (x?1); отримано, що в плівках V2O3 має місце при Т500К перехід другого роду “метал-напівпровідник”, що може бути використано при створенні чутливого елементу датчика критичної температури, який буде менш чутливий, але більш високотемпературний у порівнянні із плівкою VO2; отримана енергія активації електропровідності VOx та TiOx (?Е=0,05-0,07 еВ).

3. Здійснено накопичення експериментальних результатів стосовно розмірних ефектів в ТКО дво- і багатошарових систем:

- вперше проведені такі дослідження на прикладі дво- і багатошарових плівкових систем на основі дисперсних плівок Cu і нанокристалічних V і отримано, що відмінність експериментальних і розрахункових даних для ТКО за напівкласичною моделлю Р. Дімміха або напівфеноменологічною моделлю не більше 17 або 10% відповідно;

- подібна відповідність має місце і у випадку системи на основі плівок Cu і ультрадисперсних плівок Cr та на основі полікристалічних плівок Ni і нанокристалічних Ti або V, що можна пояснити малою величиною СДВП (сумірною із розмірами нанокристалітів) у плівках Cr, V і Ti;

- поряд з цим спостерігається значна відмінність (до 50%) експериментальних і розрахункових величин ТКО для плівкових систем на основі Ni і V або Ti у випадку феноменологічної моделі “біпластини”, яка не враховує ні міжшарових переходів електронів (як у моделі Р. Дімміха), ні температурних ефектів (як у напівфеноменологічній моделі), що можна пояснити розмиттям меж поділу шарів.

4. Вперше проведені дослідження розмірного ефекту в тензочутливості плівкових систем на основі Ni, Cu, V, Cr і Ti:

- встановлено, що незалежно від метала і структурного стану плівки, коефіцієнт поздовжньої тензочутливості гl стабілізується тільки починаючи з 3-4 циклу і майже не змінюється при наступних навантаженнях; характер розмірних залежностей гl(d) однаковий для всіх металевих і оксидних зразків: із збільшенням товщини КТ зменшується;

- проведена апробація феноменологічної та напівфеноменологічної моделей розмірного ефекту в тензочутливості на прикладі дво- і багатошарових плівкових систем на основі дисперсних плівок (Cu і Ni) і нанокристалічних (V, Cr і Ti) та отримано, що відмінність експерименталь-них і розрахункових даних для КТ за феноменологічною моделлю не більше 34% , а урахування деформаційних ефектів в напівфеноменологіч-ній моделі знижує похибку до значень не більших 20% ;

- поряд з цим спостерігається значна відмінність (до 90%) експериментальних і розрахункових величин КТ для плівкових систем на основі Ni і V або Ti у випадку феноменологічної моделі , яка не враховує деформаційних ефектів (як у напівфеноменологічній моделі), що пояснюється розмиттям меж поділу шарів.

- температурні коефіцієнти гl одношарових плівок V, Cr, Ni, Cu і Ti зменшуються на 3-10% при зростанні температури від 300 до 500 К.

5. Порівняння величин КТ одно- та багатошарових металевих плівок показує, що у другому випадку зразки характеризуються більшою чутливістю до деформації (у 2-25 разів), за рахунок додаткового розсіювання електронів провідності межами поділу шарів, що дозволяє розглядати нанокристалічні багатошарові системи як матеріали для чутливих елементів тензодатчиків.

6. Зміна концентрації кисню в плівкових зразках значно впливає на величини ТКО і КТ, що дозволяє в широких межах регулювати термо- і тензорезистивні властивості оксидних плівок на основі V і Ti.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Температурні та розмірні ефекти в електрофізичних властивостях двошарових плівок на основі Ni і V / Гричановська Т.М., Проценко І.Ю., Чорноус А.М., Шпетний І.О. // Металлофиз. новейшие технол. – 2006.- Т.28, №2. – С.267-279.

2. Дифузійні процеси в нанокристалічних двошарових плівкових системах на основі металів / Бібик В.В., Гричановська Т.М., Маршалек М., Проценко О.Б., Проценко С.І. // Металлофиз. новейшие технол. – 2006. – Т.28, №6. – С.707-715.

3. Степаненко А.О., Гричановська Т.М., Чорноус А.М. Вплив температурної обробки на електрофізичні властивості та фазовий склад двошарових плівок на основі титану і алюмінію або нікелю // Металлофиз. новейшие технол. – 2007. – Т.29, №9. – С 1221-1229.

4. Гричановська Т.М., Проценко І.Ю., Шкіра А.М. Електрофізичні властивості плівкових оксидів ванадію // Вісник СумДУ. Серія: Фізика, математика, механіка. – 2002. - № 12(46). – С. 101 – 105.

5. Гричановська Т.М., Проценко І.Ю. Розмірні домішкові ефекти в кристалічній структурі тонких плівок ванадію і титану // Вісник СумДУ. Серія: Фізика, математика, механіка. – 2004. - №10 (69). – С. 41 – 50.

6. Тензочутливість металевих плівок: теоретичні моделі, експериментальні результати, застосування (огляд) / Великодний Д.В. Гричановська Т.М., Однодворець Л.В., Проценко І.Ю., Проценко С.І. // Вісник СумДУ. Серія: Фізика, математика, механіка. – 2007. - № 1. – С. 5 – 51.

7. Фазообразование и электрофизические свойства двух- и трехслойных пленок на основе переходных и благородних металлов/ Бибик В.В., Гричановская Т.М., Однодворец Л.В., Чешко И.В., Проценко И.Е. // Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006. – С.  – 106.

8. Тензорезистивні властивості багатошарових плівок Ni/V, Ni/Ti та Cr/Fe / Бібик В.В., Гричановська Т.М., Дудецький Д.П., Однодворець Л.В., Проценко І.Ю., // Тонкие пленки. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2007.– С. – 119.

9. Гричановська Т.М., Проценко І.Ю., Шумакова Н.І. Формування оксидів і карбідів в тонких плівках ванадію і їх електрофізичні властивості // Матеріали ІХ міжнародної конференції. Фізика і технологія тонких плівок – Івано-Франківськ: ПрНУ ім. Василя Стефаника, 2003. – С. 159 – 160.

10. Гричановська Т.М. Фазоутворення у плівках ванадію // Науково-технічна конференція викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету – Суми: Вид-во СумДУ – 2002. – С. 26-27.

11. Хімічні перетворення в металевих наноструктурних плівках / Басов А., Гричановська Т., Шкіра А., Шумакова Н. // Міжнародна конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. – Львів: Видавничий центр Львівського національного університету. – 2004. – С. 193.

12. Гричановська Т.М., Соломаха В.А., Чорноус А.М. Електропровідність і тензочутливість плівкових оксидів металів / Матеріали І науково-технічної конференції з міжнародною участю «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології». – Кременчук: ІЕНТ, 2004. – С. 46 – 47.

АНОТАЦІЯ

Гричановська Т.М. Електрофізичні властивості дисперсних матеріалів на основі плівок V, Ti, Cr, Cu та Ni. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07-фізика твердого тіла. –Сумський державний університет, Суми, 2007.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей розмірних ефектів в електрофізичних властивостях плівкових систем з певним чергуванням нанокристалічних шарів та з різною взаємною розчинністю компонентів на основі перехідних металів таких, як V і Ni, V і Cu, Cu і Cr та Ni і Ti. В роботі вивчено умови утворення VOx (x?1), V2O3+VOx, V2O3 та TiOx (x?1) та досліджено їх електрофізичні властивості. З’ясовано вплив температури і деформації на питомий опір, температурний коефіцієнт опору, коефіцієнт тензочутливості та параметри електроперенесення плівкових зразків. Окрім переліченого, в роботі відмічено вплив ступеня дисперсності кристалітів на параметри електроперенесення одношарових зразків та розраховано внесок в питомий опір, температурний коефіцієнт опору та коефіцієнт тензочутливості об’ємного, поверхневого і зерномежового механізмів розсіювання електронів.

В роботі здійснена апробація теоретичних моделей розмірного ефекту в електропровідності, температурному коефіцієнті опору та коефіцієнті тензочутливості багатошарових полікристалічних плівок. Показано, що урахування температурних і деформаційних ефектів у теоретичних моделях підвищує ступінь відповідності експериментальних і розрахункових значень температурного коефіцієнта опору та коефіцієнта тензочутливості, що відкриває можливість прогнозування електрофізичних властивостей плівкових систем та стабільності характеристик приладів з плівковими елементами.

Ключові слова: розмірні ефекти, фазоутворення, двошарові плівки, температурний коефіцієнт опору, коефіцієнт тензочутливості.

THE SUMMARY

T.M. Grychanovska. Electrophysical Properties of Despersion Materials on the Basis of V, Ti, Cr, Cu, and Ni Films. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree of physical and mathematical science by speciality 01.04.07 – solid state physics.- Sumy State University, Sumy, 2007.

The thesis is devoted to determination of the principles of size effects in the electrophysical properties of film systems with specific alternation of nanocrystalline layers and various mutual solubility of the components on the basis of the transient metals such as V and Ni, V and Cu, Cu and Cr as well as Ni and Ti. In the thesis the conditions of VOx (x?1), V2O3+VOx, V2O3 and TiOx (x?1) formation are studied and their oxides electrophysical properties are researched into. The temperature and deformation influence on the resistivity, the thermal coefficient of resistance (TCR), the coefficient of longitudinal deformation (CD) as well as the electron transfer parameters of film specimens are clarified. In the thesis, besides the above-mentioned effects, the influence