авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Транспортные свойства некоторых наногетерогенных систем металл-диэлектрик и металл-полупроводник

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КУДРИН Алексей Михайлович

Транспортные свойства некоторых наногетерогенных систем металл-диэлектрик

и металл-полупроводник

Специальность: 01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Воронеж – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор

Калинин Юрий Егорович

Официальные оппоненты: доктор физико–математических наук,

профессор

Постников Валерий Валентинович;

доктор физико–математических наук,

профессор

Косилов Александр Тимофеевич

Ведущая организация ГОУ ВПО «Воронежский

государственный университет»

Защита состоится "23" ноября 2010 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан " " октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В текущем столетии стремительно развиваются исследования физических явлений в наноструктурированных системах, то есть такое научное направление, одним из объектов которого являются твердые гетерогенные тела с неоднородностями структуры нанометрового масштаба. Устройства электронной техники, изготавливаемые из наноструктурированных материалов, должны обладать рядом преимуществ: малые габариты, управляющие напряжения и времена срабатывания. Для таких систем характерно проявление нелинейных свойств в чрезвычайно малых внешних полях, изменение температур фазовых превращений, проявление новых механизмов транспортных явлений (электропроводности, термоэдс, магнитосопротивления, магнитной термоэдс), возникновение большого магнитоэлектрического эффекта и др. Физической причиной таких особенностей является существенно квантовая природа эффектов, локализация носителей заряда и усиление электрических полей на границах раздела в неоднородном материале.

Установление закономерностей влияния различных параметров на физические свойства и исследование транспортных явлений в новых гетерогенных системах необходимо для развития уже сформировавшихся научных направлений, таких как нанофотоника, спинтроника, функциональная наноэлектроника, термоэлектрическая энергетика и др. Вследствие этого транспортные явления в наногетерогенных средах металл-диэлектрик и металл-полупроводник представляют повышенный интерес, что определяет актуальность исследования настоящей работы.

Тема данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 – «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5 – «Физика твердотельных наноструктур, мезоскопика»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по плану и при финансовой поддержке федерального агентства по образованию (проект РПИ 2.1.1/4406) и РФФИ (гранты № 05-02-17012, № 08-02-00840).





Цель и задачи работы. Установление фундаментальных закономерностей влияния состава, условий получения, термической обработки, внешнего магнитного поля на транспортные свойства некоторых наногетерогенных систем металл-диэлектрик и металл-полупроводник.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

  1. получить методом ионно-лучевого распыления композиционные структуры, содержащие металлические гранулы сложного состава (Co41Fe39B20, Co45Fe45Zr10, Fe68Tb12Dy20) в диэлектрической (MgOn, ЦТНСВ) и полупроводниковой (In35,5Y4,2O60,3) матрицах;
  2. спроектировать и изготовить измерительный комплекс для исследования термоэдс тонкопленочных гранулированных нанокомпозиционных структур металл-диэлектрик и металл-полупроводник;
  3. исследовать концентрационные и температурные зависимости транспортных свойств, а также влияние внешнего магнитного поля на электросопротивление и термоэдс композитов при различном содержании доли металлической фазы;
  4. изучить механизмы электропроводности композиционных структур в широком диапазоне температур и концентраций металлической фазы;
  5. исследовать влияние углерода на транспортные свойства гетерогенной системы In-Y-O;
  6. провести анализ полученных экспериментальных результатов с целью установления основных закономерностей влияния состава, условий получения, температурной обработки и магнитного поля на транспортные явления в наногранулированных системах.

Научная новизна. В работе впервые:

  1. В ходе экспериментальных исследований гетерогенных систем (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x показано, что концентрационная зависимость электрического сопротивления композита от доли металлического сплава имеет нехарактерный для перколяционных кривых вид. Наблюдаемая зависимость объясняется наличием двух перколяционных кривых по разным металлическим фазам: кристаллического индия и металлического сплава Co41Fe39B20 для первой перколяционной кривой и металлического сплава Co41Fe39B20 – для второй.
  2. Обнаружена отрицательная магнитотермоэдс, а также явление гистерезиса при ориентации внешнего магнитного поля перпендикулярно плоскости образца на зависимостях термоэдс гетерогенных систем (Co41Fe39B20)x(MgOn)100-x от напряженности магнитного поля. При ориентации поля параллельно плоскости образца наблюдается отрицательный магнитотермоэлектрический эффект (5 %) только в положительной области намагниченности магнитного поля, в отрицательной – изменения с полем незначительны. Асимметрия в значениях термоэдс связывается с различным составом композита вблизи подложки и на свободной поверхности пленки.
  3. В ходе исследований температурных зависимостей электросопротивления и термоэдс нанокомпозитов (In35,5Y4,2O60,3)100-xCx в диапазоне температур от 80 до 300 К были выявлены две основные закономерности для составов до порога протекания: в интервале от 80 до 190 К выполняется закон Мотта ( exp(Т-1/4)), в интервале 190 – 300 К – закон Аррениуса. В доперколяционной области термоэдс удовлетворяет степенному закону ( Т1/2) в интервале от 80 до 190 К. Дальнейшее изменение термоэдс от температуры для составов до порога протекания носит линейный характер.
  4. Выявлено, что в нанокомпозитах металл-диэлектрик (Co45Fe45Zr10)хЦТНСВ100-x, (Fe68Tb12Dy20)xЦТНСВ100-x и (Co41Fe39B20)x(MgOn)100-x в температурном диапазоне 80 – 300 К температурные зависимости электрического сопротивления подчиняются определенным закономерностям. Для всех изученных композитов при 180 К наблюдается смена механизмов проводимости от закона Мотта ( exp(Т-1/4)) к степенной зависимости ( Т). Сделаны оценки плотности электронных состояний композитов на уровне Ферми, а также среднего числа локализованных состояний диэлектрической матрицы между соседними гранулами.
  5. Экспериментально обнаружен максимум на концентрационных зависимостях термоэдс для гетерогенных структур (In35,5Y4,2O60,3)100-xCx и (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x. Показано, что до порога протекания термоэдс определяется туннельной, а за порогом – диффузионной проводимостью.

Практическая значимость работы

  1. Изготовлен оригинальный измерительный комплекс, частично с компьютерным управлением, предназначенный для исследования концентрационных зависимостей термоэдс как для тонкопленочных гранулированных нанокомпозитов, так и для массивных образцов.
  2. Показана практическая возможность получения гранулированных композиционных материалов металл-полупроводник на примере гетерогенных структур (In35,5Y4,2O60,3)100-xCx и (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x.
  3. Изменение термоэдс нанокомпозитов металл-диэлектрик (Co41Fe39B20)x(MgOn)100-x под воздействием внешнего магнитного поля позволяет использовать подобные материалы в качестве датчиков магнитного поля.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту

  1. Отличная от S-образной концентрационная зависимость электрического сопротивления наногранулированной структуры металл-полупроводник (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x.
  2. Несимметричное поведение магнитотермоэдс для композитов (Co41Fe39B20)x(MgOn)100-x.
  3. Для композиционных структур металл-полупроводник (In35,5Y4,2O60,3)100-xCx в интервале температур от 80 до 190 К – выполняется закон Мотта, от 190 до 300 К – закон Аррениуса.
  4. Для композиционных структур металл-диэлектрик (Co45Fe45Zr10)хЦТНСВ100-x, (Fe68Tb12Dy20)xЦТНСВ100-x и (Co41Fe39B20)x (MgOn)100-x в интервале температур от 80 до 180 К – выполняется закон Мотта, в диапазоне от 180 до 300 К – степенной закон ( Т).
  5. Максимум термоэдс на концентрационных зависимостях структур (In35,5Y4,2O60,3)100-xCx и (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x.
  6. F-электроны в гетерогенной структуре (Fe68Tb12Dy20)xЦТНСВ100-x не участвуют в спин-поляризованном туннелировании.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Международной научно-практической конференции «Структурная релаксация в твердых телах» (Винница – Украина, 2006); XX Международной юбилейной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2006); V, VI International Seminars on Ferroelastics Physics (Voronezh, 2006, 2009); VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2007); II Всероссийской конференции по физике наноматериалов «Нано 2007» (Новосибирск, 2007); XIII и XVI Всероссийских научных конференциях молодых учёных ВНКСФ (Ростов-на-Дону, 2007 и Волгоград, 2010); VIII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск-Ставрополь, 2008); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2008, 2009, 2010); Всероссийской научной школе для молодежи «Современная нейтронография: междисциплинарные исследования наносистем и материалов» (Дубна, 2009); I Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Функциональные материалы для космической техники» (Москва, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-18] - подготовка к эксперименту, [1-18] - получение и анализ экспериментальных данных, [1-18] - обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 129 наименований. Основная часть работы изложена на 178 страницах, содержит 84 рисунка и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные результаты и положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор по теме диссертации. Рассмотрены структурные особенности гранулированных нанокомпозитов, а также упомянуты факторы, оказывающие влияние на формирование в них наногранулированной структуры и ее морфологию. Обсуждены электрические свойства и основные модели электропереноса в гранулированных нанокомпозитах. Подробно рассмотрено такое транспортное явление, как термоэдс в различных наноразмерных материалах и сплавах. Приведены два основных типа методов исследования термоэдс – стационарный и нестационарный. Рассмотрены основные выводы теоретических моделей Мотта Н., Коренблита И., Герцера Г., Грановского А.Б., Парфенова О.Е. и Шклярука Ф.А., описывающие природу термоэдс в некристаллических веществах, механизмы возникновения этого явления в гранулированных нанокомпозитах металл-диэлектрик.

Отдельный подраздел отведен для рассмотрения термоэдс в полупроводниковых структурах. Подробно описана история становления полупроводников с высокими значениями термоэлектрической добротности (ТЭД) от массивных образцов до наноразмерных. Для различных наноразмерных материалов, содержащих две и более фаз, установлено влияние величин добротности каждой отдельной фазы на термоэлектрическую добротность всего материала. Приведены результаты теоретических и практических работ, которые указывают на ограниченность максимальных значений ТЭД: добротность всего материала достигает значений насыщения независимо от того, насколько высоки термоэлектрические добротности отдельных фаз, его составляющих.

Рассмотрены теоретические модели для исследования транспортных свойств нанокомпозитов. Описаны модели, начиная с комплексной модели Зоммерфельда, основанной на теории свободных электронов в металлах, и заканчивая современными теоретическими моделями относительно транспортных свойств термоэлектрических нанокомпозиционных структур. В этом же подразделе представлены и модели, описывающие механизмы поведения термоэдс гранулированных композитов под воздействием внешнего магнитного поля: модель спин-расщепленных состояний, впервые предложенная Ши, которая основана на объемном рассеивании электронов проводимости внутри ферромагнитных гранул, а также модель мнимых локализованных состояний, представленная Иноуэ, которая говорит о том, что рассеяние электронов проводимости происходит на возможных локализованных состояниях вблизи интерфейсов гранула-матрица.

По результатам литературного обзора сделаны выводы, что изучению транспортных явлений в низкоразмерных системах посвящено значительное число публикаций, однако представленные теоретические модели зачастую демонстрируют не полное соответствие с экспериментом и часто противоречат друг другу.

Во второй главе приведены краткое описание методики получения гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик (полупроводник) и принцип работы универсальной установки ионно-лучевого распыления. Приведена сводная таблица всех исследуемых в работе композитов. Представлены результаты электронно-микроскопических исследований тонкопленочных образцов нанокомпозитов металл-диэлектрик на примере структуры (Fe68Tb12Dy20)xЦТНСВ100-x1*, а также структур металл-полупроводник (In35,5Y4,2O60,3)100-xCx* и (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x. Приведено описание специально разработанных измерительных комплексов, предназначенных для исследования термоэлектрических свойств гранулированных нанокомпозитов. Кратко рассмотрены особенности экспериментальных методик исследования концентрационных, температурных и магнитно-полевых зависимостей термоэдс гранулированных нанокомпозитов.

В третьей главе приводятся результаты изучения транспортных явлений в гетерогенных системах металл-диэлектрик и металл-полупроводник. При исследовании транспортных явлений при комнатной температуре особое внимание уделялось влиянию концентрации металлической фазы на электропроводность и термоэдс в изучаемых гетерогенных системах. Концентрационные зависимости для композитов металл-диэлектрик являются типичными для наногранулированных материалов, демонстрирующих перколяцию по проводимости. На всех кривых (рис. 1) присутствует характерная для всех перколяционных систем S-образная зависимость удельного электрического сопротивления от концентрации металлической фазы.

Анализ концентрационных зависимостей удельного электрического сопротивления композитов металл-полупроводник показал следующие результаты. Для структуры (In35,5Y4,2O60,3)100-xCx получены зависимости относительно концентрации углерода, вследствие сложности определения концентрации чистого индия в композите. Электронографические и рентгеноструктурные исследования показали, что в исследуемых образцах индий присутствует не только в чистом виде, но и в связанном в виде оксида, который вместе с различными соединениями углерода и иттрия образует полупроводниковую фазу.

Для структуры (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x концентрационная зависимость от доли металлической фазы Co41Fe39B20 представляет собой систему двух независимых перколяционных кривых по различным металлическим фазам (рис. 2, кривая 1). На начальном участке концентрационной зависимости – структура представляет собой систему металл-полупроводник, где в качестве металлических фаз выступают кристаллический индий и Co41Fe39B20, а в качестве полупроводника – оксиды индия и иттрия. Далее с увеличением доли металлической фазы происходит переход ко второй перколяционной кривой металл-полупроводник, где в качестве металлической фазы выступает металлический сплав Co41Fe39B20, а полупроводниковой – окислы индия и иттрия. Таким образом, дважды происходит смена механизмов проводимости с металлической на полупроводниковую при увеличении доли металлической фазы.

а) б) в)
Рис. 1. Концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления наногранулированных композитов металл–диэлектрик: а) (Co45Fe45Zr10)хЦТНСВ100-x; б) (Fe68Tb12Dy20)xЦТНСВ100-x, в) (Co41Fe39B20)x (MgOn)100-x.
Рис. 2. Концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления (1) и термоэдс (2) нанокомпозитов (Co41Fe39B20)x(In35,5Y4,2O60,3)100-x, полученные в атмосфере аргона pAr = 2,6*10-4 Торр


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.