Влияние внешних воздействий на поверхностную энергию и поверхностное сопротивление металлических систем
На правах рукописи
Манукянц Артур Рубенович
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
НА ПОВЕРХНОСТНУЮ ЭНЕРГИЮ И ПОВЕРХНОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
01.04.07 – физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Нальчик – 2010
Работа выполнена на кафедре физики Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета)
Научный руководитель: доктор физико-математических наук,
профессор Созаев Виктор Адыгеевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Магкоев Тамерлан Таймуразович
доктор физико-математических наук,
доцент Калажоков Хамидби Хажисмелович
Ведущая организация: Тверской государственный университет, г. Тверь
Защита состоится «30» июня 2010 г. в 1700 на заседании диссертационного совета Д 212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета.
Автореферат разослан «___» мая 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Ахкубеков А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Различные металлические системы широко используются в технологиях микро- и наноэлектроники при создании элементной базы электронных приборов.
К числу важнейших физико-химических параметров металлических пленок на кремниевых и диэлектрических подложках относятся поверхностная энергия, электрические и адгезионные свойства, а также структурные особенности поверхности пленок. Особое внимание уделяется фундаментальным характеристикам поверхности: поверхностной энергии и работе выхода электрона Ф. В последнее время достигнут существенный прогресс как в теоретических, так и в экспериментальных исследованиях и Ф чистых металлических поверхностей. Ранее в рамках метода функционала электронной плотности были установлены закономерности влияния внешних электрических полей, адсорбированных покрытий, размеров образцов на поверхностные свойства металлических систем. Однако в прежних работах не учитывалось влияние релаксации структуры на и Ф металлов при наличии значительных электрических полей и давлений. Не была установлена связь между поверхностной энергией и поверхностным натяжением наночастиц металлических систем, находящихся в электрических полях. Появление современных атомно-силовых, туннельных микроскопов позволяет выявлять взаимосвязи между некоторыми поверхностными свойствами и морфологией поверхности пленок, изученной на наноуровне. Однако подобных данных в литературе пока недостаточно. Вместе с тем, управляя структурой и морфологией пленок с помощью различных технологических приемов, можно получить гетероструктуры с прогнозируемыми свойствами. Одним из способов влиять на структуру, строение и свойства пленок является фотонный отжиг, который позволяет локализовать тепловую энергию в приповерхностной области и уменьшить термическую нагрузку на полупроводниковые и диэлектрические подложки, тем самым сохраняя их функциональные свойства.
Цель работы – изучение влияния электрического поля и давления на поверхностную энергию и ультрафиолетового излучения на поверхностное сопротивление металлических систем. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
изучить в рамках метода функционала электронной плотности (МФЭП) влияние релаксации структуры на анизотропию поверхностной энергии (ПЭ) и работы выхода электрона (РВЭ), а также влияние внешних электрических полей и давления на ПЭ.
установить взаимосвязь между поверхностной энергией и поверхностным натяжением (ПН) наночастиц металлических систем в электрических полях.
выявить взаимосвязи между ПЭ и РВЭ с остаточным сопротивлением металлов.
оптимизировать технологию фотонного отжига металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах.
выявить взаимосвязи поверхностного сопротивления металлических пленок с их морфологией до и после фотонного отжига.
Научная новизна
В рамках МФЭП разработана методика оценки релаксации структуры, ПЭ и РВЭ граней (100) – (111) щелочных металлов.
Впервые методом функционала электронной плотности проведены оценки влияния внешнего электрического поля и давления на ПЭ граней чистых металлических кристаллов с учетом релаксации структуры.
Оптимизирована методика фотонного отжига металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах. По зависимости поверхностного электросопротивления от времени воздействия светового излучения установлены оптимальные режимы фотонного отжига.
Эмпирически установлены взаимосвязи между поверхностными свойствами (ПЭ и РВЭ) и остаточным сопротивлением металлических систем.
Впервые в рамках термодинамики поверхностных явлений установлена взаимосвязь между ПЭ и ПН наночастиц, находящихся во внешнем электрическом поле.
Практическая значимость
Методика фотонного отжига металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах позволит оптимизировать технологии изготовления электронных приборов (лавинно-пролетных диодов, приборов ночного видения, диодов Шоттки и т.д.). Данные по ПЭ и РВЭ металлов могут использоваться при конструировании новых катодных материалов. Результаты НИР используются при чтении спецкурсов в КБГУ и СКГМИ.
На защиту выносятся
Методика учета релаксации структуры при оценках ПЭ и РВЭ в электрических полях и при наличии внешнего давления.
Данные по поверхностной энергии, работе выхода электрона низкоиндексных граней щелочных металлов, полученные в рамках МФЭП с учетом релаксации структуры.
Установленная взаимосвязь между ПЭ и ПН наночастиц в электрических полях.
Оптимальные режимы фотонного отжига некогерентным ультрафиолетовым излучением металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 и 11 Международном симпозиуме Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (ОМА-10, п. Лоо, 2007), на 11 Международном симпозиуме «Порядок и беспорядок и свойства оксидов» (ODPO-11, п. Лоо, 2008), на 1 Международном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS-2008), на научных семинарах кафедр физики и электронных приборов СКГМИ, физики межфазных явлений в КБГУ.
Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением современных теоретических и экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также известными литературными данными.
Личный вклад автора. В диссертации приводятся результаты в основном полученные лично автором. Цели и задачи исследования сформулированы научным руководителем проф. В.А. Созаевым.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 11 работах, из которых 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 4 таблицы. Она состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 157 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цель и задачи исследований, перечисляются основные положения, выносимые на защиту, излагаются научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе приводится обзор по теме диссертационной работы. Дается анализ литературных данных по влиянию как когерентного, так и некогерентного излучения на параметры полупроводниковых структур, систем металлизации к полупроводникам и диэлектрикам. Описывается метод функционала электронной плотности (МФЭП) и основные результаты, полученные в рамках МФЭП по ПЭ и РВЭ металлических систем, в том числе и тонкопленочных структур, изучается влияние на ПЭ и РВЭ внешних электрических полей и давления. Анализируются данные по ПН и ПЭ металлов, находящихся в твердом состоянии.
Во второй главе описаны характеристики объектов исследований и методы их получения, а также методика исследований электрических свойств систем полупроводниковых и микроканальных структур. Подробно описываются способы подготовки исходных подложек, нанесения металлических пленок Cr, Al, Ni/Cr на кремний и микроканальные структуры, методика фотонного отжига, а также методы исследования морфологии поверхности металлических пленок, фазового состава, электрофизических свойств образцов.
Напыление пленок алюминия, хрома и никеля на микроканальные структуры и кремниевые подложки марки КЭФ-4.5 толщиной 100 мкм и ориентацией (111) и пленок хрома на микроканальные структуры проводили на установке УВН-70 в вакууме при давлении 10-4 Па. Температуру подложки в процессе напыления поддерживали 20 °С. Толщину металлических пленок контролировали по сопротивлению спутника, она составляла 100 нм.
Облучение проводилось на установке «Волна», в которой использовались ртутные лампы (20 штук, каждая мощностью 1 кВт) и на везерометре согласно ГОСТ 11279-83. В везерометре образцы в виде пластинок устанавливались на наружной стороне вертикального цилиндрического барабана, вращающегося вокруг ультрафиолетовой лампы (ртутная лампа). Облучение образцов происходит при температуре 20 C, на расстоянии r = 210 мм и длине волны 300 нм.
Морфология поверхности пленок до и после отжига изучалась на атомно-силовом микроскопе марки SOLVER P47. Поверхностное сопротивление пленок измерялось четырехзондовым методом с использованием потенциометра P 363/2.
Относительная погрешность измерений сопротивления не превышает 0,2-0,5 %.
Третья глава посвящена результатам изучения поверхностной энергии, РВЭ в рамках метода функционала электронной плотности, который позволяет на основе квантово-статистических самосогласованных расчетов с использованием микроскопических характеристик веществ выявлять роль различных факторов, в том числе релаксации структуры, в формировании поверхностных энергетических характеристик металлических систем.
Несмотря на то, что в металлах эффекты релаксации проявляются в меньшей степени, чем в полупроводниковых и диэлектрических кристаллах, их учет необходим, когда на металл оказываются значительные внешние воздействия, в связи с чем представляет интерес разработка методов оценки влияния релаксации на ПЭ.
В начале третьей главы приводятся результаты вариационных вычислений поверхностной релаксации (ПР) и ее влияние на ПЭ и РВЭ для граней с низкими индексами монокристаллов щелочных металлов с ОЦК-структурой в отсутствие внешних воздействий.
Все расчеты проводятся в атомной системе единиц, в которой принимается, что , расстояние измеряется в боровских радиусах
, а энергия в Ридбергах (1Рид = 27,2 эВ).
ПЭ оценивалась по формуле:
= j + ps + M. (1)
Межфазная энергия j(,) в приближении однородного фона (приближения «желе») оценивается, как и в [1] по формуле:
,(2)
где первое слагаемое в (2) – вклад собственной электростатической энергии взаимодействия электронного газа, взаимодействия электронного газа с зарядом «желе», величина которого зависит от расположения гиббсовой координаты; второе слагаемое – вклад кинетической энергии невзаимодействующего электронного газа; третье – поправка к кинетической энергии на неоднородность поля Вейцзеккера-Киржница; четвертое – вклад энергии обменного взаимодействия в j; пятое – вклад корреляционного взаимодействия в j; шестое – поправка на нелокальность к обменно-корреляционному взаимодействию, взятому в приближении Гелдарта-Резолта;
;
.
В формуле (1) ps – поправка к в рамках модели «желе» на дискретность структуры, связанной с электрон-ионным взаимодействием; рассчитываются с использованием псевдопотенциала Ашкрофта и с учетом релаксации поверхностной структуры, M – поверхностная энергия Маделунга, связанная с ион-ионным взаимодействием, которая может быть представлена как: , где hkl – поверхностный аналог постоянной Маделунга, зависящий от структуры кристалла и ретикулярной плотности частиц грани (hkl), Z – число электронов на ячейку Вигнера – Зейтца, M – релаксационная добавка Маделунговской составляющей.
Вклады в формуле (2) проинтегрированы в [1] с использованием двухпараметрической функции распределения электронной плотности на границе раздела металл – вакуум:
, (3)
где – равновесная плотность объемного распределения электрического заряда;
ZG = (1/ – 1/) – координата Гиббсовой границы раздела, которая находится из условия сохранения заряда; , – вариационные параметры, определяемые из условия минимума ПЭ, которую будем считать зависимой от поверхностной релаксации. (z) – функция Хэвисайда.
Полагая, что релаксирует только первая поверхностная плоскость, отстоящая от границы фона z = 0 на расстоянии z0 = – d/2, введем параметр поверхностной релаксации (ПР) = d/d как относительное изменение расстояния между первой и второй плоскостями. Тогда вседствие релаксации, положение первой плоскости будет опеределяться величиной:
. (4)
При таком выборе > 0 соответствует расширению, а
. (5)
Выражение (5) получено с учетом (3) и (4) с использованием псевдопотенциала Ашкрофта. Остальные выражения для ПЭ, связанные с распределением (3), остаются без изменения.
ПР изменяет также вклад маделунговского члена ПЭ на м (релаксационная добавка к маделунговской составляющей ПЭ), для которого получено соотношение:
,(6)
где – длина двухмерного вектора обратной решетки; 1, 2 – целые числа; штрих у знака суммы означает, что слагаемые с 1 = 2 = 0 надо исключить; x1 и x2 определяют проекцию вектора сдвига плоскости в единицах длин векторов трансляции в двухмерной прямой решетке. Для небольших
M имеет зависимость от , близкую к параболической.
Равновесную ПР найдем из условия минимума полной ПЭ .
ПР изменит дипольный барьер, который определяется параметрами и и, следовательно, РВЭ. Кроме того, изменится структурный вклад в РВЭ, связанный с изменением потенциала первой плоскости:
. (7)
Полученные выражения (3)-(7) справедливы для любой структуры металла и любой грани.
Расчеты ПЭ и РВЭ провели с учетом ПР и ее влияния на анизотропию ПЭ и РВЭ щелочных металлов. Для заданной величины находился минимум ПЭ по и . Затем из набора значений ПЭ для различных находится минимум ПЭ по . Результаты расчетов сведены в табл. 1.
Таблица 1. Поверхностная энергия и работа выхода электрона граней с малыми индексами Миллера монокристаллов щелочных металлов с учетом релаксации.
Металл | Грань | , а,е–1 |
![]() |
ZG, а,е, | , мДж/м2 | Ф, эВ | |
Литий | 100 110 111 | –0,04 0 –0,11 | 0,94 0,99 0,7 | 1,4 1,5 1,19 | –0,350 –0,343 –0,588 | 605 435 430 | 3,179 3,426 3,507 |
Натрий | 100 110 111 | 0,02 0,01 –0,04 | 0,8 0,89 1,00 | 0,69 1,0 0,55 | 0,199 0,124 0,866 | 311 252 357 | 2,962 3,082 2,653 |
Калий | 100 110 111 | –0,12 0 –0,02 | 1,05 0,85 0,8 | 0,59 1,15 0,5 | 1,712 –0,307 0,750 | 124 145 210 | 2,008 2,694 2,412 |
Рубидий | 100 110 111 | 0,02 0,05 –0,1 | 0,5 0,85 0,8 | 1,2 0,4 0,39 | –1,13 1,388 1,313 | 116 103 111 | 2,382 2,737 2,389 |
Цезий | 100 110 111 | –0,01 0,06 –0,13 | 0,74 0,8 0,89 | 0,44 0,34 0,69 | 0,921 1,675 0,326 | 91 76 66 | 2,213 2,631 1,740 |