WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 4 Трансформация параметров фазового перехода полупроводник–металл при кристаллизации аморфных пленок диоксида ванадия ¶ © В.А. Климов, И.О. Тимофеева, С.Д. Ханин, Е.Б. Шадрин, А.В. Ильинский, Ф. Сильва-Андраде Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Автономный университет г. Пуэбла, Мексика (Получена 22 июля 2002 г. Принята к печати 4 октября 2002 г.) Исследованы петли температурного гистерезиса отражательной способности и емкости аморфных и поликристаллических пленок диоксида ванадия при фазовом переходе полупроводник–металл (ФППМ).

С помощью атомно-силового микроскопа изучена морфология этих пленок. Установлено, что небольшое число (2-3) термоциклирований аморфной пленки приводит к исчезновению проявлений фазового перехода, что связывается с диффузией кислорода из кластеров, состоящих из VO2, в примыкающие к ним кластеры, состоящие из низших окислов ряда Магнели. Показано, что отжиг аморфной пленки диоксида ванадия в атмосфере кислорода приводит к доокислению низших окислов до VO2, поликристаллизации пленки и восстановлению проявлений ФППМ. По результатам этих исследований, а также по данным, полученным на атомно-силовом микроскопе, сделан вывод о высоком оптическом качестве поликристаллических пленок диоксида ванадия, полученных из аморфных пленок методом термокристаллизации, и установлена их пригодность для использования в окиснованадиевых интерферометрах и оптических ограничителях.

Актуальность исследований физических свойств ди- миниевым зеркалом и однородной по толщине пленоксида ванадия определяется богатыми возможностями кой диоксида ванадия. В простейшей конструкции роль прикладного использования этого материала и, в част- второго зеркала играет наружная поверхность пленности, сконструированных на его основе тонкопленоч- ки VO2. Отражательная способность такого интерфероных интерферометров Фабри–Перо [1].

метра скачком изменяется в той точке его поверхности, Кристаллический диоксид ванадия (VO2) представляет на которую воздействует тепловой импульс, индуцируюсобой вещество с фазовым переходом первого рода с щий температурный фазовый переход. Запоминание конкритической температурой Tc 67C (Tc — темпера- фигурации теплового поля осуществляется благодаря тура равновесия полупроводниковой и металлической наличию термического гистерезиса.

фаз) [1,2]. Однако благодаря наличию размерных эффекИз сказанного следует, что для практических прилотов переход в металлическую фазу совершается при темжений является актуальной задача получения кристалпературе, превышающей Tc на некоторую величину T, лических пленок диоксида ванадия возможно большей зависящую от размера кристалла, в котором происходит площади и одновременно высокой однородности оптифазовый переход [3]. Эта зависимость обусловлена весоческих характеристик, причем как по толщине, так и мым вкладом в энергетику фазового перехода энергии по рабочему полю. Решению этой задачи посвящено поверхностного натяжения наружной границы кристалзначительное количество работ [5–7]. Данная работа лита, зависящей от кривизны его поверхности, которая также посвящена поиску одного из решений этой задачи, в свою очередь непосредственно связана с размером и а именно, исследованию оптических и электрических формой кристаллита. В объемных монокристаллах VO2 свойств аморфных пленок диоксида ванадия, полученэта величина составляет 1-2C, тогда как в зерниных методом анодного окисления пленки металлическостых поликристаллических пленках она может достиго ванадия, а также исследованию поликристаллических гать 20-30C. Обратный фазовый переход совершается пленок диоксида ванадия, полученных из аморфных при температуре Tc - T. Таким образом, имеет место пленок путем их последующей термокристаллизации [8].

термический гистерезис физических свойств материала Процесс термокристаллизации состоял, согласно [8], с шириной петли 2 T и большим разнообразием форм в отжиге на воздухе аморфной пленки VO2 при темпетель [4].

пературе 450C в течение 2 мин, в результате чего Практически все применения диоксида ванадия связаобразовывались поликристаллические пленки VO2. Вканы с использованием его тонких пленок. Так, в качестве честве исходного материала, подвергавшегося анодному среды для записи голограмм используется тонкоплеокислению, использовались: а) ванадиевая фольга толночный окиснованадиевый интерферометр Фабри–Перо, щиной 0.15 мм; б) тонкие (около 500 ) пленки металкоторый представляет собой структуру, состоящую из лического ванадия, осажденные резистивным методом подложки с последовательно нанесенными на нее алюна слабо проводящую германиевую подложку. В первом ¶ E-mail: shadr.solid@mail.ioffe.ru случае образцы фольги подвергались предварительной Трансформация параметров фазового перехода полупроводник–металл при кристаллизации... электрохимической полировке в 40%-м растворе серной кислоты в этаноле при плотности тока 0.5 А/см2. В качестве электролита при анодном оксидировании использовалась уксусная кислота CH3COOH с добавлением водного раствора буры Na2B4O7 10 H2O. Анодирование осуществлялось в вольтстатическом режиме [8].

Применявшийся нами на данном этапе синтеза метод электрохимического оксидирования металлического ва- Рис. 2. Петли гистерезиса пленки аморфного диоксида ванадия: a — отражательной способности, b — емкости образца, надия [8] имеет то преимущество, что позволяет без измеренной на частоте 3 МГц.

использования высоковакуумной техники получать однородные пленки аморфного VO2 большой площади.

Однако, как будет показано далее, эти пленки оказались неустойчивыми к термоциклированию, для устранения пленок диоксида ванадия в работе [9] бросается в чего требовалось использование процедуры их отжига глаза отсутствие зернистой структуры, характерной в кислородной атмосфере. На обоих этапах нами с подля поликристаллических пленок, несмотря на то что мощью атомно-силового микроскопа контролировалась пленка металлического ванадия такую структуру имеморфология пленок. Также контролировались их элекет. Атомно-силовое изображение исследованного участтрические и оптические параметры, что осуществлялось ка аморфной пленки VO2 демонстрирует бесструктурпутем исследования петель термического гистерезиса ное образование, поверхность которого повторяет профизических свойств в области точки фазового перехода.

филь подложки. Толщина полученной пленки составляет Измерения температурной зависимости отражатель1100 ± 20 и остается практически постоянной по всей ной способности полученных образцов проводились на поверхности пленки.

нескольких фиксированных длинах волн в диапазоне На рис. 2 представлены петли гистерезиса отражатель0.6-1.7 мкм в температурном интервале от 23 до 90C ной способности (a) на 1.3 мкм и емкости (b) аморфной с помощью стандартной спектрофотометрической устапленки, зарегистрированные в области 67C. Петли новки, созданной на базе монохроматора МДР-2. Измеявляются незамкнутыми, асимметричными, имеют ширения электрического сопротивления образцов диоксида рину около 20C, а их ветви занимают температурный ванадия выполнялись на постоянном токе, а полного диапазон порядка 80C.

импеданса – на частоте 3 МГц.

Отсутствие выраженной зернистой структуры у На рис. 1 представлено изображение поверхности аморфной пленки VO2 не позволяет при анализе фораморфной пленки VO2, полученное с помощью атоммы петель гистерезиса непосредственно воспользоваться но-силового микроскопа. Эта пленка синтезирована меконцепцией, согласно которой каждое зерно-кристаллит тодом анодного оксидирования пленки металлическопленки обладает одной присущей ему элементарной го ванадия, предварительно нанесенной на германиепетлей термического гистерезиса, причем элементарные вую подложку. При сравнении представленного здесь петли отдельных кристаллитов пленки „вертикальны“ по изображения и изображениями поликристаллических температуре, т. е. при достижении температуры перехода зародыш новой фазы прорастает со скоростью звука сквозь все зерно, находившееся перед этим в предыдущей фазе [1,9]. В то же время не вызывает сомнения, что изменение отражательной способности пленки аморфного VO2 при нагреве ее вблизи температуры фазового перехода полупроводник–металл связано с появлением металлической фазы в толще полупроводника. Поэтому естественно предположение о существовании в аморфной пленке каких-то областей VO2, являющихся аналогом зерен, которые ограничивают рост зародышей новой фазы и определяют, согласно упругим свойствам границ этих областей, ширину элементарных петель [3]. На роль таких областей могут претендовать либо области сохранения ближнего порядка аморфного материала, имеющие поперечник в несколько постоянных решетки (20-50 ), либо случайная сетка областей-кластеров с поперечником в несколько сотен постоянных решетки, стехиометрия которых соответствует различным окислам ряда Магнели [1], и отличающихся между собой Рис. 1. Изображение аморфной пленки диоксида ванадия, полученной электрохимическим оксидированием. содержанием кислорода. Скорее всего, этими кластераФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 390 В.А. Климов, И.О. Тимофеева, С.Д. Ханин, Е.Б. Шадрин, А.В. Ильинский, Ф. Сильва-Андраде ми являются зерна исходной пленки металлического ва- дефектов донорного типа в решетке VO2. Оценки принадия, подвергшиеся аморфизации в процессе анодного водят к величине разброса порядка 6 ат % при проокисления. тяженности ветвей главной петли 80C. Приведенная По нашему мнению, области сохранения ближне- оценка степени дефектности кластеров аморфной пленго порядка аморфной пленки, имеющие поперечник в ки, несмотря на большое значение, представляется ранесколько постоянных решетки, вряд ли играют роль зумной, так как энергии связи атомов кислорода в таких областей, поскольку зарегистрованная на опыте соединениях, соответствующих соседним членам ряда ширина главной петли (20C) относительно невелика Магнели, отличаются мало [5]. Поэтому даже небольшие для пленок VO2. Действительно, главная петля гистере- колебания условий синтеза приводят к значительной зиса, слагающаяся из элементарных петель, присущих дефектности структуры каждого данного члена ряда областям с поперечником 20-50, должна была бы Магнели внутри его области гомогенности, а также к иметь ширину порядка 100-200C, так как ширина эле- одновременному синтезу нескольких соседних членов ментарной петли гистерезиса обратно пропорциональна этого ряда.

квадратному корню из поперечника области ограниче- Предложенная концепция, основанная на важной роли ния роста зародыша [10]. На опыте, как было сказано, сетки кластеров VO2, окруженных областями из низмы этого не наблюдаем. ших окислов ванадия, подтверждается таким свойстТаким образом, более вероятно предположить, что вом аморфной пленки, как ее быстрое „старение“.

главную роль играет возникшая при синтезе случайная Оно состоит в сильном уменьшении скачка физичесетка областей-кластеров VO2 с поперечником несколь- ских параметров материала при фазовом переходе поко сотен (а не десятков) постоянных решетки. Эти сле каждого цикла „нагрев–охлаждение“, причем — области VO2 находятся в окружении областей, стехио- вплоть до полного исчезновения проявлений фазового метрия которых соответствует другим, отличным от VO2 перехода при 67C после нескольких циклов. Так, для по стехиометрии и температурам фазовых переходов, пленки, петля гистерезиса которой представлена на окислам ряда Магнели, существование которых обуслов- рис. 2, оказалось возможным выполнение лишь двух лено поливалентностью атома V [5]. Данная концепция термоциклов „нагрев–охлаждение“, позволивших заревыглядит естественной, так как синтез окисной пленки гистрировать оптическую (рис. 2, a) и электрическую путем окисления исходной металлической пленки в (рис. 2, b) петли гистерезиса. При этом уменьшение растворе электролита в условиях протекания тока при- скачка параметров при фазовом переходе после перводит к разбросу по площади пленки напряженностей вого термоцикла компенсировалось высокой чувствиэлектрических полей и плотностей тока в процессе окси- тельностью метода импедансометрии. Укажем сразу, что дирования, т. е. к разбросу локальной степени окисления незамкнутость петель гистерезиса говорит о развитии ванадия, так как поперечники зерен исходной пленки процессов старения уже в пределах одного термоцикла металлического ванадия имеют гауссово распределение. „нагрев–охлаждение“, начинающихся непосредственно Подтверждением тому является сильная зависимость по достижении температуры 90. Выражается это в наблюдаемых свойств синтезированной анодным окисле- увеличении доли металлической фазы в толще пленки нием аморфной пленки VO2 от метода получения слоя непосредственно в процессе регистрации петли гисисходного металлического ванадия [8]. терезиса, что приводит к необратимому увеличению В рамках предложенной концепции можно оценить, при 20C коэффициента отражения и емкости пленки, согласно [9], размеры кластеров VO2 и степень их порождающему незамкнутость петли (рис. 2).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.