WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

дефектности. Действительно, невысокая (для пленок) В рамках предлагаемой концепции наблюдаемое изширина петли гистерезиса (20C) говорит о значитель- менение формы петли гистерезиса после каждого терных размерах областей VO2 (оценка согласно [9] дает моциклирования обусловлено тем, что при температу60-100 нм), в которых совершается фазовый переход. рах, превышающих температуру фазового перехода, из В то же время сравнительно большая температурная кластеров VO2 происходит диффузия кислорода, иниципротяженность ветвей петли (около 80C) говорит о ированная нагревом (до 90C), с последующим захвасильном разбросе по шкале температур положений том этого кислорода низшими окислами ряда Магнели, элементарных петель, слагающих главную петлю в окружающими кластеры VO2. Такой процесс приводит аморфном VO2. Это в свою очередь говорит о большом к химическому восстановлению диоксида ванадия до разбросе концентраций свободных носителей заряда более низких окислов ванадия, уменьшая в пленке отно(электронов) в областях, соответствующих элементар- сительное содержание VO2. Повышенная (по сравнению ным петлям гистерезиса, так как от этих концентраций с поликристаллическими пленками) скорость диффузии сильно зависит температурное положение элементарных кислорода в аморфных пленках при 90C (верхняя петель. Разброс концентраций электронов в VO2 в свою температурная граница главной петли гистерезиса) свяочередь обусловлен разбросом концентрации дефектов, зана с наличием в аморфной пленке большого колииграющих роль доноров электронов [11]. Этот разброс чества ненасыщенных валентных связей, характерных может быть оценен на основании данных [12,13], где для аморфного состояния [8]. Конечным результатом приведено значение сдвига Tc, приходящееся на 1 ат % диффузии кислорода при термоциклировании является Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Трансформация параметров фазового перехода полупроводник–металл при кристаллизации... атмосферном давлении в течение 2 мин), что приводило к „доокислению“ областей низших окислов ванадия до VO2.

На рис. 3 представлено изображение такой „доокисленной“ пленки, полученное с помощью атомно-силового микроскопа, которое показывает, что на второй стадии синтеза, помимо доокисления, происходит также и кристаллизация исходной аморфной пленки: отчетливо наблюдаются ориентированные друг по отношению к другу кристаллические зерна диоксида ванадия треугольной формы со средним размером в поперечнике 250-300 нм. Разброс размеров зерен не слишком велик: полуширина гистограммы их распределения по размерам составляет 70 нм. Отметим, что аморфная пленка VO2, будучи термодинамически неустойчивой, может начинать кристаллизоваться уже при 90C [8].

Высокотемпературный отжиг позволяет наряду с восРис. 3. Изображение поликристаллической пленки диоксида становлением проявлений фазового перехода при 67C ванадия, полученной в результате высокотемпературного отдостичь характерного для поликристаллической пленки жига аморфной пленки VO2 в кислородосодержащей атмосфедиоксида ванадия большого скачка физических параре при 450C в течение 2 мин.

метров (3 порядка по емкости) с сохранением присущей аморфной пленке значительной температурной протяженности ветвей петли (рис. 4). Отметим, что продолжительность отжига „состаренных“ термоцикобразование аморфной пленки, вообще не содержащей лированием оксидных аморфных пленок, необходимая диоксида ванадия и целиком состоящей из низших для достижения параметров фазового перехода, харакокислов ванадия, которые обладают фазовыми перехотерных для поликристаллического диоксида ванадия, дами при значительно более низких температурах, чем в 5-10 раз меньше времени, требуемого для синтеза диоксид ванадия, и потому находящихся при температуполикристаллической пленки VO2 посредством пряморе 20C в металлическом состоянии [1]. Это и приводит го термического окисления исходной пленки металк незамкнутости петли гистерезиса уже на первом терлического ванадия в той же атмосфере и в том же моцикле и исчезновению проявлений фазового перехода температурном режиме. Установленная разница времен при 67C после нескольких термоциклов. При нагреве отжига служит дополнительным указанием на то, что до 90C процесс исчезновения областей VO2 вследствие внутри аморфной пленки VO2 при ее электролитическом выравнивания концентрации кислорода по объему пленоксидировании формируются низшие окислы ванадия.

ки за счет диффузии является достаточно интенсивНа рис. 4 при его сравнении с рис. 2 ясно видна ным. Коэффициенты химической диффузии кислорода трансформация параметров фазового перехода полупрочерез границу раздела двух соседних с VO2 членов водник–металл, возникшая в результате кристаллизаряда Магнели при температурах 20 и 90C, оцененные ции аморфной пленки диоксида ванадия. Действительно, согласно [14], близки для кристаллического состояния к петли гистерезиса после отжига сужаются, становятся значениям 2 · 10-6 и 10-5 м2/с соответственно. В аморфпрактически симметричными, но сохраняют присущую ной пленке эти величины должны быть по крайней мере на порядок выше. Кроме того, оценки, выполненные на основании экспериментальных значений окисляющих токов, времен анодного окисления и размеров образца, показывают, что среднее содержание кислорода в синтезированной аморфной пленке в 5-7 раз ниже, чем это необходимо для стехиометричного состава VO2.

Предположение о важной роли диффузии кислорода, сопровождающейся выравниванием его концентрации и исчезновением кластеров, заполненных диоксидом ванадия, естественным образом приводит к необходимости доокисления аморфных пленок с целью восстановлеРис. 4. Петли гистерезиса поликристаллической пленки диния экспериментальных проявлений фазового перехода оксида ванадия, полученной в результате высокотемпературполупроводник–металл при 67C. С этой целью аморфного отжига аморфной пленки VO2 в кислородосодержащей ные пленочные образцы отжигались нами при темпе- атмосфере при 450C в течение 2 мин: a — отражательной ратуре 450C в кислородосодержащей атмосфере (при способности, b — емкости, измеренной на частоте 3 МГц.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 392 В.А. Климов, И.О. Тимофеева, С.Д. Ханин, Е.Б. Шадрин, А.В. Ильинский, Ф. Сильва-Андраде аморфной пленке значительную протяженность ветвей. Список литературы Следует отметить, что у отожженных на воздухе анод[1] А.А. Бугаев, Б.П. Захарченя, Ф.А. Чудновский. Фазоно-оксидированных пленок диоксида ванадия ни величивый переход металл–полупроводник и его применение на скачка параметров при фазовом переходе полупро(Л., Наука, 1979) с. 183.

водник–металл, ни форма петель гистерезиса не зависят [2] Н.Ф. Мотт. Переходы металл–изолятор (М., Наука, от числа циклов „нагрев–охлаждение“.

1979) с. 342.

Сужение главной петли гистерезиса отожженного об[3] И.А. Хахаев, Ф.А. Чудновский, Е.Б. Шадрин. ФТТ, 36 (6), разца (с 20 до 12C для петли отражательной способ- 1643 (1994).

[4] Е.Б. Шадрин. Автореф. докт. дис. (СПб, 1997).

ности (рис. 2, a и 4, a) и с 15 до 10C для емкостной [5] W. Bruckner, H. Opperman, W. Reichelt, E.I. Terukov, петли (рис. 2, b и 4, b)) связано с укрупнением в проF.A. Tschudnovskii, E. Wolf. Vanadiumdioxide (Akadeцессе термоокисления областей VO2, ограничивающих mie -Verlag, Berlin, 1983) p. 252.

рост зародышей новой фазы, что вызывает, согласно [6] В.Ю. Зеров, Ю.В. Куликов, В.Н. Леонов. Оптический мартенситной модели фазового перехода в VO2 [3], журнал, 66 (5), 8 (1999).

сужение присущих этим областям элементарных петель [7] V.P. Belousov, I.M. Belousova, O.B. Danilov. SPIE Proc., 3263, гистерезиса и, как следствие, сужение главной петли.

124 (1998).

Симметризация главной петли объясняется в рам- [8] Г.Б. Стефанович. Автореф. докт. дис. (Петрозаводск, 1998).

[9] В.А. Климов, И.О. Тимофеева, С.Д. Ханин, Е.Б. Шадрин, ках предложенной концепции следующим образом. Как А.В. Ильинский, Ф. Сильва-Андраде. ЖТФ, 72 (9), известно [9], асимметрия главной петли гистерезиса (2002).

фазового перехода полупроводник–металл в диоксиде [10] А.Л. Ройтбурд. УФН, 113, 69 (1974).

ванадия связана с наличием корреляции между разме[11] A. Leone, A. Trione, F. Junga. IEEE Trans. Nucl. Sci., 37, рами областей, ограничивающих рост зародышей новой 1739 (1990).

фазы (и определяющих ширину элементарной петли), [12] T. Horlin, T. Niklevsky, M. Nygren. M.-Mater. Res. Bull., 8, а также нестехиометрией этих областей по кислоро179 (1973).

ду, определяющих положение элементарных петель на [13] P. Wuz, A. Miyashita, S. Yamamato. J. Appl. Phys., 86, температурной шкале. Действительно, в асимметрич- (1999).

[14] Н.А. Колобов, М.М. Самохвалов. Диффузия и окисление ной главной петле слагающие ее элементарные петли, полупроводников (М., Металлургия, 1975).

имеющие наибольшую ширину, одновременно имеют наинизшее положение на шкале температур. Это при- Редактор Т.А. Полянская водит к относительному уширению низкотемпературной Transformation of parameters части петли, т. е. к ее асимметрии. Если корреляция of the semiconductor–metal phase отсутствует, то петля является симметричной. Указанная корреляция возникает в процессе синтеза, так как во transition throughout crystallization всех методах синтеза, будь то анодное окисление или of amorphous films of vanadium dioxide же термическое окисление в вакуумной камере при V.A. Klimov, I.O. Timofeeva, S.D. Khanin, E.B. Shadrin, низком (10-1 мм рт. ст.) давлении кислорода, степень A.V. Ilinskii, F. Silva-Andrade окисления связана с размерами окисляемого микроIoffe Physicotechnical Institute, кристаллита, поскольку равновесное давление кислорода Russian Academy of Sciences, над VO2 сильно зависит от размера кристаллита [9]. Вто 194021 St. Petersburg, Russia же время при доокислении на воздухе при атмосферном Autonomical University of Puebla, давлении условия окисления столь далеки от равновесMexico ных, что степень окисления практически не зависит от размеров кристаллита. Это уничтожает указанную выше

Abstract

The hysteresis loops of reflectivity and conductivity of корреляцию, так что распределения зерен пленки по amorphous vanadium dioxide films in the range of semiconducширинам элементарных петель и температурам равноtor-metal phase transition are studied. With the help of an atoвесия фаз становятся независимыми, что и приводит к mic-force microscope the morphology of these films is investigated.

симметризации главной петли гистерезиса.

Is established that the small number (2-3) of thermocycles results Сохранение большой протяженности ветвей главной in suppressing the phase transition due to possible diffusion of петли после отжига связано с сохранением высокой сте- oxygen from VO2-clusters in adjacent clusters consisting of the lowest oxides of a Magneli-series. Is established that the annealing пени разброса дефектности зерен поликристаллической of an amorphous film in oxygen results in a crystallization of a пленки, несмотря на незначительный разброс зерен по film and the recovery of semiconductor-metal phase transition.

размерам (рис. 3), что сохраняет значительную ширину Results of these studies as well as the AFM-data, permit to draw a распределения элементарных петель по положению на conclusion about high optical quality of polycrystalline vanadium шкале температур.

dioxide films obtained by annealing amorphous VO2-films, and indicate that they can be used for applications in interferometers Работа выполнена при поддержке CONACYT и гранта and optical limiters.

МНТЦ № 1454.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.

Pages:     | 1 ||



© 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.