WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

комбинации условий величина туннельного тока может быть пропорциональна как плотности электронных со- В этой работе исследовались поверхности пленок как стояний на поверхности образца, так и ее свертке с чистого тетраэдрического аморфного углерода с различплотностью состояний в игле CTM. Подробная теория ным соотношением количества sp2- и sp3-связей, так и сканирующей туннельной спектроскопии полупроводни- аморфного углерода, легированного азотом при различков разработана Гольдштейном и др. [25]. ных концентрациях. Соотношение sp2/sp3 регулироваПервые CTC-исследования пленок аморфного лось фильтрацией ионов по энергии. Образцы, содержауглерода проводились одновременно с CTM-исследо- щие больше всего sp3-связей (около 85%), получались Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Сканирующие туннельные микроскопия и спектроскопия аморфного углерода прещенная зона шире, чем на поверхности. Этот результат подтверждается тем, что у травленной пленки зависимость формы туннельного спектра от расстояния между иглой и поверхностью практически отсутствует (рис. 7). Таким образом, получено экспериментальное подтверждение модели субплантации — одной из наиболее популярных моделей роста DLC [28]. Согласно этой модели, образование тетраэдрических связей происходит в приповерхностном слое растущей пленки, локальное давление в котором сдвинуто проникающими ионами в область стабильности алмаза.

В работе [29] наблюдались особенности в туннельном спектре пленок ta-C, ta-C : H, содержащих до 87% sp3-гибридизованного углерода. Эти особенности проявлялись как в sp3-кластерах, так и на границах между ними, но обладали худшей воспроизводимостью, чем приведенные в [26].

Альтернативная [26] интерпретация особенностей туннельного спектра предложена в работе [30]. Авторы Рис. 7. Туннельный спектр ta-C (85% sp3), нормированный на этой работы связывают пики дифференциальной прозначение тока при смещении +3 В, измеренный при различных водимости не с локализованными -связями, а с одновысотах иглы CTM до ионного травления (a) и после травлеэлектронными явлениями внутри самой пленки аморфния на глубину 15 (b) [26].

ного углерода. Действительно, графитоподобный кластер малой емкости ( 10-18 Ф), погруженный в sp3-гибридизованную среду и окруженный двумя туннельныпри энергии ионов 100 эВ. Для них были характерны ми переходами, оказавшись в канале протекания элекгладкая форма зависимости плотности состояний от трического тока, способен вызвать эффект, известный энергии и запрещенная зона 2.55 эВ. При этом уровень как кулоновская лестница [31], и породить регулярные Ферми оказался несколько ближе к валентной зоне, всплески дифференциальной проводимости. В пользу нежели к зоне проводимости, что говорит о некотором этой теории говорит сходство туннельных спектров ta-C, преобладании p-типа проводимости в DLC. приведенных в работе [26], с туннельными спектрами При увеличении количества графитоподобной соста- металл-углеродных нанокомпозитов, содержащих уединенные наноразмерные кластеры металла. Об этом будет вляющей на кривой плотности состояний появлялся еще сказано в последней части настоящей работы.

ряд особенностей (рис. 6). Авторы работы [26] особо отмечают стабильность положения этих особенностей и приписывают их локализованным -связям в различном 4. Исследования эмиссии окружении. Как и следовало ожидать, увеличение соиз аморфного углерода методом держания sp2-гибридизованной фазы приводит к уменьшению запрещенной зоны (в работе [26] достигнуты сканирующей туннельной значения 1.8эВ). Зависимость запрещенной зоны от микроскопии энергии ионов при росте пленки находится в согласии с оптическими данными, опубликованными в [27].

Актуальность разработки промышленной технологии Легирование DLC азотом сдвигает уровень Ферми и получения холодных полевых эмиттеров для плоских уменьшает запрещенную зону. В образце с наибольшим дисплеев в настоящее время трудно переоценить. Посодержанием азота запрещенная зона составляет 1.5 эВ, этому открытие низкого порога электронной эмиссии в а уровень Ферми смещен относительно ее середины пленках поликристаллического алмаза (в нем наблюдана +0.25 эВ (в чистом ta-C это смещение составля- лось даже отрицательное сродство к электрону [32]) не ет -0.05 эВ).

могло не усилить интерес к эмиссионным свойствам плеВесьма интересны результаты [26] по изучению раз- нок DLC. В пленках аморфного алмазоподобного углероличий в строении ta-C на поверхности и в объеме. да тоже наблюдалось отрицательное сродство к электроВ этой работе было применено два технических приема: ну и низкие пороги полевой эмиссии (< 30 В/мкм) [33].

измерение туннельного спектра при различных расстоя- Однако, как и в случае поликристаллического алмаза, мениях от иглы до поверхности и травление поверхности ханизм эмиссии пока остается не вполне ясным. Главным водородной плазмой на глубину 15. В обоих случаях отличием пленок DLC от пленок поликристаллического было обнаружено, что в глубине углеродной пленки алмаза с точки зрения эмиссионных свойств является то, содержание sp3-гибридизованного углерода выше, а за- что основной потенциальный барьер в случае DLC сущеФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1414 В.И. Иванов-Омский, А.Б. Лодыгин, С.Г. Ястребов ток при напряжении смещения 0.1 В не детектировался прибором. Полевая эмиссия включалась при приложении к пленке напряжения -2.67 В, что, если принять порог эмиссии в 13.2 В/мкм, дает расстояние от иглы до пленки в 200 нм. При этом плотность эмиссионного тока при напряжении 7 В составила 5 А/см2 — много больше, чем в диодной конфигурации. Это позволяет говорить о том, что в диодном режиме многие кластеры оставались выключенными из процесса эмиссии. Интересен также вид соответствующей кривой Фаулера–Нордгейма (рис. 8).

Кривая распалась на два сегмента, соответствующих работе выхода 1.32 и 1.86 эВ соответственно. Объяснения этому факту пока не дано.

CTM-исследования центров полевой эмиссии на поверхности DLC проводилось также в работе [39]. По результатам одновременного измерения проводимости и Рис. 8. Интенсивность холодной полевой эмиссии из DLC, рельефа пленки (комбинированная CTM/AFM техника) измеренной в зондовой конфигурации, в координатах Фаулера– авторы утверждают, что центрами эмиссии являются Нордгейма [35]. На вставке — туннельный спектр DLC.

sp2-гибридизованные кластеры. Противоречие с результатами работы [29], в которой эмиссия приписывается sp3-кластерам, возможно, объясняется тем, что авторы ствует на внешней поверхности, а в случае алмаза — на работы [39] использовали пленки с большим содержани поверхности, прилегающей к тыльному контакту [34].

ем sp2-кластеров.

Поскольку пленка DLC имеет неоднородную структуру поверхности, исключительно важным является ло5. Исследования металл-углеродных кальное исследование полевой эмиссии с пространственнанокомпозитов методами ным разрешением, сравнимым с размером поверхностных неоднородностей. Примером такого исследования сканирующей туннельной является работа [35]. Ее авторы провели сравнение микроскопии и сканирующей эмиссии из пленок DLC, измеренной обычным диодным туннельной спектроскопии методом и зондовым методом, в котором в качестве анода используется игла CTM, что позволяет исследоЕсли осуществить легирование пленки a-C не обравать локальные эмиссионные характеристики материала.

зующим карбид металлом (Me) при больших конценВ качестве зонда во втором методе использовалась игла трациях металла (единицы–десятки ат%), то образуется CTM, отодвинутая от поверхности пленки на расстометалл-углеродный нанокомпозит. Таковы, например, наяние, исключающее туннелирование. Предварительные нокомпозиты a-(C: H/Cu) и a-(C: H/Pt). В зависимости исследования с помощью AFM показали наличие на от условий получения они обладают рядом свойств, поверхности пленки кластеров размером 20 нм.

которых нет у чистых пленок DLC. Сюда относятся: хоПолевая электронная эмиссия, измеренная в вакуумрошая адгезия к практически любой поверхности, низкий но-диодной конфигурации [35], включалась при напряуровень внутренних напряжений, удельное сопротивлеженности электрического поля 13.2 В/мкм, причем плотние в интервале 1014-10-3 Ом · см, контролируемые в ность тока при напряженности поля 20 В/мкм составила широких пределах оптические свойства и т. д. [40,41].

около 160 мкА/см2 (расстояние между анодом и катодом CTM-исследования нанокомпозита a-C : H с различныравнялось 50 мкм). Подобные значения плотности тока ми металлами (Me = Cr, W, Pd, Pt), содержащего также характерны для эмиссии из DLC в диодной конфигураокись кремния, проводилось в работах [42,43]. На полуции [36]. Эмиссия хорошо описывалась кривой Фаулера– ченных топографических изображениях (рис. 9) видны Нордгейма, причем определенная по ней эффективная характерные для DLC кластеры размером 15-25 нм.

работа выхода составляла 0.052 эВ. Это говорит о Двухчасовой отжиг при 450C значительно изменил наличии геометрического усиления эмиссии, связанной структуру пленки: крупные кластеры отделились друг с концентрацией поля вокруг эмиттирующих кластеров.

от друга и между ними возникли низкопроводящие В предположении о том, что истинная работа выхода рав- области (видные на CTM-изображении как шерохована характерному для DLC значению 1.5 эВ [37], фактор тости). Кроме того установлено, что возросла доля усиления составил примерно 30 (надлежит отметить, sp2-гибридизованных атомов. В то же время нелегирочто в работе [38] в диодном режиме наблюдались и ванная пленка DLC, отожженная при тех же условиях, большие значения —до 102, но идентифицировать практически не меняет своей структуры. Таким образом, центры эмиссии методами CTM/AFM не удалось). введение металла понижает термическую стабильность При измерениях в зондовом режиме игла была выста- sp3-матрицы и снижает потенциальный барьер графитивлена на таком расстоянии от пленки, чтобы туннельный зации. Комбинируя начальный состав нанокомпозита и Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Сканирующие туннельные микроскопия и спектроскопия аморфного углерода Рис. 9. CTM-изображение поверхности пленки углеродно-платинового нанокомпозита до (слева) и после (справа) двухчасового отжига при температуре 450C [41].

условия его обработки, можно производить контролиру- Таким образом, металл играет роль донора электронов емую модификацию структуры a-(C: H/Me). для углеродной матрицы. В работе [45] туннельный Распределение металлических кластеров в нанокомпо- спектр исследован более тщательно. На нем выявлены зите по размерам исследовалось методами CTM Шифма- осцилляции дифференциальной туннельной проводимоном и др. [44]. Авторы получили функции распределения сти (рис. 10). Авторы работы [45] связывают их с по размерам кластеров Au и Pt в аморфном гидриро- одноэлектронными явлениями, возникающими в локаванном углероде. Характерные размеры кластеров со- лизованных кластерах меди. Оценка размеров кластера ставили единицы нанометров. Ими был также построен по ширине ступеньки туннельного тока дает величину статистический метод, позволяющий скорректировать 4 нм, т. е. несколько меньшую, чем характерный размер искажения, связанные с конечностью размера иглы CTM медного кластера. Это объясняется тем, что наибольший и неоднородной проводимостью композитной пленки.

одноэлектронный эффект дают самые мелкие изолироКомбинированные CTM/CTC исследования нано- ванные кластеры, оказавшиеся на пути протекания тока.

композита a-(C: H/Cu) описаны в работах [18,44].

Таким образом, вопрос об интерпретации туннельных Поверхность пленки покрыта кластерами размером спектров металл-углеродных нанокомпозитов, а также 20 нм, общая шероховатость поверхности не превысодержащих похожие особенности спектров a-C : H, пока шает 10-15 нм. Туннельный спектр, полученный в раостается открытым.

боте [18], демонстрирует изменение доминирующего типа проводимости с p на n при введении 9 ат% меди.

6. Заключение К настоящему времени получено значительное количество результатов по сканирующим туннельным микроскопии и спектроскопии аморфного углерода. На их основе построены модели структуры и холодной полевой эмиссии из этого материала. До сих пор существуют серьезные проблемы интерпретации данных CTM/CTC, однако предприняты шаги к их разрешению. Разработка методологии CTM/CTC, проводимая в связи с исследованиями пленок аморфного углерода, может принести немалую пользу и при исследовании других материалов, в особенности неупорядоченных полупроводников.

Данная работа была поддержана грантом РФФИ № 00-02-17004.

Все рисунки публикуются с ведома и согласия авторов статей и соответствующих издательств. Авторы выражают благодарность за предоставленные рисунки Рис. 10. Вольт-амперная характеристика I(V ) и первая производная dI/dV для пленки a-C : H + 9 ат% Cu толщи- M.B. Salmeron, J.W. Ager, E. Ben-Jacob, J. Robertson, ной 100 нм [44]. T.T. Chen.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1416 В.И. Иванов-Омский, А.Б. Лодыгин, С.Г. Ястребов Список литературы [29] L.K. Cheah, X. Shi, E. Liu, B.K. Tay. J. Appl. Phys., 85 (9), 6816 (1999).

[30] В.И. Иванов-Омский, А.Б. Лодыгин, С.Г. Ястребов. Письма [1] J.C. Angus, C.C. Hayman. Science, 241, 913 (1998).

ЖТФ, 25 (24), 66 (1999).

[2] A. Hart, B.S. Satyanarayana, W.I. Milne, J. Robertson. Appl.

[31] Д.В. Лихарев, К.К. Аверин. ЖЭТФ, 90, 733 (1986).

Phys. Lett., 74 (11), 1594 (1999).

[32] W.N. Wang, N.A. Fox, J.W. Steeds, S.R. Lin, J.E. Butler. J.

[3] M.-L. Theye, V. Paret, A. Sadki. Condens. Matter News, 7 (1), Appl. Phys., 80 (12), 6809 (1996).

4 (1998).

[33] E.I. Givargizov, V.V. Zhirnov, A.N. Stepanova. Appl. Surf. Sci., [4] J. Robertson, E.P. O’Reilly. Phys. Rev. B, 35, 2946 (1987).

87, 24 (1995).

[5] V.I. Ivanov-Omskii, A.B. Lodygin, A.A. Sitnikova, A.A. Suvo[34] J. Robertson. Flat Panel Display Meterials III, ed. by rova, S.G. Yastrebov. J. Chemical Vapor Deposition, 5, R.T. Fulks (Mater. Res. Soc., USA, 1997) p. 217.

(1997).

[35] F.Y. Chuang, C.Y. Sun, T.T. Chen, I.N. Lin. Appl. Phys. Lett., [6] B. Marchon, M. Salmeron, W. Siekhaus. Phys. Rev. B, 39 (17), 69 (23), 3504 (1996).

12 907 (1989).

[36] A. Hart, B.S. Satyanarayana, W.I. Milne, J. Robertson. Appl.

[7] J.A. Van Vechten, D.A. Keszler. Phys. Rev. B, 36, 4570 (1987).

Phys. Lett., 74 (11), 1594 (1999).

[8] A. Selloni, P. Carnevali, E. Tosatti, C.D. Chen. Phys. Rev. B, [37] F.Y. Chuang, C.Y. Sun, I.N. Lin. Appl. Phys. Lett., 68, 31, 2602 (1985).

(1996).

[9] R.E. Stallcup, A.F. Aviles, J.M. Perez. Appl. Phys. Lett., [38] O.M. Kuttel, O. Groning, L. Nilsson, L. Diederich, 66 (18), 233 (1995).

L. Schlapbach. Proc. 1 st Int. Specialist Meeting on Amorpho[10] N.H. Cho, D.K. Veirs, J.W. Ager III, M.D. Rubin, C.B. Hopper, us Carbon (SMAC’97), ed. by S.R.P. Silva (World Scientific, D.B. Bogy. J. Appl. Phys., 71 (5), 2243 (1992).

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.