WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

активность наночастиц меди по отношению к окислению наблюдалась в ряде работ [9,14], однако в большинстве случаев условия проведения экспериментов и свойства самих частиц были различными, что не позволяет устаКак видно из этого рисунка, временной порог появновить однозначную зависимость скорости окисления от ления проводимости (определяемый порогом чувствиразмеров. Наблюдаемая в наших экспериментах чрезвытельности измерительной системы, 10-12 -1) равен чайно высокая устойчивость структур меди к окислению примерно 2.8 min. Это время хорошо согласуется с предможет быть связана с тем, что наночастицы, полученные ставлениями о структурных свойствах пленок и соответметодом лазерной электродисперсии, имеют аморфную ствует началу формирования второго слоя наночастиц.

структуру. Это предположение согласуется с тем, что, На рис. 3 видно также, что по мере заполнения второго как известно, аморфные металлы более устойчивы к слоя в интервале времен нанесения от 3 до 4 min провокоррозии, чем обычные металлы, имеющие поликристалдимость структур возрастает на 9 порядков величины.

лическую структуру [15].

Нетрудно видеть, что при этом поверхностная плотность частиц изменяется всего на 25%. Отметим, что при достижении величины проводимости 10-3 -1, 3. Температурные зависимости несмотря на проведенное кратковременное окисление, проводимости и вольт-амперные проводимость пленок имела металлический характер.

характеристики окисленных пленок Таким образом, для рассматриваемых тонких гранулированных пленок в силу специфики их организации В гранулированных металлических наноструктурах переход диэлектрик-металл происходит очень быстро положительно и отрицательно заряженные частицы мов процессе заполнения второго слоя наночастиц.

гут возникать как в результате туннельных переходов Зависимости проводимости пленок с частично заполэлектронов между соседними изначально нейтральными ненным вторым слоем гранул от времени нахождения гранулами, так и вследствие инжекции электронов (дыструктуры на воздухе представлены на рис. 4. Как видно рок) с электродов. В случае больших энергий ионизации из этого рисунка, характер изменения проводимости во или сравнительно низких температур в системе имеются времени существенным образом зависит от степени затолько однократно заряженные частицы, т. е. частицы полнения гранулами второго слоя или, что то же самое, с одним лишним или одним недостающим электроном.

от начальной проводимости образцов. Так, для пленок Именно этот случай будет рассматриваться далее. Если с большой начальной проводимостью время выхода на в структуре имеется некоторое количество заряженных стационарное значение проводимости составляет около частиц, то под действием электрического поля будет 15 дней, а для пленок с меньшей проводимостью (меньпроисходить дрейф зарядов, обусловленный туннельнышим числом гранул во втором слое) стадия быстрого ми переходами. В этом случае плотность тока в пленке изменения проводимости заканчивается после двух дней.

дается обычным выражением После первой стадии окисления проводимость пленок стабилизируется. Контрольные измерения показали, что j = e(n- + n++), (1) для тонких пленок с относительно небольшим числом гранул во втором слое проводимость, достигнутая после где e — заряд электрона, n- и n+ — плотности первой стадии окисления, в дальнейшем практически отрицательно и положительно заряженных гранул соотне меняется в течение двух-трех месяцев с момента ветственно, ± — дрейфовая скорость переноса элекизготовления структуры. Это означает, что в течение тронов (-) или дырок (+) во внешнем электрическом столь длительного отрезка времени ядра наночастиц поле.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Влияние окисления на электрические свойства гранулированных наноструктур меди =[2m/ ]1/2, — эффективная высота диэлектрического барьера, — изменение электростатической энергии системы гранул, обусловленное данным пере ходом, A exp(-2s). При переходе 1-2 электростаh тическая энергия системы гранул изменяется на величину = eUd - E12, где Ud — разность потенциалов соседних гранул, между которыми происходит переход, E12 — энергия образовавшегося диполя. При обратном переходе 2-1, т. е. при рекомбинации диполя, имеем = E12 - eUd. Аналогично изменение энергии при переходе 2-3 равно = eUd - 2E + E12, где E —работа, необходимая для переноса электрона из бесконечности на нейтральную гранулу. В [6] показано, что E E12;

таким образом, = - = eUd - E. Соответ12 21 ствующие частоты переходов, вычисленные из (2), равны eUd - E r12 = r23 = A, Рис. 5. Схема процесса двухступенчатой ионизации гранул: E-eUd 1 - exp 1-2 — формирование диполя заряженных гранул, 2-1 — ре- kT комбинация диполя заряженных гранул, 2-3 — формирование E - eUd пары независимых заряженных гранул. r21 = A. (3) eUd-E 1 - exp kT Используя эти выражения для частот переходов, можно найти частоту двухступенчатого процесса ионизаПлотность заряженных гранул определяется скороции ri = r12r23/(r21 + r23). Учитывая, что электростатистями генерации и рекомбинации зарядов. В слабых ческая энергия однократно заряженной наночастицы, электрических полях доминирует термоактивационный имеющей размер 5 nm, равна E 200 meV, а величимеханизм генерации, и в этом случае выражение для на eUd в описываемых экспериментах не превышаплотности заряженных частиц можно найти на основе ет 20 meV, можно описать частоту ионизации при темстатистического подхода [16]. В сильном поле сущепературе, близкой к комнатной (kT 25 meV), простым ственную роль играют также процессы полевой ионисоотношением зации нейтральных гранул. Для нахождения плотности заряженных частиц в широком диапазоне приложенных 2(eUd - E) ri AE exp. (4) полей рассмотрим генерационно-рекомбинационный баkT ланс с учетом процессов термической и полевой иониВ общем случае туннельный переход электрона мозации.

жет происходить под углом по отношению к векПроцесс ионизации первоначально нейтральных гратору напряженности электрического поля. Для учета нул схематически показан на рис. 5. Как видно из этой возможности в выводе (4) следует заменить Ud этого рисунка, ионизация гранул осуществляется в два на Ud cos и затем усреднить выражение для ri по этапа: вначале вследствие обмена электронами между углу. Усреднение по углам приводит к усложнению соседними нейтральными гранулами формируется диявного вида зависимости (4), однако, как показывает поль, состоящий из двух противоположно заряженных анализ, при этом коррекция величины ri сводится к пососедних частиц (переход 1-2), затем разделение диkT явлению множителя порядка, величина которого поля приводит к образованию независимых заряженных kT +2eUd не сильно отличается от единицы. Наконец, зная частоту гранул (переходы 2-3). Если, наоборот, в результате ионизации, можно вычислить интенсивность генерации миграции зарядов положительно и отрицательно зарязаряженных частиц обоих знаков: = 2n0ri, где n0 — женные гранулы окажутся на соседних позициях, может i плотность нейтральных гранул.

произойти рекомбинация зарядов.

Туннелирование электрона с образовавшейся отрицаВ общем случае частота туннельных переходов электельно заряженной частицы на соседнюю нейтральную тронов между соседними металлическими гранулами, или с нейтральной частицы на соседнюю положительно отделенными друг от друга диэлектрическим промежутзаряженную обеспечивает движение заряда в объеме ком толщиной s, равна [6] пленки. Если в результате этого движения противопо ложные заряды оказываются на соседних гранулах, то r = exp(-2s) = A, (2) эти заряды рекомбинируют за очень короткое время, h 1 - e- /kT 1 - e- /kT равное 1/r21. Интенсивность рекомбинации заряженных где — геометрический фактор, зависящий от частиц дается выражением = 2nT, где n —плотr формы частиц, — постоянная туннелирования, ность положительно либо отрицательно заряженных Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1900 В.М. Кожевин, Д.А. Явсин, И.П. Смирнова, М.М. Кулагина, С.А. Гуревич частиц, T = d · r 0= AdkT — тепловая скорость перемещения заряда, осуществляемого за счет термоактивированного туннелирования электронов, d — сечение рекомбинации (равное расстоянию между центрами соседних проводящих частиц). Полученное выражение для T справедливо, если размеры частиц фиксированы и размеры туннельных зазоров вдоль токовых путей постоянны. В этом случае можно считать, что в отсутствии внешнего поля туннельный переход электрона с заряженной частицы на соседнюю нейтральную частицу происходит без изменения энергии. Именно такими свойствами обладают рассматриваемые нами монодисперсные структуры, в которых размер туннельных зазоров определяется толщиной окисной оболочки гранул.

В не полностью окисленных структурах такой подход также оказывается применимым, поскольку вероятности Рис. 6. Температурные зависимости проводимости пленки, туннельных переходов на всем протяжении выбранного измеренные в разные моменты времени: после экспозиции токового пути не могут сильно варьироваться [5].

на воздухе в течение недели (1) и сразу после нанесения В стационарном состоянии интенсивность генерации пленки (2).

равна интенсивности рекомбинации зарядов, т. е. выполняется соотношение =. Если плотность заряi r женных частиц мала, n n0, это соотношение легко Усреднение rdr по всем направлениям позволяет вычиспреобразовать к виду лить направленную скорость перемещения зарядов E eUd - E n n0 exp. (5) d kT + 2eUd kT ± = · rdr · cos d. (7) Подставляя в (5) экспериментальные значения параметров E 200, Ud 20 и kT 25 meV (T 300 K), полуВ результате интегрирования получаем чаем оценку плотности заряженных частиц n 10-3n0, которая подтверждает справедливость сделанного выше ± = AeUd · d. (8) предположения. Отметим, что, поскольку в рассматрива- емом процессе ионизации рождается одинаковое количеПодставляя (5) и (8) в (1), получим окончательное ство отрицательно и положительно заряженных частиц выражение для плотности тока и интенсивности их рекомбинации равны, в однородной системе в стационарном состоянии всегда соблюдается 1 E eUd - E условие электронейтральности n- = n+ = n.

j = Ae2dn0Ud exp. (9) 2 kT + 2eUd kT Для определения входящих в выражение (1) величин дрейфовых скоростей ± необходимо более подробно Учитывая, что средняя величина падения напряжения рассмотреть процесс перемещения электрона (дырки) между соседними гранулами в направлении поля есть при туннелировании под влиянием внешнего поля. Как Ud = Ud/L, где U — напряжение, прикладываемое к и раньше, будем считать, что все частицы имеют одинаконтактам, а L — размер зазора между электродами, ковый размер и образуют плотноупакованную структуру из (9) получаем, что с фиксированным размером туннельных зазоров. Если перемещение электрона происходит во внешнем поле E eUd/L - E за счет туннелирования с отрицательно заряженной j U exp. (10) kT + 2eUd/L kT гранулы на нейтральную, то изменение энергии системы при переходе равно = eUd cos, где —угол между Выражение (10) определяет вид вольт-амперных харакнаправлением перехода и вектором напряженности электеристик и температурных зависимостей проводимости трического поля. (Такое же изменение энергии имеет гранулированных пленок.

место при переходе дырки). Соответственно частота Рассмотрим вначале ход температурной зависимоперемещений заряда rdr в различных направлениях сти проводимости и влияние окисления пленки на описывается выражением эту зависимость. На рис. 6 приведены температурные зависимости проводимости одной и той же пленки, eUd cos rdr = A ·. (6) измеренные сразу после изготовления пленки и после cos d 1 - exp -eU kT экспозиции образца на воздухе в течение одной недели, Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Влияние окисления на электрические свойства гранулированных наноструктур меди сетки диэлектрических зазоров, которая формируется при полном окислении структуры.

Из выражения (10) следует также, что наклон температурной зависимости проводимости в координатах (ln, 1/T ) определяется разностью E - eUd/L, т. е. при небольших напряжениях наклон кривой в основном задается величиной E, а при увеличении напряжения он начинает уменьшаться. Действительно, как видно на рис. 7, для окисленной пленки наклон температурной зависимости проводимости уменьшается при увеличении напряжения, при котором эта зависимость измеряется.

Рассмотрим вид вольт-амперных характеристик пленок. Как следует из (10), завсимость тока от напряРис. 7. Температурные зависимости проводимости, измерен- жения в основном определяется произведением ви eUd ные при трех различных величинах напряжения: 1 (1), 10 (2) да U exp. Далее для анализа этой зависимости kTL и 40 V(3). Зазор 5 µm.

удобно перейти к нормированной характеристике. Вводя параметры i = I/Imax и u = U/Umax, где Imax есть максимальный ток при максимальном напряжении Umax, получим когда значение проводимости пленки стабилизировалось (рис. 4). Измерения проводились при фиксированном I U ed(U - Umax) i = = exp напряжении на межэлектродном зазоре U = 1 V. Как Imax Umax kTL следует из выражения (10), при фиксированном напряжении и постоянной по структуре величине энергии E = u exp (u - 1), (11) должна наблюдаться температурная зависимость проводимости близкая к активационной, дающая линейную где = edUmax/kTL. Как видно из (11), кривизна зависимость в координатах (ln, 1/T ).1 В эксперименте вольт-амперной характеристики в координатах (u, i) зависит от единственного параметра. Отметим, что такая зависимость наблюдалась для окисленной пленки.

Величина E, найденная из наклона кривой 1 на рис. 6, со- при фиксированных значениях Umax, L и T величина параметра определяется только величиной d.

ставляет 200 meV. Используя приближенное выражение для этойэнергииE e2/30D ( — эффективная про- В экспериментах по исследованию вольт-амперных характеристик было обнаружено, что степень их криницаемость среды, D — диаметр частицы), полученное в рамках дипольного приближения [18], можно опреде- визны уменьшается при увеличении времени экспозиции свежеприготовленных пленок на воздухе. Этот эффект лить соответствующий характерный размер проводящих хорошо виден на рис. 8, где приведено несколько нормичастиц D 5 nm, что совпадает с основным размером рованных характеристик одной и той же пленки, изменаночастиц меди в данных структурах (разд. 1). Другими ренных в разные моменты времени. Для характеристики, словами, в окисленных пленках, проводимость которых стабилизировалась во времени, диэлектрические зазоры равномерно сформировались между всеми гранулами в структуре (в том числе и между гранулами, расположенными внутри островков первого слоя).

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.