WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 11 Низкочастотный шум в монодисперсных наноструктурах платины вблизи порога протекания © С.Л. Румянцев,, М.Е. Левинштейн, С.А. Гуревич, В.М. Кожевин, Д.А. Явсин, M.S. Shur, N. Pala,, A. Khanna Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Department of Electrical, Computer, and Systems Engineering, Rensselaer Polytechnic Institute, 12180-3590 Troy, USA Sensor Electronic Technology, Inc., SC 29209 Columbia, USA E-mail: vmk@pltec.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 2 февраля 2006 г.) Установлено значение порога протекания p0 0.6 для монодисперсных наноструктур платины (Pt) с размером металлических частиц 1.8 nm, нанесенных в виде монослоя на диэлектрическую подложку методом лазерного электродиспергирования. Показано, что в „металлическом“ состоянии (при p > p0) как величина шума, так и его температурная зависимость близки к аналогичным параметрам чисто металлических слоев Pt. Частотная зависимость относительной спектральной плотности шума описывается зависимостью SI/I2 1/ f с величиной, близкой к единице. При плотностях тока j 107-108 A/cm2 спектральная плотность шума SI возрастает с дальнейшим ростом тока быстрее, чем I2, за счет генерации током избыточных дефектов.

При p < p0 в широком температурном диапазоне зависимость проводимости от температуры хорошо описывается известным законом exp[-(T0/T )1/2]. Относительная спектральная плотность шума SI/I2 на много порядков превышает соответствующее значение для квазиметаллической структуры. Спектральная плотность шума SI приблизительно пропорциональна квадрату тока только при очень малых токах, а затем резко возрастает с дальнейшим ростом тока.

В Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № 05-02-1774, 05-02-1772), Федеральной целевой НТП программой „Физика твердотельных наноструктур“, программой Президиума РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“, программой фундаментальных исследований ОФН РАН „Новые материалы и структуры“, грантом CRDF 2681. В Rensselaer Polytechnic Institute работа поддержана National Science Foundation (Project Monitor Dr. James Mink).

PACS: 61.46.Df, 73.63.-b, 73.50.Td 1. Введение стиц, разделенных туннельно-прозрачными слоями окисла. Важно отметить, что зарядовая энергия (для невзаИсследование транспортных свойств гранулированимодействующих частиц) Ec = e2/2C, где C — емкость ных наноструктур в настоящее время является одним частиц, при диаметре частиц порядка нескольких наноиз интенсивно разрабатываемых направлений в физике метров заметно превышает энергию теплового шума при твердого тела [1,2]. Такие структуры представляют интекомнатной температуре. Это обстоятельство позволяет рес в качестве одного из возможных ключевых элеменрассматривать такого рода структуры в качестве возможтов при создании наноэлектронных и одноэлектронных ной основы для создания приборов наноэлектроники, приборов [3,4]. Одной из наиболее перспективных техспособных работать при комнатной температуре.

нологий изготовления гранулированных наноструктур Исследования низкочастотного шума в такого рода является метод лазерного электродиспергирования [5].

системах могут дать важную информацию о характеЭтот метод позволяет получить сферические металлире протекания тока. Кроме того, уровень и характер ческие наночастицы с чрезвычайно малой дисперсией низкочастотного шума часто являются определяющими радиуса частиц. Разброс в диаметрах сферических нафакторами при решении вопроса о возможном практиночастиц Pt и Ni, например, не превосходит одного ческом применении тех или иных активных элементов атомного слоя. В зависимости от длительности нанесев современной электронике (см., например, [6]). До ния плотность частиц, осажденных на диэлектрическую настоящего времени, однако, низкочастотный шум в подложку, может варьироваться от одного частично монодисперсных наноструктурах металлов, насколько заполненного слоя до нескольких плотноупакованных нам известно, не исследовался.

слоев. При нахождении на воздухе некоторая доля частиц окисляется, что приводит к возникновению си- В настоящей работе впервые исследован низкочастотстемы проводящих сферических металлических наноча- ный шум в монодисперсных пленках платины (Pt) как с Низкочастотный шум в монодисперсных наноструктурах платины вблизи порога протекания „металлической“, так и с „диэлектрической“ стороны от 3. Результаты и обсуждение порога протекания.

3.1. В о л ь т-а м п е р н ы е х а р а к т е р и с т и к и. Вольтамперные характеристики были практически линейны 2. Условия эксперимента во всем исследованном диапазоне температур и напряжений V от нуля до 4 V. При этом для различных Методом лазерного электродиспергирования на обарзцов типа A при L = 5 µm измеренные значения Si-подложку, покрытую слоем SiO2 толщиной 5 µm, сопротивления R находились в пределах 50-200. Для наносились платиновые наночастицы (сферы) диаметобразцов типа B при тех же значениях L величина R ром d = 1.8 nm. Было изготовлено два набора образцов, составляла (0.6-2) · 107.

A и B, каждый из которых состоял из нескольких Заметим, что при L = 5 µm и W = 400 µm содесятков образцов, изготовленных в одном процессе на противление сплошного слоя платины толщиной одной и той же подложке. Расстояние между массивt = 1.8nm составило бы R = L/Wt 1.2. (Здесь ными токовыми золотыми контактами L для различных = 1.8 · 10-5 · cm — удельное сопротивление дообразцов лежало в пределах от 5 до 200 µm. Ширина статочно толстых отожженных слоев платины). Межконтактов W составляла 400 µm для всех образцов.

ду тем доля площади, занятая металлом в образВремя нанесения частиц было выбрано таким, чтобы для образцов типа A поверхностная плотность частиц NA цах типа A, составляет A = NA · (d/2)2 0.76. В обравнялась 3 · 1013 cm-2, а для образцов типа B поверх- разцах типа B доля площади, занятая металлом, B NB · (d/2)2 0.51. При уменьшении от едининостная плотность частиц NB составляла 2 · 1013 cm-2.

цы до 0.76 сопротивление образцов возрастает приблиКак будет показано далее, такой выбор значений N обеспечивает получение образцов в состоянии, близком зительно на 2 порядка; при дальнейшем уменьшении к порогу протекания с „металлической“ стороны (об- от 0.76 до 0.51 сопротивление образцов возрастает разцы типа A) и с „диэлектрической“ стороны (образцы на 5 порядков. Таким образом, очевидно, что оба типа типа B). образцов соответстуют состоянию, близкому к порогу На рис. 1 показана микрофотография нанесен- протекания с „металлической“ стороны (образцы тиной на подложку платиновой наноструктуры, поверх- па A) и с „диэлектрической“ стороны (образцы тиностная плотность частиц которой оценивается как па B) [8]. В качестве оценки порога протекания 0 может N 1013 cm-2. Из вида микрофотографии можно за- быть принято значение 0 0.6.

ключить, что платиновые частицы имеют тенденцию Заметим также, что при токе через образец I = 40 mA к образованию вытянутых ансамблей, состоящих из (V = 4V, R = 100 ) в сплошном слое платины толнескольких наночастиц.

щиной t = 1.8 nm плотность тока j = I/Wt составила Все измерения производились через 2 месяца побы 5 · 106 A/cm2. Вблизи порога протекания ток в сле изготовления образцов, после того как процесс образцах типа A течет лишь по нескольким проводячастичного окисления практически заканчивался и свойщим „нитям“ бесконечного кластера, поэтому реальная ства образца стабилизировались. Температурные изплотность тока существенно выше. В самом грубом мерения производились в криостате замкнутого цикприближении можно принять, что эффективное попела LTS-22. Низкочастотный шум измерялся в диапаречное сечение в образце вблизи порога протекания во зоне 1 Hz-50 kHz с помощью малошумящего усилителя столько же раз меньше поперечное сечения сплошного Signal Recovery (модель 5184) и анализатора спекобразца, во сколько сопротивление образца превосходит тра SR 770.

сопротивление сплошного металлического слоя ( 102).

Таким образом, реальная плотность тока в образцах типа A, по-видимому, может превосходить 108 A/cm2.

Тем не менее никакого заметного отклонения от линейности на вольт-амперных характеристиках не наблюдается, что можно было бы интерпретировать как отсутствие генерации током избыточных структурных дефектов [9]. Однако, как будет показано далее, низкочастотный шум, являющийся более чувствительным индикатором структурных дефектов, чем вольт-амперные характеристики [10], свидетельствует о том, что при плотностях тока j 107-108 A/cm2 избыточные дефекты все же возникают.

3.2. Низкочастотный шум в „металлических“ образцах (типа A). Частотная зависимость спектральной плотности шума SI при комнатной Рис. 1. Микрофотография нанесенных на подложку платиновых наночастиц, N = 1013 cm-2. Темные пятна — платина. температуре показана на рис. 2 для образца типа A Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2076 С.Л. Румянцев, М.Е. Левинштейн, С.А. Гуревич, В.М. Кожевин, Д.А. Явсин, M.S. Shur, N. Pala...

пленок платины, исследованных в работе [15] ( 10).

Относительно малое значение в исследованных образцах позволяет предположить, что наблюдающийся шум обусловлен флуктуациями подвижности в металлических наночастицах, и тонкие туннельно-прозрачные диэлектрические межчастичные зазоры, по-видимому, присутствующие и на „металлической“ от порога протекания стороне (вблизи порога), не оказывают существенного влияния на низкочастотный шум.

Температурная зависимость шума также свидетельствует в пользу этого предположения. На рис. 3 показана температурная зависимость относительной спектральной плотности шума SI/I2, измеренная в диапазоне 9-300 K на нескольких образцах длиной L = 5 µm при относительно малых смещениях, когда SI I2. На вставке к рис. 3 приведены температурные зависимости отноРис. 2. Частотная зависимость спектральной плотности шума сительной постоянной Хоуге для различных металлов, для образца типа A при различных значениях протекающего отнесенные к значению при комнатной температуре в тока I. L = 5 µm. I(A): 1 — 2.5 · 10-4, 2 — 5.1 · 10-4, диапазоне 60-300 K. Сплошная линия 1 на вставке соот3 —1.0 · 10-3, 4 —2.0 · 10-3, 5 —4.0 · 10-3, 6 —8.1 · 10-3, ветствует усредненным результатам, предсталенным на 7 —1.62 · 10-2. Штриховая кривая показывает наклон, соотрис. 3, I — экспериментальнае результаты, полученные ветствующий зависимости S 1/ f. T = 300 K.

в работе [7] для относительно толстых (1500 ) пленок платины, осаждавшихся на сапфировую подложку одновременно с Al2O3. Все точки соответствуют различдлиной L = 5 µm. Видно, что во всем диапазоне тоным объемным процентам платины Pt, обеспечивавшим ков наблюдающаяся зависимость хорошо описывается „металлический характер протекания“ (в диапазоне от законом SI 1/ f, где величина близка к единице Pt = 59 до 83%). Зависимости для Au и Ag взяты (1/ f -like шум). Такая ситуация весьма характерна для металлических пленок [11], в том числе и для платиновых [7,12–14].

Уровень 1/ f (и 1/ f like) шума для различных материалов принято оценивать величиной безразмерной постоянной Хоуге [15] SI = f N, (1) Iгде SI/I2 — относительная спектральная плотность шума на частоте анализа f ; N — полное число носителей, участвующих в проводимости.

При полном заполнении образца Pt сферами диаметра d число таких сфер N1 WL/d2, суммарный объем этих сфер V1 WLd/6 и полное число электронов в сферах N1 WLdNPt/6, 1.3 · 1011, где NPt 6.6 · 1022 — число атомов (электронов) Pt в 1 cm3.

Принимая в самом грубом приближении, что в проРис. 3. Типичная температурная зависимость относительной водимости участвует во столько же раз меньше элек- спектральной плотности шума для исследуемых образцов.

На вставке показаны температурная зависимость постоянной тронов, во сколько сопротивление образца превосходит Хоуге, отнесенная к величине при 300 K для различных сопротивление сплошного металлического слоя ( 102), металлов и сплавов с разной степенью структурного совершениз выражения (1) и данных, приведенных на рис. 2, ства. 1 — данные настоящей работы для аморфной Pt в виде получаем значение 3 · 10-2.

наносфер; 2 и 3 — сплошные пленки Au и Ag соответственно Полученное значение несколько выше, чем характолщиной 700 [11]; 4, 5 — сплав Au60Pd40 при различтерные значения для относительно толстых струкных температурных обработках [14]; I — экспериментальные турно совершенных сплошных слоев металлической результаты, полученные в работе [7] для пленок платины платины, для которой типичные значения составляют толщиной 1500, осаждавшихся на сапфировую подложку 10-4-3 · 10-3 [13]. Оно, однако, существенно меньше, одновременно с Al2O3 при значениях, соответствующих чем величина для очень тонких (толщиной 0.3nm) металлическому характеру проводимости.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Низкочастотный шум в монодисперсных наноструктурах платины вблизи порога протекания из обзора [11]. Наконец, зависимости для сплава AuPd (кривые 4 и 5) взяты из работы [14].

Отметим прежде всего, что характер температурных зависимостей (T ) качественно одинаков для всех приведенных на рис. 3 металлов и сплавов. Природа такого рода температурной зависимости обсуждалась в обзорах [11,16].

Заметим далее, что характер температурной обработки, определяющей уровень структурного совершенства материала, существенно влияет на ход температурной зависимости. Так, значение (300) в образце, результаты для которого представлены кривой 4 (AuPd), составляло 1.5 · 10-2. На кривой 5 показаны результаты для того же образца после эффективного температурного отжига. В результате такого отжига значение (300) снизилось более чем на порядок ((300) 6 · 10-4), Рис. 4. Зависимости спектральной плотности шума от тока а температурный коэффициент существенно уменьдля образцов различной длины. L, µm: 1 —5, 2 — 10, 3 — 24, шился. Таким образом, характер и уровень структурных 4 — 50. Штриховая линия — зависимость SI I2. T = 300 K.

дефектов влияют не только на величину, но и на ход Частота анализа f = 10 Hz.

зависимости (T ).

Наконец, отметим, что зависимости (T ) для исследуемых образцов и для образцов, исследованных в промежутки между металлическими нитями бесконечработе [7], хорошо совпадают в диапазоне 60-300 K, ного кластера не оказывают существенного влияния на причем ход зависимости (T ) для образцов, исследованнизкочастотный шум. Заметим также, что эти туннельных в [7], практически одинаков для всех значений Pt.

прозрачные диэлектрические промежутки не вносят, поМежду тем в работе [7] предложена качественно иная интерпретация температурной зависимости шума. Пред- видимому, заметного вклада и в сопротивление образца с „металлической“ стороны от порога протекания.

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.