WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

ных зерен являются симметричными по отношению к Введение распределения чисел зерен по Tc приводит температуре Tc равновесия фаз. к важной особенности главной петли: вместо горизонКаждая из ветвей (нагревная и охладительная) глав- тальных участков ветвей появляются участки, „наклонной петли гистерезиса, построенной по описанной схе- ные“ по температуре. На рис. 1, c сплошной линией ме, имеет наклонные участки, зависящие от темпера- показаны ветви главной петли гистерезиса, построенной туры, а также не зависящие от температуры горизон- по формулам (3). Эта петля хорошо согласуется с тальные участки с протяженностью, практически равной данными эксперимента при параметрах распределения полуширине наиболее широкой элементарной петли чисел зерен по Tc, приведенных в подписи к рисунку.

(рис. 1, c, штриховая кривая). Сравнение построенной В качестве более сложного примера распределения таким способом главной петли с данными эксперимента зерен по размерам приведем AFM-изображение пленки обнаруживает хорошее согласие с опытом (рис. 1, c, диоксида ванадия толщиной (480 ± 80), синтезированточки) в отношении ширины петли и ее положения на ной на кварцевой подложке методом лазерной абляции температурной шкале, однако не является удовлетвори- и гистограмму распределения ее зерен по размерам тельным по форме ветвей петли. Более точного согласия (рис. 2, a и b). Как явствует из гистограммы, распреможно добиться, если ввести в рассмотрение разброс деление зерен по размерам имеет по крайней мере два Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Формирование петли температурного гистерезиса при фазовом переходе металл–полупроводник... Рис. 2. AFM-изображение поверхности пленки диоксида ванадия толщиной 480, синтезированной на кварцевой кристаллической подложке методом лазерной абляции (a), гистограмма распределения чисел зерен этой пленки по их размерам (b) и нормированная петля температурного гистерезиса отражательной способности пленочного VO2 интерферометра Фабри–Перо, построенная на основании данных гистограммы рис. 2, b в предположении отсутствия разброса температур равновесия фаз в зернах (c, петля 1) и нормированная экспериментальная петля гистерезиса электропроводности данной пленки (c, петля 2). Гистограмма имеет два ярко выраженных максимума, что приводит к ступенчатой форме ветвей теоретической и экспериментальной петли термического гистерезиса.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 72 В.А. Климов, И.О. Тимофеева, С.Д. Ханин, Е.Б. Шадрин, А.В. Ильинский, Ф. Сильва-Андраде ярко выраженных максимума, т. е. в данной пленке при- норами, и тем самым заданная температура равновесия сутствуют зерна двух преимущественных размеров 35 фаз. Зерно же другого размера характеризуется другой и 110 nm, что и нужно принимать во внимание при концентрацией свободных носителей и соответственно построении главной петли гистерезиса. На рис. 2, c другой температурой равновесия фаз. Такое утверждепредставлена петля гистерезиса со ступенчатыми вет- ние представляется естественным. Действительно, при вями, построенная, согласно (1), в рамках предлагаемой анализе процесса синтеза пленок VO2 в условиях депростой модели, которая в данном примере не учитывает фицита кислорода разумно предположить, что мелкие разброса температур равновесия фаз для разных зерен. зерна имеют более высокую концентрацию кислородных При детальном сравнении полученной таким образом вакансий, обладающих донорными свойствами (и соотрасчетной петли с экспериментально измеренной вновь ветственно меньшую Tc), чем крупные. Дело в том, что с помощью формул (3) можно получить информацию о равновесное давление паров над искривленной поверхраспределении зерен по температурам равновесия фаз, ностью вещества, будь то жидкость или твердое тело, т. е. о распределении по зернам степени их нестехиомет- всегда выше, чем над плоской поверхностью, причем рии по кислороду. это превышение тем больше, чем больше кривизна Подводя предварительный итог, скажем, что на осно- поверхности [12]. Это означает, что работа выхода вании достаточно простой модели (разброса зерен плен- атомов кислорода сквозь искривленную поверхность ки по размерам и степени их дефектности), базирую- ниже, чем сквозь плоскую, что и приводит к более щейся на выводах работы [6], удается объяснить такие высокому давлению насыщенных паров (напомним, что факты, как то, что главная петля гистерезиса скачка R при формальном устремлении работы выхода атомов коэффициента отражения пленки в сравнении с петлей материала к бесконечности равновесное давление паров гистерезиса монокристалла уширена, смещена в сторону устремляется к нулю [13]). Следовательно, при синтенизких температур и имеет „наклонные“ по темпера- зе пленок VO2 в атмосфере с дефицитом кислорода туре участки вместо чисто „горизонтальных“ и четко процесс образования кислородных вакансий коснется в „вертикальных“, характерных для монокристалла. При первую очередь зерен с малой работой выхода, требуэтом, несмотря на асимметрию своих ветвей, главная ющих для обеспечения стехиометричного состава повыпетля гистерезиса сама остается симметричной, имея шенного давления газа, т. е. мелких зерен (с наибольшей ось симметрии второго порядка в точке O. кривизной поверхности). Эти зерна, имея пониженную В то же время существует больше количество экс- температуру равновесия фаз, формируют в основном периментов [11], в которых петля гистерезиса коэффи- низкотемпературную часть главной петли гистерезиса.

циента отражения окисно-ванадиевого интерферометра В самом деле, при синтезе пленки малая работа выхода является асимметричной, т. е. температурные ходы на- атомов кислорода из мелких зерен повышает по сравгревной и охладительной ветвей петли не совпадают нению с крупными зернами вероятность образования между собой. На рис. 3, a представлена асимметрич- в мелких зернах кислородных вакансий с донорными ная петля гистерезиса R интерферометра с пленкой свойствами, наличие которых и понижает температуру диоксида ванадия толщиной 680, синтезированной на равновесия фаз. Отметим, что все использованные нами ситалловой подложке. Синтез производился методом методы синтеза пленок диоксида ванадия включают в электронно-лучевого испарения металлического ванадия себя стадию окисления зерен металлического ванадия, с последующим отжигом полученной металлической предварительно нанесенных на подложку (при резистивпленки в кислородной атмосфере в сильно неравновес- ном, электронно-лучевом, магнетронном распылении) ных условиях (с общим дефицитом кислорода). или же доокисления низших окислов ванадия (при Рассмотрим теперь модельные представления, позво- лазерном распылении) [14]. На этой стадии и появляется ляющие объяснить наличие асимметрии главной петли корреляция между размерами зерен пленки и степенью гистерезиса такой пленки. их нестехиометрии.

Асимметрия главной петли, построенной суммиро- С учетом указанной корреляции между размерами ванием элементарных петель, возникает тогда, когда зерен и степенью их нестехиометрии при интегрироваразличаются между собой функции распределения чисел нии в формулах (3a) и (3б) необходимо суммировать зерен пленки по температурам T перехода из полу- элементарные петли гистерезиса так, что каждый попроводникового состояния в металлическое (нагревная следующий член интегральной суммы, соответствующий ветвь главной петли) и по температурам T обратного группе зерен большего размера и большей температуре перехода (охладительная ветвь). Одной из физических равновесия фаз, получает температуру T = Tc + T+(Tc) причин различия функций распределения зерен по T перехода из полупроводникового состояния в металличе и T может выступать корреляция между размерами ское, мало отличающуюся от таковой для предыдущего зерен и степенью их нестехиометрии по кислороду. члена (рис. 3, b, ломаная линия 1a), что порождает более Другими словами, корреляционная модель возникнове- „крутой“ температурный ход нагревной ветви главной ния асимметрии главной петли предполагает, что зерну петли по сравнению с охладительной ветвью. А именно данного размера присуща вполне определенная концен- увеличение температуры Tc равновесия фаз оказывается трация свободных носителей заряда, поставляемых до- сильно скомпенсированным уменьшением температурЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. Формирование петли температурного гистерезиса при фазовом переходе металл–полупроводник... Рис. 3. a — экспериментальная асимметричная петля гистерезиса коэффициента отражения; b — процедура формирования корреляционной асимметрии петли гистерезиса коэффициента отражения: ломаная линия 1 — схема суммирования нескольких групп элементарных петель, ширина T которых линейно связана с температурой Tc равновесия фаз (отмечена штрихами в основаниях прямоугольников); высоты элементов ломаной пропорциональны числу петель в группе (определяются распределением Гаусса);

1a — нагревная ветвь, 1b — охладительная ветвь; кривая 2 получена теоретически согласно формулам (3a) (нагревная ветвь) и (3б) (охладительная ветвь) в предположении линейной зависимости T+ = T- = T от Tc; стрелки показывают направление изменения температуры.

ного отступления T+ от Tc. Это уменьшение, как было на T+ = T- = T. Тогда, разрешая выражения сказано, порождено корреляцией. В противоположность T = Tc + T+(Tc) и T = Tc - T (Tc) относи этому, температура T = Tc - T-(Tc) обратного пере- тельно T и T соответственно и производя замену хода из металлического состояния в полупроводниковое переменной в интегралах (3a) и (3б), сведем двойные для каждого последующего члена интегральной суммы, интегралы к повторным, причем получим различные соответствующего группе зерен большего размера, нао- подынтегральные выражения в формулах (3a) и (3б), борот, сильно сдвинута в сторону высоких температур. характеризующих нагревную и охладительную ветви Этот усиленный сдвиг возникает одновременно как за соответственно, несмотря на равенство T+ = T-.

счет уменьшения отступления T- от Tc, так и за Это приведет к различию форм нагревной R+(T ) и счет увеличения самой Tc (рис. 3, ломаная линия 1b), охладительной R-(T ) ветвей главной петли, т. е. к ее что порождает для нагревной ветви петли „пологий“ асимметрии.

температурный ход. Совокупное действие описанных На рис. 3, b представлена асимметричная главная петфакторов и приводит в конечном счете к асимметрии ля, полученная согласно формулам (3a) и (3б) (рис. 3, главной петли.

кривые 2a и 2b) в предположении линейной зависимости Математически выражение для обеих ветвей несим- T+ и T- от Tc. Конкретный вид корреляционной завиметричной главной петли гистерезиса может быть по- симости между шириной элементарной петли зерна и лучено следующим образом. Выше мы предположили температурой равновесия фаз в зерне должен задаваться равенство отступлений T+ от T- для данного зер- из физических соображений.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 74 В.А. Климов, И.О. Тимофеева, С.Д. Ханин, Е.Б. Шадрин, А.В. Ильинский, Ф. Сильва-Андраде Сравнение экспериментальных асимметричных петель гистерезиса с петлями, рассчитанными по предложенной схеме, может дать важную физическую информацию о механизмах воздействия на пленку диоксида ванадия таких порождающих нестехиометрию факторов, как облучение мощными потоками частиц или проникающей радиации, термический или лазерный отжиг и т. п., создающих асимметрию главной петли гистерезиса. Изучение данного комплекса явлений явится предметом дальнейших исследований.

Таким образом, на основе конкретных модельных допущений (в основной своей части подтвержденных прямыми методами исследования на AFM-микроскопе) в данной работе предложена последовательная схема процесса формирования главной петли температурного гистерезиса отражательной способности пленочного интерферометра на основе диоксида ванадия. Такими допущениями являются предположения о том, что в одном зерне возникает только один зародыш фазы, спонтанно разрастающийся до заполнения целиком всего зерна при достижении температуры перехода в новую фазу, и о том, что зародыш прорастает всю толщу зерна при фиксированной температуре, что выражается в „вертикальности“ температурного хода ветвей элементарной петли гистерезиса зерна. Главной особенностью предложенной схемы является учет того обстоятельства, что пленка VO2 в отличие от монокристалла состоит из большого числа зерен, имеющих одновременно разброс по размерам и степени нестехиометрии кристаллической решетки по кислороду.

Список литературы [1] Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. // Фазовый переход металл–полупроводник и его применение. Л.:

Наука, 1979. С. 183.

[2] Belousov V.P., Belousova I.M., Danilov O.B. et al. // SPIE Procc. 1998. Vol. 3263. P. 124–130.

[3] Зернов В.Ю., Куликов Ю.В., Леонов В.Н. и др. // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 5. С. 8–12.

[4] Bruckner W., Opperman H.F., Reichelt W. et al. // Vanadiumdioxide. Berlin: Akademie–Verlan, 1983. P. 252.

[5] Гальперин В.Л., Хахаев И.А., Чудновский Ф.А. и др. // ЖТФ. 1991. Т. 61. Вып. 10. С. 194–196.

[6] Ланская Т.Г., Меркулов И.А., Чудновский Ф.А. // ФТТ.

1978. Т. 20. С. 1201–1206.

[7] Хахаев И.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. // ФТТ. 1994.

Т. 36. Вып. 6. С. 1643–1649.

[8] Ройтбурд А.Л. // УФН 1974. Т. 113. С. 69–101.

[9] Leone A., Trione A., Junga F. // IEEE Trans. on Nuclear Sci.

1990. Vol. 37. P. 1739–1743.

[10] Ильинский А.В., Шадрин Е.Б. // ФТТ 2000. Т. 42. С. 1092– 1099.

[11] Шадрин Е.Б. Докт. дис. СПб. 1997. С. 556.

[12] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.:

Наука, 1995. С. 605.

[13] Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М.:

Мир, 1967. С. 544.

[14] Андреев В.Н., Гурвич М.А., Климов В.А. и др. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. С. 63–65.

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.