Учебное пособие 1833

УДК 539.234

ТВЕРДОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ

С.А. Солдатенко, В.О. Кузьмина, аспирант

Кафедра физики твердого тела

Методом импульсной фотонной обработки (ИФО) пластины кремния (толщиной 450 мкм) покрытой аморфным углеродом (толщиной около 30 – 50 нм) синтезирована эпитаксиальная гетероструктура β-SiC/Si. Синтез осуществлен путем твердофазного взаимодействия между пленкой аморфного углерода и подложкой кремния при активировании процессов излучением мощных импульсных ксеноновых ламп (диапазон длин волн 0,2-1,2 мкм). ИФО проводили в модифицированной вакуумной установке пакетом импульсов с плотностью энергии (ЕИ) поступающего на образец в диапазоне от 150 до 200 Дж·см-2 в течении от 2 до 2,5 с.

Рис. 1. Картина микродифракции участков пленки SiC, освобожденной от подложки; ЕИ = 160 Дж·см-2

Рис. 2. Светлопольное и темнопольное изображения участков пленок SiC, освобожденных от подложки; ЕИ = 160 Дж·см-2

Методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ) исследованы ориентация и субструктура синтезированных пленок. Согласно представленным на электронограмме и ПЭМ-изображениям (рис.2), на по-

верхности (111)Si формируется пленка β-SiC кубической сингонии пространственной группы

F 4 3m и параметром решетки 0,436 нм. Пленка β-SiC – нанокристаллическая с преимущественной двухосной текстурой по ориентационному соотношению с подложкой кремния: (111),

[1 1 0]SiC II (111), [1 1 0]Si. Слабая относительная интенсивность колец на электронограмме ДБЭО свидетельствует о том, что доля произвольно ориентированных зерен на поверхности ниже, чем в объеме пленки SiC, вследствие их преимущественного роста.

21

УДК 669.777

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК

НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА PbTe

В.В. Бавыкин, аспирант, А.С. Шуваев

Кафедра физики твердого тела

Ключевым элементом термоэлектрической энергетики являются материалы, используемые для преобразования тепловой энергии в электрическую и называемые термоэлектриками. Основными факторами, сдерживающими широкое использование термоэлектрических устройств, базирующихся в основном на теллуриде висмута, являются низкая термоэлектрическая добротность, низкий температурный режим работы. Поэтому в настоящее время активно ведутся исследования по созданию новых перспективных термоэлектрических материалов. Для получения высокой термоэлектрической добротности такие материалы должны обладать высокой электрической проводимостью, высоким коэффициентом Зеебека и низкой теплопроводностью. Одним из перспективных среднетемпературным материалом является теллурид свинца и твердые растворы на его основе. В работе было исследовано влияние легирующих добавок на термоэлектрические свойства PbTe.

Измерения термоэлектрических свойств PbTe с различной концентрацией легирующей примеси проводились на установке Алтек 10001. Результаты измерения термоэлектрической добротности Z представлены на рисунке.

Зависимость термоэлектрической добротности Z от температуры

Из рисунка видно, что максимальную термоэлектрическую добротность имеет состав 0,99 масс.% PbTe + 0,01 масс.% PbJ2. Дальнейшее увеличение концентрации PbJ2 приводит к понижению добротности вследствие уменьшения термоэдс и увеличения теплопроводности. В твердых растворах PbTe – Sb2Te3 не обнаружено увеличения Z в связи с увеличением теплопроводности.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 16-08-36411).

22

УДК 669.777

СИНТЕЗ ТЕЛЛУРИДА СВИНЦА

В.В. Бавыкин, аспирант

Кафедра физики твердого тела

В настоящее время все большее распространение получают альтернативные источники энергии, основанные на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую [1]. Одними из таких преобразователей являются термоэлектрические генераторы, работающие на эффекте Зеебека. Однако, широкого применения они не получили в связи с их весьма низкой добротностью (Z), зависящей от трех основных для этого класса преобразователей параметров: электропроводности (σ), термоэдс (S), теплопроводности (χ) и

определяемой по формуле Z=(σS2/χ). На данный момент основным материалом для термоэлектрических преобразователей является теллурид висмута (Bi2Te3) [2], но он используется в основном в низкотемпературном диапазоне работы. Поэтому возникает необходимость поиска альтернативных материалов обладающих приемлемыми свойствами в более высоком интервале рабочих температур. Одним из таких материалов является теллурид свинца (PbTe).

Синтез теллурида свинца проводился прямым сплавлением исходных компонентов (свинец марки С0000 и теллур марки Т-сЧ), взятых в стехиометрической пропорции, в эвакуированных кварцевых ампулах при температуре 1300 К. Скорость нагрева составляла 1,5 К/мин. Время выдержки составляло 2 часа. Остывание происходило вместе с печью. Для контроля полученного материала проводился рентгенофазовый анализ, результаты которого представлены на рисунке.

Рентгенограмма синтезированного PbTe

Из рисунка видно, что полученный порошок не содержит сторонних фаз и соединений, что в свою очередь гарантирует чистоту полученного соединения.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 16-08-36411).

Литература

1.Охотин А.С. Термоэлектрическое генераторы / А.С. Охотин, А.А. Ефремов, В.С. Охотин, А.С. Пушкарский. – М.: Атомиздат, 1971 г. – 288 с.

2.Чижиков Д.М. Теллур и теллуриды / Д.М. Чижиков, В.П. Счастливый. – М.: Нау-

ка, 1961 г. – 280 с.

23

УДК 681.5.08: 681.518.3

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МЕДЛЕННО ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ МОДУЛЯ ЛА-20USB

А.А. Гребенников, К.Ф. Балыкин, курсант 2 курса, М.К. Ельчанинов, курсант 2 курса

ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Кафедра физики и химии

При выполнении экспериментов в лабораторных условиях измерение некоторых видов сигналов осуществляют универсальными цифровыми вольтметрами (ВМ). Такие приборы обладают высокими метрологическими характеристиками, большими функциональными возможностями, однако их цена достаточно высока. В ряде случаев хорошей заменой универсальным ВМ являются промышленно выпускаемые многоканальные модули АЦП. Они предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, удобную для обработки на компьютере. В работе рассматривается измерительный комплекс, разработанный на базе модуля ЛА-20USB фирмы «Руднев-Шиляев».

Модуль ЛА-20USB имеет частоту дискретизации 50 кГц, что достаточно для измерения параметров медленно протекающих процессов. Предел измерения напряжения ЛА20USB составляет 10 В (АЦП 12 бит). Модуль оснащен 16 независимыми измерительными каналами. Время переключения между каналами не превышает несколько мкс, поэтому один модуль может использоваться для измерения 16 сигналов одновременно.

Управление модулем осуществляется разработанным программным обеспечением, представляющим собой самописец-регистратор. Для каждого из 16 каналов задается режим работы – измерения напряжения, тока, сопротивления или осциллограф. Измеряемые данные выводятся на график в виде временной зависимости и в файл (рисунок). Текущее значение – на экран виртуального ВМ. При работе в режиме осциллографа данные выводятся только на экран виртуального прибора.

Фрагмент программного обеспечения измерительного комплекса

Следует отметить, что модуль выполняет измерение только напряжения, поэтому измерение силы тока и сопротивления осуществляется косвенно – силы тока по измерению напряжения на эталонном резисторе, сопротивления – мостовым методом.

25

УДК 539.26

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ (SnO2/C)77 ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

И.В. Бабкина, А.А. Прошунин, студент гр. ТФ-131, О.В. Жилова

Кафедра физики твердого тела

Многослойные структуры из пленок нанометровой толщины являются перспективными функциональными материалами для применения в электронной технике.

Образцы для исследований получены методом ионно-лучевого распыления. Одновременно распылялись две мишени: из диоксида олова и углерода. Осаждение материала происходило на вращающуюся подложку монокристалла кремния. Для равномерного изменения толщины пленки между мишенью и подложкой размещался V – образный экран. Пленка многослойной гетерогенной структуры состояла из 77 бислоев. Толщина пленки изменялась от 54 нм до 270 нм в зависимости от расположения подложки относительно мишени. Структура пленок в исходном состоянии и после отжигов в вакууме в интервале температур от 300 °С до 600 °С с шагом 50 °С в течение 30 мин. изучалась методом рентгеновской дифракции в интервале двойного брегговского угла 2θ=2°-60°.

Установлено, что все пленки в исходном состоянии имеют аморфную структуру с характерным гало на дифрактограммах. После отжигов вплоть до 400 0С структура оставалась аморфной. При 450 °С и выше наблюдалась кристаллизация с образованием оксидов олова: SnO2, SnO и Sn3O4 (Рис. 1). Причем диоксид олова является основным соединением, интенсивность этих пиков возрастает с увеличением температуры отжига. Объемная доля SnO уменьшается с увеличением температуры отжига.

Дифрактограммы пленок (SnO2/C)77 после термической обработки:

1 – 450 °С; 2- 500 °С; 3 – 550 °С; 4 - 600 °С

Чтобы установить является ли система многослойной, была рассмотрена малоугловая рентгеновская дифракция на образцах. Обнаружено появление слоистой структуры с увеличением толщины пленки. Рассчитанная из дифрактограмм толщина бислоев изменялась от 2,38 нм до 3,75 нм, что коррелирует с толщинами бислоев рассчитанными из параметров напыления. Вероятно, что для пленок толщиной менее 120 нм формирование многослойной структуры не наблюдалось.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки в рамках проектной части государственного задания (проект № 3.1867.2017/4.6).

26

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 16-08-36411).

Литература

1. Звонарева Т.К. Элементный состав и электрические свойства пленок а-С:H <Cu>, полученные магнетронным распылением / Т.К. Звонарева, Т.А. Полянская, В.М. Лебедев, Л. В. Шаронова, В.И. Иванов-Омский // Физика и техника полупроводников. – 2000. – Т. 34. – №. 9.– С. 1135-1141.

27

УДК 537.2

МЕМРИСТОРНЫЙ ЭФФЕКТ В ГРАДИЕНТНЫХ ПЛЕНКАХ КОМПОЗИТА CoFeB-LiNbO3

Г.С. Рыжкова, студент гр. ПФм-161, И.С. Матлаев, В.А. Писеуков, студенты гр. ТФ-131, А.В. Ситников

Кафедра физики твердого тела

Резистивная память с произвольным доступом (RRAM) является потенциальной альтернативой современным господствующим картам памяти из-за ее преимущества в высокой скорости переключения, миниатюризации потенциала, и более низкой энергии потребления. RRAM основана на энергонезависимом резистивном переключении (мемристорный эффект), который интенсивно исследуется в оксидных тонких пленках. Например, мемристорный эффект (МЭ) со скоростью быстрого переключения, высокой прочностью, и длительным временем удерживания были зарегистрированы в различных бинарных или тройных оксидах. В этих оксидных тонких пленках было доказано, что перераспределение кислородных вакансий (КВ) создает локализованные проводящие «нити» или модулирует барьерную высоту и, следовательно, вызывает обратимые изменения сопротивления. Также неотъемлемым свойством материалов с МЭ является нелинейная вольтамперная характеристика (ВАХ), обладающая гистерезисом.

Методом ионно-лучевого распыления были синтезорованны три композита CoFeBLiNbO3 в различных модификациях: композит гомогенный структурой (тип 1), с высокоомной прослойкой со стороны подложки (тип 2), с высокоомной прослойкой на поверхности пленки (тип 3).

Измерения ВАХ показали, что параметры петли гистерезиса сильно связаны с анизотропией структуры в пленках. Так в пленках, полученных однородно (рис. а) и с высокоомной прослойкой со стороны подложки (рис. б) ВАХ имеет зеркальную структуру относительно образцов, где высокоомная прослойка располагалась на поверхности пленки (рис. в).

Вольтамперная характеристика композита CoFeB-LiNbO3

Таким образом, возможный механизм изменения сопротивления связан с градиентом степени окисления диэлектрической матрицы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 16-19-10233).

28

УДК 538.935

ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНОГО ОТЖИГА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ Mg/NbO

А.Н. Смирнов, студент гр. ПФм-161, О.В. Стогней, А.В. Ситников

Кафедра физики твердого тела

Вработе изучена термическая стабильность многослойных структур Mg/NbO с

различной толщиной слоев магния. Многослойная структура (Mg/NbO)82 (индекс 82 означает количество бислоев) получена ионно-лучевым распылением металлической и керамической мишеней и последовательным осаждением магния и оксида ниобия на вращающиеся подложки. Осаждение магния на подложку осуществлялось через V-образный экран, в то время как осаждение оксида ниобия производилось без использования экрана. Вследствие этого полученные многослойные образцы отличались друг от друга толщиной магниевой прослойки. Номинальная толщина слоев оксида ниобия (определяемая по скорости напыления оксида) во всех случаях составляла приблизительно 0,96 нм, номинальная толщина слоев магния варьировалась от 2 до 7 нм.

Зависимость электрического сопротивления многослойной наноструктуры

(Mg/NbO)82 от толщины бислоя (Mg+NbO) позволяет предполагать наличие смены механизма электропереноса и изменение структуры при увеличении номинальной толщины слоёв магния. Предполагается, что при номинальных толщинах слоев магния 2-4 нм они представляют собой отдельные наночастицы, образуя композитную структуру Mg-NbO. В случае более толстых прослоек магния (5-7 нм) формируется многослойная структура с чередованием оксидного и металлического слоев.

Всоответствии с данными малоугловой рентгеновской рефлектометрии отжиг при 450 оС не приводит к разрушению многослойной структуры независимо от морфологии слоев магния. Нагрев структур содержащих островковую пленку магния приводит к увеличению электрического сопротивления образцов (рис. а), что, возможно, связано с окислением магниевых гранул и процессами, происходящими в структуре оксида ниобия – уменьшением дефектов и снижением прыжковой проводимости диэлектрической матрицы.

Температурные зависимости сопротивления многослойной структуры Mg/NbO, содержащие островковую пленку магния (а) и сплошную пленку магния (б)

Противоположная ситуация наблюдается в образцах со сплошной прослойкой магния. Сопротивление этих образцов при нагреве уменьшается, а обратный ход (зависимость сопротивления при охлаждении многослойной структуры) характеризуется положительным температурным коэффициентом сопротивления, отражая наличие сплошных металлических слоев.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-02-05920).

29

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-45-360483 р_а и министерства образования и науки в рамках проектной части государственного задания.

30