Механизмы электронного транспорта и структура металл-углеродных нанокомпозитов, содержащих W, Cr и Nb

• Автор: Катаева, Елена Алексеевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 141 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1. Литературный обзор

1.1. Электронная структура углерода

1.2. Модельные представления о структуре аморфного углерода

1.3. Методы синтеза пленок аморфного углерода

1.4. Физические характеристики пленок аморфного углерода, синтезируемых

различными методами

1.4.1. Физические характеристики пленок аморфного углерода, определяющие их применение в качестве защитных покрытий
1.4.2. Некоторые характеристики электронной структуры неупорядоченных углеродных материалов

1.5. Механизмы электронного транспорта в неупорядоченных средах и проводимость

металл-углеродных нанокомпозитов
1.5.1. Электронный газ со слабой степенью беспорядка. Квантовые поправки к проводимости
1.5.2. Масштабная теория перехода металл-изолятор. Окрестность порога подвижности
1.5.3. Прыжковая проводимость. Оптимальные и неоптимальные прыжки в пространственно однородном случае
1.5.4. Прыжковая проводимость на переменном токе
1.5.5. Модель с экспоненциальной зависимостью плотности состояний от энергии
1.5.6. Проблема предэкспоненциального множителя прыжковой проводимости
1.5.7. Альтернативная модель прыжковой проводимости
1.5.8. Проводимость гетерогенных сред
1.5.9. Холловская асимметрия в модели гетерогенной среды
1.5.10. Проводимость аморфного углерода и металл-углеродных нанокомпозитов
2. Методика эксперимента
2.1. Технология осаждения металл-углеродных нанокомпозитов
2.2. Методы исследования структуры металл-углеродных нанокомпозитов
2.3. Метод исследования электропроводности пленок аморфного углерода с
предельно малой концентрацией металлов
2.4. Метод исследования электропроводности металл-углеродных нанокомпозитов
2.5. Подготовка образцов
3. Структура исследуемых пленок
3.1. Результаты элементного анализа металл-углеродных нанокомпозитах
3.2. Структура пленок металл-углеродных нанокомпозитов
3.3. Структура металлической фазы пленок металл-углеродных нанокомпозитов
3.4. Структура углеродной фазы пленок с предельно малой концентрацией металлов69
3.5. Структура углеродной фазы пленок аморфных металл-углеродных
нанокомпозитов в области концентраций металлов от 10 до 40 %
4. Особенности электронного транспорта в пленках аморфных металл-углеродных
нанокомпозитов
4.1. Прыжковая проводимость пленок с предельно малой концентрацией металла
4.2. Оценка плотности состояний

4.3. Влияние электрического поля на проводимость аморфных металл-углеродных нанокомпозитных пленок с предельно малой концентрацией металла
4.4. Особенности электронного транспорта в пленках металл-углеродных нанокомпозитов
4.5. Перколяция в металл-содержащих нанокомпозитах и экспериментальное исследование холловской асимметрии
Выводы
Публикации
Литература

Введение
На протяжении последних двух десятилетий сохраняется значительный интерес к изучению свойств различных неупорядоченных углеродных материалов. Это обусловлено уникальным набором физических характеристик, включающим высокую твердость, износоустойчивость, низкий коэффициент трения и химическую инертность. Например, гидрированные пленки аморфного углерода, а-С:Н, находят широкое применение в качестве защитных покрытий [1]. Другой потенциальной областью практического использования материалов данного класса является микроэлектроника, где неупорядоченные углеродные материалы могут служить как для создания изолирующих слоев, так и применятся в качестве активных элементов полупроводниковых приборов.
При этом существенно, что свойствами неупорядоченных углеродных материалов можно управлять путем легирования, расширяющего их функциональные возможности и области применения. В качестве примесей чаще всего используются кремний [2], азот [3], и различные металлы, например золото [4], титан [5], хром [6], железо, кобальт, медь [7 - 11]. Последний случай является, по-видимому, наиболее перспективным, так как добавление металлов в пленки во время их осаждения позволяет вводить их в количествах, сравнимых с содержанием углерода. В такой ситуации металл уже не является примесью, а представляет собой структурообразующий элемент, модифицирующий матрицу аморфного углерода. Интересно, что помимо изменения характеристик углеродной подсистемы, в данных материалах происходит образование нанокластеров металла. Для таких металл-углеродных нанокомпозитов характерно изменение физических параметров, в том числе плотности, твердости, ширины запрещенной зоны и относительной доли хр3 и хр2 связей [1]. В результате, введение металла позволяет увеличивать значения проводимости изначально диэлектрических пленок на несколько порядков [10].
Очевидно, что возможность управления проводимостью металл-углеродных нанокомпозитов в сочетании с механической стойкостью и инертностью, характерной для пленок аморфного углерода открывает новые функциональные возможности, позволяющие рассчитывать на применение материалов данного класса в качестве сенсоров, стойких к взаимодействию агрессивной среды и (или) являющихся одновременно инертным изолирующим покрытием (например, внутренних стенок химического реактора).

где а - радиус локализации и Го - характеристическая температура в законе Мотта. В моделях, где N{Ef) ~ const для стоо справедливо соотношение
а для экспоненциальной вблизи уровня Ферми плотности локализованных состояний
n{e)=n0

численный расчет дает [77]:
'00 'о »
(31)
причем в этом случае ао = -1/2
Показатели степени ао, (3 и п, полученные различными авторами в приближении N(Ef) ~ const, заметно отличаются. По Мотту <т0 ~ е2N{Ef )R2opt [72], что дает ао =-1/2, Р =-1/2 и п = 1. Расчет по теории протекания, выполненный Киркпатриком [72], соответствует значениям Р = -«о= 0.35 и и = 1. Согласно Шкловскому и Эфросу [71] для

волновой функции локализованного состояния вида у/(г)~е справедливо
соотношение //=-«(1=0.26-0.29, а для волновой функции ц/(г)~—е а” значения

показателей степени составляют ао = -ft = 0.71-0.73, причем в обоих случаях /7 = 3. Если исходить из скейлинговой модели, где проводимость зависит от длины прыжка как
[60], то следует ожидать значений ао = ~Р = 1/4 и п = 1.
(е2 ] { R
(7 ~ {hr) exp
1 а)
Таким образом, анализ предэкспоненциального множителя потенциально позволяет получить информацию о структуре волновой функции локализованного состояния, о форме плотности состояний и осуществить выбор наиболее адекватной модели прыжкового транспорта, соответствующего случаю закона Мотта (29). Однако при анализе экспериментов по прыжковой проводимости физическая проблематика предэкспоненциального множителя, как правило, игнорируется, а обработка данных проводится с экспоненциальной точностью в пренебрежении температурной зависимостью <то(Г). Более того, в литературе встречается точка зрения [78], согласно