Влияние легирования и условий осаждения на локализацию и перенос электронов в тонких плёнках оксида цинка и оксида индия

• Автор: Максимова, Ольга Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1 Структура, электронные, электрофизические и гальваномагнитные

свойства 2пО, ZnO:Ga, 2пО:Со, ІП2О3, ІпгОзіЗп

1.1. Кристаллическая и электронная структура ZnO и ІП2О

1.1.1. Кристаллическая структура ZnO, Zl:Ga, ZnO:Co

1.1.2 Кристаллическая структура ІП2О3 и ІпгОз^п

1.1.3 Зонная структура ZnO и ІП2О

1.2. Влияние легирования на проводящие свойства пленок Zт и ІП2О

1.3. Подвижность и механизмы рассеяния в п-гпО и п-1п20з

1.4. Прыжковая проводимость в пленках 2пО и ІП2О
1.5. Квантовые поправки к проводимости в пленках ЪпО и ІП2О3 п-типа при низких температурах
1.6. Механизмы релаксации фазы волновой функции в тонких пленках п-7пО
и П-ІП2О
Выводы Главы
Глава 2 Методика синтеза и характеристики исследованных образцов
2.1 Методика синтеза пленок 2пО:Оа и 7пО:Со
2.2 Структура и морфология поверхности пленок 2пО:Оа
2.3 Структура и морфология поверхности пленок ХпО.Со
2.4 Магнитные свойства пленок 2пО:Со
2.5 Методика синтеза пленок 1п20з:8п
2.6 Характеристики и морфология поверхности пленок ІпгОз^п
2.7 Методика исследования электрофизических и гальвано-магнитных свойств
2.8 Оценка погрешности измерений
Глава 3 Слабая локализация электронов в тонких пленках ZnO:Ga и ІПгОз^п
3.1 Температурные зависимости сопротивления пленок ZnO:Ga, синтезированных в окислительных условиях, и ІпгОз'.Вп, полученных распылением оксидных мишеней
3.2 Эффект Холла, концентрации и подвижности электронов в пленках ZnO:Ga, синтезированных в окислительных условиях, и ІПгОз'.Бп, полученных распылением оксидных мишеней
3.3 Магнетосопротивленис пленок ZnO:Ga и 1п20з:8п с металлическим типом проводимости
3.4 Выражение для магнетосопротивления пленок, обусловленного слабой локализацией, в условиях изменения эффективной размерности электронной системы
3.5 Анализ магнетосопротивления тонких пленок ZnO:Ga, синтезированных в окислительных условиях, и пленок 1п20з:йп, осажденных распылением оксидных мишеней
3.6 Анализ температурной зависимости времени релаксации фазы волновой функции электронов в пленках ZnO:Ga и ГпгОз^п
Глава 4 Влияние легирования кобальтом на проводимость и
гальваномагнитные свойства пленок ZnO
4.1 Температурная зависимость сопротивления и эффект Холла
в пленках ZnO:Co
4.2 Положительное магнетосонротивление в пленках ZnO:Co
Глава 5 Особенности прыжковой проводимости в пленках ZnO•.Ga и 1п2Оз:8п
5.1 Температурные зависимости сопротивления и магнетосопротивление
плёнок ZnO:Ga, синтезированных в условиях пирогидролиза
5.2 Электрофизические и гальваномагнитные свойства пленок 1п20з:3п, синтезированных в условиях дефицита кислорода
Основные результаты и выводы
Список литературы
Основные обозначения и сокращения
Благодарности

Введение
Актуальность
Оксиды цинка и индия, являясь широкозонными полупроводниками, обладают необычным сочетанием свойств — прозрачностью в видимом диапазоне электромагнитного излучения и высокой электропроводностью. Такое сочетание свойств обеспечивается большой шириной запрещённой зоны и относительно такой концентрацией подвижных носителей заряда, что плазменная частота находится в инфракрасной области спектра. Несмотря на сходство с другими широкозонными полупроводниками оксиды металлов имеют ряд особенностей. Во многих случаях можно считать, что кристаллическая решётка оксидов металлов состоит из катионов металла и анионов кислорода. Из-за этого такие дефекты, как вакансии и междуузельные атомы, являются заряженными и электрически активными, то есть проявляют донорные или акцепторные свойства. Предполагается что такие дефекты, а также границы кристаллитов в оксидах металлов значительно влияют на перенос заряда и электропроводность. При этом механизмы этого влияния остаются во многом невыясненными. Несмотря на большое внимание со стороны научного сообщества к исследованию оксидов металлов, природа многих экспериментально наблюдаемых особенностей электрофизических и гальваномагнитных свойств остается до конца неясной.
Это утверждение в особенности справедливо по отношению к тонким плёнкам, в которых помимо дефектов существенную роль может играть размерность системы электронов по отношению к тем или иным явлениям. Например, в некоторых работах сообщалось о наблюдении при низких температурах отрицательного магнетосопротивления в легированных донорной примесыо плёнках оксида цинка. Данный эффект был интерпретирован в рамках явления слабой локализации. При этом типичная толщина исследуемых пленок оксида цинка и индия такова, что под действием магнитного поля и изменения температуры должно происходить изменение размерности системы электронов по отношению к явлению слабой локализации. Обсуждение такого изменения размерности отсутствует в доступной литературе. В то же время его изучение важно как для описания наблюдаемых гальваномагнитных свойств, так для определения времени и изучения механизмов релаксации фазы волновой функции электронов, которое является важнейшим параметром в теории Ферми-жидкости и определяет применимость концепции квазичастиц при описании электронов проводимости.
Известно, что электропроводность плёнок оксидов цинка и индия существенно зависит от условий их синтеза. При этом значения электропроводности, представленные в литературе,

центрами, и наблюдался переход от закона Мотта к закону Шкловского-Эфроса [63-65]. В работе [64] исследовалась температурная зависимость сопротивления аморфных и поликристалличных пленок 1пгОз. В температурной зависимости сопротивления аморфных пленок 1пгОз при температуре порядка 25К наблюдался переход от закона Мотта к закону Шкловского-Эфроса.
При прыжковом переносе магнитное поле может оказывать существенное влияние на сопротивление за счёт подавления интерференции электронов. Данный эффект наиболее существенен в случае, когда интерференция является основной причиной локализации электронных состояний. [66] В этом случае подавление интерференции магнитным полем приводит к увеличению радиуса локализации электронных состояний и отрицательному магнетосопротивлению [67]. Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к уменьшению вероятности туннелирования и росту сопротивления [60]. В системах с прыжковой проводимостью с переменной длиной прыжка в магнитных полях (/в»уос) зависимость сопротивления от магнитного поля, обусловленная данным эффектом, имеет вид:
Р(6) = Р( 0)ехр((]е-Ц^фУ*), (1.20)
где р=5/2016, В - магнитная индукция, г/ос - радиус локализации волновой функции.
В сильных магнитных полях (1В « г1ос)
р(В) = р(0)ехр(0.92»^(^)1/2; , (1.21)
где Ец— энергия активации в магнитном поле.
При прыжковом механизме переноса ориентация спинов электронов в магнитном поле также может приводить к изменению сопротивления и магнетосопротивлению. В частности, поляризация спинов электронов на донорных уровнях может вести к подавлению проводимости по локализованным состояниям, допускающим двукратное заполнение электронами, что приводит к увеличению сопротивления [68]. Обменное взаимодействие электронов на состояниях, по которым осуществляется прыжковый перенос, с электронами примеси с нескомпенсированным спином при наличии композиционного беспорядка может приводить к уменьшению плотности электронных состояний на уровне Ферми, и увеличению сопротивления. В магнитном поле ожидается дополнительное уменьшение плотности состояний на уровне Ферми и положительное магнетосопротивление [69]. Обменное взаимодействие между электронами магнитной примеси и электронами, участвующими в прыжковом переносе, может также приводить к появлению щели в плотности состояний, которая схлопывается в магнитном поле. Это должно приводить к уменьшению сопротивления в магнитном поле [70]. Кроме того, наличие обменного взаимодействия может приводить к