Исследование особенностей проявления дисперсионных сил в наноразмерных слоистых структурах на основе кремния

• Автор: Юрова, Валентина Александровна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 100 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Дисперсионные силы: определение и природа явления, исследования

дисперсионных сил

1.2 Структуры кремний - оксид кремния

1.3 Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) на основе кремния

Глава 2 Методика расчета дисперсионных сил в нано размерных слоистых

твердотельных структурах, выполненных на основе кремния

2.1 Физические основы расчета дисперсионных сил в наноразмерных слоистых твердотельных структурах, выполненных на основе кремния
2.2 Модели диэлектрической проницаемости, используемые при расчете дисперсионных сил в наноразмерных слоистых твердотельных структурах,
выполненных на основе кремния
2.3. Описание процедуры расчета дисперсионных сил в наноразмерных слоистых твердотельных структурах, выполненных на основе кремния
Глава 3 Исследование особенностей проявления дисперсионных сил в наноразмерных слоистых структурах на основе кремния
3.1 Исследование дисперсионных сил, действующих между кремниевой пластиной и металлическим телом
3.2 Исследование дисперсионных сил, действующих на слой диоксида кремния в структуре металл—диэлектрик-полупроводник
3.2.1 Влияние толщины металлического слоя на расчетную величину дисперсионных сил, действующих в структуре металл-диэлектрик-полупроводник
3.2.2 Влияние состояния поверхности кремниевой пластины на расчетную величину дисперсионных сил в структуре металл-диэлектрик-полупроводник
3.2.3 Влияние толщины диэлектрического слоя на расчетную величину дисперсионных сил в структуре металл-диэлектрик полупроводник
3.2.4 Зависимость расчетной величины дисперсионных сил, действующих в МДП-структуре, от толщины диэлектрика при рассмотрении дисперсионного взаимодействия в нерелятивистском пределе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время исследования дисперсионных сил, к которым относятся силы Ван-дер-Ваальса и Казимира, привлекают все больше внимания. С учетом тенденции миниатюризации элементов электронной техники дисперсионные силы находят все большее применение не только в чисто научной, но и технологической области. Рост интереса к этим явлениям обусловлен как внутренней логикой развития квантовой теории поля и его актуальными приложениями в различных разделах современной физики, так и природой дисперсионных сил. Область применения дисперсионного взаимодействия включает физику конденсированных сред, и нанотехнологии, а также коллоидные и кристаллические системы, используемые для адгезии в наноэлектромеханических системах. Дисперсионные силы оказывают существенное влияние на процессы абсорбции в наноструктурах, в частности на процессы абсорбции водорода.
Так как дисперсионные силы проявляются и становятся преобладающими на малых расстояниях между взаимодействующими объектами, эти силы долгое время изучались только теоретически вследствие несовершенства измерительной техники. В настоящее время прогресс в технике позволяет в отдельных случаях проводить прямые измерения величины дисперсионного взаимодействия. Однако экспериментальные исследования являются весьма дорогостоящими и не всегда технически возможными. Поэтому по-прежнему представляют интерес теоретические исследования дисперсионного взаимодействия различных объектов.
Элементы современных полупроводниковых миниатюрных электромеханических и электронных устройств в настоящее время уменьшились до десятков и даже единиц нанометров. Поэтому наиболее актуальным представляется изучение проявления дисперсионных сил в структурах, которые активно используются в современной электронной технике, в частности, в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Эти структуры являются основой таких электронных компонентов как конденсаторы, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью, газовые датчики. Ряд современных исследований показывает, что дисперсионные силы, по-видимому, являются причиной отказа некоторых приборов, например, являются причиной «схлопывания» обкладок конденсатора, размеры которого составляют единицы нанометров.
Таким образом, для дальнейшего конструирования и производства реальных наноразмерных устройств электронной техники необходимо детальное изучение закономерностей действия дисперсионных сил и особенностей их проявления в реальных наноразмерных структурах. В частности, в слоистых полупроводниковых наноразмерных

структурах металл-диэлектрик-полупроводник, выполненных на основе кремниевой подложки.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование величины дисперсионных сил, действующих в современных наноразмерных слоистых структурах электронной техники, изготовленных на основе полупроводниковой монокристаллической кремниевой подложки, и оценка влияния параметров структуры на величину этих сил.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
1) исследовать влияние слоя оксида на поверхности кремния на величину его дисперсионного взаимодействия с металлическим телом, находящемся на наноразмерном расстоянии от кремния;
2) исследовать и определить влияние толщины слоев диэлектрика и металла на величину давления, создаваемого дисперсионными силами на слой диэлектрика в наноразмерной структуре металл-диэлектрик-полупроводник;
3) сравнить результаты расчета величины дисперсионных сил, получающиеся при использовании различных физико-математических моделей для описания электрооптических параметров рассматриваемой наноразмерной слоистой структуры на основе кремниевой подложки.
В результате проведенных исследований разработаны следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. Величина давления, создаваемого дисперсионными силами на слой диэлектрика в слоистой структуре металл—диэлектрик-полупроводник на кремниевой подложке, рассчитанная на основе существующей теории, очень сильно зависит от толщины диэлектрика, и при ее уменьшении до единиц нанометров возрастает на несколько порядков по величине, а именно от единиц паскалей до нескольких мегапаскалей.
2. Расчетная величина давления дисперсионных сил практически не зависит от толщины металлического слоя в слоистой твердотельной структуре на основе кремния при реально используемых значениях толщины металлического слоя.
3. Естественная пленка оксида, возникающая на поверхности кремния в воздушной среде, практически не влияет на величину дисперсионного взаимодействия между кремниевой пластиной и внешним проводником.

В случае если разность работ выхода электронов для металла и полупроводника отлична от нуля, происходит диффузия электронов из одного материала в другой и перераспределение зарядов в объеме вещества. Это связано с тем, что значение потенциальной энергии электрона вне объема полупроводника и металла больше по величине, чем значения энергии электронов, находящихся внутри полупроводника и металла. Из металла в полупроводник будет переходить небольшое количество электронов преимущественно с энергией, которая значительно превышает уровень Ферми для рассматриваемого материала электрода. Их концентрация на энергетических уровнях убывает по экспоненциальному закону, что приведет к попаданию на поверхность металлического электрода большего числа электронов из полупроводника за единицу времени, чем их эмиттирует из металла. В результате перераспределения этих некомпенсированных зарядов металлический контакт приобретает отрицательный электрический заряд, а приповерхностный слой полупроводника заряжается положительно. То есть нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов. Так как концентрация носителей заряда в металле значительно больше концентрации носителей заряда в полупроводнике, контактное электрическое поле переходного слоя оказывается сосредоточенным практически только в полупроводнике (во многом аналогично р-п-переходу, но поле существует не по обе стороны перехода, а только в полупроводнике). В металле также происходит перераспределение электронов, но в очень тонком слое, размеры которого сопоставимы с межатомным расстоянием.
При работе выхода из металла меньшей, чем в полупроводнике р-типа, часть электронов перейдет из металла в полупроводник, в результате возникнет тонкий обедненный слой в приповерхностном слое полупроводника. По этой причине металлический электрод становится заряженным положительно, в результате чего возникает поле, отталкивающее дырки и вызывающее появление некомпенсированных отрицательных акцепторов. После завершения переходного процесса уровни Ферми в металле и полупроводнике фактически совмещаются, поскольку для электронов существует внешний путь проводимости. Таким образом, получили обедненный слой у поверхности полупроводника и высокое сопротивление самой приповерхностной области полупроводника. Если наблюдается большое различие в величине работ выхода электронов из металла и полупроводника (Аи « А„), то возможно образование инверсионного слоя в полупроводнике. Такой переход обладает выпрямляющими свойствами, так как внешнее напряжение будет падать в основном на высокоомном переходе и изменять при этом высоту