Синтез и свойства тонкопленочных гетероструктур на основе Ti, Nb и их оксидов

• Автор: Зайцев, Сергей Витальевич
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 127 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ТИТАНА, НИОБИЯ И ИХ ОКСИДОВ

1.1. Физикохимическая характеристика титана и ниобия.

1.2. Взаимодействие в системе металлов титан ниобий

1.3. Окисление металлов и сплавов. Законы роста оксидных пленок г

1.4. Оксидирование титана

1.5. Оксидирование ниобия

1.6. Кинетические особенности оксидирования ниобия.

1.7. Взаимодействия в системе оксидов титана и ниобия

1.8. Синтез тонкопленочных систем металлов и их оксидов

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Методики синтеза оксидосодержащих структур системы титанниобий
2.1.1. Вакуумное осаждение тонких пленок.
2.1.2. Оксидирование тонких металлических пленок в печи резистивного нагрева
2.1.3. Непрерывный вакуумный фотонный отжиг
2.2. Методики исследования состава и структуры пленок
2.2.1. Рентгенофазовый анализ
2.2.2. Абсорбционная спектроскопия.
2.2.3. Методики исследования с использованием растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа.
2.2.4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.
2.2.5. Методика измерения электросопротивления.
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ОКСИДОВ ТИТАНА И НИОБИЯ
3.1. Исследование ширины запрещенной зоны оксидов титана и ниобия методом абсорбционной спектроскопии
3.2. Исследование тонких и ультратонких оксидных пленок титана и ниобия
методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии
ГЛАВА 4. СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК ТИТАНА И НИОБИЯ С РАЗЛИЧНЫМ СООТНОШЕНИЕМ МЕТАЛЛОВ.
4.1. Синтез металлических пленок системы титан ниобий
4.2. Термическое оксидирование металлических пленок
4.3. Исследования оптических свойств оксидов системы титанниобий
4.4. Изучение электросопротивления тонких оксидных пленок системы титан
ниобий
ОСНОВ 1ЫЕ ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Методомреактивного вакуумного осаждения с использованием высокочастотного распыления металлической мишени в смешанной атмосфере аргона и кислорода синтезированы ультратонкие пленки оксидов титана и ниобия, исследованы особенности электронной структуры методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, а также абсорбционной спектроскопии. Впервые показано изменение ширины запрещенной зоны, а также положения остовных электронных уровней элементов в зависимости от толщины оксидной пленки. Предложен механизм, интерпретирующий изменения электронной структуры, основанный на представлениях о высокой дефектности переходных слоев на границе оксидподложка, а также изменении степени кристалличности тонкопленочных систем в зависимости от толщины слоя. Впервые исследована растворимость компонентов в системе оксидов титана и ниобия в тонкопленочном состоянии, а также влияние элементного соотношения на физикохимические свойства материала. Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов определяется тем, что все синтезированные структуры могут быть воспроизводимо сформированы и использованы как основы материалов оптоэлектроники, просветляющих и оптически активных покрытий для нужд солнечной энергетики, функциональные элементы в многокомпонентных системах сенсорных дисплеев. Результаты исследований по определению оптимальных режимов синтеза могут быть рекомендованы к использованию при разработке современных технологий и изделий функциональной электроники на основе ультратонких оксидных покрытий на воронежском заводе полупроводниковых приборов, научноисследовательском институте полупроводникового машиностроения. Результаты диссертационного исследования также могут быть использованы при подготовке и чтении специальных курсов по химии твердого тела, наноиндустрии, современного материаловедения и физической электроники. Показано существование эффекта изменения ширины запрещенной зоны, а также смещения положения остовных электронных уровней чистых оксидов титана и ниобия. Предложен механизм возникновения подобных изменений, основанный на предположении о влиянии нестехиометричности переходных дефектных слоев оксидов и изменении степени кристалличности для пленок разной толщины. Методика синтеза ультратонких пленок титана и ниобия на основе совместного магнетронного осаждения металлов с попеременным прохождением подложки над зонами распыления мишеней позволила воспроизводимо формировать однородные по распределению элементов металлические слои толщиной от нм до 0 нм. Предложенный метод синтеза ультратонких оксидных пленок позволяет формировать гетероструктуры, содержащие сложные соединения оксидов титананиобия, включая соединение Т1ЫЪ, а также легированные ниобием оксиды титана ТЮ2 в фазе рутила, которые могут использоваться как современные элементы оптоэлектроники. Предложен механизм легирования оксидов титана ТЮ2 ниобием, основанный на представлениях о механизме замещения титана в решетке оксида атомами ниобия до определенного предела концентрации, при достижении которого формируются обособленные фазы сложных оксидов, а также фазы оксида ниобия . ГЛАВА 1. ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ТИТАНА, НИОБИЯ И ИХ ОКСИДОВ. Физикохимическая характеристика титана и ниобия. Титан является элементом IV группы периодической системы. Атом
титана имеет электронную конфигурацию Аг Зс1 4в. ОСНОВНОЙ I 1 . Кг 4с 1. МЬ5. МЬ3, ЫЬ1, ИЬ1, Ь1Ь2, ЬЬ3, МЬ. Сравнение некоторых свойств данных металлов представлено в габл. Табл. Сводная характеристика металлов П и ЫЬ. Теплота сублимации при 8 К бсубл. В свободном виде титан серебристобелый, устойчивый к коррозии металл. В природе представлен 5 стабильными изотопами Т 8,0, ,7Т 7,3, 4ЯТ ,8, 4,Т 5,5 и Т 5,4. При обычном давлении существует в двух модификациях аТ и РТ, температура фазового перехода К, теплота перехода ,4 кДжкг. Кристаллическая рештка аТ гексагональная кристаллическая решетка рТ объмно центрированная кубическая. При давлении 9 ГПа и температуре К аТ переходит в гексагональный соТ 1 2. Титан отличается устойчивостью к коррозии в окислительных и хлорсодержащих средах. Металлический титан широко применяется как высокопластичный конструкционный материал. В виде сплавов с А1, V, Мо, Сг, Ре и с др.