Разработка технологических основ создания наноструктурированных пленок оксидов ванадия методом импульсного лазерного осаждения и приборов на их основе

• Автор: Михайличенко, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 176 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛЕНОК ОКСИДОВ ВАНАДИЯ

1.1 Свойства оксидов ванадия

1.2 Применение пленок оксидов ванадия.

1.2.1 Чувствительные элементы неохлаждаемых сенсоров излучения ИК диапазона

1.2.2 Переключатели для энергонезависимой памяти.

1.3 Чувствительные элементы газовых сенсоров

1.4 Методы формирования пленок оксидов ванадия

1.5 Выводы и постановка задачи

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НЛО ОКСИДОВ ВАНАДИЯ.

2.1 Физикохимические процессы при абляции
2.1.1 Расчет термодинамических закономерностей фазообразования в системе ванадийкислород.
2.1.2 Определение температуры поверхности мишени.
2.2 Разработка алгоритма для теоретического анализа равномерности осаждения пленки методом ИЛО на пластину диаметром 0 мм.
2.2.1 Параметры процесса сканирования мишени в модуле ИЛО
2.2.2 Определение профиля осаждения пленки.
2.2.3 Разработка модели однородности осаждения пленок методом ИЛО .
2.3 Выводы по главе 2.
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ИЛО ПЛЕНОК УОх
3.1 Исследование влияния длительности ИЛО на электрофизические свойства пленок УОх.
3.2 Исследование влияние температуры подложки при ИЛО на электрофизические свойства пленок УОх
3.3 Исследование влияние давления кислорода при ИЛО на электрофизические свойства пленок УОх.
3.4 Исследование фазового состава пленок УОч, осажденных в вакууме и атмосфере кислорода.
3.6 Сравнительные исследования пленок оксидов ванадия, полученных методами ИЛО и окислением металлического ванадия
3.7 Исследование влияние отжига на сопротивление пленок УОх
3.8 Выводы по главе
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ПЛЕНОК УОх В СЕНСОРАХ И МЕМРИСТОРАХ
4.1 Разработка конструкции перестраиваемого по частоте чувствительного элемента сенсора ИК диапазона.
4.2 Разработка конструкции газочувствительного сенсора.
4.3 Создание мемристора на основе пленок УОч.
4.4 Разработка технологических маршрутов формирования чувствительных элементов сенсоров на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК
4.5 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ А.
Блок схема программы расчета профиля осажденной пленки на подложке
при ИЛО.
ПРИЛОЖЕНИЕ Б.
Документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы
Список сокращений
ИЛО импульсное лазерное осаждение
ИК инфракрасный
ФП фазовый переход
РЭМ растровый электронный микроскогия
МОМ металлоксидметалл
ЛО легированная область
НО нелегированная область
ВАХ вольтамперная характеристика
АО анодное окисление
МЭМС микроэлектромеханические структура
магнетронное распыление при постоянном токе АС магнетронное распыление при переменном токе ЛИ лазерное излучение
атомносиловая микроскопия
СЗМ сканирующая зондовая микроскопия
ДОБЭ дифракция отраженных быстрых электронов ТКС температурный коэффициент сопротивления РЭМ растровая электронная микроскопия
МЛЭ молекулярнолучевая эпитаксия.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


В четвертой главе приведены экспериментальные результаты формирования чувствительного элемента газового сенсора и проведены исследования его на газочувствительность. Разработаны конструкции перестраиваемых по частоте чувствительных элементов фотоприемника инфракрасного диапазона. Также приведены экспериментальные результаты формирования структуры металлоксидметалл на основе пленки оксида ванадия, содержащего различные фазы оксида. Кроме этого, приведены результаты исследования эффекта переключения сопротивления в этой структуре. Разработаны технологические маршруты формирования чувствительного элемента фотоприемника инфракрасного диапазона, газового сенсора и структуры металлоксидметалл с эффектом переключения сопротивления на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК9. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. В приложениях содержатся блок схема алгоритма разработанной математической модели и акты внедрения результатов исследований диссертационной работы. ГЛАВА 1. Металлический ванадий, являясь материалом с переменной валентностью, образует множество оксидов, в соответствии с фазовой диаграммой, представленной на рисунке 1. Одним из основных свойств, обеспечивающим применение оксидов ванадия, является наличие у некоторых из них температурноиндуцируемой кристаллографической трансформации фазового перехода ФП, сопровождающейся изменением проводимости и нелинейными оптическими эффектами 4,5. У У3 в высокотемпературной фазе четыре атома ванадия находятся снаружи ромбоэдрической элементарной ячейки, после ФП эти атомы оказываются внутри элементарной ячейки. У УСЬ металлическая фаза имеет тетрагональную структуру, каждый атом ванадия расположен в центре элементарной ячейки кислородного юктаэдра. При ФП в полупроводниковую фазу происходит моноклинное искажение структуры. Эти трансформации сопровождаются изменением сопротивления и коэффициента отражения. Изменение величины сопротивления описывается петлей гистерезиса, как показано на рисунке 1. Ширина и крутизна петли температурного гистерезиса монокрисгаллических и поликристаллических пленок оксидов ванадия могут сильно различаться. На практике невозможно получить идеальную петлю гистерезиса. Это объясняется наличием большого числа микрообластей в монокристаллической пленке, температуры фазовых переходов которых отличны друг от друга 4. В поликристаллической пленке свой вклад в характер петли гистерезиса вносит энергия поверхностного натяжения кристаллитов. Эта энергия зависит от кривизны поверхности, размера и формы кристаллита. Рисунок 1. Фазовая диаграмма системы ванадийкислород
т. С
Рисунок 1. С 7. Структура элементарных ячеек кислородных октаэдров, в центре которых находятся атомы ванадия, содержит блоки октаэдров, по своему строению аналогичных двуокиси ванадия соприкасающихся друг с другом только ребрами и вершинами. Между собой, эти блоки соединены октаэдрами, соприкасающимися гранями, как в структуре Уз В итоге структура пленок ЮХ представляет собой блоки Ю2 разделенные блоками 3. Таким образом, можно записать Упп. Л0зп2Ю2, где п3,4,5,6,7,8. В пленках У3 при ФП объем элементарной ячейки меняется на 0,,5 4. Такое изменение объема часто приводит к растрескиванию кристаллов Уз и, как следствие, разрушение пленок, содержащих блоки или фазы У3 по кристаллографическим плоскостям 8. При многочисленных перестроениях кристаллической решетки прочность пленки резко снижается и происходит ухудшение характеристик датчиков на их основе например для ИК сенсора чувствительности, рабочей частоты и т. Таким образом, актуальной задачей является получение пленок ЮМ содержащих фазу У3 и способных многократно выдерживать ФП. Одним из способов решения этой проблемы является создание наноструктурированиых поликристаллических пленок с размером кристаллитов зерен менее 0 нм 8. Авторами работ 9, механизм ФП разделяется в зависимости от соотношения энергии кванта излучения 6у и ширины запрещенной зоны Еу материала. Далее, по мере поглощения новых квантов света, концентрация носителей заряда в зоне проводимости возрастает.