Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика конденсированного состояния

Диссертационная работа:

Антонец Игорь Викторович. Отражающие и проводящие свойства тонких металлических пленок и их наноструктура : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 : Челябинск, 2004 130 c. РГБ ОД, 61:04-1/1051

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

СПИСОК НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТОНКИХ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ
13

1.1. Электродинамическое описание тонких металлических слоев 13

  1. Граничные условия 13

  2. Обзор классических методов исследований отражающих свойств тонких металлических слоев 19

  3. Проводимость тонких пленок и структур 21

  4. Исследование многослойных и шероховатых структур 26

1.2. Физические характеристики аморфных металлических пленок 28

1.2.1. Свойства тонких аморфных металлических пленок и сплавов 29

1.3. Постановка задачи 36

ГЛАВА 2. ОТРАЖАЮЩИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
СЛОЕВ И ПЛЕНОК
39

2.1. Граничные условия 40

  1. Обобщенные импедансные граничные условия 40

  2. Приближенные граничные условия 43

  3. Слой на диэлектрической подложке 45

2.2. Коэффициенты отражения и прохождения 48

2.2.1. Слой в свободном пространстве 48

  1. Слой на диэлектрической подложке 50

  2. Численные примеры 51

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ОБРАЗЦОВ, МЕТОДИКА И ТЕХНИКА
ЭКСПЕРИМЕНТОВ
65

3.1. Изготовление и тестирование тонких аморфных металлических
пленок 65

  1. Вакуумное испарение вещества 65

  2. Приготовление тонких пленок 66

  3. Характеристики и методы тестирования исследуемых пленок 67

Ъ2. Принципы получения изображения при помощи АСМ 69

3.3. Измерение характеристик тонких пленок 71

  1. Измерение толщины тонких пленок 71

  2. Измерение проводимости тонких пленок 73

  3. Измерение коэффициента отражения 75

ГРАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И
ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
79

  1. Исследование наноструктуры поверхности тонких аморфных металлических пленок 79

  2. Исследование зависимости проводимости от толщины тонких пленок 88

  3. Исследование отражающих свойств тонких аморфных металлических пленок, помещенных в СВЧ-поле 94

4.3.1. Зависимость коэффициента отражения от толщины металлического
слоя
94

  1. Сравнение результатов экспериментов с теорией 97

  2. Частотные зависимости коэффициента отражения 99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 104

П. 1.1 Методы атомно-силовой микроскопии 104

П.1.1.1. Методы сканирующей зондовой микроскопии 104

П. 1.1.2. Общая схема устройства зондовых микроскопов 104

П.1.1.3. Атомно-силовая микроскопия 106

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 109

П.2.1. Модель точечного источника 109

П.2.2. Измерение толщины тонких пленок методом Толанского 109

ЛИТЕРАТУРА ИЗ

АВТОРСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 128

СПИСОК НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

d Толщина тонкого металлического слоя, пленки

h Толщина диэлектрической подложки

" (о) Удельная проводимость тонкого металлического слоя, пленки (мас
сивного металла)

со Частота электромагнитной волны

Я Длина электромагнитного излучения

8 Глубина проникновения волны в проводящую среду

(Mo) Магнитная проницаемость (магнитная постоянная)

(єо) Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная)

Е (Н) Вектор напряженности электрического (магнитного) поля.

Е (Н) Усредненные по толщине компоненты электрического (магнитного)

поля

+ ЇТ+

е;,н;

Касательные составляющие полей у поверхности слоя

ЕгГ

D (В) Вектор электрической (магнитной) индукции

)пов (J) Поверхностная плотность тока (плотность стороннего тока)

Я Поверхностная плотность электрического заряда

п Орт нормали

Z (z) Поверхностный импеданс (скалярный импеданс)

v (^г) Оператор Гамильтона (двумерный оператор дифференцирования)

N Число электронов проводимости в единице объема

є Заряд электрона

т Масса электрона

WF Энергия Ферми для электронного газа при данной температуре

/(/0) Длина свободного пробега в тонком слое, пленке (объемном мате
риале)

Р(Ро) Удельное сопротивление тонкой пленки (массивного образца)

R Коэффициент отражения

Т Коэффициент прохождения

Q Коэффициент поглощения

к ( Р ) Волновое число (продольное волновое число)

k (кт) Волновой вектор (поперечная компонента волнового вектора)

j Двумерная единичная диада

7о Импеданс свободного пространства

f(j3d), Некоторые функции, связывающие усредненные компоненты полей

f(kd) с полями на границе слоя

в Угол падения электромагнитной волны

Ксвн Коэффициент стоячей волны

ф Среднестатистический латеральный размер кластеров

Введение к работе:

Прогресс в микро- и оптоэлектронике, оптике и в ряде других областей техники непосредственно связан с развитием тонкопленочных технологий [1-25]. В настоящее время тонкие пленки используются во многих областях промышленности, например, в производстве оптических приборов (достаточно указать на просветляющие покрытия и многослойные интерференционные системы), в микроэлектронике (пленочные пассивные и активные элементы) и в авиакосмическом приборостроении (поверхностные пленки для регулирования температуры спутников) [1,3,12].

Современный уровень развития науки и техники предъявляет высокие требования к качеству пленок, рациональности использования их специфических свойств [1—3,21,26—40]. Структурные особенности, удельная проводимость, качество поверхности, стабильность свойств вещества во времени [1—4,11,12,20,37-56] -все это играет важную роль при определении тех или иных качеств исследуемого образца. В связи с развитием работ по тонким металлическим пленкам, особый интерес представляет исследование их электродинамических свойств в различных диапазонах частот - от оптического до СВЧ [2,11,15,17,20,32,37,42,57-70]. Развитие нанотехнологии стимулирует исследование свойств пленок, толщина которых составляет десятки и даже единицы нанометров. При очень малых толщинах пленка является существенно неоднородной: ее сплошной характер нарушается, она представляет собой совокупность проводящих островков (кластеров) большего или меньшего диаметра, разделенных диэлектрическими промежутками и общая проводимость ее крайне мала. При увеличении толщины пленки отдельные островки сливаются и пленка в целом становится проводящей (явление перколяции). Иссле-

дованию проводимости и электродинамических свойств металлических пленок в окрестности порога перколяции посвящено значительное количество работ, где изучается отражение, прохождение и поглощение электромагнитных волн такими пленками [15,26-29,60,62,66,71-75]. Эти работы выполнены в предположении, что размер неоднородности пленки значительно меньше длины волны, но намного больше толщины скин-слоя, то есть распределение поля волны внутри пленки неоднородно. При толщине пленок 10-100 нм это предположение выполняется только для довольно высокочастотных диапазонов - оптического, инфракрасного л в лучшем случае - субмиллиметрового [2,11,15,20,37,42,57-63]. Более длинноволновым диапазонам, в частности сантиметровому, где толщина скин-слоя значительно превышает толщину пленки, уделено значительно меньше внимания. Тем не менее, именно в этой области лежит интерес применения металлических пленок в разнообразных устройствах обработки информации, где в перспективе они могут заменить дорогостоящие ферритовые пленки [76,77].

С другой стороны, в большинстве работ исследуются моно- или поликристаллические пленки, то есть такие, в расположении атомов которых присутствует дальний порядок. В настоящее время активно исследуется и аморфное состояние вещества, когда корреляция в расположении атомов присутствует лишь на расстояниях порядка 1-2 нм, в результате чего само состояние характеризуется флук-туациями межатомных расстояний, плотностью и другими параметрами [2,12,78-81]. В частности, электрические параметры аморфных пленок, такие как удельная проводимость, как правило, значительно (в несколько раз) меньше, чем кристаллических, что связано с уменьшением концентрации свободных электронов и длины свободного пробега электронов из-за рассеяния на дефектах [59,79,82].

В тоже время, удельная проводимость является одним из основных параметров, определяющих электродинамические свойства пленок в диапазоне СВЧ, поэтому исследование отражения, прохождения и поглощения электромагнитных волн этого диапазона в пленках может явиться удобным инструментом для исследования аморфного состояния вещества. [2,79,80].

Диссертационная работа посвящена радиофизическим исследованиям электродинамических свойств тонких металлических слоев и пленок, выращенных в условиях неглубокого вакуума методом вакуумного напыления на диэлектрическую подложку.

Цели и задачи настоящего исследования

Целью настоящей диссертационной работы является исследование отражающих свойств, проводимости и морфоструктуры тонких аморфных металлических пленок.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

нахождение импедансных граничных условий для тонкого металлического слоя в свободном пространстве и на диэлектрической подложке методом усреднения;

аналитическое решение задачи о коэффициенте отражения от слоев, расположенных в воздухе и на диэлектрической подложке и о коэффициенте прохождения через эти слои;

получение тонких аморфных пленок различных металлов, выращенных в условии неглубокого вакуума методом термического вакуумного напыления на диэлектрическую подложку;

изучение поверхности тонких аморфных металлических пленок, а также выявление связи наблюдаемых закономерностей с особенностями их строения, проводимости и отражения СВЧ-волн от этих пленок;

исследование отражающих и проводящих свойств тонких аморфных пленок различных металлов в зависимости от их толщины.

Научная новизна работы

Экспериментально исследованы особенности морфоструктуры тонких аморфных пленок различных металлов. Показано, что кластерное строение пленок оказывает непосредственное влияние на механизм их проводимости, которая, в свою очередь коррелирует с зависимостями коэффициента отражения от толщины тонких пленок в СВЧ-области.

Предложена модель, описывающая отражение и прохождение электромагнитной волны для тонкого металлического слоя в зависимости от толщины и угла падения волны, а также структуры металл-диэлектрик для различных толщин с учетом толщиной зависимости проводимости металлического слоя. Это позволило объяснить экспериментальные данные по отражению СВЧ-излучения от тонких металлических пленок. Показано, что с учетом значений величины коэффициента отражения для нескольких толщин пленок можно оценить тип пленки и восстановить зависимость проводимости от толщины.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в том, что вносит существенный вклад в формирование современных представлений о структуре и электродинамических свойствах тонких аморфных металлических пленок и обусловлена их широким применением в современной науке и технике. Обнаруженные закономер-

11 ности наноструктуры, а также в поведение коэффициента отражения и проводимости с толщиной пленок расширяют возможности диагностики тонких аморфных пленок различных металлов, открывают дополнительные перспективы в создании новых устройств на основе тонкопленочных технологий, позволяют прогнозировать свойства.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на 2-й и 3-й Всероссийских конференциях студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 1998-1999), на 5-й Всероссийской конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 1999), на Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1999), на XII Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 2001), на IV Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 2003) и на Международной конференции "Функциональные материалы" (Крым, Украина, 2003).

Публикации

Результаты работы опубликованы в 5 статьях в центральных отечественных журналах, вестниках Института Геологии Коми НЦ УрО РАН и Сыктывкарского госуниверситета, в 9 тезисах и материалах всероссийских, международных конференций и симпозиумов.

12 Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из четырех глав, введения, заключения, списка цитированной литературы и двух приложений. Работа изложена на 130 страницах, включая 45 рисунков. Список литературы содержит 150 наименований, авторский список литературы - 13 наименований.

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета.

Подобные работы
Саврасова Наталья Александровна
Фрактальный анализ наноструктур аморфных пленок на основе данных дифракции электронов и рентгеновских лучей
Иевлев Арсений Сергеевич
Переключение и диэлектрическая релаксация в сегнетоэлектрических наноструктурах в форме пленок Ленгмюра-Блоджетт
Клавсюк Андрей Леонидович
Теоретические исследования физических свойств наноструктур на поверхности меди
Королев Константин Геннадьевич
Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1
Королёв Константин Геннадьевич
Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур [Co45Fe45Zr10/Z-Si:H]n и [(Co45Fe45Zr10)35(Al2On)65/Z-Si:H]n
Сорокин Павел Борисович
Моделирование строения и свойств новых наноструктур методом функционала плотности
Белова Елена Эдуардовна
Моделирование углеродных наноструктур и их свойств методом молекулярной динамики
Скородумова Наталья Владимировна
Термодинамические и электронные свойства оксидов и металлов из первых принципов (Объем, поверхность, наноструктуры)
Любушкина Людмила Михайловна
Структурные особенности и некоторые магнитные свойства пленок редкоземельных интерметаллидов на основе 3d-металлов
Рахмеев Рустам Габдулшагитович
Исследование электронных свойств пленок электроактивных полимеров класса полиариленфталидов вблизи порога зарядовой неустойчивости

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net