Автореферат на тему «Исследование механизмов локальной проводимости наноструктурированных материалов методами атомно-силовой микроскопии»

Кроме того, использование наноструктур обеспечивает широкие возможности для создания принципиально новых приборов, поскольку электронные свойства наноструктур, как правило, сильно отличаются от свойств образующих их материалов в объемной фазе. На сегодняшний день наноструктуры уже находят свое применение в опто- и нано- электронных устройствах, в медицине, в химической промышленности и других областях [1]. Поэтому получение информации о структурных особенностях и физических свойствах создаваемых наноструктур и наноматериалов является актуальной задачей. Ее решение, в свою очередь, требует создания информативных методик нанодиагностики, обеспечивающих проведение исследований свойств нанообъектов с нанометровым пространственным разрешением. Одним из наиболее перспективных методов исследования нанообъектов на сегодняшний день является атомно-силовая микроскопия (АСМ) [2]. Методы АСМ основаны на измерении сил, возникающих между кончиком зонда и поверхностью образца. В зависимости от природы этих сил методики АСМ позволяют исследовать как локальные особенности рельефа поверхности, так и физические свойства материалов (распределение магнитных и сегнетоэлектрических доменов, потенциал поверхности, области накопления заряда,  особенности проводимости и др.) с нанометровым пространственным разрешением.

Проводимость является важнейшей характеристикой многих современных приборов микроэлектроники и во многом определяется особенностью проводимости наноструктурированных материалов, входящих в состав данного прибора. В настоящей работе методами АСМ с нанометровым разрешением исследуются особенности локальной проводимости таких наноструктурированных материалов как, полимерные протонпроводящие мембраны водородных топливных элементов, тонкие сегнетоэлектрические пленки, пленки high-k диэлектриков. Выбор таких объектов исследования обусловлен следующими обстоятельствами.

Исследования протонпроводящих мембран водородных топливных элементов связано с актуальной проблемой создания небольших, достаточно мощных и экологически чистых источников электроэнергии. В качестве таких источников возможно применение воздушно-водородных топливных элементов (ТЭ) [3]. Работа воздушно-водородных ТЭ основывается на протекании электрохимической реакции окисления водород в присутствии Pt катализатора. Эффективность ТЭ определяется, главным образом, качеством протонпроводящей мембраны и композитными каталитическими слоями, прилегающими к мембране. Эти слои неоднородны по своему составу и, следовательно, обладают неоднородной локальной проводимостью. Поэтому применение методов АСМ для диагностики свойств таких поверхностей актуально и вполне оправдано.

Не менее актуальной является проблема создания энергонезависимой ячейки памяти на базе сегнетоэлектрических твердых растворов цирконата- титаната свинца PbZr_xTi_1-xO₃ (PZT), обладающих высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента и спонтанной поляризации. В тонких (порядка несколько десятков нанометров) поликристаллических и эпитаксиальных PZT пленках, заключенных между двумя электродами (ячейка памяти), могут возникать большие токи утечки, которые при считывании будут нивелировать эффект переключения поляризации [4]. Изучение процессов протекания тока, происходящих на границах зерен внутри тонких PZT пленок, имеет большое значение для оптимизации свойств приборных структур. Таким образом, исследование с нанометровым разрешением электрофизических свойств сегнетоэлектрических PZT пленок с помощью методов АСМ является актуальной задачей.

Тонкие слои high-k диэлектриков [5] являются перспективными средами для применений в современной микроэлектронике. Эти среды используются в качестве подзатворных диэлектриков в полевых транзисторах и постепенно вытесняют традиционные слои SiO₂ [5]. Применение high-k диэлектрических слоев позволяет существенно снизить токовые утечки в тонком подзатворном диэлектрике. Кроме того, high-k диэлектрик, содержащий некоторое количество ловушечных зарядовых центров, может представлять интерес как среда для транзисторов с плавающим затвором. Поэтому исследования накопления и удержания зарядов в тонких high-k диэлектрических слоях являются актуальной задачей. Такие исследования возможны только при использовании методов АСМ. Во-первых, с помощью АСМ-зонда можно производить локальную инжекцию зарядов в пленку а, во-вторых, локально с нанометровым разрешением визуализировать и изучать движение инжектированных зарядов со временем [А8].

Цель диссертационной работы состоит в исследовании локальной проводимости и особенностей распределения областей протекания тока, а также пространственного распределения зарядов с нанометровым разрешением методами атомно — силовой микроскопии. Объектами исследования являются компоненты водородных топливных элементов, тонкие сегнетоэлектрические пленки PbZr_xTi_1-xO_3, а также пленки high-k диэлектриков SmScO₃. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Осуществить адаптацию существующих методик АСМ для исследования каждого из предложенных объектов.
2. Для изучения протонпроводящих мембран и каталитических слоев водородных топливных элементов создать установку для подачи газов H₂, O₂. Интегрировать ее в существующий стационарный АСМ микроскоп.
3. Установить влияние дополнительного «стоп-слоя» и концентрации полимера «нафион» в композитных каталитических слоях на интенсивность протекания каталитической реакции и эффективность топливных элементов.
4. Исследовать структуру и связанные с ней особенности проводимости в поликристаллических и эпитаксиальных сегнетоэлектрических пленках PbZr_хTi_1-хO₃.
5. Установить влияние направления поляризации в поликристаллических и эпитаксиальных сегнетоэлектрических пленках на процесс протекания через них тока.
6. Изучить процесс инжекции и движения зарядов в тонких high-k диэлектрических пленках SmScO₃. Вычислить коэффициенты диффузии, энергии активации и подвижности инжектированных зарядов.

Научная новизна работы:

Работа содержит ряд новых экспериментальных наблюдений и результатов.

Разработан метод полуконтактной микроскопии сопротивления растекания, позволяющий исследовать проводящие свойства мягких сред.

Показано, что на эффективность топливного элемента влияют:

• структурное совершенство и однородность проводящих свойств мембраны
• наличие «стоп-слоя» между проводящей мембраной и каталитическим слоем проводимость композитного   каталитического   слоя    при     продувке водородом, зависящая от процентного содержания полимера «нафион».

Установлено, что   направление   поляризации  в   поликристаллической  и эпитаксиальной PZT пленках влияет на протекание тока принципиально различным образом. В поликристаллической пленке величина протекающего тока больше, когда направления поля и поляризации противоположны друг другу, а в эпитаксиальной пленке, наоборот, значение тока больше, когда направления поля и поляризация направлены в одну сторону.

Установлено, что в PZT пленках отклик тока на приложенное смещение демонстрирует длинную релаксацию и зависимость от скорости сканирования, что указывает на емкостную природу тока, обусловленную перезарядкой ловушечных центров.

Впервые изучено поведение заряда, инжектированного в пленку high-k диэлектрика SmScO₃. Обнаружено, что время удержания заряда определяется ловушечными центрами в слое, электрической активностью которых можно управлять с помощью отжига.

Для high-k диэлектрика SmScO₃ впервые определены значения коэффициентов диффузии, энергии активации и подвижности инжектированных зарядов.

Практическая значимость работы. Важность полученных результатов заключается в том, что методики АСМ, использующие проводящий зонд, такие как микроскопия сопротивления растекания (МСР) и Кельвин-зонд микроскопия, являются эффективными средствами для исследований пространственного распределения токов и зарядов в современных приборных наноструктурах и материалах, используемых в водородной энергетики и микроэлектронике.

• в работе развита нестандартная методика измерения карт локальной проводимости – полуконтактная микроскопия сопротивления растекания (ПМСР). Такая методика позволяет проводить токовые измерения на «мягких» проводящих объектах с выраженным рельефом, не повреждая их.
• Для протонпроводящих мембран, используемых в современных топливных элементах, метод ПМСР позволил с нанометровым разрешением установить их структурное совершенство и проводимость, соотношение между которыми вносят существенный вклад в эффективность всего ТЭ.
• Кроме того, для исследуемого топливного элемента установлено, что его максимальная эффективность достигается при концентрации полимера «нафион» 32% в каталитических слоях.

При изготовлении протонпроводящих мембран поливной технологией, применение метода ПМСР помогло установить влияние дополнительного «стоп-слоя» между каталитическим слоем и нанесенной сверху мембраной. Установлено, что наличие «стоп-слоя» обеспечивает более эффективное использование Pt катализатора.

Нужна помощь в написании автореферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена автореферата

Все эти экспериментальные данные позволяют оптимизировать работу воздушно-водородного топливного элемента в целом.

• Метод микроскопии сопротивления растекания позволил визуализировать с нанометровым разрешением области токовых утечек в PZT пленках. Обнаруженная поляризационная зависимость токов в PZT пленках позволяет оптимизировать и учесть исходное направление поляризации при считывании информации в устройствах СЭ-памяти.
• Методы АСМ позволили установить взаимосвязь температуры послеростового отжига тонких high-k диэлектрических пленок SmScO₃ с особенностями их структуры и временем удержания заряда. Впервые рассчитаны значения коэффициентов диффузий, энергии активации и подвижности зарядов для тонких high-k диэлектрических пленок SmScO₃. Полученные результаты необходимо учитывать при построении приборных наноструктур на базе high-k диэлектрических пленок SmScO₃.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Изучение локальной проводимости полимерных сред без их повреждения осуществляется с помощью разработанного метода полуконтактной микроскопии сопротивления растекания.
2. Эффективность воздушно – водородных топливных элементов зависит от количества полимера «нафион» в каталитическом слое и достигает максимального значения при его концентрации 32%.
3. Направление поляризации сегнетоэлектрических пленок PbZr_xTi_1-xO₃ влияет на протекающий через них ток. В эпитаксиальной пленке ток наибольший, когда направления электрического поля и поляризации совпадают, в поликристаллической пленке ток наибольший, когда направления электрического поля и поляризации противоположны, что обусловлено перезарядкой ловушек.
4. Отжиг тонких high-k пленок SmScO₃ при 900^оС приводит к формированию на их поверхности кристаллических областей. В этих областях время удержания инжектированного заряда существенно превосходит время удержания заряда в аморфных областях.
5. Основным механизмом движения зарядов в слоях high-k диэлектрика SmScO₃ является их диффузия вдоль поверхности слоя. Для пленок SmScO₃ определены характерные значения коэффициентов диффузии, энергии активации и подвижности носителей.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: «Международная зимняя школа по физике полупроводников» (1-5 марта 2007, г. Зеленогорск), «Одиннадцатая Всероссийская Молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто-   и   наноэлектронике»   (30   ноября-4   декабря   2009, Санкт-Петербург), «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (28 июня-1 июля 2010, Санкт-Петербург), «Нанофизика и наноэлектроника» (14-18 марта 2011, Нижний Новгород), «XIX Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков» (ВКС-XIX) (20-23 июня 2011, Москва), «ФизикА.СПб» (26-27 октября 2011, Санкт-Петербург), 21th International Symposium

«Nanostructures: physics and technology» (24-28 June 2013, Saint Petersburg), International conference «Piezoresponse Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials», International youth conference «Functional imaging of nanomaterials» (PFM-2014) (14-17 July 2014, Ekaterinburg), «Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков» (ВКС-ХХ) (18-22 августа, 2014 Красноярск), «MRS-2014» (30 ноября-5 декабря 2014, Бостон, США), «XIX Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел» (РЭМ — 2015) (1-4 июня 2015, Москва), «XII российская конференция по физике полупроводников» (Полупроводники 2015) (21-25 сентября 2015, Ершово), Пятая международная конференция «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства» (12 — 15 ноября 2016, Суздаль).

Публикации. По материалам диссертации ОПУБЛИКОВАНО 24 печатные работы, из них 13 в материалах международных и всероссийских конференций и 11 печатных работ в рецензируемых научных журналах, рекомендованных действующим перечнем ВАК. Список этих работ [A1-A11] представлен в конце автореферата. Также результаты исследований, представленные в работах [А1] и [А2], входят в состав 9 главы в книжке [3].

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично или совместно с соавторами. Обсуждение полученных результатов и последующее написание публикаций происходило при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация представлена на 140 страницах, включая 45 рисунков, 7 таблиц. В списке цитированной литературы 163 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована общая цель и основные задачи работы, ее новизна, практическая значимость. Изложены основные положения, выносимые на защиту, отражен личный вклад автора, а также кратко представлена структура диссертации.

Первая глава диссертации содержит описание методик АСМ. В первом параграфе (п.1.1) дано описание основных элементов АСМ: зонд, пьезосканер, оптическая система детектирования изгибов кантилевера. Во втором параграфе (п.1.2) подробно рассмотрены основные методы АСМ: контактный, полуконтактный и бесконтактный режимы. Отдельно рассмотрены: 1) метод Кельвин-зонд микроскопии, который регистрирует потенциал поверхности; 2) метод контактной микроскопии сопротивления растекания (МСР), позволяющей изучать особенности проводимости сколов гетероструктур a-Si/c- Si; 3) метод полуконтактной микроскопии сопротивления (ПМСР), позволяющей детектировать вариации распределения токов на «мягких» развитых поверхностях. Особенность метода ПМСР заключается в том, что измерение тока происходит в самой нижней точке колебаний кантилевера, что позволяет уменьшить силу воздействия зонда на поверхность. В третьем параграфе (п.1.3) представлено краткое описание приборов, используемых в работе.

Вторая глава посвящена изучению особенностей в проводимости воздушно- водородных топливных элементов (ТЭ) с помощью разработанного метода полуконтактной микроскопии сопротивления растекания. В начале главы (п.2.1) представлены простейшая схема работы ТЭ и литературный обзор, в    которого приведены АСМ исследования схожих топливных  элементов. В следующем параграфе (п.2.3) представлены   результаты исследований ПМСР методикой проводящих свойств каталитических слоев при продувке мембраны водородом (рис. 1). Белые пятна на рис. 2a соответствуют участкам поверхности с электронной проводимостью платиновых или углеродных  частиц.  Измеренное среднее значение тока протекающего через каталитический слой при продувке воздухом составляет I_B ≈ 40 нА. При продувке водородом наибольший вклад в общую проводимость вносят области, с протонной проводимостью (светлые области на рис. 2б), которые занимают более 95% всей поверхности. Измеренное среднее значение тока при продувке водородом вырастает до I_H2 ≈ 120 нА. Относительное изменение значения тока при пропускании водорода относительно потока воздуха I_H2/I_в при разных значения концентрации полимера мафиона в каталитическом слое представлено на рис. 3с. Видно, что наибольшей величине I_H2/I_в соответствует концентрация полимера 32%. При этом плотность мощности ТЭ достигает наибольшего значения (0.6 Вт/см²) [6].

В (п. 2.3, часть III) представлены результаты эксперимента, в котором путем измерения ВАХ исследовалось влияние «стоп-слоя» на эффективность работы ТЭ. Появление этого слоя обусловлено разработкой новой поливной технологии, в рамках которой мембрана (смесь полимера и растворителя) наносится поверх каталитического слоя. Установлено, что «стоп-слой» не дает просочиться материалу мембраны в каталитический слой и, тем самым, увеличивает эффективную работу Pt каталитических центров. В заключение (п. 2.4) сформулированы выводы исследований компонентов воздушно- водородных топливных элементов.

В третьей главе приводятся результаты исследования тонких сегнетоэлектрических пленок PbZr_xTi_1-xO₃ (PZT) с помощью МСР. В начале главы (п.3.1) кратко описаны основные характеристики сегнетоэлектриков и обсуждается проблема токов утечек и особенностей поляризационной зависимости в тонких PZT пленках. В параграфе 3.2 дано описание объектов исследования: поликристаллическая PbZr_0.45Ti_0.55O₃ и эпитаксиальная PbZr_0.52Ti_0.48O₃ пленки толщиной 100 и 210 нм, соответственно. Параграф 3.3 включает в себя результаты исследований процессов протекания тока в тонких PZT пленках. Обнаружено (п. 3.3.1), что в поликристаллической пленке ток течет по границам зерен (рис. 3a). На рис. 3a ясно видны непроводящие зерна (темные области внутри белых) и проводящие межзеренные границы (белые области). Повышенная проводимость границ зерен связана с выделением на  них свинца и последующим образованием полупроводниковой фазы PbO [7].

В эпитаксиальной PZT пленке наблюдается однородная проводимость (светлая область в центре кадра на рис. 3b), где подавалось напряжение. Это указывает на то, что ток течет по всему объему пленки (п. 3.3.2).

Для  поликристаллической и эпитаксиальной пленок экспериментально установлена принципиальная разница в поляризационной зависимости тока. Так, ток в поликристаллической пленке больше в том случае, когда смещение и поляризация направлены противоположно друг другу и меньше, когда их направления совпадают. Кроме того, на одиночных зернах поликристаллической пленки были обнаружены пики тока в ВАХ, которые связаны с переполяризацией доменов вблизи значений коэрцитивного поля. На основе этих данных рассчитаны значения коэрцитивного поля отдельных зерен.

Для эпитаксиальной пленки, однако, наблюдается обратная зависимость (рис. 4c) – ток больше в том случае, когда смещение и поляризация направлены в одну строну. Эпитаксиальная пленка PZT характеризуется большой ~10¹⁹— 10²⁰ см^-3 [8] концентрацией примесных центров (ловушек) донорного и акцепторного типа. Наблюдаемая поляризационная зависимость тока в эпитаксиальной пленке оказывается аналогичной зависимости фототока от направления поляризации и может быть связана с несимметричным потенциалом этих примесных центров в присутствии поляризации, что в свою очередь, приводит к уменьшению энергии ионизации примеси и увеличению подвижности носителей в направлении поляризации. В результате ток, протекающий в направлении поляризации, оказывается больше, чем противоположном направлении (рис. 4c).

В п. 3.3 также исследовались отклики тока пленок при подаче ступеньки напряжения от -10В до +10В. Для поликристаллической PZT пленки возникающий импульсный отклик тока, затухает за время порядка нескольких десятков секунд (рис. 5a). Это время намного больше, чем время, связанное с переключением сегнетоэлектрических доменов, составляющее наносекунды. Столь длительные времена релаксации тока указывают на то, что этот ток не связан напрямую с переполяризацией доменов. Поэтому можно предположить, что этот ток должен быть связан с перезарядкой глубоких уровней, причем уровни должны быть расположены там, где есть поляризационный заряд, тока в поликристаллической PZT пленке. Природа этого тока обусловлена перезарядкой ловушек (глубоких уровней), вовлеченных в экранирование поляризационного заряда и расположенных на границах зерен в поликристаллической PZT пленке.

Для эпитаксиальной пленки также установлено (п. 3.3.2, часть III), что импульсный токовый отклик затухает за время порядка сотен секунд и средний ток <I> пропорционален dU/dt. Эти экспериментальные данные указывают на то, что протекающий через эпитаксиальную пленку ток, также как и в поликристаллической пленке, имеет емкостной характер и связан не с переключением доменов, а с перезарядкорй ловушечных центров, расположенных в объеме эпитаксиальной пленки.

Таким образом, показано, что (i) ток в поликристаллической PZT пленке течет по границам зерен, а эпитаксиальной пленке равномерно по объему, (ii) релаксационный ток имеет емкостную природу и обусловлен перезарядкой ловушек, (iii) поляризационная зависимость тока принципиально различается для поликристаллической и эпитаксиальной PZT пленок.

Четвертая глава посвящена исследованию тонких пленок high-k диэлектрика SmScO₃. В первом параграфе (п.4.1) представлен обзор используемых и наиболее изученных high-k материалов, а также обсуждается роль методов АСМ в исследованиях этих материалов. Привлекательность high- k материалов для микроэлектроники связана с тем, что вследствие высокого значения диэлектрической проницаемости (e), они могут использоваться, например, в качестве подзатворного диэлектрике МОП структур вместо слоев оксида или оксинитрида кремния. Исследуемые тонкие пленки SmScO₃ обладают   достаточно   высоким   значением   диэлектрической проницаемости e~30. Применение метода Кельвин-зонд микроскопии диагностики позволяет визуализировать поведение зарядов внутри слоя SmScO₃ с (п. 4.2). В  параграфе дано описание объектов исследования: пленки SmScO₃ толщиной 12 нм, отожженные при 700^оС (S₇₀₀), 800^оС (S₈₀₀), 900^оС (S₉₀₀). В качестве референсного образца исследовалась неотожженная пленка (S₀).

Исследования, изложенные в (п. 4.3), показывают, что отжиг при 900^оС приводит к появлению на поверхности пленки кристаллической фазы, которая проявляется в образовании ограненных областей. Примерно одинаковая форма и размеры этих областей указывают на изображение пленки S₉₀₀. Пунктир подчеркивает существование огранки кристаллических областей. зародышевый механизм кристаллизации с последующим распространением фронта кристаллизации во всех направлениях.

В параграфе 4.3 дано описание экспериментальных результатов по инжекции зарядов в тонкие пленки SmScO₃. Используя АСМ- зонд в качестве верхнего электрода и подавая на него напряжение 3-5 Вольт в течение нескольких секунд, в пленки инжектируется заряд. Затем он визуализировался         методом  Кельвин-зонд микроскопии, и отслеживалось движение зарядов вдоль поверхности. В начальный период времени после инжекции заряды локализованы в малой области и основным механизмом движения зарядов является их дрейф под действием электрического поля (Е) (j=mnЕ, j — дрейфовый ток, m — подвижность и n – концентрация зарядов). По мере разбегания, действие электрического поля ослабевает, зарядовое пятно становится шире, и движение зарядов

подчиняется диффузионному механизму (j=-DÑn, D – коэффициент диффузии). В этом случае изменение полуширины зарядового пятна L со времени описывается выражением: L²(t)~Dt. В параграфе 4.3.2 экспериментально было установлено, что наблюдаемое поведение инжектированных в слой SmScO₃ зарядов подчиняются, главным образом, диффузионному механизму. Процессы разбегания заряда, обусловленные дрейфом в электрическом поле, оказываются слишком быстрыми для их визуализации.

коэффициентов диффузии, которые для кристаллической области пленки S₉₀₀ имеют значение D₉₀₀=0.009*10^-11 см²/сек., для аморфной пленки (образец S₀) при той же температуре значение коэффициента диффузии D₀ составляет 0.4*10^-11 см²/сек. Для образцов S₇₀₀ и S₈₀₀ наблюдались «промежуточные» значения в диапазоне от 0.04*10^-11 см²/сек. до 0.05*10^-11 см²/сек.

кристаллических участков пленки SmScO₃и 0.9 эВ для аморфных. Для образцов S₇₀₀ и S₈₀₀ значение энергии активации Е_а ~ 0.6 эВ. Измеренная величина Е_а представляет собой характерную энергию, которую необходимо приобрести инжектированным зарядам для перемещения от одного ловушечного центра к другому.

Исходя из измеренных значений коэффициентов диффузии, с помощью соотношения (m=D/k_BT) можно оценить величину подвижности зарядов µ. Для пленок S₉₀₀ и S₀ µ » 0.3*10^-11см²/эВ*сек. и µ » 13*10^-11 см²/эВ*сек., соответственно.

После инжекции зарядов их дальнейшее разбегание может осуществляться по поверхности (латеральное разбегание) или вглубь подложки. В эксперименте эти процессы можно различить следующим образом. При локальном разбегании количество регистрируемых зарядов Q(t) сохраняется со временем, при уходе зарядов в подложку Q(t) уменьшается. Для оценки Q(t) использовалась формула Q ≈ (e+1)j₀L²/4d [9]. Из графика на рис.7c видно, что при температуре образца T= 90 ^оС измеряемое количество зарядов за период времени 100 мин. уменьшилось всего лишь на 5%. Это означает, что уход заряда в подложку мал, и основное движение зарядов происходит вдоль поверхности слоя. Если предположить, что каждый ловушечный центр может захватить не более одного электрона, то можно оценить плотность ловушечных центров в диэлектрическом слое n ~ 2*10¹⁹ см^-3 Среднее расстояние между ловушечными центрами r при этом составляет (r=n ^-1/3) примерно 3 нм.

Нужна помощь в написании автореферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

В параграфе 4.3.3 выполнен анализ профилей зарядовых областей в начальный момент времени (через три минуты после инжекции (рис. 8a) и через

30 минут (рис. 8b) для аморфных и кристаллических участков пленки. За одинаковый временной промежуток потенциал зарядовых пятен в своем максимуме φ₀ для этих участков ослабевает с различной скоростью. Так за 30 минут амплитуда зарядового пятна в кристаллической области пленки S₉₀₀ уменьшилась всего лишь на 7%, а для пленки S₀ – на 80%. Аналогичное поведение наблюдалось и при повышенных температурах образца вплоть до 120^оС. Для образцов S₇₀₀ и S₈₀₀ за те же 30 минут потенциал зарядовых пятен уменьшился примерно на 20%. Характерные времена ослабления потенциала зарядового пятна для образцов S₀ и S₉₀₀ составили, соответственно, величины: 28 и 260 минут.

Таким образом, установлено, что отжиг принципиально влияет на стабильность зарядовых областей в диэлектрических пленках SmScO₃. Время удержания заряда внутри диэлектрического слоя максимально для кристаллических областей пленки, отожженной при 900⁰С и минимально для аморфной неотожженной пленки. Показано, что в рамках развитого подхода есть возможность проводить количественные оценки полного числа носителей в зарядовом пятне. Показано, что полный заряд в тонких пленках SmScO₃ может сохраняться в течение нескольких часов и основным механизмом движения зарядов в пленке является их туннелирование по ловушечным центрам вдоль слоя. Вычисленные значения коэффициентов диффузии D, энергии активации Е_а и подвижности носителей µ оказались минимальны для кристаллических областей, что указывают на то, что латеральное движение зарядов вдоль слоя сильнее всего подавлено именно в этих кристаллических областях. Для практических приложений может представлять интерес пленка, аналогичная S₉₀₀, подвергнутая более интенсивному отжигу и полностью кристаллизовавшаяся.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Разработан метод полуконтактной микроскопии сопротивления растекания.

Разработанный метод позволил получить данные:

• о распределении электронной и протонной компонент протекающего тока в каталитических слоях воздушно-водородных топливных элементов при пропускании через них потоков воздуха и водорода
• о влиянии «стоп-слоя» на эффективность всего топливного элемента

Установлено, что плотность мощности исследуемых водородных топливных элементов достигает своего максимального значения при концентрации в каталитическом слое полимера «нафион» 32%.

Показано, что зависимость значения протекающих токов от направления поляризации различна для поликристаллической и эпитаксиальной сегнетоэлектрических пленок Pb(Zr_xTi_1-x)O₃.

Протекающие в пленках Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ токи, демонстрируют одинаковый емкостной характер, обусловленный перезарядкой ловушек.

Предложен АСМ-способ определения коэрцитивных полей одиночных зерен, основанный на регистрации положения пиков тока, возникающих в ВАХ вблизи коэрцитивного поля, для поликристаллической пленки с проводящими границами зерен.

Установлено, что высокотемпературный отжиг ведет к образованию кристаллических областей на поверхности high-k диэлектрической пленки SmScO₃ и к увеличению времени жизни зарядов, инжектированных в эту пленку.

Установлено, что в пленках SmScO₃ основным механизмом движения зарядов является их туннелирование между ловушечными центрами вдоль поверхности пленки.

Впервые, используя АСМ данные, численно были определены значения коэффициентов диффузии (D), энергии активации (E_a) и подвижности (m) для тонких пленок SmScO₃. Наименьшие значения соответствуют кристаллической области пленки, отожженной при 900^оС, а наибольшие – аморфной пленке без отжига.

Публикации автора по теме диссертации:

А1. Анкудинов А.В., Гущина Е.В., Гуревич С.А., Кожевин В.М., Горохов М.В., Коньков О.И., Терукова Е.Е., Титков А.Н., Атомно-силовая микроскопия компонентов топливных элементов // Альтернативная энергетика и экология. – 2008. – Т. 10. – стр. 30-35.
А2. Анкудинов А.В., Глебова Н.В., Гущина Е.В., Нечитайлов А.А., Терукова Е.Е., Боброва П.П., Тимофеев С.В., Сканирующая электронная и атомно- силовая микроскопия поливных протонпроводящих мембран микротопливных элементов // Альтернативная энергетика и экология. – 2008. – Т. 10. – стр. 79-82.

А3. Maslova O.A., Alvarez J., Gushchina E.V., Favre W., Gueunier-Farret M.E., Gudovskikh A.S., Ankudinov A.V., Terukov E.I., Kleider J.P., Observation by conductive-probe atomic force microscopy of strongly inverted surface layers at the hydrogenated amorphous silicon/crystalline silicon heterojunctions // Appl. Phys. Lett. – 2010. – V. 97(25). – P.252110.
А4. Kleider J.P., Alvarez J., Ankudinov A.V., Gudovskikh A.S., Gushchina E.V., Labrune M., Maslova O.A., Favr W., Gueunier-Farret M.E., Cabarrocas P.Rl., Terukov E.I., Characterization of silicon heterojunctions for solar cells // Nanoscale Res. Lett. – 2011. – V. 6(1). – P. 152.
А5. Delimova L.A., Yuferev V.S., Ankudinov A.V., Gushchina E.V., Grekhov I.V., Polarization dependence and relaxation of the current in polycrystalline ferroelectric Pb(ZrTi)O3 film // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. – 2011. – V. 1292.
– Pp. 0272-9172.
А6. Гущина E.B., Анкудинов А.В., Делимова Л.А., Юферев В.С., Грехов И.В., Микроскопия сопротивления растекания поликристаллических и монокристаллических сегнетоэлектрических пленок // ФТТ. – 2012. – Т. 54(5). – стр. 944-946.
А7. Алексеев П.А., Дунаевский М.С., Гущина Е.В., Ozben E. D., Lahderanta E., Титков А.Н., Поведение локально инжектированных зарядов в нанотонких диэлектрических слоях LaScO3 на Si подложке // Письма ЖТФ. – 2013.– Т. 39(9). – стр. 47-55.
А8. Гущина E.B., Дунаевский М.С., Алексеев П.А., Ozben E.D., Макаренко И.В., Титков А.Н., Поведение локально инжектированных зарядов в нано тонких слоях high-k диэлектрика SmScO3 // ЖТФ. – 2014. – Т. 84(10). – стр. 122-126.
А9. Делимова Л.А, Гущина E.B., Юферев В.С., Грехов И.В., Исследование поляризационной зависимости переходного тока в поликристаллических и эпитаксиальных тонких пленках Pb(Zr,Ti)O3 // ФТТ. – 2014. – Т. 56(12). – Pp. 2366-2375.
А10. Delimova L.A., Gushchina E.V., Yuferev V.S., Grekhov I.V., Seregin D.S., Vorotilov K.A., Sigov A.S., Electrophysical Properties of Integrated Ferroelectric Capacitors Based on Sol-Gel PZT films // Ferroelectrics. – 2015. – V. 484 (1). – Pp. 32-42.
А11. Делимова Л.А., Гущина E.B., Юферев В.С., Ратников В.В., Зайцева Н.В., Шаренкова Н.В., Серегин Д.С., Воротилов К.А., Сигов А.С. Особенности электрических характеристик элементов сегнетоэлектрической памяти на основе PZT-пленок // Известия ВУЗов. Физика. – 2015. – Т. 58(9). – стр. 88- 92.

Цитируемая литература:

Нужна помощь в написании автореферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заказать автореферат

[1] Bhushan B., Nanotribology and Nanomechanics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Printed in Germany. – 2008. – P. 1530.
[2] Миронов В.Л., Основы сканирующей зондовой микроскопии, Учебное пособие. – Нижний Новгород. – 2004. – 110 с.

[3] Карпова С.С., Компан М.Е., Максимов А.И. Основы водородной энергетики
/ под ред. В.А. Мошникова, Е.И. Терукова. 2-е изд.– СПб.: изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. – 294 с.
[4] Scott J.F., Ferroelectric memories. Adv. Microelectron. Ser. /Eds K. Itoh, T. Sakurai. Heidelberg–Berlin «Springer-Verlag». – 2006. – 264 p.
[5] Перевалов Т.В., Гриценко В.А. Применение и электронная структура диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью // УФН. – 2010.
– T.180. – № 6. – С. 587-603.
[6] Qi. Ar., Kaufman Z., Low Pt loading high performance cathodes for PEM fuel cells // Journal of Power Sources. – 2003. – V. 113. – P. 37–43.
[7] Lee K, Ku J.-M., Cho C.-R., Lee Y.K., Shin S., Park Y. Metall-organic cemical vapor deposition of Pb(ZrxTi1-x)O3 thin films for high-density ferroelectric random access memory application // J. of Semicond. Technology and Science. – 2002. – V. 2 (3). – Pp.205-212.
[8] Takashi N., Yoichuro M., Interface Effects on Fatigue Properties of Pt/PZT/Pt Thin Film Capacitors // IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials. – 2006. – V. 126 (8). – Pp. 821-829.
[9] Dunaevskiy M.S., Alekseev P.A., P. Girard, Lahderanta E., Lashkul A., Titkov
A. N., Kelvin probe force gradient microscopy of charge dissipation in nano thin dielectric layers // J.Appl.Phys. – 2011. – V. 110. – P. 084304.