Отличие физических свойств тонких плёнок от свойств массивных кристаллов в значительной мере обусловлено влиянием размерных эффектов.

Для исследования влияния размерных эффектов на физические свойства тонких плёнок оптимальными объектами являются плёнки висмута, в основном, из-за уникальных электронных свойств кристаллов висмута — больших значениях средней длины свободного пробега (≈ 2 мкм при 300 К), и длины   волны   де Бройля носителей электрического заряда (10–70 нм  при 300 К) [1–7].

В силу больших значений длины волны де Бройля электронов в висмуте весьма актуальной и практически осуществимой является задача исследования закономерностей изменения свойств плёнок висмута при переходе к условиям

«ультраквантового» размерного эффекта, когда толщина плёнки становится меньше половины длины волны де Бройля носителей электрического заряда.

Из-за применения различных методов и режимов изготовления плёнок висмута, трудностей контроля параметров режимов, наблюдается существенное различие структуры плёнок, гальваномагнитных  свойств  и  их  зависимостей от температуры окружающей среды и толщины плёнки, что затрудняет как качественный,  так и количественный  анализ  закономерностей  проявления   в плёнках висмута размерных эффектов.

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 области толщин менее 200 нм, сравнимых с длиной волны де Бройля носителей электрического заряда, на явления переноса электрического заряда   в плёнках оказывают влияние:

  • механические деформации, возникающие в системе плёнка-подложка;
  • классический размерный эффект;
  • квантовый размерный эффект (по толщине плёнки);
  • эффекты энергетического     квантования     спектра     носителей заряда в магнитном поле;
  • эффекты возникновения    топологически   защищённых поверхностных состояний.

Определение вкладов каждого из указанных эффектов представляет собой сложную востребованную задачу. Кроме того, в ряде работ, например, в [8–10], высказываются предположения о возможности перехода тонких плёнок висмута при уменьшении  их  толщины  до  20–30 нм  из  полуметаллического  в полупроводниковое состояние.

Благодаря широкому варьированию электрических свойств, обусловленному действием размерных эффектов, и практически значимым величинам термоэдс, представляется перспективным использование тонких плёнок висмута для изготовления термоэлектрических преобразователей энергии [11].

Таким образом, исследование структуры и электрических свойств тонких плёнок висмута в зависимости от технологических условий получения и толщины плёнки является актуальной задачей.

В представленной работе для исследования физических свойств плёнок висмута выбран диапазон плёнок по толщине от 15 нм до 150 нм. Данный диапазон охватывает наименее исследованную  область  толщин  с переходом от области доминирующего проявления классического размерного эффекта  (150 нм) до «ультраквантовой» размерной области (15 нм).

Целью работы является: а) определение зависимостей гальваномагнитных свойств плёнок висмута на слюде от толщины плёнки и температуры в интервале толщин плёнок от 15 до 150 нм; б) установление экспериментальных закономерностей проявления классических и квантовых размерных эффектов в гальваномагнитных явлениях в указанных плёнках.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Получить плёнки висмута в диапазоне толщин 15–150 нм, предварительно подобрав такие технологические режимы получения плёнок, которые обеспечивают получение плёнок висмута с близкими структурными характеристиками и воспроизводимость гальваномагнитных свойств изготовленных плёнок.

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

2. Провести исследования кристаллической структуры изготовленных плёнок методами атомно-силовой микроскопии, дифракции обратно рассеянных электронов и рентгеноструктурного анализа; определить кристаллографическую ориентацию плёнок и выявить основные закономерности влияния технологических параметров и толщины плёнки как на внутреннюю кристаллическую структуру, так и на кристаллическую структуру поверхности полученных плёнок.

3. Исследовать особенности гальваномагнитных явлений в изготовленных   плёнках   висмута   в широком    интервале    температур — от температуры   жидкого гелия до комнатной — и в магнитном поле с индукцией до 8 Тл.

4. Проанализировать влияние толщины и параметров кристаллической структуры на концентрацию и подвижности носителей электрического заряда в плёнках висмута, основываясь на результатах проведённых исследований.

5. Выявить закономерности проявления классических и квантовых размерных эффектов в гальваномагнитных явлениях в полученных плёнках на основе полученных данных.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

В отличие от ранее выполненных работ, посвящённых исследованию структуры и гальваномагнитных свойств тонких плёнок висмута, в настоящей работе проведено комплексное исследование влияния технологических параметров получения и толщины тонких плёнок висмута на слюдяной подложке на их кристаллическую структуру и гальваномагнитные свойства.

Установлено, что по степени влияния размерных эффектов на гальваномагнитные свойства плёнок висмута на слюдяной подложке диапазон толщин полученных плёнок можно разделить на три участка: 1) 15– 25 нм; 2) 25–55 нм; 3) 55–150 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.

Цена автореферата

Участок с толщинами 15–25 нм можно условно назвать «размерным ультраквантовым», так как толщина плёнки оказывается равна или меньше половины длины волны де Бройля носителей электрического заряда. Также, на участке с толщинами 15–35 нм обнаружено значительное увеличение концентрации    носителей    электрического    заряда    в плёнках    висмута   при уменьшении толщины плёнки менее 35 нм и определены возможные причины этого увеличения — изменения зонной структуры плёнок, выраженные, в том числе,  в проявлении состояний топологического изолятора в гальваномагнитных свойствах тонких плёнках висмута.

На участке с толщинами 25–55 нм выявлены немонотонности на зависимостях гальваномагнитных свойств от толщины плёнки, наблюдаемые во всём исследованном температурном интервале 5–320 К, которые могут являться проявлением квантового размерного эффекта. На этом же участке на монотонное изменение обратной подвижности носителей электрического заряда от обратной толщины плёнки накладывается осциллирующая зависимость, вероятно связанная с квантовым размерным эффектом.

На участке с толщинами 55–150 нм наблюдаются монотонные изменения гальваномагнитных свойств с толщиной плёнки, указывающие на доминирующий        характер классического размерного эффекта в гальваномагнитных явлениях.

Не смотря на указанные  выше  особенности  трёх  интервалов  толщин,  в плёнках висмута всех исследованных толщин на слюдяной подложке изменение подвижностей носителей электрического заряда с толщиной плёнки обусловлено ограничением подвижностей носителей электрического заряда преимущественно вследствие проявления классического размерного эффекта в соответствии с теорией Фукса-Зондхаймера.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Результаты настоящей работы способствуют развитию фундаментальных знаний о физических свойствах плёнок висмута с толщинами,  находящимися   в диапазоне существенного изменения соотношения вкладов классического и квантового размерных эффектов в явления переноса электрического заряда —   с толщинами менее 200 нм. Полученные экспериментальные данные и их анализ расширяют теоретические представления о влиянии классического и квантового размерных эффектов на особенности явлений переноса носителей электрического заряда в плёнках висмута в температурном интервале 5–320 К и в магнитном поле с индукцией до 8 Тл.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

В рамках работы над настоящим диссертационным исследованием разработана и апробирована методика измерения толщины блочных плёнок висмута методом атомно-силовой микроскопии с применением избирательного химического травления.

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

В работе показана значительная зависимость коэффициента Холла полученных плёнок от величины индукции магнитного поля, что может существенно расширить возможность создания первичных тонкоплёночных преобразователей, например, датчиков магнитного поля и других преобразователей сигналов.

Применяемые оптимальные режимы получения тонких плёнок висмута на слюде методом термического испарения в вакууме обеспечивают получение воспроизводимых по структурным параметрам плёнок с близкими значениями размеров блоков плёнок разных толщин.

Результаты работы предлагается использовать при изготовлении низкоразмерных структур на основе висмута с заданными параметрами носителей электрического заряда, что окажется полезным для проведения дальнейших научных исследований.

СВЯЗЬ ТЕМЫ С ПЛАНОМ НАУЧНЫХ РАБОТ

Диссертационная работа является частью научных исследований научно- исследовательской лаборатории физики полуметаллов  НИИ  физики  РГПУ  им. А. И. Герцена и выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации: аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2011 годы)» (грант № 2.1.1/9206); Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0544, соглашение от 07 сентября 2012 г. № 14.B37.21.0891); базовой части государственного задания в сфере научной деятельности по заданию

№ 2014/376 (проект № 59); и в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России (проект № 3.4856.2017/8.9).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Метод термического испарения в сверхвысоком вакууме 10-8 мм рт. ст. при скорости осаждения ~ 1,5 Å/с и температуре слюдяной подложки 140 °С, с последующим отжигом при температуре 200 °С, обеспечивает получение плёнок висмута толщиной от 25 до 80 нм с близкими структурными характеристиками, не зависящими от толщины плёнки. Применение указанных выше технологических условий получения плёнок, совместно с разработанным методом измерения толщины плёнок на основе атомно-силовой микроскопии, позволяет проводить более корректный анализ гальваномагнитных свойств плёнок в зависимости от их толщины по сравнению с анализом гальваномагнитных свойств плёнок, полученных другими методами.

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

2. В плёнках висмута толщиной более 15 нм на слюдяной подложке изменение подвижностей носителей электрического заряда с толщиной плёнки обусловлено ограничением подвижностей носителей электрического заряда преимущественно вследствие проявления классического размерного эффекта в соответствии с теорией Фукса-Зондхаймера.

3. В плёнках висмута толщиной менее 30 нм на подложке из слюды обнаружен резкий рост концентрации носителей электрического заряда с уменьшением толщины плёнки, обусловленный изменением энергетического спектра носителей электрического заряда в «ультраквантовом» пределе. Оценка на основе гальваномагнитных свойств показала увеличение концентрации почти в 5 раз при переходе от  плёнки  толщиной  30 нм  к  плёнке  толщиной 15 нм.

4. По степени влияния размерных эффектов на гальваномагнитные свойства плёнок висмута на слюдяной подложке диапазон толщин полученных плёнок можно разделить на три участка: 1) 15–25 нм; 2) 25–55 нм; 3) 55–150 нм. Участок с толщинами 15–25 нм можно условно назвать «размерным ультраквантовым». На участке с толщинами 25–55 нм в гальваномагнитных явлениях доминирует квантовый размерный эффект, а на участке с толщинами 55–150 нм — классический размерный эффект.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы, а также их выводов обеспечивается: использованием разработанных в лаборатории физики полуметаллов НИИ физики РГПУ им. А. И. Герцена и хорошо апробированных методов получения плёнок висмута, методов исследования структуры и свойств тонких плёнок висмута (атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, автоматизированный метод исследования комплекса гальваномагнитных явлений по классическому алгоритму), которые, с учётом минимальных погрешностей измерения, позволяют реализовать детальное исследование кристаллической структуры, и гальваномагнитных свойств плёнок висмута.

Достоверность результатов диссертационного исследования также обеспечивается сравнительным анализом полученных результатов c результатами по исследованию свойств тонких плёнок висмута и монокристаллов висмута, использованием современных моделей и представлений в области физики полуметаллов, согласованностью с результатами исследований, опубликованными другими авторами, в той части, где такое сравнение возможно.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

XIII, XIV и XV Межгосударственные конференции «Термоэлектрики и их применения» (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН); I Всероссийский конгресс молодых учёных (НИУ ИТМО); Международные зимние школы по физике полупроводников 2014 и 2015 года (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН); 12-я международная конференция «Плёнки и покрытия-2015» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»); Международная  молодёжная  конференция  ФизикА.СПб   2016 года   (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН); XXVI Российская конференция по электронной микроскопии (ИПТМ РАН); XIV-я международная конференция «Физика диэлектриков» (РГПУ им. А. И. Герцена).

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

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 6 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка используемой литературы. Работа содержит 152 страницы машинописного текста сквозной нумерации и 52 рисунка. Список литературы включает 197 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к работе обоснована актуальность темы диссертационного исследования, представлены: цель работы; научная новизна; теоретическая и практическая значимости полученных результатов; научные положения, выносимые на защиту, связь настоящего диссертационного исследования с планом научных работ НИИ физики РГПУ им. А. И. Герцена.

В первой главе «Обзор литературных данных по исследованию кристаллической и зонной структуры и гальваномагнитных свойств тонких плёнок висмута» анализируется современное состояние исследований, посвящённых изучению кристаллической структуры и явлений переноса электрического заряда в тонких плёнках висмута. Даётся описание кристаллической и зонной структуры висмута и его плёнок, ориентированных плоскостью (111) параллельно плоскости подложки. Рассматриваются теоретические и экспериментальные аспекты классических и квантовых размерных эффектов, наблюдаемых в явлениях переноса электрического заряда в плёнках висмута. Обсуждаются вопросы влияния поверхностных состояний на явления переноса носителей электрического заряда в плёнках висмута.

Основываясь на анализе литературных данных, приведённом в первой главе, формулируются следующие выводы:

1. Физические свойства массивного монокристаллического висмута хорошо изучены. С высокой точностью определены параметры зонной структуры и носителей электрического заряда в монокристаллах висмута.

2. Кристаллическая структура плёнок висмута изучена дифракционными методами и методами просвечивающей электронной микроскопии вплоть до самых малых (менее 12 нм) толщин. Есть сведения, что в плёнках с толщиной менее 12 нм происходит изменение параметров кристаллической решётки.

3. Существует сравнительно немного работ по изучению изменения морфологии, то есть  рельефа,  поверхности  плёнок  висмута  в зависимости  от условий получения и толщины плёнки.

Поэтому установление закономерностей изменения параметров поверхности плёнок висмута с изменением толщины плёнки при фиксации отдельных параметров режима получения представляет интерес для изучения.

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

4. Литературные данные по исследованию гальваномагнитных свойств плёнок висмута сильно разрознены. Наблюдается большой разброс в определённых экспериментально значениях удельного сопротивления, магнетосопротивления и коэффициента Холла плёнок одинаковых толщин, измеренных различными авторами на плёнках, полученных в схожих технологических условиях.

По этим причинам для корректного установления закономерностей изменения гальваномагнитных явлений в тонких плёнках висмута с толщиной плёнки, необходимо проведение исследований явлений переноса электрического заряда при тщательном контроле структуры и толщины исследуемых плёнок.

5. Получение монокристаллических плёнок висмута представляет собой актуальную сложную технологическую задачу. Оказывается возможным получить монокристаллические плёнки висмута из блочных плёнок путём их зонной перекристаллизации под покрытием. При применении данного метода для плёнок толщинами менее 200 нм, однако, в настоящее время возникают трудности, связанные с явлением не смачивания расплавленным висмутом многих подложек, используемых в научных исследованиях.

6. Вопрос о количественном описании влияния эффектов квантования энергетического спектра носителей электрического заряда на гальваномагнитные свойства плёнок висмута к настоящему времени является  открытым. Квантовые эффекты в плёнках висмута проявляются в виде:

1) осцилляций гальваномагнитных свойств в зависимости от толщины плёнки и величины вектора индукции магнитного поля;

2) перехода «полуметалл-полупроводник»;

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

3) образования топологически защищённых поверхностных состояний.

7. Результаты недавних работ не вносят окончательной ясности  в вопросы количественного описания закономерностей влияния размерных эффектов на гальваномагнитные явления в плёнках висмута толщинами менее 200 нм. Наблюдаются противоречия в экспериментальных данных по переходу плёнок висмута из полуметаллического в полупроводниковое (диэлектрическое) состояние, по квантовым осцилляциям гальваномагнитных свойств от толщины плёнок. Также наблюдаются несоответствия между теоретическими оценками и экспериментальными данными. Вышеизложенное подтверждает актуальность дальнейших исследований гальваномагнитных свойств плёнок висмута с толщинами, находящимися в диапазоне существенного изменения соотношения вкладов классического и квантового размерных эффектов в явления переноса электрического заряда — с толщинами до 200 нм.

На основании  анализа  данных  научной   литературы,  представленного в данной главе, сформулированы цели и задачи диссертационного исследования, изложенные во введении к работе.

Во второй главе «Получение тонких плёнок висмута и исследование их структуры» описаны экспериментальное оборудование и методики, использованные при получении плёнок висмута и исследовании их кристаллической структуры.

В качестве исходного материала для плёнок был использован монокристалл висмута чистоты 99,999 %. Плёнки были изготовлены методом термического испарения в вакууме на подложке из слюды (мусковит) марки СОВ, произведённой согласно ГОСТ 13750-88.

В главе отмечено, что кристаллическая структура образцов изучалась на сканирующем электронном (EVO-40 фирмы Zeiss AG, оснащённом дифракционной приставкой HKL NordlysNano) и атомно-силовом (Solver- P47Pro фирмы NT–MDT) микроскопах, а также на рентгеновском дифрактометре (ДРОН-7 фирмы Буревестник). Толщина плёнок измерялась разработанным автором совместно с сотрудниками лаборатории физики полуметаллов НИИ физики РГПУ им. А. И. Герцена методом атомно-силовой микроскопии с применением избирательного химического травления, пригодным для блочных плёнок висмута (в том числе и легированного) и твёрдых растворов висмут-сурьма.

Атомно-силовой микроскоп калибровался по тестовым решеткам TGS1. По паспортным данным  NT-MDT  эталон  высоты  для  решётки  TGZ1 —  (20,5 ± 1,0) нм, для TGZ2 — (104,5 ± 2,0) нм.

Относительные погрешности определения параметров плёнок методом атомно-силовой микроскопии:

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

  • среднего размера блоков — 20%;
  • среднего размера фигуры роста — 15 %;
  • средней шероховатости поверхности — 15 %;
  • толщины плёнок — 7 %.

В главе приводятся и результаты исследования кристаллической структуры и морфологии поверхности полученных плёнок висмута на подложках из слюды, полученные с помощью указанных выше методов. Подобраны оптимальные условия получения образцов — давление остаточных газов в камере для напыления не выше 3·10-8 мм рт. ст., скорость осаждения материала на подложку 1,5 Å/с, температура подложки 140 °С, отжиг проводился в течение часа при температуре 200 °С, — использованные в работе в дальнейшем при изготовлении плёнок различных толщин.

Основываясь на приведённых в настоящей главе описаниях методик эксперимента и анализе экспериментальных данных по исследованию кристаллической структуры полученных плёнок висмута на слюдяной подложке, в выводах к главе заключается, что:

1. Разработан новый способ измерения толщины тонких плёнок, совмещающий в себе атомно-силовую микроскопию и избирательное химическое травление.  Метод  успешно  апробирован  для  плёнок  висмута   на слюде. Преимуществом предлагаемого метода является высокая точность определения высот рельефа поверхности методом  атомно-силовой микроскопии и, соответственно, высокая точность определения толщины тонких плёнок.

2. Выращены плёнки висмута на слюде с контролируемой толщиной; схожими кристаллической структурой и морфологией поверхности; одинаковой кристаллографической ориентацией блоков плёнки. Применяемые оптимальные режимы получения тонких плёнок висмута на слюде методом термического испарения в вакууме      обеспечивают      получение      воспроизводимых   по структурным параметрам объектов.

3. Плёнки висмута толщинами 15–150 нм, полученные на слюде, представляют собой текстурированные блочные кристаллы с ориентацией плоскости (111) параллельно плоскости подложки. Размер блока растёт по мере увеличения толщины плёнки от 15 до 150 нм и слабо зависит от толщины плёнки в интервале толщин 27–70 нм. Среднее значение размера блока равно 0,8–1 мкм и превосходит толщину плёнки как минимум на порядок (Рисунок а).

4. Показано, что при получении плёнок висмута методом термического испарения в вакууме   10–8   мм рт. ст.    на скоростях    осаждения    ~ 1,5 Å/с на слюдяную подложку при температуре последней выше 100 °С процесс роста плёнки протекает в условиях повышенной миграции адатомов по поверхности плёнки, о чём свидетельствует наличие огранки у таких структурных неоднородностей  поверхности плёнки как фигуры роста и  бугры (хиллоки) (Рисунок 1. б, в).

5. Определены параметры поверхности плёнок висмута толщинами 15– 150 нм. Установлен близкий к линейному характер зависимостей средней шероховатости поверхности и средней высоты фигур роста от толщины плёнки висмута на слюдяной подложке. Установлено возрастание отношения средней высоты фигуры роста к толщине плёнки для плёнок толщинами меньше 40 нм по сравнению с плёнками больших толщин (Рисунок 1. г, д, е).

6. C учётом высокой точности разработанного способа измерения толщины блочных  плёнок  висмута  методом  атомно-силовой  микроскопии   с применением  избирательного  химического  травления   и   независимости   от толщины плёнки размера блока (в интервале толщины 27–70 нм) становится возможным обеспечить высокую достоверность сравнительного анализа гальваномагнитных свойств тонких плёнок висмута различной толщины.

В третьей главе «Гальваномагнитные явления в тонких плёнках висмута» описываются методики, использованные при исследовании гальваномагнитных свойств полученных плёнок висмута, и приводятся экспериментальные результаты. Гальваномагнитные свойства плёнок — удельное сопротивление, магнетосопротивление, коэффициент Холла — исследовались в настоящей работе в температурном интервале 4–320 K в специализированных установках, обеспечивающих возможность получения магнитного поля с величиной индукции до 8 Тл. При измерениях гальваномагнитных свойств плёнка была ориентирована своей поверхностью перпендикулярно вектору индукции магнитного поля.

Указывается, что погрешности измерения гальваномагнитных свойств полученных образцов следующие:

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

  • удельного электрического сопротивления — 10 %;
  • относительного магнетосопротивления — 5 %;
  • коэффициента Холла — ≈ 10 % при измерениях с использованием автоматизированного комплекса и  ≈ 15 % при измерениях  на «Cryo-Free 404».

Исходя из анализа полученных экспериментальных результатов исследования гальваномагнитных свойств полученных  плёнок,  основанного  на простейших модельных соображениях физики конденсированного состояния без использования представлений об энергетическом спектре носителей электрического заряда в висмуте, делаются следующие выводы.

1. По виду зависимостей гальваномагнитных свойств, концентрации и подвижностей носителей электрического заряда от толщины плёнок висмута  на слюдяной подложке диапазон толщин полученных плёнок можно разделить на три участка: 1) 15–25 нм; 2) 25–55 нм; 3) 55–150 нм. На температурных зависимостях гальваномагнитных свойств наблюдаются максимумы, смещающиеся в область  высоких  температур  с уменьшением  толщины плёнки (Рисунок 2. а).

2. Коэффициент Холла исследованных плёнок положителен во всём исследованном интервале температур и в магнитном поле с индукцией хотя бы до 0,8 Tл, однако, он оказывается существенно зависящим от величины индукции магнитного поля. Зависимость коэффициента Холла от величины индукции магнитного поля может существенно расширить возможность создания первичных тонкоплёночных преобразователей, например, датчиков магнитного поля.

3. Осцилляции и немонотонности на графиках зависимостей удельного сопротивления, коэффициента Холла, концентрации и подвижности носителей заряда от толщины плёнки являются проявлением квантового размерного эффекта (Рисунок 2. б).

4. В плёнках висмута в интервале толщин от 55 до 150 нм концентрация носителей заряда близка к её значениям в массивном монокристалле висмута и обратная подвижность  носителей  электрического  заряда   линейно   зависит от обратной толщины, что свидетельствует о неизменности зонной структуры плёнок в указанном диапазоне толщин (Рисунок 2. в, г).

5. Выявленное существенное увеличение концентрации носителей электрического заряда при уменьшении толщины плёнки примерно от 35 нм обусловлено изменением параметров зонной структуры: увеличением перекрытия зон    или     увеличением    вклада    поверхностных     состояний в электронные явления переноса (Рисунок 2. в).

6. Обратная подвижность носителей электрического заряда линейно зависит от обратной толщины плёнки в диапазоне  толщин  15–25 нм  и  55– 150 нм, что указывает на ограничение подвижности носителей электрического заряда при их взаимодействии с поверхностью плёнки в указанных интервалах толщин плёнок в соответствии с теорией Фукса-Зондхаймера — теорией классического размерного эффекта (Рисунок 2. г).

В четвёртой главе «Классический и квантовый размерные эффекты в тонких плёнках висмута» приводится анализ зависимости удельного сопротивления плёнок от толщины плёнки с позиций классического и квантового размерных эффектов; рассматриваются методы расчёта концентрации и подвижностей носителей электрического заряда в полученных плёнках исходя из экспериментальных данных, основанные на существующих моделях явлений переноса электрического заряда в плёнках висмута; анализируются  полученные  данные  расчёта  параметров  носителей  заряда    в зависимости от толщины плёнки и температуры, полученные на основе собранного экспериментального материала.

На основании представленных в главе данных делаются следующие выводы:

1. Линейный характер     зависимости      удельного      сопротивления (в интервале толщин 55–100 нм) (Рисунок 3. а) и обратной подвижности электронов (Рисунок 3. б) и дырок (в интервале толщин 15–150 нм) указывает на то, что ограничение подвижностей носителей электрического заряда толщиной плёнки обусловлено классическим размерным эффектом, вызванным рассеянием носителей заряда на внешних границах плёнок и проявляющимся во всём интервале исследованных толщин в соответствии с теорией Фукса- Зондхаймера. С уменьшением толщины плёнки наблюдается изменение соотношения между зеркальным и диффузным механизмами рассеяния носителей электрического заряда поверхностью плёнки в сторону преобладания диффузного механизма рассеяния.

2. В плёнках висмута в интервале толщин от 55 до 150 нм концентрация носителей электрического заряда близка к её значениям в массивном монокристалле висмута. При уменьшении толщины плёнки от 55 нм до 15 нм концентрация носителей    электрического    заряда    при 77,7 К    возрастает   с уменьшением толщины плёнки в 8–14 раз. Значительное (в 2–3 раза) возрастание концентрации носителей электрического заряда с уменьшением толщины плёнки заметно уже с температуры 195 К (Рисунок 3. в). Для плёнок толщинами менее 25 нм при некоторой температуре (зависящей от толщины плёнки) наблюдается изменение вида температурной зависимости концентрации носителей электрического заряда со   спадающего на возрастающий с понижением температуры.

3. Возрастание концентрации носителей заряда с уменьшением толщины плёнки, по-видимому, обусловлено изменением параметров зонной структуры плёнок, в том числе формированием поверхностного слоя топологически защищённых энергетических состояний носителей электрического заряда.

4. В плёнках висмута на слюдяной подложке в интервале толщин плёнок от 15 до 35 нм изменение гальваномагнитных свойств с толщиной плёнки обусловлено как ограничением подвижностей носителей электрического заряда вследствие классического размерного эффекта, так и существенным ростом концентрации носителей электрического заряда, вызванным изменением параметров зонной структуры. На последнее указывают проявления эффектов размерного квантования и образования поверхностных энергетических состояний носителей  электрического заряда в виде:

1) немонотонностей на зависимостях гальваномагнитных свойств плёнок от их толщины;

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

2) образования максимума на температурной зависимости удельного сопротивления плёнок указанных толщин и его смещения в область более высоких    температур с уменьшением толщины плёнки;

3) смещения  с уменьшением толщины плёнки максимума на температурной зависимости коэффициента Холла в область высоких температур.

5. По характеру влияния размерных эффектов на гальваномагнитные свойства плёнок висмута на слюдяной подложке диапазон толщин полученных плёнок можно разделить на три участка: 1) 15–25 нм; 2) 25–55 нм; 3) 55–150 нм. Причиной такому разделению служат: а) уменьшение скачков плотности состояний с увеличением номера квантового уровня и уменьшение вероятности рассеяния носителей заряда поверхностью плёнки по сравнению с электрон- фононным рассеянием, при толщинах 55–150 нм; б) переход к ультраквантовому состоянию, когда толщина плёнки становится меньше половины длины волны де Бройля электронов, при толщинах меньше 25 нм.

В заключении к работе автор формулирует основные выводы исследования, указывает на возможные направления дальнейшего развития темы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главной целью настоящей работы являлось исследование влияния толщины плёнки и режимов получения плёнок висмута методом термического испарения в вакууме на структуру и гальваномагнитные явления в тонких плёнках висмута.

Решение данной задачи потребовало проведения комплекса исследований. Были получены плёнки висмута методом термического испарения в вакууме. Подобраны оптимальные технологические режимы получения плёнок, которые обеспечивают получение плёнок с воспроизводимыми и контролируемыми структурными характеристиками и гальваномагнитными свойствами. Изучена кристаллическая структура полученных плёнок на атомно-силовом и электронных микроскопах, рентгеновском дифрактометре. Изучены гальваномагнитные свойства  плёнок  в широком температурном интервале 5–320 К и в магнитном поле с величиной индукции до 8 Тл на автоматизированных установках.

В процессе работы над настоящим исследованием разработана и апробирована методика измерения толщины блочных плёнок висмута методом атомно-силовой микроскопии с применением избирательного химического травления.

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

Основные выводы работы следующие.

1. При получении  плёнок  висмута  методом  термического  испарения в сверхвысоком вакууме 10-8 мм рт. ст.  на скоростях осаждения  ~ 1,5 Å/с  на слюдяную подложку при температуре последней в 100–170 °С,  процесс роста плёнки протекает в условиях повышенной миграции адатомов по поверхности плёнки, о чём свидетельствует наличие огранки у таких структурных неоднородностей поверхности плёнки, как фигуры роста и бугры.

Применение указанных выше оптимальных режимов напыления обеспечивает получение плёнок висмута, обладающих близкими структурными характеристиками при толщинах плёнок от 25 до 80 нм: выявлена слабая зависимость среднего размера блока от толщины при толщинах 25–80 нм со средним значением размера блока в этой области ≈ 0,8 мкм.

Совместно с разработанным методом измерения толщины плёнок с помощью избирательного химического травления указанные обстоятельства обеспечивают высокую достоверность проведённого в настоящей работе сравнительного анализа гальваномагнитных свойств плёнок различной толщины.

2. В плёнках висмута на слюдяной подложке в интервале толщин плёнок от 15 до 150 нм  изменение  подвижностей  носителей  электрического  заряда  с толщиной плёнки в основном обусловлено ограничением подвижностей носителей электрического заряда вследствие классического  размерного эффекта в соответствии с теорией Фукса-Зондхаймера. При этом в интервале толщин  от 55  до 150 нм концентрация   носителей   электрического   заряда в плёнках близка к её значениям в массивном монокристалле висмута, удельное сопротивление и обратная подвижность носителей электрического заряда линейно зависят от обратной толщины, что свидетельствует о неизменности зонной структуры данных плёнок.

3. Выявлены особенности температурных зависимостей гальваномагнитных свойств полученных плёнок. Образование максимума на температурной зависимости удельного сопротивления плёнок и его смещение в область более высоких температур с уменьшением толщины плёнки, смещение с уменьшением толщины плёнки максимума  на температурной зависимости коэффициента Холла в область высоких температур, образование максимума на температурной зависимости относительного магнетосопротивления являются проявлениями роста концентрации носителей заряда при уменьшении толщины плёнки.

4. Осцилляции на зависимостях гальваномагнитных свойств плёнок от их толщины в интервале толщин от 25 до 55 нм в работе   связываются   с эффектами размерного квантования энергетических состояний носителей электрического заряда.

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 плёнках висмута на слюдяной подложке в интервале толщин плёнок   от 15 до 35 нм изменение гальваномагнитных свойств с толщиной плёнки обусловлено как ограничением подвижностей носителей электрического заряда вследствие классического размерного эффекта, так и существенным ростом концентрации носителей электрического заряда, вызванным изменением параметров зонной структуры.

5. По степени влияния размерных эффектов на гальваномагнитные свойства плёнок висмута на слюдяной подложке диапазон толщин полученных плёнок можно разделить на три участка: 1) 15–25 нм; 2) 25–55 нм; 3) 55–150 нм. Участок с толщинами 15–25 нм можно условно назвать «размерным ультраквантовым». На участке с толщинами 25–55 нм в гальваномагнитных явлениях доминирует квантовый размерный эффект, а на участке с толщинами 55–150 нм — классический размерный эффект.

Личный вклад автора состоит в том, что им самостоятельно были изготовлены плёнки висмута на базе РГПУ им. А. И. Герцена, также самостоятельно получены, обработаны и проанализированы экспериментальные результаты по зависимостям гальваномагнитных свойств полученных плёнок различной толщины от температуры и величины индукции магнитного поля.

Основное содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Krushelnitckii A. N. The Galvanomagnetic Properties of Bismuth Films with Thicknesses of 15–150 nm on Mica Substrates [Текст] /
V. M. Grabov, V. A. Komarov, E. V. Demidov, A. N. Krushelnitckii,
N. S. Kablukova // Университетский научный журнал [Текст]. — 2017. —
№. 27. — С. 56–68.
2. Крушельницкий А. Н. Зависимость морфологии поверхности ультратонких пленок висмута на слюдяной подложке от толщины пленки [Текст] / А. Н. Крушельницкий, Е. В. Демидов, Е. К. Иванова, Н. С. Каблукова, В. А. Комаров // Физика и техника полупроводников [Текст]. — 2017. — Т. 51, №. 7. — С. 914–916.

3. Крушельницкий А. Н. Измерение толщины блочных пленок висмута методом атомно-силовой микроскопии с применением избирательного химического травления [Текст] / Е. В. Демидов, В. А. Комаров, А. Н. Крушельницкий, А. В. Суслов // Физика и техника полупроводников [Текст]. — 2017. — Т. 51, №. 7. — С. 877–879.
4. Крушельницкий А. Н. Использование метода зонной перекристаллизации под покрытием для получения монокристаллических пленок твердого раствора висмут-сурьма [Текст]
/ В. М. Грабов, В. А. Комаров, Н. С. Каблукова, Е. В. Демидов, А. Н. Крушельницкий // Письма в Журнал технической физики [Текст]. — 2015. — Т. 41, №. 1. — С. 20–27.
5. Крушельницкий А. Н. Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром, полученных методом термического испарения в вакууме [Текст] / В. А. Комаров, Д. Ю. Матвеев, Е. В. Демидов, А. Н. Крушельницкий // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики [Текст]. — 2013. — № 1(83). — С. 113–118.
6. Крушельницкий А. Н. Явления переноса в тонких пленках висмута, легированного теллуром [Текст] / В. А. Комаров, Д. Ю. Матвеев, И. И. Худякова, А. Н. Крушельницкий // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена [Текст]. — 2012. Т. 147. — С. 50–63.
7. Крушельницкий А. Н. Состояние топологического изолятора в узкозонных полупроводниках с сильным спин-орбитальным взаимодействием [Текст] / Е. В. Демидов, В. М. Грабов, В. А. Комаров, Н. С. Каблукова, А. Н. Крушельницкий // Физика диэлектриков (Диэлектрики-2017) [Текст] : Материалы XIV Международной конференции, Санкт-Петербург, 29 мая – 2 июня 2017 г. — 2017. — Т. 1. — С. 207–208.
8. Крушельницкий А. Н. Электронная микроскопия нанопроволок висмута, выращенных методом термического испарения в вакууме [Текст] / В. М. Грабов, Е. В. Демидов, Д. М. Долгинцев, Н. С. Каблукова, В. А. Комаров, А. Н. Крушельницкий, В. П. Пронин, М. В. Старицын // XXVI Российская конференция по электронной микроскопии [Текст]. — 2016. — С. 414–415.
9. Крушельницкий А. Н. Методика получения и структура монокристаллических пленок твердого раствора висмут-сурьма [Текст] / В. М. Грабов, Е. В. Демидов, В. А. Комаров, Н. С. Каблукова, А. Н. Крушельницкий, Д. Маркушевс // «Термоэлектрики и их применения» [Текст] : Доклады Межгосударственной конференции 2014 (ноябрь 2014). — 2015. — С. 138–143.
10. Крушельницкий А. Н. Наблюдение магнитного квантования в монокристаллический пленках системы висмут-сурьма [Текст] / Е. В. Демидов, В. А. Комаров, Н. С. Каблукова, А. Н. Крушельницкий, О. А. Шварц // Термоэлектрики и их применения [Текст] : Доклады Межгосударственной конференции 2014 (ноябрь 2014). — 2015. — С. 150– 154.

11. Крушельницкий А. Н. Структура поверхности и удельное электрическое сопротивление тонких блочных плёнок висмута на различных подложках (температурный интервал 5–100 К) [Текст] / А. Н. Крушельницкий // Международная зимняя школа по физике полупроводников 2015 [Текст] : Научные сообщения молодых ученых (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН). — 2015. — С. 44–45.
12. Крушельницкий А. Н. Кристаллографическое картирование тонких пленок висмута на различных подложках методом дифракции отраженных электронов в РЭМ [Текст] / М. В. Старицын, А. Н. Крушельницкий, Е. К. Иванова, В. П. Пронин, Е. В. Демидов // «Пленки и покрытия–2015» [Текст] : труды 12-й международной конференции 19 мая – 20 мая 2015. — 2015. — С. 135–138.
13. Крушельницкий А. Н. Особенности структуры пленок висмута, легированного теллуром [Текст] / Д. Ю. Матвеев, Е. В. Демидов, В. А. Комаров, А. Н. Крушельницкий // Современные проблемы физико- математических наук “СПФМН-2013” [Текст]. — 2014. — С. 140–144.
14. Крушельницкий А. Н. Структура и явления переноса в пленках висмута, легированного теллуром [Текст] / В. А. Комаров, Д. Ю. Матвеев, А. С. Парахин, А. Н. Крушельницкий // «Термоэлектрики и их применения» [Текст] : Доклады XIII Межгосударственного семинара. — 2013. — С. 358– 363.