CC BY
73
УДК 621.727
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ 8п-2г-0 Ю.В. Шматова, СИ. Рембеза, ТВ. Свистова, Ф.В. Макаренко, ЕС. Рембеза, Н.Н. Кошелева
В статье представлены результаты исследования пленок 8п^г-0, полученных методом реактивного ионнолучевого распыления. Рассмотрено влияние процентного содержания примеси циркония в плёнках 8п^г-0 на их толщины, размер зёрен, подвижность и концентрацию свободных носителей заряда. Оптическим методом определены красная граница области фундаментального поглощения и преобладание типа электрических переходов при собственном поглощении
Ключевые слова: тонкие пленки 8п^г-0, влияние состава на размер зерна, электрические свойства, оптические свойства
Введение
Обратимая хемосорбция активных газов на поверхности металлов, полупроводниковых оксидов и халькогенидов может сопровождаться обратимыми изменениями их проводимости. Изменения проводимости в полупроводниковых материалах обусловлены прежде всего изменениями концентрации электронов в зоне проводимости (или дырок в валентной зоне) из-за обмена зарядами с адсорбированными частицами газовой фазы [1]. Именно это обстоятельство делает полупроводниковые материалы привлекательными для изготовления на их основе газочувствительных электронных преобразователей (ГЭП).
Новыми и перспективными материалами для изготовления ГЭП являются нанокомпозиты на основе металооксидных полупроводниковых соединений на основе Бп02. Обладая уникальными физикохимическими свойствами, нанокомпозиты в целом сохраняют свойства, присущие плёнкам Бп02. Для понимания таких свойств необходимо начать исследование со свойств плёнок Бп02, постепенно увеличивая концентрацию других, каталитически активных оксидов (БЮ2, 2г02, У203).
Целью работы является изучение электрофизических свойств нанокомпозита на основе Бп02 с добавками циркония (Бп-2г-0).
Методика эксперимента и образцы
Исследуемые плёнки-композиты Бп-2г-0 были получены методом реактивного ионно-лучевого распыления составной мишени металлического олова длиной 28 см и девяти полосок циркония шириной 4-5 мм, расположенных неравномерно вдоль образца. Установка создана на основе вакуумного напылительного поста УВН-2М. Распыление производилось на стеклянные подложки в среде аргона и
Шматова Юлия Васильевна - ВГТУ, аспирант, тел. 8908-133-64-15
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 43-76-95
Свистова Тамара Витальевна - ВГТУ,канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 43-76-95
Макаренко Филипп Владимирович - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, тел. (4732) 43-76-95
Рембеза Екатерина Станиславовна - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 77-08-98 Кошелева Наталья Николаевна - ВГТУ, канд. техн. наук, тел. (4732) 43-76-95
кислорода в соотношении Лг:О2 = 2:3 при следующих режимах работы: давление аргона в камере РЛг = 2,3-10-4 Па, давление кислорода в камере РО2 = 3,6-10-4 Па, ток I = 60 мА при напряжении на
катоде и = 3,2 кВ, время распыления 1 час. Вдоль подложки через 1,5 см устанавливались контрольные образцы ситалла 2-15 мм2 для определения распределения концентрации Бп, О и 2г методом рентгеновского микроанализа. После напыления плёнки-композиты имеют аморфную структуру, для кристаллизации был применен изотермический отжиг на воздухе при следующих режимах: 300, 400 и 500 °С, в течение 11-14 часов [2].
Толщина плёнок определялась на интерференционном микроскопе МИИ-4. Морфология поверхности плёнок изучалась с помощью атомносилового микроскопа Реш1:о8сап 001. Элементный состав пленок Бп^г-О определяли с помощью установки рентгеновского микроанализа ЖЛ-840, на 15 контрольных образцах. Оптические свойства пленок измерялись с помощью спектрофотометра СДЛ-
2. Электрическое сопротивление контролировалось четырёхзондовым методом (ЦИУС-4). Подвижность и концентрация носителей заряда в плёнках определялась с помощью эффекта Холла по методу Ван-дер-Пау.
Основные экспериментальные результаты
Результат распределения элементов Бп, О и 2г вдоль подложки образцов представлен на рис. 1.
Рис. 1. Распределение элементного состава плёнки нанокомпозита 8п^г-0, нанесённой на стеклянную подложку.
Из рис. 1 видно, что концентрация циркония вдоль образца в оксидной пленке уменьшается от 4,6 ат. % до 0,5 ат. %.
Морфология пленок исследована с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). АСМ изображение поверхности для плёнки, содержащей 0,4 ат.%, 0,8 ат.% и 4,6 ат.% циркония, представлено на рис. 2 (а,б,в). Графики зависимости размера зерна от процентного содержания примеси циркония в пленках приведены на рис. 2. Из графика видно, что с ростом процентного содержания 2г, размер зерна уменьшается. Это связано, по-видимому, с тем, что наличие примеси оксида циркония предотвращает рост больших конгломератов зёрен.
Рис. 2. АСМ изображение поверхности нанокомпозита Бп-2г-0. а - с процентным содержанием примеси циркония 0,4 ат.%, б - с процентным содержанием примеси циркония 0,8 ат.%, в - с процентным содержанием примеси циркония 4,6 ат.%.
На основе данных, полученных с помощью АСМ, для плёнок с процентным содержанием циркония 0,4 0,8 и 4,6 ат.%, оценен средний размер зерна. Установлено, что с увеличением процентного содержания циркония средний размер зерна уменьшается от 40 до 15 нм (рис. 3) [3].
Рис. 3. Зависимость размера зерна Ь в плёнке от процентного содержания примеси циркония.
Толщина плёнок, измеренная на микроинтерферометре МИИ-4 , лежит в интервале от 0,5 до 2,5 мкм, и уменьшается с увеличением процентного содержания примеси 2г, что, возможно, обусловлено тем, что коэффициент распыления циркония меньше, чем коэффициент распыления олова, также
можно заметить, что при концентрациях 2г>2,7 ат.% толщина плёнок практически не меняется и составляет примерно 0,5 мкм, ( рис. 4).
Рис. 4. Зависимость толщины плёнок-
нанокомпозитов Бп-2г-0 от процентного содержания примеси циркония
Исследовались оптическое пропускание пленок Бп-2г-0 с содержанием циркония 0,5 и 2 ат.% (рис. 5) [4]. Плёнки обладают коэффициентом оптического пропускания Т~0,8 в интервале длин волн от 5000 до 10000 А и красная граница пропускания ~4500А.
4000
5000 6000 7000
Длина волны, А
8000
Рис. 5. Спектры оптического пропускания пленок Бп-2г-0
Коэффициент поглощения вычислялся по формуле
1, Г I
а = - — 1п I —
а [ 1С
где а - толщина плёнки, см; I - световой поток, прошедший через плёнку Бп02; 10 - световой поток, падающий на плёнку Бп02.
Красная граница поглощения лежит в пределах 2,7 - 2,9 эВ (рис. 6).
Ьсо, эВ
Рис. 6. Спектры оптического поглощения плёнок Бп-2г-0
Установлено, что спектры поглощения плёнок лучше всего спрямляются в координатах а2 = ^Ью) (рис. 7), чем в координатах а12 = ^Ью) (рис. 8), что свидетельствует о преобладании в плёнках фазы, характеризуемой прямыми оптическими переходами. Из рис. 6-8 была оценена ширина запрещённой зоны, которая составляет 2,75 - 2,85 эВ, что может быть следствием отклонения состава пленки 8п02 от стехиометрических значений 8п и 02.
2,5-10 2,0-10 "а 1.5-10 “ 1,010 0,5-10 0
1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Лео, эВ
Рис. 7. Спектры поглощения пленок 8п-2г-0, представленные в координатах а2=Г(Ью)
250 200 ^ 150
Е
-в Ю0 50 0
1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
11 со, эВ
Рис. 8 . Спектры поглощения плёнок 8п-2г-0, представленные в координатах а1/2=Г(Ью)
После отжига пленок поверхностное сопротивление материала увеличивалось с ростом процентного содержания циркония от 780 Ом/^ до 600 МОм/^ (рис. 9), что может быть объяснено следующим образом: легирующий металл (цирконий) распределен в объеме зерен диоксида олова и занимает позиции олова в кристаллической решетке. Это приводит к увеличению сопротивления материала вследствие эффекта компенсации собственных донорных дефектов (это вакансии кислорода Уо2 +) , акцепторными примесными центрами металла (циркония).
1000000 100000 10000 □ 1000 100
О
* 10 -£ 1 0.1 -
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
ат. %
Рис. 9. Зависимость поверхностного сопротивления плёнок-нанокомпозитов 8п-2г-0 после отжига от процентного содержания примеси циркония
С помощью эффекта Холла по методу Ван-дер-Пау определены подвижность и концентрация носителей заряда [5]. Зависимость подвижности и концентрации носителей заряда от концентрации 2г, изображена на рис. 10. и 11.
1Е+19
ъ 1Е+18 £
1Е+17 1Е+16 1Е+15
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
ат.%
Рис. 10. Зависимость концентрации носителей заряда от процентного содержания примеси циркония
Из рис. 10 видно, что концентрация носителей заряда с ростом процентного содержания примеси циркония уменьшается от 8,1-1018 до 3,4-1015см-3.
100 и 80 ~
60 £ 40
20 0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
ат.%
Рис. 11. Зависимость подвижности носителей заряда в пленках - нанокомпозитах 8п-2г-0 от процентного содержания примеси циркония
Из рис. 11 видно, что с ростом процентного содержания циркония подвижность увеличивается от 8,9 до 78,4 (м2/В-с). Обнаружено, что легирование цирконием до 4,6 ат.% снижает концентрацию носителей заряда в пленках, а подвижность носителей заряда увеличивает.
Заключение
Исследовались плёнки-композиты 8п-2г-0 с процентным содержанием циркония от от 0,5 до 4,6 ат.%, полученные методом реактивного ионнолучевого распыления.
Установлено, что в образцах 8п-2г-0 с ростом концентрации примеси циркония от 0,5 до 4,6 ат.% размер зерна уменьшается от 40 до 15 нм.
Край полосы области собственного поглощения данных образцов лежит в пределах 2,75 - 2,85 эВ, что вероятнее всего объясняется отклонением состава плёнки 8п02 от стехиометрических значений. В плёнках преобладает фаза, характеризуемая прямыми оптическими переходами.
Поверхностное сопротивление плёнок-композитов 8п-2г-0 увеличивалось с ростом процентного содержания циркония от 780 Ом/ш до 600 МОм/ш. Концентрация носителей заряда с ростом процентного содержания примеси циркония уменьшается от 8,1-1018 до 3,4-1015см-3, подвижность увеличивается от 8,9 до 78,4 (м2/В-с).
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФ: 07-02-92102 ГФЕН, 08-02-99005 Р ОФИ.
Литература
1. Волькенштейн Ф.Ф. Электронные процессы на поверхности полу-проводников при хемосорбции. / Ф.Ф. Волькенштейн // - М.: Наука, 1987. - 432 с.
2. Золотухин И.В. Новые направления физического материаловедения. / И.В. Золотухин., Ю.Е. Калинин., О.В. Стогней // - Воронеж.: ВГУ.- 2000.-360с.
3. 25. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. / Ю.И. Уханов //- М.: Наука, 1977.- 366 с.
4. Панков Т. Оптические процессы в полупроводниках / Пер. с англ. / Т. Панков // - М.: Мир, 1986.- 456
5. Ковтонюк Н.Ф. Измерение параметров полупроводниковых материалов./ Н.Ф. Ковтонюк, Ю.А. Концевой // -М.: Металлургия, 1972.-432 с.
Воронежский государственный технический университет
ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES FASED ON Sn-Zr-O Y.V. Shmatova, S.I. Rembeza, T.V. Svistova, Ph.V. Makarenko, E.S. Rembeza, N.N. Kosheleva
At the article presented result of investigation thin films Sn-Zr-O prepared by magnetron ion-team sputtering. Discribed analysis of influence contance of Zr at the Sn-Zr-O on depth, grain size and electrical properties of films. With optical method obteined red boundary of fundamental absorbtion and type of optical transitions
Key words: thin films Sn-Zr-O, influence of composition on grain size, electrical properties, optical properties
