Электропроводность титан-углеродных нанокомпозитов Текст научной статьи по специальности «Физика»

я а SEES 22-24 октя6ря 2024 г-

Электропроводность титан-углеродных нанокомпозитов Коледов М.А.1, Нехаева П.А.1'2

1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва

2- Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Факультет наук о материалах, Москва

Е-mail: koledovq@mail.ru

DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-69-71

Металл-диэлектрические нанокомпозиты в настоящее время вызывают значительный интерес как материалы с большим потенциалом для практического использования. Они находят применение в создании датчиков различного типа, включая датчики температуры, напряжения, газа и влажности, а также био- и электрохимические датчики [1]. В свою очередь металл-углеродные нанокомпозиты, как частный случай металл-диэлектрических нанокомпозитов, также представляют собой уникальные соединения для изучения свойств сильно неупорядоченных гранулированных материалов. В этих системах наблюдается сложное взаимодействие множества физических процессов, таких как зарядовые эффекты на уровне отдельных гранул, кулоновские взаимодействия между электронами, а также туннелирование электронов через диэлектрическую матрицу между гранулами и другие явления. Эти факторы оказывают значительное влияние на характер переноса электронов в металл-углеродных нанокомпозитных материалах [2].

Целью настоящей работы является изучение механизмов электронного переноса в титан-углеродных нанокомпозитах в интервале температур 4,2-300 К в диапазоне концентраций Ti 0,150,4 (здесь и далее указаны мольные доли). Плёнки титан-углеродных нанокомпозитов толщиной ~1 мкм выращивались на полированных ситалловых подложках с использованием технологии комбинированного осаждения. Аморфная углеродная матрица осаждалась разложением метана в высокочастотном (ВЧ) разряде (13,56 МГц). Металл вводился в растущую плёнку путем распыления титановой мишени в магнетроне постоянного тока.

Для исследования проводимости плёнки подвергали травлению в четырёхконтактной геометрии в аргоновой плазме ВЧ (13,56 МГц) разряда с использованием металлической прижимной маски. Проводимость плёнок на линейных участках вольт-амперных

ФИЗИКА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ

характеристик измеряли четырёхконтактным способом на переменном токе с частотой 77 Гц. Контакты на поверхности образцов создавали нанесением токопроводящей серебрянной пасты.

На рис. 1 представлены температурные зависимости нормированных проводимостей ДТ)/Д300) металл-углеродных нанокомпозитов, где 2(300) — проводимость при температуре 300 К. Для всех кривых ДТ)/Д300) характерно понижение проводимости с уменьшением температуры, причём относительное изменение проводимости падает с ростом концентрации металла. Сравнение производных проводимости по температуре позволило обнаружить тонкую структуру зависимости проводимости от температуры, выражающуюся в существовании двух интервалов температур 100-300 К (интервал 1) и 10-25 К (интервал 2), в каждом из которых проводимость изменяется по степенному закону ДТ)/Д300)~Тр.

Рис. 1. Нормированные проводимости Д7)/Д300) металл-углеродных нанокомпозитов для различных концентраций титана

Показатель степени для интервала 1 (100-300 К) немонотонно зависит от концентрации Ti, достигая минимума p~0,7 при концентрации титана 0,3, что заметно превышает порог протекания для трёхмерной системы 0,2-0,22 (рис. 2). Напротив, для интервала 2

22-24 октября 2024 г.

p монотонно уменьшается от значения p~0,41 (x(Ti) = 0,1454) до значений p<0,05 для x(Ti)>0,35 без явно выраженных особенностей. Подобное поведение температурных зависимостей проводимости позволяет сделать вывод о влиянии концентрации Ti на структуру и проводящие свойства углеродной фазы в титан-углеродных нанокомпозитах и о доминирующем вкладе неупругого туннелирования электронов в зарядовый транспорт при низких температурах [3].

i.i 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 ^ 0.5 0.4 0.3 0.2 0.i 0.0

--1-1-1-1—

0.15 0.20 0.25 0.30

concentration

Рис. 2. Значения показателя p степенной зависимости проводимости образцов U(T)~Tp от концентрации титана для температурных интервалов (1) и (2) (см. текст)

Авторы выражают благодарность научному руководителю к.ф.-м.н. Божко А.Д. за постановку задачи, помощь в измерениях и обсуждение полученных результатов.

1. W.-D. Lin, T.-C. Chang, R.-J. Wu, Sensor. Mater. 2018, 30, 12971306.

2. I.S. Beloborodov, A.V. Lopatin, V.M. Vinokur, K.B. Efetov, Rev. Mod. Phys. 2007, 79, 469-518.

3. A.D. Bozhko, D.E. Bortyakov, V.V. Brazhkin, et al. Physica B. 2021, 610, 412680.