CC BY
29НАНОСИСТЕМЫ
DOI: 10.17725/rensit2020.12.247
Физические и электродинамические свойства наноразмерных
проводящих пленок на полимерных подложка Мазинов А.С.
Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, https://cfuv.ru/ Симферополь 295007, Российская Федерация E-mail: mazinovas@cfuv.ru
Поступила в редакцию 27 марта 2020, рецензирована 06 апреля 2020, принята 20 апреля 2020 Представлена действительным членом РАЕН С.П. Губиным
Аннотация. Рассмотрено взаимодействие высокочастотного электромагнитного излучения с тонкими нанометровыми пленками алюминия, осажденными методом магнетронного распыления на гибкие полимерные подложки. Экспериментальные исследования проводились на векторном панорамном измерителе Р4226 в диапазоне частот 8.2 - 12.2 ГГц. Получены зависимости относительных мощностей отраженной, поглощенной и прошедшей волн от толщины пленки и связь электродинамических характеристик с рельефом поверхности.
Ключевые слова: СВЧ излучение, наноразмерные пленки, металлодиэлектрические структуры, коэффициент поглощения, отражение, пропускание, алюминий
УДК 537.9, 547, 548,75
Для цитирования: Мазинов А.С. Физические и электродинамические свойства наноразмерных проводящих пленок на полимерных подложках. РЭНСИТ, 2020, 12(2):247-252; DOI: 10.17725/ rensit.2020.12.247._
Physical and electrodynamic properties of nanoscale conductive
films on polymer substrates Alim S. Mazinov
Vernadsky Crimean Federal University, https://cfuv.ru/ Simferopol 295007, Russian Federation E-mail: mazinovas@fuv.ru
Received March 27, 2020; reviewed April 6, 2020; accepted April 20, 2020
Abstract. The interaction of high-frequency electromagnetic radiation with thin nanometer-sized aluminum films deposited by magnetron sputtering on flexible polymer substrates is considered. Experimental studies were carried out on a vector panoramic meter P4226 in the frequency range 8.2 - 12.2 GHz. The dependences of the relative powers of the reflected, absorbed, and transmitted waves on the film thickness and the relationship of the electrodynamic characteristics with the surface topography are obtained.
Keywords: microwave radiation, nanoscale films, metal-dielectric structures, absorption coefficient, reflection, transmission, aluminum
PACS 61.48.+c, 61.66.Hq, 73.61.-r
For citation: Mazinov A.S. Physical and electrodynamic properties of nanoscale conductive films on polymer substrates. RENSIT, 2020, 12 (2):247-252; dOi: 10.17725/rensit.2020.12.2.247._
Содержание 3. обсуждение результатов (249)
1. Введение (248) 4. Связь электродинамических
2. методика экспериментальных характеристик имрфологии пленки (250) исследований и объект исследования 5. заключение (251)
(248) Литература (252)
НАНОСИСТЕМЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
Неуклонный рост количества мобильного радиоэлектронного оборудования:
радиостанций, смартфонов и многих других устройств [1], с параллельным возрастанием интеллектуальных возможностей, при значительном уменьшении потребляемой мощности, является прямым следствием уменьшения размеров элементной базы интегральных микросхем (ИМС), в которых значительную часть составляют проводящие дорожки и контактные площадки [2]. Уже сегодня промышленные технологии производства ИМС предполагают использование активных приборов, размеры которых достигают десятков и даже единиц нанометров [3]. Поэтому, использование проводящих пленок нанометровых толщин непосредственно в производстве электронных компонентов является актуальным направлением и требует дополнительных исследований их электродинамических свойств.
С другой стороны, электродинамические свойства пленок интересны с точки зрения включения их в сложные метаструктуры [4], которые позволяют достичь уровня поглощения 80-90% [5]. Стоит отметить, что непосредственно чистые проводящие пленки с толщинами от 2 до 7 нм в значительной мере (до 50%) могут преобразовывать энергию электромагнитных полей радиодиапазона 1...400 ГГц [6, 7] в тепловую энергию. Хотя данное свойство плёнок ограничивает их использование в «проводящей» электронике, однако подобные резистивные свойства привлекательны для технологий стелс [8], а также для создания тонкоплёночных фильтров, защитных экранов или специализированных датчиков [9].
Одним из ключевых вопросов создания подобных поглощающих структур, является топология границы раздела диэлектрик-металл, которая в конечном счете определяет специфику электродинамических свойств структуры в целом [10]. Большинство работ посвящено непосредственно изучению взаимодействия излучения с металлодиэлектрическими структурами на базе твердых подложек [11, 12]. Однако, перспективы создания гибких устройств, а также возможность
упрощения производства гибких экранов и антенн, требуют особого рассмотрения взаимодействия электромагнитного излучения с металлодиэлектрической структурой (МДС) на полимерных подложках [13]. Поэтому целью представленной работы являлось выявление специфики взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с МДС в зависимости от геометрии поверхности гибкой подложки.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования относительных мощностей отраженной, прошедшей и поглощенной волн (оптических коэффициентов) в диапазоне 8.2-12.2 ГГц проводились с использованием векторного анализатора цепей Р4226 компании «Микран» (Рис. 1). Для получения нормированных данных и учета потерь волноводной системы, в начале и конце эксперимента проводились измерения чистых гибких подложек с прикрепленной алюминиевой пластиной толщиной 200 мкм, заведомо превышающей скин-слой для проводника на нижней границе рабочего диапазона частот. Для компенсации влияния коаксиально-волноводных переходов, а также других факторов, производилась калибровка с использованием меры отражения и четвертьволновой линии (TRL: Thru, Reflect, Line) [14], что позволило получить достаточно точные результаты.
Непосредственное взаимодействие СВЧ ЭМИ с образцами определялось матрицей
Плоскость калибровки
Рис. 1. Блок-с.
физические и электродинамические свойства наноразмерных 249 проводящих пленок на полимерных подложках
^-параметров. Как показали первичные замеры, свойства измерительного волноводного тракта с исследуемой структурой близки к свойствам обратимого четырехполюсника, т.е. коэффициент передачи одинаков в обоих направлениях. Исходя из этого, использовались основные компоненты ^ и Б отвечающие прямому падению с первого порта векторного анализатора. Из полученных ^-параметров определялись искомые коэффициенты прошедшей, отраженной и поглощенной мощности (Рис. 2):
T =
P
thru
IV
thru
P
=
inc
\Vn
R =
P
reflect _ 1 Vreflect
Pn
21
=IS
Vi
11
inc
А = 1-|^п|2-|^|2.
Металлодиэлектрические структуры
фиксировались в геометрическом центре волноводного тракта, перпендикулярно оси волновода со стандартными размерами 23x10 мм. Во избежание емкостного и индуктивного влияния металлизации на измерительную систему, эффективная площадь взаимодействия излучения с образцами составляла 10% от площади волновода — 6x6 мм. Расположение образцов приходилось на геометрический центр сечения волновода и фиксировалось диэлектрической подложкой из пенопласта, «прозрачного» для электромагнитного излучения. Таким образом, образец находился в максимуме электрической компоненты поля волны Н и большая часть волновой энергии взаимодействовала с наноразмерной проводящей пленкой.
За основу МДС были взяты пленки из
лавсана (полиэтилентерефталат), фторопласта и тефлона. В работе представлены результаты МДС с пленками из лавсана, поскольку результаты при использовании подложек из фторопласта и тефлона мало отличаются. Проводящая часть наносилась методом магнетронного распыления мишени на установке УРМ 3.1279.0129 с дополнительной ионной очисткой. При этом, планетарная система вращения подложек обеспечивала равномерность нанесения покрытий, а в дополнении с регулировкой времени напыления позволила получить ряд толщин проводящих слоёв: 1, 3, 5, 7, 10, 20, 50 нм.
Первичная оценка поверхности подложек осуществлялась посредством оптического интерференционного микроскопа ЛОМО МИИ-4М в широкополосном излучении белого светодиода с последующей детализацией рельефа с использованием красного и синего лазеров. Более детальный анализ процесса формирования и морфологических характеристик наноплёнок алюминия, для сопоставления их со спектрами поглощения, пропускания и отражения, проводился на сканирующем атомно-силовом микроскопе NT-MDT nanoeducator 2.
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Наряду с другими преимуществами, метод использования 10% площади взаимодействия в волноводе, также существенно чувствителен к дифракции. Как следствие, монотонное убывание коэффициента прохождения Т (рис.2а) и возрастания коэффициента отражения Я (рис.2Ь) не коррелирует с теоретическими расчётами, которые показывают независимость от частоты Т, Я и соответственно поглощения А, для тонких проводящих пленок [6, 15]. Это связано не со спецификой физических свойств рабочих МДС, а объясняется снижением
8-1 8.7 ?,7 102 10,7
■■ ■ 1 nm ---J ran -i тип ■----S nrn
-10 am -.-20™ ■■■■»■■■ЗОшп —ь—AL
6,2 g,7 5,2 9.7 10,2 10,7 11,2 d. ПГП
i ■ ■ - 2 niti — 3iun ....... 5 ihh -----' nm
-lOnm "•■■ЗМит -•"»nm -*-AL
Рис. 2. Частотные зависимости коэффициентов: а - прохождения; Ь - отражения; с - поглощения.
дифракционных свойств исследуемого объекта с уменьшением длины волны.
В соответствии с физическими представлениями, коэффициент отражения должен изменяться от минимального значения, соответствующего подложке без металла (d = 0), и монотонно возрастать до значения, соответствующего сформировавшейся пленки (d > 15...20 нм). Однако, в диапазоне толщин пленки 5 < d < 10 нм имеет место отклонение от монотонности роста коэффициента отражения (рис.2Ь), что связано с рельефом пленки.
Максимальное поглощение пленки из алюминия на лавсане реализуется при толщине проводящего слоя d = 7 нм (рис. 2с). Это связано с переходом МДС от диэлектрика (d = 0) с геометрическими размерами 6*6 мм, к пленочным структурам большей толщины, которые приводят к электрическому «закорачиванию»
пространства. Это соответствует изменению удельной проводимости от 0 до значений, соответствующих объемным характеристикам сплошного материала, в нашем случае AI ~3.8'107 См/м. Именно при толщине d = 7 нм значение удельной проводимости достигает порядка 106 См/м [6, 9] и происходит максимальное преобразование наведенных токов в тепловую энергию.
Для углубленного понимания природы эффекта нелинейного взаимодействия при толщине 7 нм была проанализирована динамика роста проводящего материала на гибкой подложке.
4. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И МОРФОЛОГИИ ПЛЕНКИ
Общий анализ морфологии поверхности, осуществляемый последовательным изучением оптической микроскопии с последующим анализом АСМ изображений, показал более сложную морфологию поверхности МДС на гибких подложках в сравнении с твёрдыми [16]. Из суммарного рассмотрения профилограмм следует, что полимерная подложка из лавсана имеет достаточно большие перепады высот (рис. 3,а), однако, в отличие от твердых аморфных подложек изменение высоты
НАНОСИСТЕМЫ
происходит достаточно медленно и плавно, в рамках малых площадей, поверхность достаточно гладкая (аналогичные рельефы имеют пленки фторопласта и тефлона). Стоит отметить, что поверхность подложки предварительно не обрабатывалась.
После напыления алюминия толщиной 5 нм (рис. 3b) на подложке просматриваются латеральные микрообразования, достигающие десятков нанометров в высоту. При более длительном напылении, количество проводящих микробразований значительно увеличивается (рис. 3c,d). При аппроксимированной толщине покрытия в 10 нм (рис. 3d) на АСМ изображении прослеживается формирование более гладкой поверхности, но с большими перепадами высот, нежели на 7 нм.
Количественный анализ сопоставления электродинамических параметров
взаимодействия излучения с топологией поверхности опирался на статистические данные и получение среднеквадратичной зависимости шероховатости (Zq), которая определялась значением измеренных отклонений от средней линии:
с d
Рис. 3. Динамика изменения морфологии поверхности
с применением фильтра обнаружения границ (Прюитт
фильтр): а — чистая подложка; Ь — пленка алюминия 5
нм; с — толщина 7 нм; d — толщина 10 нм.
наногигтрмы физические и электродинамические свойства наноразмерных 251 нмносис проводящих пленок на полимерных подложках
(
=
N
- Т
\1/2
где г — отклонение у-той точки, N — количество точек на изображении.
Нестандартное увеличение коэффициента поглощения для плёнок с толщинами 7 нанометров достаточно хорошо коррелируется с зависимостью Zq от их толщины (рис. 4). Резкое возрастание среднеквадратичной шероховатости покрытия свидетельствует о переходном процессе преобразования локализованных нано-и микрообъектов в сплошной проводящий слой, что ведет к увеличению общей проводимости. Промежуточным этапом этого процесса является образование "перемычек" между металлическими формированиями, что и является причиной роста Zq. Однако, усредненная проводимость мостиков перекрытия на начальном этапе роста мала, как и проводимость самих кристаллитов при малых размерах с учетом возможных окислительных процессов. Поэтому, часть индуцированной падающей СВЧ энергии переменного тока трансформируется в джоулево тепло на неидеальном проводнике.
Увеличение отраженной волновой энергии при толщинах более 10 нм (рис. 2Ь) объясняется возрастанием наведенных токов, включающих в себя индуктивную и емкостную составляющие. Общие токи проводимости, в свою очередь, обусловлены возникновением устойчивых гальванических связей между отдельными проводящими островками и первоочередным
40 п 1Ш1
35 -
30 -
25 - 11,НМ
1 1 2 1 4 1 б 1 1 > 8 10
Рис. 4. Зависимость изменения среднеквадратичной шероховатости от толщины покрытия.
ростом соединительных «мостиков», что подтверждается резким уменьшение Zq при увеличении толщины проводящего слоя (рис. 4). Дальнейший процесс нанесения проводящего материала приводит к образованию сплошной проводящей пленки, имеющей не только однородную атомарную структуру, но и достаточную однородность по толщине, именно благодаря относительно гладкой поверхности подложки. Это в свою очередь приводит к резкому увеличению проводимости, которая приближается к проводимости объемного материала, что приводит к возрастанию преобразования падающей волны в отраженную посредством возросших токов.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование взаимодействия ЭМИ с металлодиэлектрической структурой на гибких подложках показало идентичную природу поглощения, как и у их твердотельных аналогов, в которой основной особенностью является пик коэффициента поглощения на малом промежутке толщин проводящего слоя. Особенностью взаимодействия ЭМИ с гибкой слоистой структурой алюминий-лавсан является наличие резонанса на толщинах 7 нм, который больше чем у подобных твердотельных структур.
В нашем случае ключевым моментом, определяющим отражение и поглощение МДС, являлась модификация резистивных свойств проводящего слоя алюминия. Специфика геометрии поверхности
лавсана, на которой наблюдались более плавные пики между высотами 100-150 нм, формировала проводящий слой посредством островков, которые при своем увеличении объединялись перемычками. Именно на момент формирования проводящих мостиков в структуре возникает проводимость, которая преобразует энергию падающего излучения в джоулево тепло. Дальнейший рост проводящего слоя приводит к сглаживанию рельефа и образованию сплошной структуры с проводимостью, стремящейся к объемной, увеличивая тем самым долю отраженной волны.
НАНОСИСТЕМЫ
ЛИТЕРАТУРА
1. Konstantinou D, Bressner TAH, Rommel S, Johannsen U, Johansson MN, Ivashina MV, Smolders AB, Monroy IT. 5G RAN architecture based on analog radio-over-fiber fronthaul over UDWDM-PON and phased array fed reflector antennas. Optics Communications, 2020, 454:124464. DOI: 10.1016/j.optcom.2019.124464.
2. Hills G, Lau C, Wright A. Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors. Nature, 2019, 572:595-602. DOI: 10.1038/s41586-019-1493-8.
3. Khan HN, Hounshell DA, Fuchs ERH. Science and research policy at the end of Moore's law. Nature Electronics, 2018, 1(2):146-146. DOI: 10.1038/s41928-017-0005-9.
4. Yuan J, Liu Q, Li S, Lu Y, Jin S, Li K. Metal organic framework (MOF)-derived carbonaceous Co3O4/Co microframes anchored on RGO with enhanced electromagnetic wave absorption performances. Synthetic Metals, 2017, 228:32-40. DOI: 10.1016/j.synthmet.2017.03.020.
5. Tran MC, Pham VH, Ho TH, Nguyen TT, Do HT. Broadband microwave coding metamaterial absorbers. Scientific Reports, 2020, 10(1):1810. DOI: 10.1038/s41598-020-58774-1.
6. Nimtz G, Panten U. Broad band electromagnetic wave absorbers designed with nano-metal films. Ann. Phys. (Berlin), 2010, 19(1-2):53-59. DOI: 10.1002/andp.200910389.
7. Li S, Anwar S, Lu W Hang ZH, Hou B, Shen M, Wang CH. Microwave absorptions of ultrathin conductive films and designs of frequency-independent ultrathin absorbers. AIP Advances, 2014, 4(1):017130. DOI: 10.1063/1.4863921.
8. Ahmad H, Tariq A, Shehzad A, Faheem MS, Shafiq M, Rashid IA. Stealth technology: Methods and composite materials-A review. Polymer Composites, 2019, 1:16. DOI: 10.1002/ pc.25311.
9. Вдовин ВА. Нанометровые металлические плёнки в датчиках мощных СВЧ импульсов. Сб. докладов III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», с. 832-835. Москва, ИРЭ РАН, 2009.
10. Fitaev IS, Orlenson VB, Romanets YV, Mazinov AS. Surface topologies of thin aluminum films and absorbing properties of metal dielectric structures in the microwave range. ITM Web
of Conferences, 2019, 30:08013. DOI: 10.1051/ itmconf.2019.3008013.
11. Андреев ВГ, Вдовин ВА, Пронин СМ, Хорин ИА. Измерение оптических коэффициентов нанометровых металлических плёнок на частоте 10 ГГц. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал ИРЭ РАН], 2017, №11. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/ nov17/17/text.pdf.
12. Zuev SA, et al. Microwave Range Diffraction Properties of Structures with Nanometer Conductive Films on Amorphous Dielectric Substrates. 26th Telecommunications Forum (TELFOR), 2018, 1:4. DOI: 10.1109/ TELFOR.2018.8611867.
13. Антонец ИВ, Котов ЛН, Макаров ПА, Голубев ЕА. Наноструктура, проводящие и отражающие свойства тонких пленок железа и (Fe)X(BaF2)Y. Журнал технической физики, 2010, 80(9):134-140.
14. Губа ВГ, Ладур AA, Савин AA. Классификация и анализ методов калибровки векторных анализаторов цепей. Доклады ТУСУРа, 2011, 2(24):149-155.
15. Orlenson VB, Zuev SA, Starostenko VV. The nanometer conductive film diffraction properties. ITM Web of Conferences CnMtCo'2019, 2019, 30:08011. DOI: 10.1051/itmconf.2019.30ITM.
16. Старостенко ВВ, Мазинов АС, Фитаев ИШ, Таран ЕВ, Орленсон ВБ. Динамика формирования поверхности проводящих пленок алюминия на аморфных подложках. Прикладная физика, 2019, 4:60-65.
Мазинов Алим Сейт-Аметович
к.т.н, доцент
Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского,
Симферополь 295007, Россия mazinovas@cfuv.ru
