CC BY
21
УДК 537.311.31
ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК Со и Ад
А.А Шульгиной, Н.С. Забейворота
Проведены исследования флуктуаций проводимости пленок кобальта и серебра. Главное отличие инфранизкочастотных флуктуаций проводимости кобальта и серебра в длительности скачков. У кобальта эта величина составляет 1-10 с, а у серебра 0,5-30 мин. Корреляционный анализ флуктуаций проводимости и индексов геомагнитной активности показал отсутствие взаимосвязи этих явлений.
Введение
Проводимость тонких металлических пленок подвержена флуктуациям разных временных масштабов, обусловленных внутренними и внешними причинами. На частотах выше -10 Гц при комнатной температуре доминируют тепловые шумы. В диапазоне ниже 10 Гц преобладает фликкер-шум, обусловленный, например, рассеянием электронов на дефектах (вакансионный механизм) [1, 2]. В настоящее время продолжаются исследования низкочастотных шумов проводимости металлов, полупроводников и контактов между ними [3]. Однако эти исследования ограничиваются частотным диапазоном не ниже 1 Гц, где наблюдается стационарный фликкер-шум. Цель нашей работы состояла в том, чтобы исследовать закономерности флуктуаций проводимости металлических пленок в инфранизкочастотной области (ниже 0,01 Гц). Возможно, что именно эти флуктуации приводят к разрушению тонкопленочных резисторов в микросхемах.
Следует отметить работы группы исследователей под руководством профессора Р. Нельсона директора GCP (Global Consciousness Project) [4]. Они проводят регистрацию редких всплесков в 37 генераторах случайных чисел, размещенных в разных странах. В моменты наступления крупных мировых событий эти генераторы дают статистически достоверные всплески. Это указывает на то, что инфранизкочастотные нестационарные шумы в системе могут быть вызваны явлениями, происходящими в ноосфере Земли.
С.Э. Шноль с сотрудниками более 40 лет исследовали особенности биохимических реакций и скорости радиоактивного распада [5]. Оказалось, что в процессах различной природы происходят изменения с периодами 24 чэ 27 суток и около 365 суток. Это свидетельствует об общей геокосмической основе феномена.
А.Г. Пархомов исследовал ритмы и флуктуации в ходе различных процессов (низкочастотный шум проводимости полупроводниковых приборов, генерация колебаний устройствами с кварцевыми резонаторами, альфа- и бета-распад) [6, 7]. В этих процессах также обнаружились годичные, месячные и суточные ритмы. Длительность рядов составила до 4 лет. Аналогичные результаты получили В.П. Измайлов с сотрудниками по измерению постоянной гравитации в течение 12 лет [8].
Таким образом, инфранизкочастотные флуктуации в различных процессах могут нести информацию о глобальных внешних воздействиях на систему. Тонкие металлические пленки были выбраны для регистрации таких воздействий, поскольку имеются возможности создать пленку любого состава, толщины и качества. В рамках данной работы были поставлены два вопроса: во-первых, существуют ли особенности инфранизкочастотных флуктуаций у пленок разного состава и качества поверхности? Во-вторых, существует ли корреляция между флуктуациями проводимости и флуктуациями земного магнитного поля? Впервые успешную попытку применить металлические пленки как детекторы полей сделал астрофизик Н.А. Козырев [9]. Такой детектор был помещен в фокус телескопа-рефлектора при закрытой крышке телескопа. Когда «изображение» звезды попадало на пленку, которая была встроена в мост Уитстона, сопротивление ее немного варьировалось в зависимости от ориентации телескопа.
Физика
Эксперимент
Для исследования флуктуаций проводимости была собрана установка, включающая в себя два компьютера, оснащенных платами сбора данных, контейнер с исследуемой пленкой, помещенный на дно шахты глубиной 2 м, и контейнер с аккумулятором. Глубина шахты достаточная, чтобы суточные температурные волны не достигали дна. Температура в шахте во время записи флуктуаций составляла 15,9 °С, Изменения температуры, а также изменения напряжения на аккумуляторе и на мосте Уитстона, в котором находилась пленка регистрировались круглосуточно первым компьютером. Температура в течение суток изменялась не более чем на 0,02 °С. Для защиты от электромагнитных помех стенки шахты и контейнер были сделаны из металлов (алюминий, медь). Флуктуации проводимости пленки определялись по флуктуациям потенциалов двух платиновых электродов, поставленных на пленку. Потенциалы усиливались с помощью инструментальных усилителей с низким уровнем шумов (АВ623). Перед началом экспериментов были измерены собственные шумы моста и усилительного тракта, который также находился в контейнере с пленкой. В диапазоне частот 0,001-0,01 Гц эти шумы были в 10-15 раз меньше, чем в схеме с пленкой. Регистрация флуктуаций производилась вторым компьютером круглосуточно с частотой 1 кГц по каждому каналу. После усреднения данные записывались с частотой 2 Гц. Таким образом, установка регистрировала флуктуации проводимости металлических пленок и контактов. Отделить одни флуктуации от других не представляется возможным в условиях данного эксперимента. В качестве объектов исследования были выбраны ферромагнитная пленка кобальта толщиной 0,22 мкм и диамагнитная пленка серебра толщиной 0,19 мкм, нанесенные на подложки из поликора ионно-плазменным методом. Сопротивления пленок были примерно одинаковые около 10 Ом. Напряжение моста устанавливалось около 22 мВ. Плотность тока в пленке составляла около 10 А/см2, что на 5 порядков ниже порога, при достижении которого существенную роль начинают играть тепловые явления [1]. Платиновые электроды устанавливались на расстояниях от 1 до 16 мм на эквипотенциальной линии, либо на линии тока. Минимальные регистрируемые флуктуации потенциалов электродов -0,3 мкВ, что соответствует относительной флуктуации проводимости пленки -3-10~5.
Результаты
Зарегистрированы инфранизкочастотные флуктуации проводимости этих пленок: скачки (рис. 1) и всплески (рис. 2, 3, 4).
Определены основные характеристики этих флуктуаций:
1. Флуктуации носят непериодический характер и не связаны со временем суток. Количество всплесков и скачков в сутки у кобальта - 0-3, у серебра — 2— 12.
2. Главное отличие флуктуаций проводимости кобальта и серебра в длительности скачков. У кобальта эта величина составляет 1-10 с, а у серебра 0,5-30 мин. Средние относительные флуктуации проводимости составляли ~10~3-10~2.
3. Спектральный анализ мощности флуктуаций показал количественное, но не качественное различие спектра для кобальта и серебра (рис. 5). Средняя мощность фликкер-шума проводимости серебра примерно в 100 раз выше, чем у кобальта.
4. Совместный анализ флуктуаций проводимости пленок и индексов геомагнитной активности Ар показал, что геомагнитная активность и мощность флуктуаций проводимости в диапазоне частот 0,001-0,01 Гц как кобальта, так и серебра имеют коэффициенты корреляции менее 0,2, т.е. статистически достоверной корреляции между этими явлениями не отмечено. Эксперименты с пленкой кобальта проводились с 27 ноября по 14 декабря 2004 года. В этот период произошла магнитная буря 12 декабря (6 баллов). Наибольшее количество всплесков отмечено 4 декабря с 2.30 до 3.00 иТ. Эксперименты с пленкой серебра проводились с 16 по 28 декабря 2004 года. Усиление геомагнитной активности в этот период до 5 баллов наблюдалось 16 декабря. Наибольшее количество всплесков отмечено 19 декабря. Данные о геомагнитной активности получены из ИЗМИРАНа [10].
Принципиально новым в полученных результатах является то, что выявлены особенности нестационарных редких флуктуаций проводимости металлических пленок кобальта и серебра.
Шульгиное А.А., Забейворота Н.С.
Инфранизкочастотные флуктуации проводимости _металлических пленок Со и Ад
Выяснилось, что геомагнитные явления не являются причиной этих флуктуаций ни у ферромагнитной пленки кобальта, ни у диамагнитной пленки серебра.
Г§-9о5"Т§'" :о — :о ~То \о -----Г6" ¡о ?о...... :о "■С.....
\о |о ¡■с -о •о II ■о ¡см •■С !© •45 •и • •Г ----- и :о • о :о • 5 ..... '■£. • Г'
Г-швС— 4"— -4- ......
:1.гЛ2Я04___ ;Со I
1 ']........
.....I-— | 1— •4" .....|......... "1......
—г— | 1— -4— —1..... I "1.......
[..-ЛЯ».]____ — "1----
^гойи.
•о :0
.....
¿й.................
•сч !оЗ -сч
•8...............
Рис. 1. Скачок проводимости кобальта
!§.И50[§"~.....Щ"" 1§"
•о ;© !о :0
^ййР.^.....—Ц-
1-с 'х | х
•Ч) >Ч> ;Ч>
=15501....................
----
• о ;о
¡о -о
•чю.........то-
:<г 1й
;£
Ч) ¡Ч>
! Со !
............;__________
| [ ; I
[-шй!..................4-
............._4„_
; : |
1-18004.........__________
{ ! : | ________:_______
.........¡1........-II-
12
1*13801®.........Iе6.........Л?..
......................
Рис. 2. Всплеск проводимости кобальта
.........
•^.'500
-«т.;
Щ" "*Го ™ 'Т§" •™"Г§" --уе"— • Го "" ""[о"" —Г§ Го
•о |о !о •о !с5 •О ;0 О • о \6
___...... -45- Нй" -4§-..... •4Л-- -1 « • а —-НО—• (П
■л :Ч> •X :>о ■в • Л .\0 'а ;Ч1 -40 £
[а§
и-еяа.
¡_г85Й
•-ЭДО.
8----
..•М-______лг*
о ¡о !о -О ;о
&-----------........—
.О •©
• 8...............-'8-
•СЧ -оЗ
ил
_:б4______¿«ч.........-1сч..
вв..
........
•о ""Го"* 1С ....."'О ;о ■То" :о Го Го
и..... ¡2 15 ...... •<ч :СЧ и- ¡ем £ ;СМ ¡ет ш
----4------ .4— --4.-- "1
ОМ......................;............—-4...........;--------1-
____1___
о Й- :о •о -48.-- ¡Й г»— • г-■о — ;0 -О ------ тО • ......;
с5 •еч •сч ¡гч ;ГЗ гч •
л т.... ....¿с*.... 1|Л ..... ..:ся____ :и> :и> ___...... ¡ю .........;л_____ . .ил..........
Рис. 3. Всплеск проводимости серебра (1)
Рис. 4. Всплеск проводимости серебра (2)
18 5, аЬ. ши + X Со
♦ + +
+ + +
у X X X X
X X* -у % И ;
* . +
-2
18/. т 0
Рис. 5. Спектральная мощность флуктуаций проводимости кобальта и серебра
Физика
Авторы выражают глубокую благодарность Ю.В. Петрову, О.В. Карасёву, В.Г. Русину и С.Ю. Гуревичу за помощь в подготовке эксперимента.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований и Администрации Челябинской области (проект № 04-02-96045).
Литература
1. Жигальский Г.П. Шум вида 1//и нелинейные эффекты в тонких металлических пленках// УФН. - 1997. - Т. 167. - № 6. - С. 623-648.
2. Жигальский Г.П. Неравновесный Hf-шуш в проводящих пленках и контактах// УФН. -2003. - Т. 173. - № 5. - С. 465-490.
3. Park W.K., et. al. Noise Properties of Magnetic and nonmagnetic tunnel junctions // J.Appl Phys.-2003.-V. 93.-P. 7020-7022.
4. http://noosphere.princeton.edu/terror.html
5. Шноль С.Э., Коломбет В.А., Пожарский Э.В., Зенченко Т.А., Зверева И.М., Конрадов А.А. О реализации дискретных состояний в ходе флуктуаций в макроскопических процессах //УФН. - 1998.-Т. 168, № 10.-С. 1129-1140.
6. Пархомов А.Г. Вариации интенсивности низкочастотных флуктуаций в полупроводниках // Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. - М.: Научный мир, 1998. -Т. 2.- С. 310-312.
7. Пархомов А.Г. Исследование неслучайных вариаций результатов измерения радиоактивности// Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. -- М.: Янус-К, 2002 - Т. 3. - С. 607-612.
8. Измайлов В.П., Карагиоз О.В. Пархомов А.Г. Вариации результатов измерений гравитационной постоянной// Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. -М.: Научный мир, 1998. - Т. 2- С. 163-168.
9. Козырев Н.А. Избранные труды. - JI.: Изд. Лен. университета, 1991. - 448 с.
10. http://www.izmiran.rssi.ru
Поступила в редакцию 28 февраля 2005 г.
