CC BY
25
УДК 537.633: 537.312
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ Ni-MgO
И (In2O3/ZnO)83 ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
А.А. Гребенников, О.В. Стогней, А.В. Ситников, О.В. Жилова, В.Н. Феклин
Исследованы особенности электрических свойств гранулированных композитов Nix(MgO)1oo-x и многослойной системы (1п203^п0)83 при низких температурах. В образцах Nix(MgO)100-x до порога перколяции сопротивление возрастает с понижением температуры в интервале 77-280 К, что характерно для гранулированных систем металл-диэлектрик. При концентрации никеля, достаточной для образования перколяционного кластера на температурной зависимости сопротивления при ~190 К, наблюдается аномалия - смена знака температурного коэффициента сопротивления, обусловленная влиянием квантовых поправок к проводимости (эффект слабой локализации). Сопротивление образцов многослойной системы (1п203^п0)83 с понижением температуры возрастает во всем интервале 280 - 77 К. Учитывая, что в аморфных пленках 1п203 при 110 К наблюдается эффект слабой локализации, предполагается, что этот эффект проявляется и в образцах (1п203^п0)83. Температура его возникновения 280 К, поэтому рост сопротивления при охлаждении обусловлен проявлением данного эффекта. Существенное увеличение температуры возникновения эффекта слабой локализации по сравнению со значениями, характерными для аморфных пленок 1п203, обусловлено наличием большого числа центров рассеивания электронов на границе 1п203 - ZnO. При этом электроперенос в образцах (1п203^п0)83 осуществляется преимущественно слоями 1п203
Ключевые слова: слабая локализация, композит, электропроводность, многослойная система
Введение
Улучшение технических характеристик систем радиоэлектроники связано с созданием новых функциональных материалов, свойства которых существенно отличаются от используемых в настоящее время. Одним из направлений, в рамках которого возможна реализация данной задачи, является спин-троника. Важное отличие устройств, созданных при использовании материалов спинтроники, быстродействие и экономичность. Как известно, работа электронных устройств основана на управлении движением электронов. Устройства спинтроники функционируют еще и за счет управления спином электронов. Время, необходимое для смены состояния спина, существенно меньше времени установления упорядоченного движения электронов, кроме того, для смены состояния спина требуется меньше энергии, что с одной стороны обусловливает гораздо более высокую скорость работы устройств спин-троники, с другой - меньшее тепловыделение.
Для практического применения материалов в устройствах спинтроники требуется всестороннее изучение их свойств, а также эффектов, влияющих на переориентирование спинов. Одним из таких эф-
Гребенников Антон Александрович - ВУНЦ ВВС «ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», канд. физ.-мат. наук, преподаватель, e-mail:
Стогней Олег Владимирович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected]
Ситников Александр Викторович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected] Жилова Ольга Владимировна - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Феклин Виктор Николаевич - ВУНЦ ВВС «ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected]
фектов является слабая локализация электронов проводимости, возникающая в материалах с сильным беспорядком. Данный эффект, как правило, наблюдается при низких температурах и обусловливает появление аномалий резистивных и магниторе-зистивных свойств материалов. Слабая локализация была ранее исследована в тонких пленках металлов и полупроводников. Однако для устройств спинтро-ники перспективными материалами являются гранулированные нанокомпозиты и многослойные структуры, ввиду наличия в них гигантского магни-тосопротивления, а также уникальных магнитных свойств. В таких материалах эффект слабой локализации малоизучен - не определены условия его возникновения, величина, зависимость от состава (элементного и фазового) и т.д. В этой связи настоящая работа представляется важной и актуальной.
В качестве объектов исследования использовались композиты Nix(MgO)100-x и многослойные структуры (1п203/2п0)83.
Методика
Образцы Nix(MgO)100-x были получены методом ионно-лучевого распыления составной мишени, состоящей из никелевой основы с навесками MgO, в атмосфере аргона. Распыляемые компоненты одновременно осаждались на ситалловую подложку, формируя пленку Nix(MgO)100-x, толщина которой, в зависимости от концентрации никеля, варьировалась от 3 до 4 мкм. Навески MgO были распределены на поверхности основы неравномерно, что позволило получить за один цикл напыления образцы в широком диапазоне концентрации металла (х: 21-48 ат.%). Многослойная система (1п203/2п0)83 была получена методом ионно-лучевого распыления двух мишеней на вращающуюся подложку. Толщины слоев определялись по контрольным напылениям однофазной пленки с помощью интерферометра МИИ-4, а также методом малоугловой рентгенов-
ской дифрактометрии. Суммарная толщина многослойной пленки составила 0,28 мкм. Более подробно технология получения образцов изложена в [1,2].
Структура и фазовый состав образцов исследовались методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре Вгикег D2Phaser. Температурные зависимости сопротивления изучались в интервале 77 - 280 К при помощи проточного криостата.
Результаты
В работе [3] показано, что образцы Nix(MgO)loo-x являются гранулированными нано-композитами, состоящими из двух основных кристаллических фаз № и MgO, причем, размер ни-келквых гранул не превышает 2-3 нм.
Согласно результатам малоугловой рентгеновской дифрактометрии (рис. 1), образцы (1п203/2п0)83 представляют собой многослойные структуры. Появление на рентгенограмме рис. 1 максимума в области малых углов свидетельствует о наличии в структуре материала неоднородностей, размер которых сопоставим с длиной волны рентгеновского излучения [4]. Оценка размера неоднород-ностей, выполненная по формуле Вульфа-Брэгга, показала значение ~2 нм. Аналогичное значение получено в результате расчета толщины слоя 1п203/2п0, выполненного по контрольным напылениям. Таким образом, можно сделать вывод, что образцы (1п203/2п0)83 состоят из чередующихся слоев оксидных полупроводников 1п203 и 2п0 толщиной ~1 нм каждый, общее количество слоев составляет 83.
I, отн. ед,
Рис. 1. Рентгенограмма образца (1п203/2п0)83 в области малых углов
В результате исследования температурных зависимостей сопротивления композитов Nix(MgO)100-x до порога перколяции в интервале 77-280 К аномалий выявлено не было. Их сопротивление возрастает с понижением температуры. Однако при концентрации № достаточной для образования перколяционного кластера на зависимости R(T)
наблюдается смена знака температурного коэффициента сопротивления (ТКС) при ~190 К (рис. 2). Как известно, с образованием перколяционного кластера в композите металл-диэлектрик возникает металлический тип проводимости. Соответственно его сопротивление с уменьшением температуры должно уменьшаться. В этой связи рост сопротивления образца №41^0)59 ниже 190 К не связан с механизмом электропереноса, а обусловлен эффектом слабой локализации, влияние которого начинает вносить определяющий вклад в электропроводность материала.
50,0 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1
49,9 " \ »
Е 49,8 \ о
-С 0 49,7 а: \ и V - ^^ < V -
49,6 - ^^^ -
49,5 - -
Т, К
Рис. 2. Температурная зависимость сопротивления образца Ni41(MgO)59
Иные результаты получены для образцов (1п203/2п0)83. С понижением температуры их сопротивление возрастает во всем интервале, что характерно для полупроводников. Однако абсолютная величина изменения сопротивления в интервале 77 - 280 К невелика (рис. 3). Как известно, изменение температуры приводит к существенному изменению сопротивления полупроводника. В этой связи предполагается, что изменение сопротивления образцов (1п203/2п0)83 в во всем интервале 77 - 280 К обусловлено эффектом слабой локализации.
Проявление эффекта слабой локализации в композитах Nix(MgO)100-x и многослойной системе (1п203/2п0)83 согласуется с теорией [5]. Необходимым условием проявления данного эффекта является наличие в материале большого числа структурных дефектов. В исследованных образцах дефектность структуры обусловлена методом получения. В процессе напыления пленки атомы компонент, выбиваемые из мишени, случайным образом попадают на подложку. Обладая избыточной энергией, они начинают мигрировать по поверхности подложки, стремясь занять энергетическое выгодное состояние. Однако расстояния их перемещения невелики -порядка межатомных. В результате часть атомов металла попадают в диэлектрическую матрицу и растворяются в ней, а часть атомов, формирующих диэлектрическую фазу, соединяется с металлическими гранулами, образуя на их поверхности соединения различной стехиометрии. Кроме того, напы-
ление производится в атмосфере аргона, в связи с чем диэлектрическая матрица формируется несте-хиометричной из-за недостатка кислорода. Совокупность рассмотренных факторов обусловливает большое число структурных дефектов в исследованных образцах. Также в многослойной системе (1п203/2п0)83 большое число дефектов образовано границами раздела между слоями 1п203 и 2п0.
К, Ом
280275270265-1—-1---т—--.----.--—
100 150 200 250 Т, К
Рис. 3. Температурная зависимость сопротивления образца (In2O3/ZnO)83
Удельное число дефектов в многослойной системе (In2O3/ZnO)83 больше, чем в композитах Nix(MgO)100-x за счет большой площади границ межу слоями In2O3 и ZnO. Это позволяет предположить, что в образцах (In2O3/ZnO)83 рост сопротивления с уменьшением температуры от 280 до 77 К (рис. 3) обусловлен эффектом слабой локализации и объяснить возникновение данного эффекта при температуре близкой к комнатной, тогда как в композитах Nix(MgO)100-x он проявляется при ~190 К.
Сравнивая температурные зависимости сопротивления образцов (In2O3/ZnO)83 (рис. 3) и аморфных пленок оксида In2O3 [6] можно видеть общую тенденцию - при некоторой температуре наблюдается смена знака ТКС. В этой связи предполагается, что проявление эффекта слабой локализации в образцах (In2O3/ZnO)83 связано с особенностями электрических свойств оксида In2O3. Существенное изменение температуры его возникновения в системе (In2O3/ZnO)83 (~280 К) в сравнении с пленками In2O3 (~100 К) обусловлено, как было показано выше, большой дефектностью (In2O3/ZnO)83. При этом электроперенос в системе (In2O3/ZnO)83 осуществляется преимущественно слоями In2O3, слои ZnO создают дополнительные центры рассеивания электронов (для проверки этого предположения необхо-
димо исследовать электрические свойства в многослойной системе Ш^^диэлектрик).
Заключение
1) В композитах Nix(MgO)100-x за порогом пер-коляции на температурных зависимостях сопротивления при ~190 К наблюдается смена знака ТКС, связанная с возникновением эффекта слабой локализации.
2) В многослойной системе (In2O3/ZnO)83 эффект слабой локализации возникает при 280 К. Рост сопротивления при уменьшении температуры от 280 до 77 К обусловлен проявлением данного эффекта.
3) Электроперенос в образцах (In2O3/ZnO)83 осуществляется преимущественно слоями In2O3, слои ZnO создают дополнительные центры рассеивания электронов на границе In2O3 - ZnO, в результате температура возникновения эффекта слабой локализации существенно возрастает по сравнению со значениями, характерными для аморфных пленок
М2О3.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки в рамках проектной части государственного задания (проект № 3.1867.2017/4.6).
Литература
1. Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах / С.А. Гриднев, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.В. Стогней. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 352 с.
2. Effect of Thermal Treatment on the Electrotransport Properties of Thin-Film In2O3, ZnO Materials and the Multilayer (In2O3/ZnO)83 Heterostructure / I.V. Babkina, K.S. Gabriel's, T.I. Epryntseva, O.V. Zhilova, V.A. Makagonov, A.V. Sitnikov, P.M. Hlopovskikh // Bulletin of the russian academy of sciences: physics. - 2016. - V. 80. - №9. - P. 1168-1171.
3. Grebennikov A.A. Size effect in Nix(MgO)100-x nano-composites / A.A. Grebennikov, O.V. Stognei // Solid State Phenomena. - 2011. - V. 168-169. - P.361-364.
4. Low Angle X-ray Diffraction of Multilayered Structures / H. Vanderstraeten, D. Neerinck, K. Temst, Y. Bruyn-seraede // Journal of Applied Crystallography. - 1991. - V.24. - P.571-575.
5. Altshuler B.L. Electron-electron interaction in disordered conductors / B.L. Altshuler, A.G. Aronov. - Electron-Electron Interactions in Disordered Systems. - Elseiver Science Publisher, 1985. - Ch. 1. - P. 1-153.
6. Weak localization and size effects in thin In2O3 films prepared by auto wave oxidation / I.A. Tambasov et al // Phys-ica E. - 2016. - V. 84. - P. 162-167.
Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Воронежский государственный технический университет
ELECTRICAL EXERTION FEATURES IN Ni-MgO AND (In2O3/ZnO)83 HETEROGENEOUS SYSTEMS DISPLAYED AT LOW TEMPERATURES
A.A. Grebennikov1, O.V. Stognei2, A.V. Sitnikov3, O.V. Zhilova4, V.N. Feklin5
'PhD, Tutor, Lecturer, Zhukovsky-Gagarin Air Force Academy, Voronezh, Russia Federation
e-mail: [email protected] 2Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia Federation
e-mail: [email protected]
3Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia Federation
e-mail: [email protected] 4PhD, Researcher, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia Federation e-mail: [email protected] 5PhD, Associate Professor, Zhukovsky-Gagarin Air Force Academy, Voronezh, Voronezh, Russia Federation
e-mail: [email protected]
Paper studies the electrical features of the Nix (MgO)100-x granular composites and the (In2O3 / ZnO)83 multilayer system displayed at low temperatures. In samples of Nix (MgO)100-x the resistance increases with decreasing temperature in the range of 77-280 K up to the percolation limit , which is typical for granular metal-dielectric systems. As nickel concentration reaches sufficient level to form a percolation cluster based on the temperature inter-dependence of the resistance at ~ 190 K, the following discrepancy is observed - temperature coefficient of resistance changes due to the effect of quantum corrections based on the conductivity (the effect of weak localization). The resistance of the samples of the (In2O3/ZnO)83 multilayer system reduces with decreasing temperature throughout the interval 280-77 K. Considering that the effect of weak localization is observed in amorphous In2O3 films at 110 K, the same result is also anticipated in (In2O3/ ZnO)83 samples. It occurs at 280 K temperature, so the increase in resistance during cooling is due to this effect as well. A significant increase in the temperature of the weak localization effect in comparison with the values characteristic of amorphous In2O3 films is observed due to the presence of a large number of electron scattering centers at the In2O3 - ZnO interface. In this case, the electronic transportation in the samples (In2O3 ZnO)83 is carried out mainly by In2O3 layers
Key words: weak localization, composite, electrical conductivity, multilayer system
References
1. Gridnev S.A., Kalinin Y.E., Sitnikov A.V., Stognei O.V. "Nonlinear phenomena in nano- and microheterogeneous systems" ("Nelineynyye yavleniya v nano- i mikrogeterogennykh sistemakh"), Moscow, BINOM, Laboratory of Knowledge, 2012, 352 p.
2. Babkina I.V., Gabriel's K.S., Epryntseva T.I. et al. "Effect of Thermal Treatment on the Electronic Transportation Properties of Thin Film In2O3, ZnO Materials and the Multilayer (In2O3/ZnO)83 Heterostructure" ("Vliyaniye termicheskoy obrabotki na elektrotransportnyye svoystva tonkoplenochnykh materialov In2O3, ZnO i mnogosloynoy (In2O3/ZnO)83" geterostruktury"), Bulletin of the Russian Academy of Sciences, Physics, 2016, vol. 80, no. 9, 1168-1171 pp.
3. Grebennikov A.A., Stognei O.V. "Size effect in Nix(MgO)100-x nanocomposites", Solid State Phenomena, 2011, vol. 168169, 361-364 pp.
4. Vanderstraeten H., Neerinck D., Temst K., Bruynseraede Y. "Low Angle X-ray Diffraction of MultilayeredStructures", Journal of Applied Crystallography, 1991, vol. 24, 571-575 pp.
5. Altshuler B.L., Aronov A.G. "Electrons interaction in disordered conductors", Elseiver Science Publisher, 1985, Chapter 1, 1-153 pp.
6. Tambasov I.A. et al "Weak localization and size effects in thin In2O3 films produced by auto wave oxidation", Physica E, 2016, vol. 84, 162-167 pp.
