CC BY
62
"ДК 538-945 Г. М. СЕРОПЯН
Д. В. ФЕДОСОВ С. Л. СЫЧЁВ Е. Л. ЯШКЕВИЧ И. С. ПОЗЫГУН Н. Л. ДЛВЛЕТКИЛЬДЕЕВ
Омский государственный университет им Ф.М. Достоевского Омский филиал Института физики полупроводников СО РЛН
УЛЬТРЛТОНКИЕ УБСО ПЛЕНКИ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
На основе экспериментальных исследований разработан способ выращивания методом лазерной абляции гладких ультратонких пленок УВСО с низкими значениями удельного сопротивления от 0,8-10~6 до 1,1-10_6 Ом м. Низкие значения удельного сопротивления объясняются высоким совершенством кристаллической структуры пленки и с высоким коэффициентом зеркальности ее внешней границы. Ультратонкие пленки формируются в узком диапазоне времени напыления 7—10 секувд на монокристаллических подложках 5гТЮ3 (100) при определенных технологических параметрах напыления. Толщина пленок составляет примерно 6 нм, что соответствует пяти элементарным ячейкам кристаллической решетки УВСО вдоль оси с.
Ключевые слова: ультратонкая пленка, лазерная абляция, атомно-силовая микроскопия, сверхпроводимость.
Необходимость создания ультратонких пленок сложных металлооксидных соединений обусловлена возможностью изготовления из них элементов наноэлектроники. В связи с этим актуальны исследования механизма зарождения, роста, структурных особенностей и транспортных свойств тонких и ультратонких плёнок различных материалов, в частности, иттрий-бариевого купрата УВа2Си307_5 (УВСО). Литературный обзор показывает, что исследования механизма зарождения и роста УВСО пленок являются противоречивыми и далеко не завершенными. В частности, не определена критическая толщина квазидвумерных ультратонких УВСО пленок, при которой наблюдается сверхпроводящее состояние при температуре кипения жидкого азота (77К) и нет ясности о степени влияния упругих напряжений материала на транспортные свойства пленок и т.д. Рост островков осаждаемого материала может происходить как по двумерной, так и по трехмерной модели и является критичным к условиям роста [1]. Кроме того, у ультратонких УВСО пленок сверхпроводящие параметры с уменьшением толщины сильно подавляются [2, 3] и ответственность за это несут как фундаментальные механизмы (рассогласование параметров решеток), так и технологические причины. Некоторыми авторами применяются различные буферные слои между подложкой и пленкой, способствующие улучшению структуры и физических свойств пленок, что приводит к усложнению технологии выращивания ультратонких пленок [4, 5].
Проведенные исследования позволили разработать способ формирования гладких ультратонких пленок УВСО толщиной в несколько элементарных ячеек с аномально низкими значениями удельного
электрического сопротивления. Технологически задача решается созданием специальных условий в напылительной камере и подборе оптимальных значений параметров лазерного излучения, обеспечивающих эпитаксиальный рост пленок на монокристаллических подложках.
YBCO пленки выращивались методом лазерной абляции на монокристаллических подложках SrTiO3 (100), поверхность пленок исследовалась на атомносиловом микроскопе SOLVER PRO, а полученные данные обрабатывались в программе Image Analy-sis2. Использовались следующие технологические параметры напыления пленок: температура подложки TS = 800^840 °С, температура мишени 600^700 °С, расстояние мишень-подложка 3 см, давление воздуха в напылительной камере Р »70 Па, плотность мощности лазерного излучения W= (3^5) 108 Вт/см2. В работе использовался твердотельный импульсный лазер с ИАГ: Nd стержнем с длиной волны излучения 1064 нм, длительностью импульса 16 нс и частотой следования импульсов 10 Гц. Исследования показали, что значение плотности мощности лазерного излучения существенно влияет на размер формирующихся на подложке островков YBCO материала. При этом средний диаметр островков падает с уменьшением плотности мощности. Однако существует ограничение по плотности мощности (Wmin» 2 108 Вт/см2), ниже которой капельный механизм отрыва частиц мишени доминирует над кластерным и не позволяет выращивать высококачественные монокристалличе-ские пленки YBCO [6, 7]. При значениях плотности мощности излучения более 5 108 Вт/см2 усиливается механизм отрыва частиц от мишени, названный «фазовым взрывом», при котором из-за перегрева
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
подповерхностных слоев керамической мишени в порах нарастает давление парогазовой фазы и, при достижении критического значения давления, происходит взрыв материала и выброс частиц размером от единиц нанометров до десятков микрометров. Такой сильный разброс размеров частиц не позволяет оптимизировать параметры напыления для получения качественных ультратонких пленок. Исследования показывают, что при использовании значений плотности мощности лазерного излучения в интервале (3^5) 108 Вт/см2 доминирует механизм отрыва частиц от мишени, при котором основную массу осаждаемого на подложку материала составляют частицы диаметром менее 150 нм.
На механизм отрыва частиц от мишени существенное влияние оказывает и температура мишени. При температуре мишени от 600 °С до 700 °С размеры отрываемых от мишени частиц составляют менее 150 нм, что может быть объяснено ослаблением связи частицы с массивом керамики. Кроме того, в данном интервале температур происходит подавление фазового взрыва вследствие более интенсивного оттока энергии из кратера в виде кинетической энергии разлетающихся частиц. Если температура мишени составляет менее 600 оС, то размеры отрываемых от мишени частиц достигают нескольких сотен нанометров, а при температурах мишени выше 700 оС усиливается капельный механизм отрыва частиц, в результате которого на подложку оседают крупные капли размером от единиц до десятков микрометров, что делает пленку непригодной для дальнейшего использования.
Исследования тонких УБСО плёнок с помощью атомно-силового микроскопа показывают, что при малых временах напыления происходит островковый рост пленки, как показано на рис. 1. Для примера на рис. 2 представлена гистограмма распределения островков по диаметру одного из образцов для времени напыления I = 5 с и плотности мощности лазерного излучения 4,3 108 Вт/см2. При увеличении времени напыления начинается слияние островков, как показано на рис. 3 и в интервале времени напыления 7 — 10 с образуется сплошная пленка.
Тонкие УБСО пленки толщиной более 10 нм фрагментируются на кристаллиты субмикронных размеров, чему способствуют накопления упругих напряжений в материале пленке, возникающие, в частности, из-за имеющегося рассогласования параметров кристаллических решеток материалов пленки и подложки, а также из-за различия коэффициентов термического расширения этих материалов [7]. Это предъявляет особые требования к скорости постро-стового отжига пленки. Для примера, на рис. 4 приведено 3Э изображение пленки толщиной 12 нм. АСМ изображения позволяют сделать вывод, что в среднем размеры кристаллитов в сплошных пленках примерно в два раза меньше размера островков, то есть кристаллиты не могут быть сформированы простым слиянием отдельных островков. Здесь вероятнее всего имеет место расплав, растекание и слияние отдельных островков с последующим формированием сплошной пленки из жидкой фазы [8—10]. На рис. 5 для сравнения представлены гистограммы распределения островков (черный цвет) и кристаллитов (белый цвет) по диаметру.
Исследования показывают, что при определенных режимах напыления слияние островков приводит к образованию сплошной ультратонкой пленки с высоким совершенством структуры и высоким значением удельной проводимости. Ультратонкие УБСО
0 о
Рис. 1. 3Б изображение островков УБСО материала
150
<1 НМ
Рис. 2. Распределение островков по диаметру
Рис. 3. АСМ изображение слияния островков
Рис. 4. 3Б изображение УБСО пленки толщиной 12 нм. Время напыления 15 с
пленки формируются в узком диапазоне времени напыления 7—10 с на монокристаллических подложках 8гТЮ3 (100), так как рассогласование параметров кристаллических решеток материалов УБа^С^О^ пленки и 8гТЮ3 (100) подложки составляет около 0,2 %, тогда как для других традиционно используемых моно-
І
Рис. 5. Распределение островков (черный цвет) и кристаллитов (белый цвет) по диаметру
О
Рис. 6. 3Б изображение ультратонкой гладкой УБСО пленки. Время напыления 7 с
кристаллических подложек (ЬаЛ103, МдО и др.) рассогласование составляет 1 -г- 10 %. Для примера, на рис. 6 представлено 3Б изображение ультратонкой гладкой УБСО пленки, полученной при времени напыления 1 = 7 с. Шероховатость поверхности составляет 1 -г- 2 нанометра. Профилограмма поверхности гладкой ультратонкой УБСО пленки показана на рис. 7. Толщина данной пленки, измеренная на ступеньке атомносиловым микроскопом, составляет примерно 6 нм, что соответствует пяти элементарным ячейкам кристаллической решетки УБСО вдоль оси с.
Гладкая ультратонкая пленка формируется при слиянии отдельных островков, находящихся в жидкой фазе из-за эффективного преобразования кинетической энергии высокоскоростных наноразмер-ных частиц плазменного факела во внутреннюю энергию островков при столкновении с подложкой. Приповерхностный расплав может иметь место, если температура поверхности подложки достигнет температуры плавления УБа2Си307-х материала (около 1040 °С для 068^69). Проведенные оценки показали, что кинетической энергии осаждаемых частиц может быть вполне достаточно, чтобы довести температуру поверхности до температуры плавления. Кроме того, наноразмерные частицы и островки могут находиться при используемых в эксперименте температурах подложки преимущественно в энергетически более выгодной жидкой фазе. Если температура подложки будет ниже некоторого критического значения, то может вырасти поликристаллическая или аморфная пленка. Так, например, пленка, выращенная при тех же условиях, но при температуре подложки Т= 700 оС, представляла собой нагромождение застывших островков и имела низкие проводящие свойства из-за плохого качества межостровковой прослойки. Таким образом, можно заключить, что расплав, растекание и слияние отдельных островков
Рис. 7. Профилограмма поверхности гладкой ультратонкой УВСО пленки
приводит к формированию сплошной гладкой ультратонкой пленки из жидкой фазы. В отличие от фрагментированных пленок толщиной более 10 нм, ульт-ратонкая пленка толщиной несколько элементарных ячеек кристаллической решетки может быть достаточно «эластичной» при значительных напряжениях сжатия и растяжения, возникающих при постросто-вом охлаждении.
Вольтамперные характеристики ультратонких пленок, снятые при температурах от 77^300 К, указывают на металлический характер проводимости. Например, на рис. 8 представлена ВАХ ультратонкой УБСО пленки, снятая при температуре 77 К. Оценка удельного сопротивления пленки дает значение порядка 10-6 Ом м при температуре 300 К, что в примерно 3 раза меньше удельного сопротивления монокристаллов УБСО в аЬ плоскости и примерно на порядок ниже, чем удельное сопротивление качественных пленок толщиной порядка 100 нм. На рис. 9 представлена зависимость удельного сопротивления УБСО пленок от толщины, где кружочки соответствуют пленкам толщиной более 10 нм, а квадратами показана область значений удельных сопротивлений гладких ультратонких пленок толщиной менее 10 нм, лежащих в диапазоне от 0,810-6 до 1,110-6 Омм.
Такие аномально низкие значения удельного сопротивления гладких ультратонких пленок указывают на то, что ультратонкая пленка практически по всему объему с-ориентирована и обладает высоким совершенством кристаллической структуры, приво-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
1200
1000
£
=>' 600
400
200
0 10 20 |mkA 30 40
Рис. 8. ВАХ ультратонкой YBCO пленки
4. Grekhov, I. Growth mode study of ultrathin HTSC YBCO films on YBaCuNbO buffer / I. Grekhov, L. Delimova, I. Liniichuk, A Lyublinsky, I. Veselovsky, A Titkov, M. Dunaevsky, V. Sakharov // Physica C. - 1999. - V. 324. - P. 39-46.
5. Gasparov, V.A. Recent observation of anomalous superconducting behavior of ultrathin YBCO films and single crystals of cluster borides / V.A. Gasparov // Physics of Low Temperatures. -2006. - V. 32. - P. 1105-1114.
6. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с поверхность мишени YBCO: время запаздывания / К. Н. Югай [и др.] // СФХТ. - 1994. - Т. 7. - № 6. - С. 1026-1032.
7. Сверхпроводящие тонкие пленки иттрий-бариевого куп-рата, выращенные на напряженных подложках / А. В. Захаров [и др.] // Вестник НГУ. Серия: физика. - 2008. - Т. 3. -Вып. 4. - С. 25-32.
8. Макроструктура высокотемпературных сверхпроводящих YBaCuO пленок, выращенных методом лазерной абляции / К. Н. Югай [и др.] // ЖТФ. - 1998. - Т. 98. - № 2. - С. 48-51.
9. Комник, Ю. Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты / Ю. Ф. Комник. - М. : Атомиздат. -1979. - 264 с.
10. Макаров, Г. Н. Экспериментальные методы определения температуры и теплоты плавления кластеров и наночастиц (обзор) / Г. Н. Макаров // УФН. - 2010. - Т. 180. - № 2. -С. 185-207.
Рис. 9. Зависимость удельного сопротивления тонких (кружочки) и ультратонких (квадраты) УБСО пленок от толщины
дящей к ослаблению эффектов рассеяния электронов на внутренних границах кристаллитов. Кроме того, известно, что повышение гладкости поверхности пленки приводит к росту коэффициента зеркальности внешней границы пленки, что способствует повышению проводимости материала.
Библиографический список
1. Рост сверхтонких УБаСиО7Х пленок на подложке 8гТЮ3 / Е. К. Гольман [и др.] // ФТТ. — 2000. — Т. 42. — Вып. 3. — С. 397-399.
2. Прохоров, В. Г. Зависимость критической температуры перехода от толщины сверхпроводящих пленок с различными длинами когерентности / В. Г. Прохоров // ФНТ. — 1998. — Т. 24. — № 6. — С. 544 — 548.
3. Структура и транспортные свойства сверхтонких пленок УВаСиО^х / А. В. Варганов [и др.] // Письма в ЖЭТФ. — 1996. — Т. 63. — Вып. 8. — С. 608—613.
СЕРОПЯН Геннадий Михайлович, кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры общей физики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского.
ФЕДОСОВ Денис Викторович, аспирант кафедры общей физики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского.
СЫЧЁВ Сергей Александрович, кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры общей физики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского.
ЯШКЕВИЧ Екатерина Александровна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского.
ПОЗЫГУН Ирина Станиславовна, ассистент кафедры общей физики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского. ДАВЛЕТКИЛЬДЕЕВ Надим Анварович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Омского филиала Института физики полупроводников СО РАН.
Адрес для переписки: e-mail: ser_gm@mail.ru
Статья поступила в редакцию 01.07.2011 г.
© Г. М. Серопян, Д. В. Федосов, С. А. Сычёв, Е. А. Яшкевич, И. С. Позыгун, Н. А. Давлеткильдеев.
