Получение пленок системы (Sn29Si4,3O66,7)X(In35.5Y4.2O60,3)100-X

Цепочка локализованных состояний между  гранулами создает каналы, проводимость которых более высокая, нежели усредненная проводимость диэлектрика [17].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методика  эксперимента

2.1 Методика получения пленок

 

Для получения аморфных пленок был применен метод ионно-лучевого распыления.

После модернизации вакуумного напылительного поста УВН-2М  в вакуумной камере были размещены 7 источников ионно-лучевого распыления, как представлено на рисунке 2.1. Шесть  источников служат для распыления трех металлических или диэлектрических  мишеней и один для ионной очистки  подложек. [18,19,20].

 

 

1 – вакуумная камера, 2 – подложкодержатель, 3 – водоохлаждаемая мишень, 4 –  источник ионно-лучевого распыления, 5 – источник ионного травления, 6 – компенсатор, 7 – подложка

 

Рисунок 2.1 – Многофункциональная установка ионно-лучевого напыления

Для подачи высокого напряжения на аноды  источников ионно-лучевого распыления использовались модернизированные  блоки питания типа БП-94. По периметру  вакуумной камеры располагался подложкодержатель 2, который закреплен на оси и  может совершать вращение со скоростью  до 2 об/мин. На подложкодержателе закреплено шесть подложек 7 размером 200 х 200 мм. При напылении диэлектрических материалов с целью нейтрализации положительного потенциала, возникающего на диэлектрической поверхности, предусмотрено использование источника интенсивного электронного излучения (компенсатора) 6, представляющего собой вольфрамовую проволоку диаметром 0,2 мм, которая подключена к отдельному источнику питания.

Источник  ионно-лучевого распыления представляет магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов 1 (рисунок 2.2) и  корпуса магнитопровода 2.

 

1 – постоянный магнит; 2 – корпус  – магнитопровод; 3 – магнитный  зазор; 4 – анод

 

Рисунок 2.2 –– Источник ионно-лучевого распыления

Магнитная система создает большую напряженность  магнитного поля (~ 80 кА/м) в магнитном  зазоре 3. К аноду 4 приложено высокое  положительное смещение (1 – 5 кВ). Перпендикулярная конфигурация магнитного и электрического полей в области магнитного зазора 3 приводит к возникновению самостоятельного тлеющего разряда. Выталкиваемые электрическим  полем из плазмы ионы аргона создают  поток частиц высокой энергии, который  направляется на мишень от источника  распыления или на подложку от источника  ионного травления. Так как данный источник ионов не связан с объектом распыления (мишенью или подложкой), он дает возможность распылять ферромагнитные сплавы, а при наличии компенсатора – и диэлектрические материалы.

Концентрация  плазмы в области магнитного зазора позволяет избежать сильного разогрева  подложек при напылении даже без  использования принудительного  охлаждения, что значительно упрощает технологию получения аморфных сплавов. Отсутствие принудительного охлаждения упрощает и механизм перемещения  подложек из позиции напыления одного сплава в позицию нанесения другой пленки и позицию ионной очистки.

В ходе выполнения работы была получена система (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X (In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X.

Система (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X осаждалась из оксидных мишеней состава In_35.5Y_4.2O_60,3 и Sn₂₉Si_4,3O_66,7 размером 80х20х4 мм³, полученных по керамической технологии с весовым содержанием компонентов в соответствии с составом керамики.

Рабочим газом при напылении являлся аргон чистотой 99,992 %. Во время распыления происходила непрерывная смена аргона в камере за счет его напуска через дозирующий вентиль в ионный источник и откачки диффузионным насосом типа Н 2500/350 производительностью 1800 л/с. Предварительно рабочая камера откачивалась примерно в течение одного часа до давления не хуже 10^-5 Торр.

В процессе эксплуатации установки экспериментально были определены оптимальные режимы работы: давление аргона в камере 6 × 10^-4 Торр, ток плазмы - 100 мА при напряжении ~ 2500 В. При данных режимах скорость роста пленки составляла ~ 1 мкм/час. Перед напылением производилось предварительное распыление мишени в течение 30 минут с целью снятия верхнего слоя мишени и осаждения его на экранах и других частях камеры. После окончания предварительного распыления в течение 30 минут производилась ионная очистка подложки при вращении подложкодержателя. Скорость травления поверхности составляла 0,1 мкм/час. Очистка подложки необходима для улучшения адгезии осаждаемого слоя к подложке. Затем производилось распыление в рабочем режиме получения пленки композиционного материала заданной толщины в течение нескольких часов. В случае необходимости проведения реактивного напыления в рабочей камере имеется натекатель для подачи газов (кислорода, водорода, азота и др.) Толщина напыляемого слоя определялась временем напыления.

 

2.2 Методика проведения температурных исследований электрического сопротивления

 

Температурные зависимости электрического сопротивления  были измерены на постоянном токе с  помощью установки, блок–схема которой представлена на рисунке 2.3. Для измерения электрического сопротивления и температуры использовался вольтметр универсальный В7–78/1 с платой расширения (сканером) на 10 каналов (9). Сканер позволяет последовательно опрашивать нужные каналы и, таким образом, возможно фиксировать сразу несколько измеряемых параметров. Вольтметр подключается к персональному компьютеру через порт USB и работает под управлением специальной программы, разработанной сотрудником кафедры физики твердого тела.

 

 

1 – вакуумная  камера; 2 – кварцевая трубка; 3 –  нагреватель; 4 – термопара; 5 – 

подложка  с образцом; 6 – контакты; 7 – ЛАТР; 8 – электропривод ЛАТРа; 9 – 

вольтметр универсальный  В7–78/1 с платой расширения (сканером) на 10 каналов

 

Рисунок 2.3 – Схема установки для измерения температурных зависимостей

электросопротивления

 

В вакуумной  камере (1) установлена печь из кварцевой  трубки (2) с нагревателем (3). Нагреватель  печи выполнен из вольфрамовой проволоки  диаметром 0,5 мм. Для контроля температуры  в печи установлена термопара  типа «хромель – алюмель» (4).

Градуировка термопары проводилась по 3 точкам (температура кипящего азота, тающего  льда и кипящей воды) и соответствовала  градуировочным таблицам. В печь помещался  образец (5) в виде тонкой пленки, напыленной на ситалловую подложку. Питание печи осуществлялось ЛАТРом (7) напряжение на котором плавно увеличивалось с  помощью вращения верхнего контакта электрическим двигателем через  механический редуктор (8). Печь позволяет  нагревать образцы в диапазоне температур от 20 до 600 ˚С. При этом скорость нагрева можно менять в широких пределах с помощью механического редуктора. Установка также позволяет выдерживать образцы при заданной, стабильной температуре в течение длительного времени.

Результаты  измерений представлялись в виде графика на экране монитора в реальном времени и записывались на ПК в  виде файла с расширением «.txt».

 

2.3 Рентгенодифракционное  исседование

 

Рентгенодифракционные исследования образцов проводились  на дифрактометре D2 PHASER, в комплекте с которым имеется лицензионное программное обеспечение, позволяющее производить расшифровку получаемых дифрактограмм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Экспериментальные  результаты и их обсуждение

3.1 Получение пленок системы (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X

 

Исходные  пленки системы (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X толщиной 0,5 мкм были получены методом ионно-лучевого распыления составной мишени и конденсацией на ситалловой подложке. Мишень состояла из навесок In_35.5Y_4.2O_60,3 и Sn₂₉Si_4,3O_66,7 размером 80 х 20 х 4 мм³, распределенных по длине мишени неравномерно, что позволило получать образцы с непрерывно изменяющимся составом. Конденсацию пленок проводили в среде чистого аргона. Для рентгеноструктурных исследований проводилось отдельное напыление с осаждением пленок на стеклянную подложку.

Элементный  состав пленок определяли энергодисперсионной  рентгеновской приставкой Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 LV. Удельное электрическое сопротивление было измерено методом амперметра-вольтметра на постоянном токе.

Температурные зависимости электрического сопротивления  измерялись потенциометрическим методом. Измерения проводились в вакууме ~10^-3 Торр. Температурный диапазон исследований сопротивления был выбран от 20 до 650 °С.

 

3.2 Электрические  свойства пленок (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X

 

Твердый раствор замещения (In_100-XSn_X)₂O₃ при x ≈ 10 ат.% является основным прозрачным проводником в кристаллических дисплеях. Низкое сопротивление в этом случае обеспечено различием валентности индия и олова: In³⁺ и Sn⁴⁺_. При замещении в узле кристаллической решетки атома In атомом Sn образуется неспаренный электрон, увеличивающий проводимость соединения. Основным отличием системы (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X от твердого раствора            (In_100-XSn_X)₂O₃ является наличие иттрия в оксиде индия и наличие кремния в оксиде олова. Имея одинаковую валентность и кристаллическую структуру с основными оксидами, Y и Si образуют неупорядоченные твердые растворы замещения, изменяя параметры кристаллической решетки в ближайшем окружении оксидов In_2.O₃ и SnO₂, соответственно. По этой причине возможно образование твердого раствора замещения (In_100-XSn_X)₂O₃ в более широком диапазоне концентраций без изменения базовой кристаллической решетки.

Для подтверждения  нашего предположения были проведены  измерения концентрационной зависимости  удельного электрического сопротивления  системы (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X (рисунок 3.1). На данной зависимости можно наблюдать два участка: 1- с концентрацией x ≈ 15-40 ат.% Sn₂₉Si_4,3O_66,7, где                ρ ≈ 8·10^-8 Ом·м и практически не зависит от состава; 2 - с концентрацией                   x ≈ 40-50 ат.% Sn₂₉Si_4,3O_66,7, где ρ возрастает с увеличением концентрации соединения на основе оксида олова на пять порядков величины. Эти данные подтверждают наше предположение об увеличении диапазона концентраций, где наблюдаются низкие значения удельного электрического сопротивления. Однако, значение ρ несколько выше, чем для твердого раствора замещения (In_100-XSn_X)₂O₃ при x≈10 ат.%.

 

Рисунок 3.1 – Зависимость удельного электрического сопротивления пленок (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X от состава

 

Для выяснения  причин этого экспериментального результата были проведены термические обработки образцов системы (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X. На рисунке 3.2 представлены зависимости ρ(x) для исследуемой системы. Видно, что до температуры T = °С вид зависимости не претерпевает существенных изменений. Однако, при малых концентрациях соединения на основе оксида олова (x < 35 ат.%) наблюдается некоторое снижение значений ρ. При отжиге при Т = 600 °С наблюдается значительное уменьшение сопротивлений в образцах с x > 40 ат.%. При малых концентрациях оксида олова наблюдается повышение значений ρ.

 

1 – в исходном  состоянии; 2 – после отжига при 300 °С в течение 30 минут; 3 – после отжига при 600 °С в течение 30 минут

 

Рисунок 3.2 – Зависимость удельного электрического сопротивления пленок (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X от состава после термической обработки

 

На Рис. 3.3 приведены температурные зависимости  сопротивления (R(T)) для различных составов Sn₂₉Si_4,3O_66,7. Зависимости имеют немонотонный характер. В области низких температур во всех исследуемых образцах наблюдается уменьшение сопротивления с ростом температуры, что свойственно полупроводниковому типу проводимости. С температуры ~350 ⁰С наблюдается значительное увеличение скорости изменения сопротивления с температурой. Температура минимальных значений R(T) зависит от концентрации Sn₂₉Si_4,3O_66,7 и изменяется от 450 до 620 °С при возрастании x от 18,4 до 47,2 ат.%. Обратный ход зависимостей имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления и монотонен во всем температурном интервале.

 

а – x = 47,2 ат. %; б – x = 41,8 ат. %; в – x = 33,3 ат. %; г – x = 18,4 ат. %

 

Рисунок 3.3 –  Температурные зависимости сопротивления пленок системы (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X

 

 

3.3 Структура  пленок (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X

 

Для интерпретации  электрических свойств системы (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X были проведены рентгеноструктурные исследования исходных образцов и после термической обработки (рисунок 3.4 - 3.6). Анализ дифрактограмм пленок в исходном состоянии показал, что при малой концентрации соединения на основе оксида олова система (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X имеет аморфно-кристаллическую структуру (Рис. 3.6 а). Кристаллическую фазу в этом случае можно идентифицировать как твердый раствор иттрия в оксиде индия. При увеличении значения x>42 ат.% в исходном состоянии структура характеризуется как рентгеноаморфная (рисунок 3.4 а, 3.5 а). Отсюда можно сделать вывод, что в данном случае оксид олова является аморфизатором в системе (Sn₂₉Si_4,3O_66,7)_X(In_35.5Y_4.2O_60,3)_100-X.