litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 ... 9 10

Петрозаводский государственный университет


Физико-технический факультет


Кафедра информационно-измерительных систем

и физической электроники


Электронное переключение в легированных оксидах ванадия

Магистерская диссертация


Выполнил: студент 6 курса

Артюхин Дмитрий Владимирович


Научные руководители:

к. ф.-м. н., ст. преподаватель

Пергамент Александр Лионович,

к. ф.-м. н., доцент

Березина Ольга Яковлевна


Петрозаводск, 2008

РЕФЕРАТ

Отчет 71с., 29 рис., 8 табл., 42 источника, 3 приложения.

Объектом исследования являются тонкопленочные структуры на основе оксидов ванадия и эффекты переключения в них.

Цель работы: установление основных закономерностей эффекта электронного переключения в тонкопленочных структурах на основе оксида ванадия и определение зависимости параметров переключения от условий синтеза пленок и концентрации легирующей примеси.

Создана измерительная установка, позволяющая в автоматизированном режиме исследовать параметры порогового переключения и изучать прочие электрические характеристики тонкопленочных образцов.

Разработана и апробирована методика получения тонких пленок оксида ванадия с использованием золь-гель технологии с применением алкоксидов, которая позволяет химически синтезировать интеркаляционные соединения с высоким процентным содержанием легирующей примеси.

В работе впервые экспериментально показана и теоретически обоснована возможность стабилизации параметров переключения и существенного уменьшения их статистического разброса путем легирования вольфрамом (на уровне 3 ат. %) VO2-канала переключателя.

Предложены возможные применения изученных явлений.

СОДЕРЖАНИЕ

Петрозаводский государственный университет 1


ВВЕДЕНИЕ 5

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9

1.1.Переход металл-изолятор в оксидах переходных металлов 9

1.1.1.Теоретические модели ПМИ 11

1.1.2.ПМИ в оксидах ванадия 14

1.2.Электрическое переключение в оксидах переходных металлов 18

1.2.1.Переключение в VO2 22

1.3.Методики получения тонких пленок 24

1.3.1.Золь-гель процессы 24

1.3.2.Алкоксиды ванадия и их синтез 26

1.3.2.1.Синтез алкоксидов 26

1.4.Свойства гидратированных соединений ванадия 28

1.4.1.Переключение в структурах на основе V2O5-геля 31

1.5.Выводы из обзора литературы 32

2.МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 34

2.1.Методика получения образцов 34

2.1.1.Получение пленок легированных оксидов ванадия расплавным золь-гель методом 34

2.1.2.Получение пленок алкоксидным химическим синтезом 37

2.2.Электрофизические измерения 39

2.2.1.Формовка и автоматизированное измерение вольт-амперных характеристик 39

2.2.2.Измерение температурной зависимости сопротивления 44

3.РЕЗУЛЬТАТЫ 46

3.1.Исследование электрического переключения в тонкопленочных МДМ-структурах на основе геля V2O5, полученных расплавным золь-гель методом 46

3.2.Свойства тонких пленок, полученных химическим синтезом 48

3.3.Переключение в пленках, легированных вольфрамом 50

3.4.Перспективы использования полученных в работе результатов 53

4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57

ЛИТЕРАТУРА 59

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Условия синтеза пленок по процессу золь-гель 64

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алкоксидный химический синтез 67

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа расчета ВАХ 72



ВВЕДЕНИЕ

Одно из магистральных направлений развития современной твердотельной элект­роники связано с поиском новых материалов и новых физических явлений. Именно использование нетрадиционных материалов и эффектов в них определяет прогресс в данной области, на­ряду с дальнейшим совершенствованием традиционной полупроводниковой (в основном, кремниевой) электроники. Все возрастающая степень интеграции кремниевых микросхем (включая продвижение в область наноэлектроники), увеличение их быстродействия и расширение функциональных возможностей не только требуют огромных затрат и усилий, но и имеют естественные фундаментальные ограничения. Развиваемые в настоящее время альтернативные подходы сводятся, в основном, к таким направлениям, как сверхпроводниковая и молекулярная электроника, одноэлектроника, оптоэлектроника, спинтроника, оксидная электроника [1].

Оксиды переходных металлов (ОПМ) представляют собой один из наиболее перспективных классов веществ с точки зрения их использования для конструирования функциональных элементов оксидной электроники [2]. Благодаря существованию незаполненных электронных d-оболочек, в соединениях с кислородом элементы переходных групп образуют сложные системы фаз с переменной валентностью, обладающие широким спектром различных физико-химических свойств. Неординарные свойства соединений переходных металлов обусловлены спецификой поведения d-электронов: малая пространствен­ная протяжённость волновых функций d-электронов приводит к образованию уз­ких зон, а поведение электронов в таких зонах характеризуется сильными межэлектронными корреляциями. Одним из проявлений электронно-корреляционных эффектов является фазовый переход металл-изолятор (ПМИ), имеющий место в целом ряде оксидов переходных металлов [3]. Так, в диоксиде ванадия ПМИ происходит при температуре Tt = 340К и сопровождается изменением электропроводности σ материала в области перехода до 5 порядков величины. При этом параметры перехода (величина Tt, скачок σ и др.) зависят от различных факторов, в частности от наличия примесей. Например, легирование вольфрамом в пределах до ~10 ат. % приводит к снижению Tt VO2 в широких пределах – на десятки и сотни градусов [4].


Для многих оксидов переходных металлов характерно также явление переключения, связанное с развитием токовых неустойчивостей в сильных электрических полях, приводящих к появлению на вольтамперных характеристиках участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). В ОПМ (в том числе, в VO2) эффекты переключения с S-образными ВАХ обусловлены электронно-индуцированным переходом изолятор-металл, происходящим в сильном электрическом поле [5]. Совершенно очевидно, что явление ОДС потенциально перспективно для разработки всевозможных электронных устройств и приборов, включая переключатели, генераторы, усилители, элементы логики и памяти, датчики и т.д. [6]

Отметим, однако, что интерес к явлениям переключения и ПМИ обусловлен не только возможностью их практического использования, но и их актуальностью с точки зрения решения целого ряда фунда­ментальных проблем физики твёрдого тела. К числу таких проблем относятся коллективные (многоэлектронные) эффекты в металлах и полупроводниках, которые, собственно, и лежат в основе механизма ПМИ. Если перек­лючение обусловлено переходом металл-изолятор, как, например, в VO2, то такие исследования могут дать дополнительную ин­формацию о влиянии электронных эффектов на ПМИ, что, безусловно, важно для понимания физического механизма данного фазового перехода [3-5,7].

Вышесказанным определяется актуальность данной работы.

Цель работы заключалась в установлении основных закономерностей эффекта переключения в тонкопленочных структурах на основе оксида ванадия и определении зависимости параметров переключения от условий синтеза пленок и концентрации легирующей примеси. Для достижения данной цели в работе решались следующие задачи:


  1. отработка технологии (золь-гель метод) для получения образцов тонких пленок оксидов ванадия;

  2. изучение влияния легирования вольфрамом на свойства пленок;
  3. разработка и реализация экспериментальных методик, необходимых для установления закономерностей эффектов переключения;


  4. экспериментальное установление основных закономерностей процессов переключения в исследуемых структурах;

  5. определение характера и степени влияния концентрации легирующей примеси (W) на параметры ВАХ (пороговое напряжение и др.).

Выносимые на защиту положения сформулированы в виде основных результатов и выводов работы, представленных в Заключении.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в настоящей работе впервые экспериментально показана и теоретически обоснована возможность стабилизации параметров переключения и существенного уменьшения их статистического разброса путем легирования вольфрамом (на уровне 3 ат. %) VO2-канала переключателя.

Практическая значимость работы определяется тем, что:

  1. Создана автоматизированная измерительная установка, повышающая качество проводимых экспериментов по исследованию порогового переключения в тонкопленочных образцах, которая в дальнейшем может быть использована как в учебном процессе, так и научно-исследовательской работе.

  2. Разработана и апробирована методика получения тонких пленок оксида ванадия с использованием золь-гель технологии с применением алкоксидов, которая позволяет химически синтезировать интеркаляционные соединения с высоким процентным содержанием легирующей примеси.

  3. Предложены возможные применения изученных явлений. Так, например, эффект переключения может быть использован при создании датчика температуры на основе гидратированного пентаоксида ванадия, легированного вольфрамом, с более стабильными основными параметрами по сравнению существующими аналогами.

Апробация работы. Основные результаты были доложены на научных семинарах в лаборатории микро- и наноэлектроники научно-образовательного центра «Плазма» ПетрГУ и лаборатории химии и физики полупроводниковых материалов химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также на следующих конференциях:


    • Тринадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2007);

    • Десятая Международная научная конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 2006),

и опубликованы в виде материалов конференций и статей:

  1. Артюхин Д.В., Березина О.Я., Стрелков А.Н. Исследование эффекта переключения в оксидах переходных металлов // Тринадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-13): Материалы конференции, тезисы докладов. Екатеринбург: Изд-во АСФ России, 2007. С.182-184.

  2. Пергамент А. Л., Стефанович Г. Б., Величко А. А., Путролайнен В. В., Черемисин А. Б., Артюхин Д. В, Стрелков А. Н. Эффекты переключения и памяти в структурах на основе оксидов переходных металлов // Сборник трудов Десятой Международной научной конференции и школы-семинара "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (ПЭМ-2006). - Таганрог, 2006. - Ч.1, С.96-99.

  3. Березина О.Я., Величко А.А., Луговская Л.А., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Артюхин Д.В., Стрелков А.Н. Влияние примеси вольфрама на свойства пленок оксидов ванадия // Письма в ЖТФ. 2007. Т.33. В.13. С.24-31.




следующая страница >>