Физика
Кристаллография, физика кристаллов
Кашинцева В.Л., кандидат физико-математических наук, профессор Московского государственного строительного университета
АНОМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПРОВОДИМОСТИ ВОССТАНОВЛЕННОЙ ДВУОКИСИ ТИТАНА
Интерес к исследованию физических свойств двуокиси титана связан с широкими возможностями применения этого материала в различных областях современной техники. В данной работе описываются некоторые способы восстановления двуокиси титана и приводятся результаты исследования зависимости электрической проводимости Ti O2 от температуры.
Ключевые слова: восстановление двуокиси титана, слоистая структура, плоскости кристаллографического сдвига.
ANOMALOUS TEMPERATURE DEPENDENCE OF CONDUCTIVITY RECONDITIONED TITANIUM DIOXIDE
Expanding applicability of titanium dioxide in various areas of modern technology explains increasing interest for physical characteristics of this material. This paper describes several methods of titanium deoxi-dization and presents research results for relation of titanium dioxide dielectric conductance to temperature.
Keywords: recovery of titanium dioxide, a layered structure, crystallographic shear plane.
Кристаллическая двуокись титана Ti O2 известна как материал, на основе которого построены МОП-структуры, мазеры [l], используется в качестве широкозонных металл-
оксидных полупроводников [ 2]. Обнаруженное в последнее время способность таких полупроводников при замене небольшого, порядка 0,01, количества катионов на ионы переходного металла, например Fe, проявлять ферромагнитные свойства при комнатной температуре [3] не теряя при этом свойств полупроводника, открывает широкую область применения в
различных устройствах спинтроники [ 4].
Стехиометрически чистая двуокись титана является хорошим диэлектриком, а при восстановлении легко меняет свой стехиоментрический состав и становится полупроводником, электрическое сопротивление которого может уменьшаться до десятков Ом . см в зависимости от степени восстановления.
Восстановление двуокиси титана происходит при воздействии следующих факторов: прогрев при высокой температуре в бескислородной среде, прогрев в восстановительной газовой среде, длительное воздействие постоянного напряжения при повышенной температуре. Образцы, восстановленные в разных средах, сильно различаются между собой. В материалах, восстановленных в атмосфере водорода наблэдаются ЭПР-спектры, а в восстановленных в вакууме таковые не наблюдаются [5]. Причем, эти различия сопровождаются значительными расхождениями в зависимостях проводимости от температуры. В кристаллах, в которых наблюдаются ЭПР-спектры, зависимость проводимости от температуры изменяется на несколько порядков, тогда как в кристаллах, для которых спектры не наблюдаются, зависимость a (T) практически отсутствует.
В данной работе восстановление двуокиси титана проводилось в вакууме в интервале температур от 600 К до 1323 К. В некоторых случаях монокристаллы стехиометрического Т 02 помещались в кварцевую ампулу, в которой создавался вакуум 10-6 мм рт.ст. В некоторых случаях в ампуле присутствовали примеси пятивалентного ниобия, что способствовало получению структуры, свободной от точечных дефектов, а широкий диапазон изменения температуры позволял исследовать влияние температуры на проводимость образцов. Затем ампула нагревалась при фиксированной температуре в течение различных интервалов времени, после чего медленно охлаждалась до комнатной температуры.
Выявлена сильная зависимость удельной проводимости востановленных образцов от температуры восстановления. Оказалось, что увеличение времени восстановления гораздо меньше влияет на изменение проводимости, чем изменение температуры восстановления. При увеличении времени восстановления в 5 раз проводимость возрастает в 4 раза. Повышение же температуры восстановления на 100 К увеличивает проводимость на порядок.
В процессе восстановления получается материал со слоистой структурой [б], в котором
вероятны существенные изменения физических характеристик за счет взаимодействия плоскостей кристаллографического сдвига. На растровом электронном микроскопе были получены картины распределения плоскостей кристаллографического сдвига на сколе кристаллов восстановленной двуокиси титана вдоль оси «С». Обнаружено наличие сверхструктуры с характерными размерами порядка 10-7 м с периодом 10-6 м.
бх102 0т 1 ст 1
Температурная зависимость проводимости кристаллов Т, 0 с квазидвумерной структурой
На рисунке представлены зависимости проводимости о образцов Т 02 от температуры Т. Степень отклонения от стехиометрии при переходе от верхней кривой к нижней возрастает от 6 . 10 -5 до 1,5 . 10 -4 . Графики о (Т) хорошо аппроксимируются степенной зависимостью о ~ Т у , с показателм степени изменявшемся от 1,3 для верхней кривой до 1,0 для нижней.
Подобные температурные зависимости могут определяться наличием пластических деформаций в кристаллах. Пространственное распределение носителей в объеме кристалла оказывается сильно неоднородным, и в нем можно выделить два типа областей: обогащенные носителями области вблизи дислокаций, в которых распределение носителей вырожде-
но, и междислокационные промежутки, в которых средняя концентрация носителей мала. Если вырожденные области не перекрываются, то макроскопическая подвижность определяется переносом носителей через слои с малой концентрацией носителей, что соответствует характеру степенной зависимости a (T) .
ЛИТЕРАТУРА
1. Chester P.F. J. Appl. Phys., 1961, v. 32, N5, p. 866-868.
2. Ruebenbauer K., Wdowik U, KwaterM. Phys.Rev.B., 1996, v. 54, N6, p. 406.
3. Ogale S.B., Choudhary R.J., Buban J.P. Phys.Rev. Lett., 2003, v. 91, p. 205.
4. MacdonaldA.H., Schiffer P., Samart N. Nature Mat., 2005, v. 4, p. 195.
5. Ait-Younes N., Millot F., Gerdanian P. Solid Stat. Ionics, 1984, v. 12, p. 431-436.
6. Девятков М.Н., Кашинцева В.Л., Овчинникова Г.И. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1988, в.8, c. 32-36.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.