РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 8, с. 839-850
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.874;537.624
СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ АМОРФНЫХ НАНОГРАНУЛИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ "МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК"
© 2015 г. И. В. Антонец1, Л. Н. Котов1, О. А. Кирпичёва1, Е. А. Голубев2, Ю. Е. Калинин3, А. В. Ситников3, В. Г. Шавров4, В. И. Щеглов4
Сыктывкарский государственный университет Российская Федерация, 167001 Сыктывкар, Октябрьский просп., 55 2Институт геологии Коми НЦУро РАН Российская Федерация,167982 Сыктывкар, ул. Первомайская, 54
3Воронежский государственный технический университет Российская Федерация, 394026 Воронеж, Московский просп., 14
4Институт радиотехники и электроники РАН Российская Федерация, 125009 Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7 E-mail: vshcheg@cplire.ru Поступила в редакцию 01.02.2011 г.
Экспериментально исследована статическая проводимость, отражение и прохождение электромагнитных волн через тонкие пленки гранулированных аморфных металл-диэлектрических наноком-позитов, в качестве одного из компонентов содержащих цирконий. Показано, что динамическая проводимость в диапазоне СВЧ на два-три порядка превышает статическую, измеренную на постоянном токе. Для объяснения этого явления предложен механизм внутригранулярных токов. Даны рекомендации для проведения дальнейших исследований.
DOI: 10.7868/S0033849415070013
ВВЕДЕНИЕ
Значительное внимание исследователей, техников и технологов привлекают наногранулиро-ванные композиты "металл—диэлектрик" [1, 2], в первую очередь пленки, содержащие наногранулы металла в диэлектрической матрице [3, 4]. В последнее время усилилось внимание к композитам, содержащим магнитные наночастицы, особенно Бе и Со, проявляющим наряду с гигантским маг-нитосопротивлением уникальные анизотропные и структурные свойства [5, 6]. Вместе с тем в технике СВЧ все большее значение приобретают различные метаматериалы — композиты, свойства которых определяются их структурой, состоящей из множества отдельных элементов [7]. Важными примерами таких материалов являются фотонные и магнонные кристаллы [8, 9], проявляющие "левые" волноведущие свойства [10, 11] благодаря искусственно созданной периодической структуре. Наноструктурные металл-диэлектрические пленки также могут быть отнесены к особому классу подобных материалов, распределение металлических гранул внутри которых носит хаотический характер [12]. Использование ферромагнитного металла в такой наноструктуре обусловливает не толь-
ко проявление гигантского магнитосопротивления [13], но и высокий уровень поглощения СВЧ-излу-чения [14].
Наряду с возможностью применения таких структур в устройствах обработки информации, представляет интерес исследование их физических свойств. Так, аморфные пленки наноком-позитов (Со45Ре457г10) ^ (А1203) позволяют исследовать квантовые механизмы электропроводности, намагничивания и других свойств в широком диапазоне составов до и после порога перколяции [5, 6, 15—17]. Мультислойные структуры [(СоРе7г)х(А120зХ_х/(а - 81И)]„ проявляют высокую магнитную проницаемость (до нескольких сотен) в диапазоне частот до 50 МГц, что объясняется образованием магнитоупорядоченной структуры [18]. Типичный размер гранул при этом составляет 3... 5 нм, зависит от толщины пленок и связан с концентрацией металла линейной зависимостью [18, 19].
Большинство работ по гранулированным нано-композитам посвящено природе их электрических свойств, в частности, температурной зависимости проводимости, для описания которой предложены
модель активированного туннелирования через диэлектрические барьеры (Шенга—Абелеса) [18, 20, 21], термоактивируемой прыжковой проводимости с учетом разброса размеров гранул [19], а также модель неупругого резонансного туннели-рования [22, 23].
Вместе с тем и при комнатных температурах аморфные нанокомпозиты проявляют немало интересных свойств. В первую очередь это касается СВЧ процессов, где наблюдается аномальное (до двух порядков) увеличение ширины линии ферромагнитного резонанса (ФМР) по сравнению с чистыми металлами [24]. Ряд аномалий проявляет электронный транспорт, успешно изучаемый методами спин-волновой спектроскопии [25—27].
Некоторые СВЧ-свойства аморфных нано-гранулированных пленок описаны в работе [28], однако представленные там результаты носят предварительный характер. В работе [29], относящейся к гранулированным композитам состава (Со4^е4^г10)^(А1203) , показано, что динамическая проводимость таких пленок в диапазоне СВЧ может превышать статическую в несколько раз. Для объяснения этого явления предложены механизмы емкостного шунтирования, эффективной диэлектрической проницаемости и внут-рикластерных токов. В работе [30], где исследованы пленки состава (Со45Бе457г10) ^ ^г203) , показано, что в этом случае различие динамической и статической проводимостей является гигантским и может достигать четырех порядков.
В работе [15] исследованы частотные свойства отражения СВЧ-сигнала от пленок состава (Со45Бе457г10) х (А1203 в диапазоне 10... 25 ГГц. Выявлено увеличение коэффициента отражения при увеличении частоты, достигающее полутора раз, интерпретированное на основе емкостного механизма.
Однако исследования, описанные в этих работах, являются недостаточно полными. Так, отсутствуют сведения о структуре и морфологии поверхности пленок, недостаточно рассмотрена роль концентрации металла при формировании проводимости, отсутствуют данные о прохождении и поглощении сигнала СВЧ в пленках. Остается неясной роль компонентного состава диэлектрической матрицы в формировании проводимости пленок, отсутствует объяснение гигантской величины различия проводимостей. При использовании емкостного механизма для описания частотной зависимости отражения отсутствует учет геометрии гранул, что снижает достоверность интерпретации экспериментальных результатов.
Данная работа посвящена дальнейшему экспериментальному исследованию пленок нано-гранулированных композитов, в первую очередь соотношению статической и динамической про-
водимостей, а также свойствам отражения и прохождения сигнала СВЧ в широком диапазоне частот. Далее предполагается развитие теоретических положений, объясняющих полученные экспериментальные результаты, чему будет посвящена отдельная работа.
1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК
В работе были исследованы пленки наногранулиро-ванных композитов состава (Со^Ре^г^^ГгО^^, представлявших собой металлические гранулы Co—Fe—Zr, вкрапленные в диэлектрическую матрицу Zr203, причем концентрация металлической фазы х составляла от 0.54 до 0.78. Пленки были получены методом ионно-лучевого напыления в атмосфере азота при давлении 0.08...0.10 Па на подложках из лавсана толщиной 0.02 мм размером 21 х 28 см2 с применением методики экранирования [31, 32]. Для изготовления пленок столь большой площади использовались составные мишени, расположенные по кругу в цилиндрической вакуумной камере, по образующей которой закреплялась гибкая (лавсановая) подложка. Технология получения таких пленок была разработана в Воронежском государственном техническом университете и наиболее подробно описана в работах [31-34].
Гранулированный характер пленок проверяли методом просвечивающей электронной микроскопии (как при непосредственном наблюдении, так и путем дифракции электронов [31, 35, 36]) на контрольных образцах, выполненных на подложках из №С1 в виде пленок толщиной до 100 нм (для обеспечения возможности просвечивания). Напыление контрольных пленок проводилось в тех же условиях, что и основных пленок, но за более короткое время. Так, при типичной скорости напыления 25 нм/мин время изготовления основных пленок составляло от 2 до 24 мин, а контрольных — не более 4 мин. Типичный размер гранул в исследованных пленках составлял 2.. .7 нм.
Аморфный характер металлических гранул определялся по высокой степени размытия кольцевых дифракционных гало на электронных микрофотографиях [32, 37].
Методика экранирования [32] позволяла в одном технологическом цикле на протяженной подложке формировать слой композита с непрерывно меняющейся толщиной от 50 до 600 нм. Для последующих измерений из общей подложки были вырезаны образцы, размер которых (до 1.5 х 4.5 см2 ) полностью перекрывал окно волновода панорамного спектрометра, используемого при СВЧ-изме-рениях (см. далее). Было исследовано 12 образцов пленок одинакового состава со средней толщи-
ной от 70 до 550 нм. Благодаря изменению толщины пленки по длине исходной подложки, толщина пленок в пределах каждого образца линейно менялась от одного края образца до другого, отклоняясь на концах от среднего значения на ±20 нм. Точное значение толщины контролировалось с помощью сканирующего электронного микроскопа путем наблюдения в торец пленки по 15 точкам, распределенным равномерно по длине образца.
Топография поверхности пленок исследовалась с помощью атомно-силового микроскопа по методике, описанной в [38—40]. Для сканирования использовались кантилеверы с радиусом закругления зонда около 10 нм.
На всех пленках наблюдался четко выраженный зернистый характер поверхности, подобный описанному в [38—40]. Зерна имели, как правило, округлую форму, причем их размер составлял от 30 до 100 нм и увеличивался с увеличением толщины пленки. Между зернами наблюдались углубленные промежутки — поры, размер которых составлял от диаметра зерен 20.. .200%.
В пленках толщиной менее 200 нм зерна наблюдались в виде островковых скоплений плотно упакованных частиц. Между скоплениями имелись многочисленные поры, размер которых, как правило, превышал размер зерен. В более толстых пленках (200...600 нм) зерна образовывали сплошное покрытие подложек, причем размер пор, занимавших промежутки между зернами, был меньше размеров зерен.
В некоторых пленках наблюдались одновременно зерна, имевшие два характерных размера. Так, например, в пленке толщиной 70 (±20) нм эти размеры составляли 29 ± 5 и 43 ± 5 нм, в пленке толщиной 400 (±20) нм — 67 ± 8 и 99 ± 8 нм. При этом количество зерен меньшего размера на какой-либо ограниченной площадке пленки в 2—3 раза превышало количес
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.