Пространственно-временная нестабильность протекания тока в плёнках диоксида ванадия вблизи фазового перехода полупроводник-металл тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Бортников Сергей Григорьевич

• Бортников Сергей Григорьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Бортников Сергей Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Электрические явления при фазовом переходе полупроводник-металл в диоксиде ванадия

1.1. Современный взгляд на природу фазового перехода полупроводник-металл в диоксиде ванадия

1.2. Методы синтеза диоксида ванадия

1.3. Автоколебания электрического тока в диоксиде ванадия

1.4. Стохастический резонанс в диоксиде ванадия

1.5. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. Синтез пленок оксидов ванадия и создание на их основе планарных микроструктур

2.1. Рост пленок оксидов ванадия методом ионно-лучевого распыления-осаждения

2.2. Влияние экспериментальных условий роста пленок оксидов ванадия на их структуру

2.3. Создание планарных микроструктур на основе пленок оксидов ванадия

2.4. Электрофизические характеристики планарных микроструктур с

пленками оксидов ванадия

Выводы

ГЛАВА 3. Автоколебания электрического тока в пленках диоксида ванадия

3.1. Автоколебания тока в планарных микроструктурах с пленкой диоксида ванадия

3.2. Динамика температурного поля пленки диоксида ванадия при возникновении автоколебаний тока

3.3. Электрическая емкость планарных микроструктур с пленкой диоксида ванадия вблизи фазового перехода полупроводник-металл

3.4. Тепловая модель автоколебаний тока в пленке диоксида ванадия

Выводы

ГЛАВА 4. Стохастический резонанс в пленках диоксида ванадия

4.1. Электрическая схема для наблюдения стохастического резонанса в пленках оксидов ванадия

4.2. Экспериментальные результаты по исследованию стохастического резонанса в пленках оксидов ванадия

4.3. Механизм возникновения стохастического резонанса в пленках

диоксида ванадия

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Список основных обозначений:

АСМ - атомно-силовая микроскопия АЧТ - абсолютно черное тело ВАХ - вольт-амперная характеристика ДБЭ - метод дифракции быстрых электронов ИК - инфракрасный

ОДС - отрицательное дифференциальное сопротивление СР - стохастический резонанс ТГц - терагерцовый

ТКС - температурный коэффициент сопротивления ФППМ - фазовый переход полупроводник-металл

IBSD - метод ионно-лучевого распыления-осаждения (Ion Beam Sputtering Deposition)

RR - коэффициент отношения сопротивлений пленки при фазовом переходе полупроводник-металл (Resistance Ratio)

SNR - отношение сигнал-шум, отношение мощности сигнала к мощности

шума (Signal-to-Noise Ratio)

SNRin - отношение сигнал-шум на входе схемы

SNRout - отношение сигнал-шум на выходе схемы

VO2 - диоксид ванадия

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственно-временная нестабильность протекания тока в плёнках диоксида ванадия вблизи фазового перехода полупроводник-металл»

Актуальность проблемы

В настоящее время в микроэлектронике широко используются функциональные материалы, которые благодаря своим уникальным свойствам позволяют создать на их основе различные типы устройств: энергонезависимую память, термохромные оптические покрытия, датчики температуры, давления, потока газа и т.д. Поиск новых материалов, исследование их свойств и описание характеристик приборов на их основе являются одними из важнейших направлений современной физики. Разработка новых устройств, основанных на глубоком понимании процессов, происходящих в материале, выяснение механизмов ответственных за конкретные свойства материалов, а также явлений, происходящих в них, являются одними из главных задач физики конденсированного состояния.

Одними из интереснейших материалов с точки зрения их электрофизических и оптических свойств являются оксиды переходных металлов: N10, СоО, оксиды ванадия и т.д. Такие материалы имеют частично заполненные электронами d- или ^оболочки атомов и с точки зрения зонной теории являются металлами, однако, имеют запрещенную зону (Мотт-Хаббардовская щель) в электронном спектре и при определенных условиях, например при изменении давления или температуры, в них наблюдается фазовый переход полупроводник-металл (Ф1111М).

В диоксиде ванадия (V02) при температуре около 341 К происходит ФППМ, сопровождаемый изменением электропроводности до 5 порядков и одновременным изменением симметрии кристалла с моноклинной на тетрагональную с уменьшением вдвое объема элементарной ячейки (структурный переход Пайерлса). Долгое время считалось, что именно переход Пайерлса ответственен за ФППМ в V02. Однако последние исследования показывают, что ФППМ в V02 может являться переходом Мотта, обусловленным межэлектронным взаимодействием, а структурный

переход является вторичным явлением, сопровождающим электронный ФППМ. К настоящему времени известно, что ФППМ в VO2 может быть инициирован различными способами: изменением температуры, приложением электрического поля, фотонной засветкой и механическим напряжением в материале [1-5].

В 2008 году были обнаружены автоколебания тока и напряжения в пленке VO2 в электрической схеме, не содержащей каких-либо реактивных компонентов [6, 7]. Схема включала лишь источник постоянного напряжения, поликристаллическую пленку VO2 и последовательное ей сопротивление. Автоколебания заключались в периодическом, с частотой до 1 МГц, изменении значений напряжения и тока, проходящего через пленку VO2. В настоящее время предполагается, что при автоколебаниях вся по объему пленка VO2 поочередно переходит из полупроводникового состояния в металлическое, а переключение из одного состояния в другое происходит под действием электрического поля по механизму Мотта без существенного изменения температуры пленки. В рамках этой модели трудно объяснить, почему электрическое сопротивление пленки VO2 при автоколебаниях изменяется не более чем на 1-2 порядка, в то время как электрическое сопротивление полупроводникового состояния отличается от такового в металлическом состоянии на 2-3 порядка. Также непонятна причина, вызывающая обратный переход металл-полупроводник - для этого в модель привлекается некоторая искусственная возвращающая сила (restoring force) [6, 8]. Предполагая, что ФППМ в VO2 на частотах ~1 МГц вызван не нагревом материала протекающим током до температуры структурного фазового перехода (341 К) и последующим остыванием, тепловыми процессами в пленке VO2 при рассмотрении автоколебаний тока обычно пренебрегают, и их роль в настоящее время остается невыясненной. Несмотря на неясность механизмов ответственных за автоколебания тока в VO2, на основе этого явления уже создаются модуляторы электрического сигнала и электрические переключатели [9]. Автоколебания тока в VO2

наблюдаются и в планарных микроструктурах, и в сэндвич-структурах, что позволяет создавать массивы V02-осцилляторов с высокой плотностью и применять их как в микроконтроллерах для задания тактовой частоты, так и в качестве быстродействующих инверторов [10].

Известно также, что V02 нашел практическое применение для создания устройств детектирования и визуализации инфракрасного (ИК-) и терагерцового (ТГц-) излучения в качестве чувствительного слоя микроболометрических матриц [11, 12]. Способность детектора обнаруживать слабые сигналы характеризуется не только его чувствительностью, но и уровнем собственных шумов, или соотношением сигнал-шум на входе (SNRin) и выходе (SNRout) детектора. В обычном детекторе SNRout<SNRin, поскольку сам детектор привносит шум в систему регистрации. На основе явления стохастического резонанса (СР) в нелинейной системе [13] можно создать «супер» детектор, для которого SNRout>SNRm [14]. Явлению СР в нелинейной системе с пленкой V02 посвящено лишь несколько работ [15, 16], и в настоящее время это явление остается практически неизученным.

Цель и задачи работы

Целью работы было выяснение механизмов, ответственных за автоколебания тока и стохастический резонанс в поликристаллических пленках V02. Работа заключалась в решении следующих задач:

1. Исследование температурного поля пленки V02 при автоколебаниях тока и выяснение роли тепловых процессов.

2. Измерение температурной зависимости электрической емкости планарных микроструктур с пленкой V02 в температурном диапазоне, включающем фазовый переход полупроводник-металл.

3. Выяснение основных закономерностей стохастического резонанса, определение коэффициента передачи отношения сигнал-шум, а также влияние состава пленок на характеристики стохастического резонанса.

Научная новизна работы

В результате исследования были получены новые экспериментальные результаты по автоколебаниям тока и стохастическому резонансу. На основе полученных результатов предложены модели этих явлений.

1. Впервые исследовано температурное поле микроструктуры с пленкой У02 при автоколебаниях тока и напряжения. Установлено, что автоколебания сопровождаются образованием и диссипацией узкого разогретого проводящего канала в пленке - явление пространственно-временной нестабильности протекания тока в пленке У02. При автоколебаниях температура в канале превышает 390 К, что существенно превосходит температуру структурного фазового перехода Пайерлса в У02 (341 К).

2. Впервые проведены измерения электрической емкости планарных микроструктур с пленкой У02, которые показали, что при нагреве до температуры структурного фазового перехода полупроводник-металл электрическая емкость пленки может возрасти на 5 порядков, что не учитывалось в предыдущих моделях автоколебаний тока.

3. Предложена тепловая модель автоколебаний тока в У02, основанная на джоулевом разогреве пленки У02 и шнуровании тока в пленке. Положительную обратную связь в модели осуществляет электрическая емкость пленки У02, аномально возрастающая вблизи температуры структурного фазового перехода полупроводник-металл в У02.

4. Впервые исследовано явление стохастического резонанса в планарных микроструктурах с поликристаллическими пленками У02 и У6013 с У02-каналом, и предложена тепловая модель стохастического резонанса в У02.

Научная и практическая значимость работы

Большой практический интерес вызывает способность ФППМ в V02 происходить за сверхкороткие времена (100 фс), а также близость температуры ФППМ к комнатной. В настоящее время интерес к ФППМ в V02 сместился от чисто научного к инженерному: на его основе создаются модуляторы излучения [17], смарт-стекла [18], электрические переключатели [9], гибридные метаматериалы [19, 20], устройства хранения данных [21, 22].

На основе полученных экспериментальных результатов в настоящей работе решена актуальная и практически значимая задача для развития физики конденсированного состояния - создана модель, описывающая автоколебания тока в V02, способная объяснить шнурование тока и высокую температуру в образующемся узком проводящем канале в пленке при автоколебаниях. Возможность возбуждения автоколебаний тока в пленках V02 позволяет инициировать ФППМ без использования высокочастотных генераторов, при этом частотой автоколебаний можно управлять величиной напряжения/тока через пленку. В результате исследования были получены доказательства первостепенной роли тепловых процессов ответственных за ФППМ при автоколебаниях тока в пленках V02, и обнаружен аномальный рост электрической емкости пленки вблизи ФППМ. В работе также исследовано явление стохастического резонанса (СР) в пленках V02, и предложена тепловая модель этого явления. Получены результаты по исследованию СР для пленки V02 и пленки V6013 с узким V02-каналом. Помимо того, что СР в V02 позволяет выделить и усилить слабый сигнал на фоне шума и помех, это явление способно также обеспечить скрытость передачи информации.

Положения, выносимые на защиту

1. Автоколебания тока в поликристаллических пленках V02 сопровождаются обратимыми процессами образования и исчезновения узкого проводящего

канала в пленке, разогретого выше температуры структурного фазового перехода полупроводник-металл (перехода Пайерлса).

2. Электрическая емкость поликристаллической пленки У02 в планарной микроструктуре в области температур вблизи фазового перехода полупроводник-металл испытывает аномальный рост. Положительная обратная связь при автоколебаниях тока осуществляется за счет электрической емкости пленки У02 вблизи температуры фазового перехода полупроводник-металл.

3. В микроструктурах с пленками У02 явление стохастического резонанса обусловлено тепловыми процессами в пленке.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах и 9 тезисов докладов в сборниках трудов российских конференций.

Достоверность и надежность представленных результатов обеспечивается использованием современных методов экспериментального исследования, воспроизводимостью результатов и применением апробированных моделей для расчета электрофизических характеристик.

Личный вклад соискателя заключался в участии в синтезе поликристаллических пленок У02, проведении электрофизических измерений, выполнении численных расчетов, написании научных статей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов. Объем диссертации составляет 109 страниц, включая 52 рисунка. Список цитированной литературы содержит 88 наименований.

ГЛАВА 1. Электрические явления при фазовом переходе полупроводник-металл в диоксиде ванадия.

Объектом исследования в данной работе являются поликристаллические пленки V02, которые проявляют нелинейные электрофизические свойства вследствие существования в V02 фазового перехода полупроводник-металл. Известно, что в нелинейных материалах наблюдается пространственно-временная нестабильность протекания электрического тока [23, 24], и хотя автоколебания тока и стохастический резонанс в V02 экспериментально наблюдались и ранее, эти явления не рассматривались как проявление пространственно-временной нестабильности нелинейной системы. В главе представлены существующие в научной литературе представления о природе ФППМ и механизмах автоколебаний тока и стохастического резонанса в диоксиде ванадия. Также представлены методы синтеза пленок V02. Сформулированы основные задачи настоящего исследования.

1.1. Современный взгляд на природу фазового перехода полупроводник-металл в диоксиде ванадия

В 1956 году впервые было обнаружено изменение симметрии кристаллической решетки V02 с моноклинной на тетрагональную при температуре 340 К [25]. В 1959 году для монокристаллов V02 при этой температуре был обнаружен скачок проводимости на 3 порядка [1]. В последующих работах был получен коэффициент изменения проводимости в монокристаллах при ФППМ до 105 [26]. Изначально считалось, что именно структурный переход при Т=340 К ответственен за ФППМ, однако последующие эксперименты [27] свидетельствовали о том, что ФППМ может происходить независимо от структурного перехода по механизму Мотта.

Ниже 340 К диоксид ванадия имеет моноклинную структуру М1 (Рис. 1.1.1а). В этой кристаллической структуре материал является

полупроводником. При повышении температуры М1 переходит в М2 через промежуточную триклинную структуру Т и затем переходит в рутиловую тетрагональную структуру Я. У02 с рутиловой кристаллической структурой Я является металлом. В рутиловой фазе атомы ванадия располагаются эквидистантно, а элементарная ячейка содержит два атома ванадия. При охлаждении материала элементарная ячейка У02 в М1 фазе удваивается (структурный переход Пайерлса) из-за спаривания двух элементарных Я ячеек и наклона V атомов относительно кристаллографических осей, как показано стрелками (Рис. 1.1.1а).

Рис. 1.1.1. а - кристаллическая структура диоксида ванадия [28], б - энергетическая схема заполнения молекулярных орбиталей, поясняющая ФППМ[29].

Изменение энергетической схемы заполнения молекулярных орбиталей при ФППМ происходит следующим образом (Рис.1.1.1б). Для V02 в тетрагональной фазе, электрическое поле V06-лигандов (октаэдров)

расщепляет ё-орбиталь на ^ и её [30]. Орбитали dz2 и ёх2-у2 направлены вдоль линий У-0 и образуют прочную связывающую и разрыхляющую а-связи. Орбиталь t2g в дальнейшем расщепляется из-за искажений в У06 октаэдре. и dyz образуют боковые п-связи с лигандами. Оставшаяся ёху орбиталь, номинально являющаяся несвязывающей, направлена вдоль линий У-У и образует ё|| зону проводимости. При охлаждении У02 происходит спаривание и наклон У06 октаэдров. Наклон приводит к лучшему п-перекрытию между У ^ и 0 2р орбиталями и к росту энергии разрыхляющей связи п*. ёц зона уже не является несвязывающей в моноклинной фазе У02 и расщепляется на ёц-связывающую и ёц-разрыхляющую зоны. Оставшиеся ё-электроны, по одному от каждого У атома, полностью заполняют ё||-связывающую зону. Таким образом, между заполненной ё||- и пустой п*-зонами, которая теперь выше по энергии, чем в тетрагональной фазе У02, образуется энергетическая щель, и У02 переходит из металлического состояния в полупроводниковое.

На протяжении более 50 лет остается открытым вопрос, предшествует ли структурному переходу Пайерлса переход Мотта и возможно ли экспериментально раздельное наблюдение перехода полупроводник-металл и структурного перехода. Переход полупроводник-металл в У02 может происходить за очень короткие времена ~100 фс [31] а, как показывают оценки, тепловой разогрев не может происходить столь быстро [32]. Поэтому есть основания полагать, что при достижении температуры ~340 К, когда концентрация носителей заряда превышает некоторую критическую, удовлетворяющую критерию Мотта [33], происходит переход полупроводник-металл, обусловленный электронными корреляциями, способный происходить за столь короткие времена. Возможно, что переход Мотта инициирует структурный переход в У02 [29]. Хотя структурный переход в У02 давно исследован методами рентгеновской и электронной дифракций, однозначных экспериментальных результатов, подтверждающих данное предположение нет. Например, переход Мотта в У02 наблюдался в работе [34], где одновременно измерялись контраст отраженного света и

дифракционные рефлексы от У02-вискера с помощью оптического и электронного микроскопов. Изменение контраста отраженного света свидетельствовало о ФППМ в У02, хотя структурный переход по дифракционным рефлексам не наблюдался. В работе [31] на экспериментальной установке для сверхбыстрых оптических измерений, при фотонной засветке пленки У02 наблюдался одновременно и структурный фазовый переход и переход полупроводник-металл за времена ~100 фс. Как полагают авторы, температура пленки при фазовом переходе не изменялась, и ФППМ происходил при комнатной температуре, поскольку из расчетов следовало, что пленка не могла значительно нагреться за столь короткое время.

Рис.1.1.2. а - ВАХполикристаллической пленки У02 [35], б - зависимость коэффициентов пропускания и отражения пленки У02 вблизи ФППМ [36].

При ФППМ в У02 изменяются как электрофизические, так и оптические свойства. Например, при пропускании через образец У02 тока можно наблюдать изменение его электропроводности при некотором критическом напряжении. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) (Рис. 1.1.2а) поликристаллической пленки У02 в схеме с последовательной нагрузкой и источником напряжения имеет Б-образную характеристику [35]. На ВАХ имеется высокоомная полупроводниковая ветвь и низкоомная металлическая.

Переход пленки VO2 из высокоомного состояния в низкоомное может происходить за наносекунды [27]. Оптические свойства пленок VO2 изучались, например, в работе [36]. При разогреве пленки выше температуры фазового перехода пленка переходит в металлическое состояние, ее оптические константы изменяются, и пленка способна отражать ИК-излучение (Рис.1.1.2б). Таким образом, изменяя температуру пленки VO2, можно модулировать интенсивность прошедшего и отраженного излучения.

1.2. Методы синтеза диоксида ванадия

Проявляя нелинейные электрофизические и оптические свойства вблизи температуры фазового перехода полупроводник-металл, диоксид ванадия привлекает внимание, как исследователей, так и индустрии. Возможность использования пленок VO2 в электронике стимулировала поиск различных методов синтеза материала. В настоящее время наиболее распространены метод химического осаждения (CVD, Chemical Vapor Deposition), золь-гель метод, распыляющие методы (Sputtering PVD, Sputtering Physical Vapor Deposition) и метод импульсного лазерного осаждения (PLD, Pulsed Laser Deposition).

CVD-метод - распространенный в индустрии метод нанесения тонких пленок высокого качества. Этим методом в 1966 году были впервые получены объемные монокристаллы VO2 [37], а через год тем же методом -пленки VO2 [38]. В работах [39, 40] было показано, что состав пленок сильно зависит от состава транспортного газа и материала подложки.

Золь-гель метод широко применяется для осаждения VO2 пленок из-за низкой себестоимости и возможности их нанесения на большой площади, а также возможности их легирования (W, Nb). Обычно на вращающуюся подложку наносят VO(OC3H7)3 в растворе спирта, после чего проводят отжиг[41, 42].

Распыление (sputtering deposition) - одна из форм процесса вакуумного напыления (PVD). Метод распыления мишени был впервые использован для

роста VO2 в Bell Telephone Laboratories в 1967 году [43]. Наиболее известные из методов распыления - это DC-распыление, магнетронное распыление и ионно-лучевое распыление-осаждение (IBSD, Ion Beam Sputtering Deposition). Основным преимуществом распыляющих методов является высокая плотность получаемых пленок, недостижимая другими методами.

Метод лазерной абляции (PLD) - сравнительно молодой метод, стал наиболее популярен для создания наночастиц VO2 и тонких пленок. В этом методе мощный лазерный пучок фокусируется на мишень, распыляет ее, а продукты осаждаются на подложку, расположенную напротив мишени. При росте VO2 процесс происходит в присутствии O2. При использовании PLD метода пленки VO2 могут наноситься как на горячую подложку [44, 45], так и находящуюся при комнатной температуре [46]. С помощью данного метода можно получать очень тонкие слои, а при последующем отжиге - отдельные наночастицы [47].

В России рост поликристаллических пленок VO2 представлен методами PLD [48], магнетронного распыления [49] и анодного оксидирования металлического ванадия [50]. В настоящей работе поликристаллические пленки VO2 синтезированы методом IBSD. Поскольку этот метод является достаточно новым, его освоение и рост пленок VO2 этим методом является практически важной и значимой задачей.

1.3. Автоколебания электрического тока в диоксиде ванадия

Первое сообщение об обнаружении автоколебаний электрического тока и напряжения в монокристалле VO2 появилось в 1975 году [51]. Схема, в которой наблюдались автоколебания, состояла из источника напряжения и сопротивления, подключенного последовательно к образцу VO2 (Рис.1.3.1а). В работе использовались образцы макроскопических размеров: 2 мм в длину и по 1 мм в ширину и высоту. Сопротивление образцов изменялось на 3-4 порядка при нагреве до температуры ФППМ.

Рис. 1.3.1. а - схема, в которой наблюдались автоколебания напряжения, б - ВАХ У02-образца при 55°С (1 В/дел, 1 мА/дел), в - осциллограмма напряжения при автоколебаниях напряжения в точке С (0.5 В/дел, 1 мс/дел) [51].

Форма наблюдавшихся автоколебаний напряжения была прямоугольной. Автоколебания начинались в точке В (Рис. 1.3.16). На различных участках ВАХ стабильность автоколебаний была различной. На участке ВС возникали устойчивые колебания, а на ББ и СЭ - неустойчивые. Стоит заметить, что устойчивые автоколебания напряжения наблюдались в области положительного дифференциального сопротивления, в то время как в последующих работах автоколебания наблюдались только в области отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) на ВАХ [6, 8, 10]. При нагревании образца от комнатной температуры до 328 К уменьшалась амплитуда автоколебаний тока, и их частота уменьшалась с 0.9 кГц до 0.3 кГц, в отличие от [9], где частота автоколебаний с ростом температуры увеличивалась. Автоколебания продолжались вплоть до температуры 341 К и при более высоких температурах пропадали. При использовании образцов

различной длины наблюдалась зависимость частоты автоколебаний от длины образца: при увеличении длины с 2 до 6 мм, частота уменьшалась с 5 до 1 кГц. Если температуру образца поддерживать постоянной, то с увеличением в нем рассеиваемой электрической мощности наблюдалось увеличение амплитуды автоколебаний и уменьшение их частоты. С другой стороны, если поддерживать постоянной рассеиваемую мощность, то с увеличением температуры образца уменьшались и амплитуда автоколебаний и частота.

В том же 1975 году Fisher [52] наблюдал движение металлических доменов в монокристаллическом диоксиде ванадия в такой же схеме, что и в [51]. В оптический микроскоп хорошо заметно отличие металлической и полупроводниковой фаз по цветовому контрасту. Образцы VO2 были получены методом испарения V2O5 при Т=1273 К в атмосфере N2. Для измерений выбирались протяженные образцы и прикреплялись к металлическим контактам при помощи индия. Таким образом, образцы оказывались подвешенными, что позволяло избежать механических напряжений, вызываемых подложкой. ВАХ образцов имела область резкого переключения с ОДС. Плавно изменяя нагрузочное сопротивление, можно было установить рабочую точку на ВАХ в области ОДС.

(а)

Рис.1.3.2. а - ВАХ образцов У02 для различных нагрузочных сопротивлений, б -положение рабочей точки образца на ВАХ, где наблюдалось движение металлических доменов, в - оптическое изображение металлических доменов (темные полосы) в разные моменты времени [52].

ВАХ образцов имели разные ширину гистерезиса и наклон области ОДС для различных нагрузочных сопротивлений (Рис.1.3.2а). В этой области ВАХ наблюдалось сосуществование металлических и полупроводниковых доменов с устойчивыми ровными границами, а при увеличении тока расширение металлических доменов. Автор считал, что такое сосуществование не может быть объяснено температурными эффектами или распределением механических напряжений в кристалле, а, скорее всего, такие границы связаны с барьером Шоттки внутри кристалла У02. Металлический домен, заключенный в полупроводниковой фазе материала,

имеет два барьера Шоттки, включенных в прямом и обратном направлении. Обратно включенный барьер Шоттки должен нагреваться сильнее, чем включенный в прямом направлении, и этот эффект объяснял движение металлического домена. При увеличении тока, начиная с некоторого значения, автор наблюдал движение в направлении тока полупроводниковых доменов внутри металлических доменов (Рис.1.3.2в, темный цвет -металлические домены). Когда полупроводниковый домен доходил до границы металлического домена, он исчезал, а на другой границе металлического домена возникал новый полупроводниковый домен. Скорость доменов составляла примерно 0.6 мм/с. Такое движение доменов наблюдалось не на всей ВАХ и отсутствовало при больших токах. Автор предполагал, что это явление можно объяснить термоэлектрическим эффектом на междоменной границе полупроводник-металл.

Автоколебания напряжения и тока наблюдались не только VO2, но и в иных объемных материалах (n-InSb, NbOx) [53, 54] и объяснялись ударной ионизацией примесных уровней при достижении некоторого критического напряжения в материале [54]. В VO2 Fisher в 1978 году объяснил автоколебания движением наблюдавшихся ранее металлических доменов [55]. Образцы были тоньше тех, что использовались в работе [51], а стабильные автоколебания наблюдались только в ограниченной области по току. Измерения осложнялись тем, что если при увеличении тока через образец автоколебания пропадали, то при повторном возникновении их форма обычно не воспроизводилась. Автор объяснял это наличием гистерезиса в структурных свойствах материала вблизи ФППМ, который связан с «запоминанием» материалом своего предыдущего состояния. Было замечено, что стабильность автоколебаний повышается, если предварительно переключить образец из высокоомного в низкоомное состояние и обратно.

1Л-»

Рис.1.3.3. а - ВАХ образцов У02, б, в, г - осциллограммы напряжения при увеличении тока, соответствующие участкам А, В, С на ВАХ [55].

Из Рис.1.3.3в видно, что увеличение тока сокращало продолжительность состояния, отвечающего высокому напряжению, а продолжительность низковольтного состояния увеличивалась. При увеличении тока частота автоколебаний на различных участках ВАХ могла, как увеличиваться, так и уменьшаться. На основании своих предыдущих исследований [52] автор полагал, что автоколебания связаны с движением полупроводниковых доменов внутри металлических и вызваны эффектом Пельтье на границах доменов. Автором было показано, что скорость движения хорошо описывается функцией и = п1/Ь, где п - это коэффициент Пельтье, I -плотность тока, а Ь - скрытая теплота фазового перехода на единицу объема. Автоколебания объяснялись следующим образом. Когда полупроводниковый домен доходит до электрода, он исчезает, и проводимость образца У02 возрастает. Новый полупроводниковый домен образуется на противоположном электроде, и проводимость образца снова уменьшается.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бортников Сергей Григорьевич, 2016 год

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Morin F. J. Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel temperature //Physical Review Letters. - 1959. - Т. 3. - №. 1. - С. 34-36.

[2] Chen C. et al. Gate-field-induced phase transitions in VO2: monoclinic metal phase separation and switchable infrared reflections //Applied Physics Letters. -2008. - Т. 93. - №. 17. - С. 171101-171101-3.

[3] Rini M. et al. Photoinduced phase transition in VO2 nanocrystals: ultrafast control of surface-plasmon resonance //Optics letters. - 2005. - Т. 30. - №. 5. - С. 558-560.

[4] Lysenko S. et al. Light-induced ultrafast phase transitions in VO2 thin film //Applied Surface Science. - 2006. - Т. 252. - №. 15. - С. 5512-5515.

[5] Guo H. et al. Mechanics and dynamics of the strain-induced M1-M2 structural phase transition in individual VO2 nanowires //Nano Letters. - 2011. - Т. 11. - №. 8. - С. 3207-3213.

[6] Sakai J. High-efficiency voltage oscillation in VO2 planer-type junctions with infinite negative differential resistance //Journal of Applied Physics. - 2008. - Т. 103. - №. 10. - С. 103708-103708-6.

[7] Lee Y. W. et al. Metal-insulator transition-induced electrical oscillation in vanadium dioxide thin film //Applied Physics Letters. - 2008. - Т. 92. - №. 16. -С. 162903-162903-3.

[8] Kim H. T. et al. Electrical oscillations induced by the metal-insulator transition in VO2 //Journal of Applied Physics. - 2010. - Т. 107. - №. 2. - С. 023702.

[9] Crunteanu A. et al. Voltage-and current-activated metal-insulator transition in VO2-based electrical switches: a lifetime operation analysis //Science and Technology of Advanced Materials. - 2010. - Т. 11. - №. 6. - С. 065002.

[10] Beaumont A. et al. Current-induced electrical self-oscillations across out-of-plane threshold switches based on VO2 layers integrated in crossbars geometry //Journal of Applied Physics. - 2014. - Т. 115. - №. 15. - С. 154502.

[11] Chen C. et al. Characterizations of VO2-based uncooled microbolometer linear array //Sensors and Actuators A: Physical. - 2001. - Т. 90. - №. 3. - С. 212214.

[12] Демьяненко М. А. и др. Разработка и применение неохлаждаемых матричных микроболометров для терагерцового диапазона //Вестник НГУ. Серия: Физика. - 2010. - Т. 5. - №. 4. - С. 73-78.

[13] Анищенко В. С. и др. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка //Успехи Физических Наук. -1999. - Т. 169. - №. 1. - С. 7-38.

[14] Chen H. et al. Theory of the stochastic resonance effect in signal detection: Part I—Fixed detectors //Signal Processing, IEEE Transactions on. - 2007. - Т. 55. - №. 7. - С. 3172-3184.

[15] Kanki T. et al. Noise-driven signal transmission using nonlinearity of VO2 thin films //Applied Physics Letters. - 2010. - Т. 96. - №. 24. - С. 242108.

[16] Velichko A. A. et al. Nonlinear Phenomena and Deterministic Chaos in Systems With Vanadium Dioxide //Journal on Selected Topics in Nano Electronics and Computing. - 2014. - Т. 2. - №. 1. - С. 20-25.

[17] Seo M. et al. Active terahertz nanoantennas based on VO2 phase transition //Nano Letters. - 2010. - Т. 10. - №. 6. - С. 2064-2068.

[18] Chen Z. et al. VO2-based double-layered films for smart windows: optical design, all-solution preparation and improved properties //Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2011. - Т. 95. - №. 9. - С. 2677-2684.

[19] Driscoll T. et al. Dynamic tuning of an infrared hybrid-metamaterial resonance using vanadium dioxide //Applied Physics Letters. - 2008. - Т. 93. - №. 2. - С. 024101.

[20] Kocer H. et al. Thermal tuning of infrared resonant absorbers based on hybrid gold-VO2 nanostructures //Applied Physics Letters. - 2015. - Т. 106. - №. 16. - С. 161104.

[21] Driscoll T. et al. Memory metamaterials //Science. - 2009. - Т. 325. - №. 5947. - С. 1518-1521.

[22] Driscoll T. et al. Phase-transition driven memristive system //Applied Physics Letters. - 2009. - Т. 95. - №. 4. - С. 043503.

[23] Ridley B. K. Specific negative resistance in solids //Proceedings of the Physical Society. - 1963. - Т. 82. - №. 6. - С. 954.

[24] Волков А.Ф. Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью //Успехи Физических Наук. - 1968. - Т. 96. - №. 4. - С. 633-672.

[25] Anderson G. Studies on vanadium oxides. II. The crystal structure of vanadium dioxide //Acta Chem. Scand. - 1956. - Т. 10. - С. 623-628.

[26] Berglund C. N., Guggenheim H. J. Electronic Properties of VO2 near the Semiconductor-Metal Transition //Physical Review. - 1969. - Т. 185. - №. 3. - С. 1022.

[27] Stefanovich G., Pergament A., Stefanovich D. Electrical switching and Mott transition in VO2 //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - Т. 12. - №. 41. - С. 8837.

[28] Eyert V. The metal-insulator transitions of VO2: A band theoretical approach //Ann. Phys. (Leipzig). - 2002. - Т. 11. - №. 9. - С. 650-702.

[29] Whittaker L., Patridge C. J., Banerjee S. Microscopic and nanoscale perspective of the metal-insulator phase transitions of VO2: some new twists to an old tale //The Journal of Physical Chemistry Letters. - 2011. - T. 2. - №. 7. - C. 745-758.

[30] Goodenough J. B. The two components of the crystallographic transition in VO2 //Journal of Solid State Chemistry. - 1971. - T. 3. - №. 4. - C. 490-500.

[31] Cavalleri A. et al. Femtosecond structural dynamics in VO2 during an ultrafast solid-solid phase transition //Physical Review Letters. - 2001. - T. 87. - №. 23. -C. 237401.

[32] Zhang Y., Ramanathan S. Analysis of "on" and "off" times for thermally driven VO2 metal-insulator transition nanoscale switching devices //Solid-State Electronics. - 2011. - T. 62. - №. 1. - C. 161-164.

[33] Mott N. F. On the transition to metallic conduction in semiconductors //Canadian Journal of Physics. - 1956. - T. 34. - №. 12A. - C. 1356-1368.

[34] Tao Z. et al. Decoupling of Structural and Electronic Phase Transitions in VO2 //Physical Review Letters. - 2012. - T. 109. - №. 16. - C. 166406.

[35] Duchene J. et al. Filamentary Conduction in VO2 Coplanar Thin-Film Devices //Applied Physics Letters. - 1971. - T. 19. - №. 4. - C. 115-117.

[36] Choi H. S. et al. Mid-infrared properties of a VO2 film near the metal-insulator transition //Physical Review B. - 1996. - T. 54. - №. 7. - C. 4621.

[37] Takei H., Koide S. Growth and Electrical Properties of Vanadium-Oxide Single Crystals by Oxychrolide Decomposition Method //Journal of the Physical Society of Japan. - 1966. - T. 21. - №. 5. - C. 1010-1010.

[38] Koide S., Takei H. Epitaxial growth of VO2 single crystals and their anisotropic properties in electrical resistivities //Journal of the Physical Society of Japan. - 1967. - T. 22. - №. 3. - C. 946-947.

[39] Ryabova L. A., Serbinov I. A., Darevsky A. S. Preparation and properties of pyrolysis of vanadium oxide films //Journal of the Electrochemical Society. -1972. - T. 119. - №. 4. - C. 427-429.

[40] Manning T. D. et al. Intelligent window coatings: atmospheric pressure chemical vapour deposition of vanadium oxides //Journal of Materials Chemistry. - 2002. - T. 12. - №. 10. - C. 2936-2939.

[41] Greenberg C. B. Undoped and doped VO2 films grown from VO(OC3H7)3 //Thin Solid Films. - 1983. - T. 110. - №. 1. - C. 73-82.

[42] Chae B. G. et al. Comparative analysis of VO2 thin films prepared on sapphire and SiO2/Si substrates by the sol-gel process //Japanese Journal of Applied Physics. - 2007. - T. 46. - №. 2R. - C. 738-743.

[43] Fuls E. N., Hensler D. H., Ross A. R. Reactively sputtered vanadium dioxide thin films //Applied Physics Letters. - 1967. - T. 10. - №. 7. - C. 199-201.

[44] Borek M. et al. Pulsed laser deposition of oriented VO2 thin films on R-cut sapphire substrates //Applied Physics Letters. - 1993. - T. 63. - №. 24. - C. 32883290.

[45] Kim D. H., Kwok H. S. Pulsed laser deposition of VO2 thin films //Applied Physics Letters. - 1994. - T. 65. - №. 25. - C. 3188-3190.

[46] Maaza M. et al. Direct production of thermochromic VO2 thin film coatings by pulsed laser ablation //Optical Materials. - 2000. - T. 15. - №. 1. - C. 41-45.

[47] Pauli S. A. et al. X-ray diffraction studies of the growth of vanadium dioxide nanoparticles //Journal of Applied Physics. - 2007. - T. 102. - №. 7. - C. 073527.

[48] Алиев Р. А., Климов В. А. Влияние условий синтеза на фазовый переход металл-полупроводник в тонких пленках диоксида ванадия //Физика Твердого Тела. - 2004. - Т. 46. - №. 3. - С. 515-519.

[49] Зеров В. Ю. и др. Пленки VOx с улучшенными болометрическими характеристиками для ИК-матриц //Письма в ЖТФ. - 2001. - Т. 27. - №. 9. -С. 57-63.

[50] Chudnovskii F. A. et al. Electrical transport properties and switching in vanadium anodic oxides: Effect of laser irradiation //Physica Status Solidi (a). -1999. - Т. 172. - №. 2. - С. 391-395.

[51] Taketa Y. et al. New oscillation phenomena in VO2 crystals //Applied Physics Letters. - 1975. - Т. 27. - №. 4. - С. 212-214.

[52] Fisher B. Moving boundaries and travelling domains during switching of VO2 single crystals //Journal of Physics C: Solid State Physics. - 1975. - Т. 8. - №. 13. - С. 2072.

[53] Chopra K. L. Current-controlled negative resistance in thin niobium oxide films //Proceedings of the IEEE. - 1963. - Т. 51. - №. 6. - С. 941-942.

[54] Phelan Jr R. J., Love W. F. Negative resistance and impact ionization impurities in n-type indium antimonide //Physical Review. - 1964. - Т. 133. - №. 4A. - С. A1134.

[55] Fisher B. Voltage oscillations in switching VO2 needles //Journal of Applied Physics. - 1978. - Т. 49. - №. 10. - С. 5339-5341.

[56] Алексеев В. А., Андреев А. А., Садовский М. В. Переход полупроводник-металл в жидких полупроводниках //Успехи Физических Наук. - 1980. - Т. 132. - №. 1. - С. 47-90.

[57] Kim B. J. et al. Micrometer x-ray diffraction study of VO2 films: Separation between metal-insulator transition and structural phase transition //Physical Review B. - 2008. - T. 77. - №. 23. - C. 235401.

[58] Driscoll T. et al. Current oscillations in vanadium dioxide: Evidence for electrically triggered percolation avalanches //Physical Review B. - 2012. - T. 86.

- №. 9. - C. 094203.

[59] Kirkpatrick S. Percolation and conduction //Reviews of Modern Physics. -1973. - T. 45. - №. 4. - C. 574.

[60] Aliev V. S. et al. Current oscillations as a manifestation of spatio-temporal inhomogeneity of temperature distribution in vanadium dioxide films at semiconductor-metal phase transition //Applied Physics Letters. - 2014. - T. 105.

- №. 14. - C. 142101.

[61] Aliev V. S., Bortnikov S. G., Badmaeva I. A. Anomalous large electrical capacitance of planar microstructures with vanadium dioxide films near the insulator-metal phase transition //Applied Physics Letters. - 2014. - T. 104. - №. 13. - C. 132906.

[62] Lee C. C. et al. Influence of oxygen on some oxide films prepared by ion beam sputter deposition //Thin Solid Films. - 1996. - T. 290. - C. 88-93.

[63] Ruzmetov D. et al. Infrared reflectance and photoemission spectroscopy studies across the phase transition boundary in thin film vanadium dioxide //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2008. - T. 20. - №. 46. - C. 465204.

[64] Jin P., Yoshimura K., Tanemura S. Dependence of microstructure and thermochromism on substrate temperature for sputter-deposited VO2 epitaxial films //Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. - 1997. - T. 15. - №. 3. - C. 1113-1117.

[65] Manning T. D., Parkin I. P. Atmospheric pressure chemical vapour deposition of tungsten doped vanadium (IV) oxide from VOCl3, water and WCl6 //Journal of Materials Chemistry. - 2004. - Т. 14. - №. 16. - С. 2554-2559.

[66] Kovacs G. J. et al. Effect of the substrate on the insulator-metal transition of vanadium dioxide films //Journal of Applied Physics. - 2011. - Т. 109. - №. 6. -С. 063708.

[67] Moreau W. M. Semiconductor lithography. - Springer, 1988.

[68] Zhang J. G., Eklund P. C. The switching mechanism in V2O5 gel films //Journal of Applied Physics. - 1988. - Т. 64. - №. 2. - С. 729-733.

[69] Стефанович Г. Б., Пергамент А. Л., Казакова Е. Л. Электрическое переключение в структурах металл-диэлектрик-металл на основе гидратированного пентаоксида ванадия //Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26. - №. 11. - С. 62-67.

[70] Базовкин В. М. и др. Инфракрасный сканирующий микроскоп с высоким пространственным разрешением //Автометрия. - 2011. - Т. 47. - №. 5. - С. 98-102.

[71] Курышев Г. Л. и др. Калибровка фотоприемного устройства в составе ИК-микроскопа //Автометрия. - 2011. - Т. 47. - №. 5. - С. 103-108.

[72] Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. - 1959.

[73] Jenkins A. Self-oscillation //Physics Reports. - 2013. - Т. 525. - №. 2. - С. 167-222.

[74] Agilent B1500 Device Analyzer Series. Programming Guide, Edition 6.

[75] Yang Z. et al. Dielectric and carrier transport properties of vanadium dioxide thin films across the phase transition utilizing gated capacitor devices //Physical Review B. - 2010. - Т. 82. - №. 20. - С. 205101.

[76] Ko C., Ramanathan S. Dispersive capacitance and conductance across the phase transition boundary in metal-vanadium oxide-silicon devices //Journal of Applied Physics. - 2009. - Т. 106. - №. 3. - С. 034101-034101-5.

[77] Снарский А. А. Знал ли Максвелл о пороге протекания? //Успехи Физических Наук. - 2007. - Т. 177. - №. 12. - С. 1341-1344.

[78] Турик С. А. и др. Неупорядоченные гетерогенные системы: переход диэлектрик-проводник //Электронный журнал «Исследовано в России». -2004. - Т. 191. - С. 2026-2029.

[79] Efros A. L., Shklovskii B. I. Critical Behaviour of Conductivity and Dielectric Constant near the Metal-Non-Metal Transition Threshold //Physica Status Solidi (b). - 1976. - Т. 76. - №. 2. - С. 475-485.

[80] Qazilbash M. M. et al. Mott transition in VO2 revealed by infrared spectroscopy and nano-imaging //Science. - 2007. - Т. 318. - №. 5857. - С. 17501753.

[81] Дубров В. Е., Левинштейн М. С., Шур М. С. Аномалия диэлектрической проницаемости при переходе металл-диэлектрик. Теория и моделирование //Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. - 1976. - Т. 70. - №. 5. - С. 2014-2023.

[82] Feder J. Fractals. - Plenum, 1988.

[83] Aliev V. S., Bortnikov S. G. Bolometer at semiconductor-metal phase transition in VO2 thin films //Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2011 International Conference and Seminar of Young Specialists on. -IEEE, 2011. - С. 129-131.

[84] Tangirala M. et al. Physical Analysis of VO2 Films Grown by Atomic Layer Deposition and RF Magnetron Sputtering //ECS Journal of Solid State Science and Technology. - 2014. - Т. 3. - №. 6. - С. N89-N94.

[85] McNamara B., Wiesenfeld K. Theory of stochastic resonance //Physical Review A. - 1989. - Т. 39. - №. 9. - С. 4854.

[86] Aliev V. S., Bortnikov S. G., Gerasimova A. K. Stochastic resonance in VO2 thin films //Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2013 14th International Conference of Young Specialists on. - IEEE, 2013. - С. 10-14.

[87] Gingl Z., Kiss L. B., Moss F. Non-dynamical stochastic resonance: Theory and experiments with white and arbitrarily coloured noise //EPL (Europhysics Letters). - 1995. - Т. 29. - №. 3. - С. 191.

[88] Корн Т., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - 1973.