Синтез и транспортные свойства эпитаксиальных тонких пленок и гетероструктур на основе нитридов ванадия и титана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Мохаммед Ваель Мохаммед Махмуд

• Мохаммед Ваель Мохаммед Махмуд
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мохаммед Ваель Мохаммед Махмуд

Введение

Глава 1. Физические свойства нитридов титана и ванадия

1.1. Нитрид титана (Т^

1.1.1. Физические свойства и возможные приложения

1.1.2. Кристаллическая структура Т1К

1.1.3. Электронная зонная структура нитрида титана

1.1.4. Обзор результатов по Т1К

1.2. Нитрид ванадия VN

1.2.1. Физические свойства и приложения

1.2.2. Кристаллическая структура бинарной системы V - N

1.2.3. Зонная электронная структура 5-VN

1.2.4. Обзор результатов по синтезу тонких пленок кубического VN

1.3. Палладий (Pd) и сплавы с палладия с железом (Pdl-xFex)

1.3.1. Физические свойства

Глава 2: Теоретические аспекты

2.1 Сверхпроводимость

2.1.1. Эффект Мейсснера

2.1.2. Абрикосовские вихри

2.1.3. Куперовские пары

2.1.4. Эффект Джозефсона

2.2. Эффект близости

2.2.1. Эффект близости в гетероструктуре сверхпроводник -нормальный металл

2.2.2 Эффект близости в структуре сверхпроводник - ферромагнетик

2.3. Сверхпроводящие спиновые клапаны

2.4. Краткий обзор работ по эффектам близости и сверхпроводящим спиновым клапанам

Глава 3. Синтез и характеризация образцов

3.1. Процедуры синтеза образцов

3.1.1. Подготовка подложки

3.1.2. Осаждение тонких пленок VN и TiN

3.1.3. Процедура синтеза тонких эпитаксиальных пленок и слоев Pd и сплава Pd^Fe* (x < 0.10)

3.2. Характеризация полученных образцов

3.2.1. Дифракция медленных электронов (LEED)

3.2.2. Дифракция рентгеновских лучей (XRD)

3.2.3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS)

3.2.4. Метод Ван дер Пау для измерения сопротивления

3.2.5. Система измерения физических свойств (PPMS)

Глава 4. Исследования тонких пленок нитрида титана

4.1. Изучение химического состава пленок и его стехиометрии

4.2. Кристалличность и эпитаксиальный рост

4.3. Морфология поверхности пленки

4.4. Транспортные свойства эпитаксиальных пленок TiN

4.4.1. Измерение удельного сопротивления методом Ван-дер-Пау

4.4.2. Температурная зависимость электросопротивления

4.4.3. Переход в сверхпроводящее состояние в тонкой пленке TiN

4.5. Оптические свойства тонких эпитаксиальных пленок TiN на MgO

Глава 5. Характеризация и транспортные свойства тонких пленок нитрида ванадия и их гетероструктур с Pd и сплавом Pd^xFex

5.1.Стехиометрия и химический состав

5.2.Кристалличность и эпитаксия тонких пленок VN и гетероструктур на их основе

5.3...........Температурные зависимости сопротивления тонких пленок VN и

гетероструктур на их основе

5.4. Переходы в сверхпроводящее состояние

5.5.Магнитная анизотропия пленки Pd1-xFex, осажденной на слое нитрида ванадия

5.6.Эффекты близости в гетероструктурах Pd1-xFex/VN, VN/Pd1-yFey и Pd1-xFex/VN/Pd1-yFey

5.7. Сверхпроводящий спиновый клапан на базе трехслойной гетероэпитаксиальной структуры Pd0.92Fe0.0s/VN/Pd0.96Fe0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список публикаций автора по теме диссертации Список цитируемой литературы

107

Введение

Актуальность темы исследования

Нитриды переходных металлов (НПМ) являются активно исследуемыми материалами, уже нашедшими широкое технологическое использование. По своим свойствам они являются тугоплавкими металлами с очень высокой твердостью, проявляющими высокую стабильность на воздухе. Пожалуй, наиболее широко используется в технологических целях нитрид титана TiN -для создания износостойких защитных покрытий для оснастки производств -сверел, резцов и т.д. Нитрид титана привлекателен и с эстетической стороны, поскольку по внешнему виду мало отличим от золота, но при этом практически не испытывает истирания.

Современный интерес к нитридам переходных металлов в физике конденсированного состояния связан в основном со следующими двумя их свойствами: во-первых, НПМ перспективны для элементов плазмоники на основе мезоскопических наноструктур; во-вторых, они представляют интерес как низкотемпературные сверхпроводники. Перспективы НПМ в области плазмоники обусловлены их температурной стабильностью, поскольку в наноструктурах вследствие высокой локальной плотности электромагнитного поля элементы из плазмонных материалов нагреваются до очень высоких температур. Как следствие, структуры из классических плазмонных металлов, таких как золото или серебро, быстро деградируют из-за утраты совершенных геометрических форм и ухудшения периодичностей. Замена материалов наноструктур на тугоплавкие НПМ, как минимум, обеспечивает долговременную морфологическую стабильность. Другая область интереса, также связанная с оптическими свойствами материалов, касается возможности создания на базе НПМ нанокомпозитов типа металл-диэлектрик, имеющих нулевое значение вещественной части диэлектрической проницаемости на

определенных частотах оптического диапазона спектра, S (р) « 0 (epsilon near zero, ENZ-materials) [1]. Величина многих нелинейных коэффициентов, связанная, например, с квадратичной х(2), кубической х(3) восприимчивостями и даже восприимчивостями более высоких порядков, имеет на несколько порядков большие значения, чем для «обычных» сред. Среди таких композитных сред, на наш взгляд, стоит отметить оксинитрид титана TiN^Oy, при определенной технологии синтеза представляющий собой наночастицы металлического TiN в диэлектрической матрице TiO2. Другой пример -смешанный нитрид циркония ZrN/Zr3N4 [2], первая из компонент которого представляет собой металл, а вторая - диэлектрик.

Что касается сверхпроводящих свойств НПМ, то на сегодняшний день наибольшее использование нашел нитрид ниобия NbN, меандровые структуры из эпитаксиальных пленок которого используются в качестве чувствительных элементов однофотонных детекторов инфракрасного диапазона спектра. Отметим, что соединение NbN имеет самую высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние Tc « 16 -17 K среди бинарных НПМ. Критическая температура для нитрида титана в объемной форме равна примерно 6.0 К, поэтому в данной области TiN практически не востребован. Еще одним материалом в серии НПМ, представляющим интерес как сверхпроводоник, является нитрид ванадия VN. Удивительным образом его сверхпроводящие свойства сходны со свойствами наиболее популярного материала для сверхпроводящих тонкопленочных структур - металлического ниобия (в частности, T « 9 K для объемного VN в сравнении c Tc = 9.29 K для ниобия).

Тонкопленочные гетероструктуры, содержащие слои из сверхпроводников, лежат в основе элементов сверхпроводящей спинтроники [3]. Это важная современная область, развитие которой, с одной стороны, сулит большие (на порядки) выигрыши в быстродействии и энергоэффективности, а с

другой, немыслимо без систематических наработок в сфере синтеза и исследований многослойных гетероструктур из существенно разнородных материалов. Для иллюстрации серьезного отношения в мире к перспективам сверхпроводящей спинтроники стоит отметить принятие правительственной программы США «Cryogenic Computing Complexity (C3) Program» с общим бюджетом 5 млрд. долларов на 5 лет и задействованием в ее выполнении таких технологических гигантов, как Raytheon, Lockheed Martin и др.

На сегодняшний день гетероструктуры, лежащие в основе элементов сверхпроводящей спинтроники (например, F/S/F, где F используется для обозначения слоя из ферромагнетика, а S - сверхпроводника), формируются из слоев с поликристаллической структурой. Отчасти это связано с тем, что в качестве сверхпроводника используется ниобий, который из-за значения постоянной кристаллической решетки (объемно-центрированная кубическая с a = 3.3004 Â) плохо «стыкуется» как с распространенными кристаллическими подложками (Si, SiO2, MgO и др.), так и ферромагнетиками на основе элементарных металлов (Fe, Co, Ni) и сплавов (пермаллой, Pd1-xFex с х < 0.10). Межзеренные границы в поликристаллических материалах очевидно ухудшают их свойства. Так, в элементарных металлах, как минимум, уменьшается длина свободного пробега электронов и, соответственно, увеличивается удельное сопротивление материалов при низких температурах. В поликристаллических пленках разбавленных сплавов, таких как Pd1-xFex, с большой вероятностью примесные атомы железа будут сегрегироваться на границы зерен, причем на больших временных масштабах (недель, месяцев, лет). В этом случае, во-первых, магнитные свойства таких сплавов будут изменяться со временем и, во -вторых, возникнет магнитная неоднородность в слое. Для сверхпроводящих гетероструктур магнитная однородность F-слоев является одной из критических характеристик, которая в ряде работ была определена как основной источник несоответствия наблюдаемых свойств гетероструктур, содержащих слои сплава

Рё^е*, ожидаемым. Обобщая вышесказанное, можно утверждать, что эпитаксиальные тонкопленочные гетероструктуры на базе сверхпроводящих и ферромагнитных слоев будут обладать рядом преимуществ по отношению к структурам на базе поликристаллических пленок, а именно долговременной стабильностью, воспроизводимостью свойств, лучшими транспортными характеристиками каждого из слоев в отдельности и, вероятно, лучшей прозрачностью границ раздела (интерфейсов).

В последние годы в лаборатории синтеза и анализа тонкопленочных систем Института физики Казанского федерального университета был успешно использован метод синтеза тонких эпитаксиальных пленок сплава Рё1-хБех с х < 0.10 на подложках М^О (001) [4]. Полученные пленки, согласно данным магнитометрии и ферромагнитного резонанса, характеризуются высокой магнитной однородностью и за прошедшие несколько лет с момента их синтеза не изменили своих свойств. В рамках последовательной реализации программы по синтезу и исследованиям тонкопленочных гетероструктур, перспективных для сверхпроводящей спинтроники, следующим важным шагом были выбор материалов для сверхпроводящих слоев, которые могли бы образовать гетероэпитаксиальные структуры со слоями Рё1-хБех, а также росли бы эпитаксиально на подложках М§О (001).

В качестве таких перспективных материалов нами рассматривались нитриды переходных металлов, а именно нитриды титана ТК, ванадия УК и ниобия КЬК Нитрид титана имеет постоянную решетки а = 4.241 А, очень близкую к постоянной для подложки М§О (4.212 А); кроме того, имеются опубликованные работы по синтезу эпитаксиальных пленок ТК на М§О методом реакционного магнетронного распыления. Это создает благоприятные условия для синтеза таких пленок на имеющейся в лаборатории сверхвысоковакуумной установке. Небольшое различие в значениях постоянных решетки Т1К и М§О предполагает также возможность

эпитаксиального роста сплава Рё^е* на TiN и наоборот. Температура перехода в сверхпроводящее состояние для объемного TiN довольно низка (Тс ~ 4.7 К); для пленки толщиной 10 - 30 нм она будет еще ниже. Однако в сверхпроводящих гетероструктурах иногда требуются слои из нормальных металлов, поэтому освоение синтеза таких пленок высокого качества имело смысл. Также пленки TiN планировалось исследовать в качестве перспективных плазмонных материалов.

Нитрид ниобия NЪN имеет постоянную решетки а ~ 4.46 А. Здесь, с одной стороны, возможность синтеза эпитаксиальных пленок на подложках М^О уже была продемонстрирована. Однако несоответствие с постоянной решетки сплава Рё1-хБех составляет Да/а ~ 13%. Такое отличие, как минимум, осложнит синтез гетероэпитаксиальных структур типа МЬМРё1-хЕех либо даже сделает его невозможным. Поэтому было решено отказаться (или на время отложить) от синтеза гетероструктур на основе МЬМ

Хорошим компромиссом нам представилось использование в качестве сверхпроводника нитрида ванадия VN. У этого соединения постоянная решетки при комнатной температуре а = 4.137 А, что лежит между параметрами решетки для М§О и сплава Рё1-хРех. В такой ситуации не вызывала сомнений возможность синтеза как эпитаксиальных пленок нитрида ванадия на подложках М§О, так и гетероэпитаксиальных структур со сплавами Рё1-хРех.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы являлись синтез и исследования структуры, морфологии и транспортных свойств эпитаксиальных тонких пленок и гетероструктур на базе нитридов ванадия и титана.

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:

1. Определить оптимальные условия синтеза эпитаксиальных тонких пленок нитридов ванадия и титана на монокристаллических подложках MgO и осуществить синтез пленок с заданными параметрами.

2. Отработать методику синтеза эпитаксиальных гетероструктур -двухслойных Pdi-xFex/VN, VN/Pdi-xFex и трехслойных Pdi-xFex/VN/Pdi-yFey, определить требуемую структуру и осуществить синтез образцов, пригодных для сравнительного анализа их транспортных свойств.

3. Выполнить измерения зависимостей удельного сопротивления гомогенных тонких пленок TiN и VN и сопротивления гетероструктур от температуры, направления и величины приложенного магнитного поля.

4. Выполнить анализ полученных данных и сделать заключение о возможных проявлениях эффекта близости в двухслойных Pdi-xFex/VN и VN/Pdi-xFex и спин-клапанного эффекта в трехслойной Pdi-xFex/VN/Pdi-yFey гетероструктуре.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Определены оптимальные условия синтеза и впервые выращены эпитаксиальные гетероструктуры, как двухслойные Pdi-xFex/VN и VN/Pdi-xFex типа F/S и S/F, так и трехслойные Pdi-xFex/VN/Pdi-yFey типа Fi/S/F2.

2. Наблюдён эффект близости типа сверхпроводник-ферромагнетик в двуслойных гетероструктурах Pdi-xFex/VN и VN/Pdi-xFex, величина которого определяется насыщенной намагниченностью F-слоя, а сам сверхпроводящий переход в интересующем диапазоне составов сплава Pdi-xFex с x < 0.08 характеризуется критической температурой выше 4.2 К и малой шириной; это свидетельствует о перспективности таких структур как составляющих элементов сверхпроводящей спинтроники.

3. Впервые в трехслойной гетероструктуре Pdi-xFex/VN/Pdi-yFey типа F1/S/F2 экспериментально наблюдался сверхпроводящий спин-клапанный эффект.

Научная и практическая значимость работы

Определение оптимальных условий синтеза и осуществление на практике роста гетероэпитаксиальных структур типа S/F, F/S и F/S/F на базе нитридов ванадия и титана создают задел для реализации элементов сверхпроводящей спинтроники с характеристиками, лучшими, чем у структур на базе поликристаллических пленок ниобия, и имеющими сверхвысокие быстродействие и энергоэффективность. Явления, наблюдающиеся в гетероэпитаксиальных, приближенных к идеальным, структурах, в большей степени обусловлены собственными характеристиками материалов, нежели плохо контролируемыми структурой и морфологией, а потому результаты экспериментальных исследований таких объектов составляют более достоверную основу для понимания их природы.

Положения, выносимые на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Определены оптимальные условия синтеза тонких эпитаксиальных пленок нитридов титана и ванадия на монокристаллических подложках MgO методом реакционного магнетронного распыления, обеспечивающие стехиометрию состава, эпитаксию типа «куб на кубе» и монокристаллическую структуру пленок.

2. Комбинация методов реакционного магнетронного распыления и молекулярно-пучковой эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума позволяет осуществить синтез двухслойных Pd1-xFex/VN и VN/Pd1-xFex, а

также трехслойных Pdi-xFex/VN/Pdi-yFey гетероэпитаксиальных структур типа F/S, S/F и F1/S/F2, соответственно.

3. Двухслойные гетероэпитаксиальные структуры Pdi-xFex/VN и VN/Pdi-xFex проявляют эффект близости типа ферромагнетик-сверхпроводник, величина которого определяется насыщенной намагниченностью слоя Pdi-xFex; температура перехода в сверхпроводящее состояние при толщине слоя VN и содержании железа в сплаве Pdi-xFex менее 10 ат.% лежит в доступной области выше 4.2 К, а ширина перехода не превышает 30 мК.

4. Трехслойная гетероэпитаксиальная структура Pdi-xFex/VN/Pdi-yFej, проявляет эффект сверхпроводящего спинового клапана, заключающийся в различии сопротивлений гетероструктуры, отвечающих параллельной и антипараллельной конфигурациям намагниченностей слоев Pdi-xFex и Pdi-jFe^.

Достоверность и обоснованность

Надежность полученных результатов обеспечивается комплексным подходом к паспортизации синтезированных образцов с использованием сертифицированного оборудования и проверенных экспериментальных методов. Исследования проводились на нескольких независимо синтезированных сериях образцов, физические свойства которых были хорошо воспроизводимы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и транспортные свойства эпитаксиальных тонких пленок и гетероструктур на основе нитридов ванадия и титана»

Апробация работы

Основные результаты диссертации были представлены на следующих российских и международных конференциях: "Физика низкотемпературной плазмы" ФНТП-2017 (Казань, Россия, 2017 г.), итоговая научная конференция сотрудников Казанского федерального университета (Казань, Россия, 2017 г.), International scientific conference of students and young scientists "Lomonosov-

2018" (Москва, Россия, 2018 г.), итоговая научная конференция сотрудников казанского университета (Казань, Россия, 2019 г.), Magnetic resonance: Current state and future perspectives (EPR-75) (Казань, Россия, 2019 г.), Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий (Казань, Россия, 2019 г.), итоговая научная конференция сотрудников Казанского университета (Казань, Россия, 2020 г.)

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 8 печатных работах, три из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК и индексируемых аналитическими базами данных Web of Science (WoS) и Scopus [A1-A3], и 5 тезисах докладов [A4-A8].

Личный вклад автора. Автор активно участвовал в работе над представленным материалом, начиная с выбора темы диссертации, отработки условий и синтеза исследуемых образцов методами реакционного магнетронного распыления и молекулярно-лучевой эпитаксии. Кроме того, автор участвовал в характеризации подготовленных образцов различными экспериментальными методами и проводил измерения, которые легли в основу полученных результатов. Наконец, автор участвовал в обсуждениях результатов, их интерпретации и подготовке статей для публикации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка авторских публикаций по теме диссертации. Общий объем диссертации 123 страницы, в том числе 51 рисунок и 11 таблиц. Библиографический список содержит 136 наименований.

Во введении кратко обосновывается актуальность темы исследования, научная значимость работы, формулируется цель исследования и положения, подлежащие защите.

В первой главе представлена основная информация о кристаллической структуре и физических свойствах основных исследуемых в работе материалов - нитриде титана (TiN), нитриде ванадия (VN), палладии и сплаве Pdi-xFex с низким, менее 0.10, содержанием железа x. Рассмотрены некоторые теоретические и экспериментальные исследования электрических, механических, оптических и транспортных свойств исследуемых материалов, представленные в опубликованных литературных источниках.

Вторая глава посвящена краткому изложению физических основ явлений сверхпроводимости, типах сверхпроводников, эффектов Мейснера и Джозефсона. Описаны эффекты близости, возникающие на границах между сверхпроводником и ферромагнетиком (S/F) и между сверхпроводником и нормальным металлом (S/N), его физические характеристики и важность в электронных приложениях. Кроме того, представлены результаты исследований эффекта сверхпроводящего спинового клапана в системах типа S/F/S или F/S/F

В третьей главе поэтапно описан процесс синтеза нитрида титана (TiN), нитрида ванадия (VN) и гетероэпитаксиальных структур VN(40нм)/Pd(10нм), VN(15нм)/Pdo.96Feo.o4(20нм), VN(30нм)/Pdo.96Feo.o4(20нм),

Pdo.96Feo.o4(20нм)/Si(10нм), VN(30нм)/Pdo.92Feo.o8(12нм)/Si(10нм),

Pd0.96Fe0.04(20нм)/VN(30нм)/Pd0.92Fe0.08(12нм)/Si(10нм), методы их

характеризации и исследования.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований структуры, морфологии и транспортных свойств одиночных тонких пленок нитрида титана в корреляции с условиями их синтеза.

Определены оптимальные условия синтеза тонких эпитаксиальных пленок TiN и VN на подложках MgO (001), обеспечивающие наилучшие стехиометрию состава, монокристаллическую структуру, характер эпитаксии «куб на кубе», наивысшие значения коэффициента остаточного сопротивления RRR и температуры сверхпроводящего перехода Tc, а также минимальную ширину перехода ATc.

В пятой главе представлены данные по синтезу и паспортизации тонких пленок нитрида ванадия, двухслойных гетероэпитаксиальных структур VN/Pd, VN/Pd1-xFex и Pd1.yFey/VN, трехслойной структуры Pd1.xFex/VN/Pd1.yFey, а также результаты экспериментальных исследований эффектов близости в парах S/N на гетероструктуре VN/Pd, S/F на гетероструктурах VN/Pd1-xFex и Pd1-yFey/VN, а также эффекта сверхпроводящего спинового клапана на трехслойной F/S/F-гетероструктуре Pd1.xFex/VN/Pd1.yFey.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

Глава 1. Физические свойства нитридов титана и ванадия 1.1. Нитрид титана (Т1^

1.1.1. Физические свойства и возможные приложения

Нитрид титана (Т1Ы) является очень твердым материалом, обладающим высокой температурной и химической стабильностью. Он характеризуется высокой электро- и теплопроводностями, типичными для металлических систем [5, 6]. Он используется в качестве диффузионного барьера в микроэлектронной промышленности [7], адгезионных слоях [8], контактах с барьером Шоттки [9], материалах затворов полевых транзисторов [10], в качестве электродов в ячейках динамической памяти с произвольным доступом и в иных интегральных схемах [11]. Кроме того, высокие механические свойства пленок Т1К делают его пригодным для использования в качестве поверхностного покрытия на режущих инструментах [12-15]. Его термическая стабильность важна для использования в качестве электродов конденсаторов и материалов затвора транзисторов в полупроводниковых устройствах на базе широкозонных материалов в высокотемпературных электронных схемах [16]. Благодаря замечательным свойствам пленок Т1К, им уделяется все больше внимания в сфере энергосберегающих технологий [17, 18]. Таблица 1.1 иллюстрирует физические свойства нитрида титана.

С точки зрения применения в оптических приложениях, Т1К также является перспективным материалом. Он имеет низкое удельное сопротивление и высокий коэффициент отражения в видимом диапазоне и в инфракрасной области спектра. Его хорошие оптические свойства делают его пригодным для солнцезащитных покрытий и прозрачных электродов [19]. Т1К также обладает высокой твердостью, очень хорошей химической инертностью, хорошей коррозионной стойкостью и высокой износостойкостью [20-22]. Благодаря

хорошим физическим свойствам Т1К является перспективным материалом для применения в различных фотоэлектрических устройствах [23, 24].

Таблица 1.1: Физико-механические свойства 5-Т1К

Симметрия решетки Постоянная решетки (А) Удельное электрическое сопротивление (Омсм) Тепловое расширение (°С-1) Теплопроводность (Вт/мК) Модуль упругости (ГПа)

Твердость (ГПа) Коэффициент Пуассона

ГЦК (тип ШС1) 4.242

1410-6

9.4 • 10-6 11-26 350-450 20-40 0.24 - 0.25

В последнее время исследования Т1К были сосредоточены на его приложениях в технологии полупроводниковых приборов. Плотность упаковки в сверхбольших интегральных схемах (СБИС) неуклонно растет, что создает необходимость соответствующего уменьшения толщины металлических соединительных слоев и диффузионных барьеров [25]. Ранние стадии роста тонких слоев Т1К широко изучены, и существует большой спрос на высокопроводящие, ультратонкие и ультрагладкие слои Т1К [26].

Т1К используется также в оптических фильтрах, защитно-декоративных покрытиях и тонкопленочных резисторах [27, 28]. Некоторые из выполненных ранее исследований подтвердили хорошие защитные свойства Т^, позволившие использовать его в качестве материала для барьеров, препятствующих проникновению водорода в конструкционные материалы, для уменьшения его накопления [29,30]. Кроме того, тонкие пленки нитрида титана также используются для изготовления солнечных элементов [31], изделий медицинского назначения [32] и оптоэлектроники [33, 34].

Рост гетероструктур, включающих в себя ультратонкие слои Т1К, на различных подложках является областью интенсивных исследований, связанной с тенденциями все большей миниатюризации в микроэлектронике [25]. Это требует разработки надежных электронных устройств нанометрового масштаба. В настоящее время особое внимание уделяется исследованиям эволюции морфологии слоев Т1К в гетероструктурах [35].

1.1.2. Кристаллическая структура TiN

Тонкие кристаллические пленки нитрида титана обычно имеют гранецентрированную кубическую структуру фазы 5-Т1К (структура №01), показанную на рисунке 1.1 [36]. На этом рисунке зеленым цветом обозначены атомы Т1, а серым - атомы азота.

Рисунок 1.1 - Кристаллическая структура 5-фазы Т1К [36].

Кристаллическая структура нитридов переходных металлов может быть определена, исходя из соотношения атомных радиусов азота и переходного

V

металла, г = ——. Согласно критерию Хагга [37], когда г меньше 0.59, тогда

гМе

будет сформирована простая структура типа №01 или простая гексагональная. Примером такой ситуации является нитрид титана, —— = 0.56. Если же г

больше 0.59, то образуется сложная структура из атомов переходного металла и азота с элементарной ячейкой, содержащей до 100 атомов [36].

1.1.3. Электронная зонная структура нитрида титана

В физике твердого тела и материаловедении зонная структура имеет большое значение, потому что большинство оптических, электрических и даже некоторых магнитных свойств кристаллов можно объяснить в терминах зонной структуры. Она описывает электронные уровни в кристаллических структурах, которые характеризуются двумя квантовыми числами - номером зоны п и волновым вектором Блоха к. Волновой вектор представлен в обратном пространстве (в единицах обратной длины, см-1), а энергия электрона является непрерывной функцией к, так что если бы был получен непрерывный спектр энергий, его назвали бы энергетической зоной. Положение уровня (энергии) Ферми имеет важное значение. Как известно, если он расположен в запрещенной зоне, материал является изолятором (или полупроводником), в противном случае он является металлом.

Зонная структура Т1К рассчитывалась, например, в работе [38] с использованием метода ЬМТО. Авторы пришли к выводу, что при нормальном давлении структура зон Т1К состоит из 4 валентных зон, образованных 3d и 4s-электронами атомов Т и 2 б и 2р электронами атомов азота. Выше уровня Ферми располагаются зоны проводимости, которые сильно перекрываются с валентными зонами. Соответственно, запрещенная зона отсутствует, что согласуется с металлическим характером проводимости Т1М Авторы работы [38] приходят к заключению, что химическая связь в 5-Т1К одновременно проявляет признаки металлической, ковалентной и ионной одновременно.

1.1.4. Обзор результатов по TiN

Среди современных работ, посвященных использованию нитрида титана, на наш взгляд, можно отметить следующие. Так, при замещении нитридом титана алюминия в тонкопленочных резонаторах, используемых при

построении кубитов, время когерентности возрастает с 20 до 60 мкс [39]. При том, что величины добротностей Q как для Т1К, так и для А1-резонаторов составляло около 106, свойства пленок оказались различны. Для резонаторов, выполненных из алюминия, наивысшие значения Q были достигнуты при монокристаллической структуре пленок, выращенных на тщательно подготавливаемых подложках из сапфира А12О3 [40]. В то же время, для резонаторов из Т1К наилучшее значение Q было достигнуто при поликристаллической структуре пленок, нанесенных на кремниевые подложки [40,41]. Точный механизм низких потерь в Т1К не известен. Первоначальный интерес был вызван идеей, что стабильная азотированная поверхность будет ограничивать окисление поверхности, уменьшая плотность дефектов на поверхности [42]. Однако оказалось, что Т1К образует поверхностный оксидный слой толщиной несколько нанометров [43]. Хотя точный механизм и неизвестен, низкие потери у нитрида титана могут быть связаны с тем, что на поверхности оксида или вблизи подложки в нем меньше дефектов, чем в алюминии.

Объемные кристаллы Т1К были получены путем высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы (СУО, 1600°С). Этот метод позволяет синтезировать монокристаллы Т1К больших размеров и высокой степени чистоты. Самая высокая температура сверхпроводящего перехода (Тс = 6.00 К) была получена для стехиометрического монокристаллического образца (х = 0.995) по сравнению с нестехиометрическим поликристаллическим образцом (х = 0.953), который показал более низкую температуру перехода (Тс = 1.7 К) [44,45].

Тонкие пленки Т1К могут быть нанесены многими методами, такими как химическое осаждение из паровой фазы (СУО), импульсное лазерное осаждение (РЬЭ) и осаждение атомными слоями (АЬЭ), но лучший способ выращивать

пленки TiN для квантовых цепей с малыми потерями — это реакционное магнетронное напыление. При реакционном синтезе атмосфера рабочей плазмы, используемой для магнетронного распыления титановой мишени, образована смесью газов аргона и азота. Атомы азота, бомбардирующие мишень, реагируют с распыленным титаном и образуют молекулы TiN, которые осаждаются на подложке. Аргон не реагирует и по большей части не будет внедряться в пленку, в то время как более химически активный азот из плазмы будет заметно реагировать с титаном. Отношение Ar/N можно регулировать, чтобы влиять на скорость реакции на мишени (и, следовательно, на стехиометрию пленки), а общее давление Ar/N можно регулировать для изменения скорости распыления.

В работе [46] А.Б. Мей с соавторами исследовали силу электрон-фононной связи Xtr и спектральные функции Элиашберга atr2F(^®) для тонких эпитаксиальных пленок стехиометрических нитридов переходных металлов TiN, ZrN и HfN и редкоземельного нитрида CeN с использованием процедуры инверсии, основанной на измерениях удельного сопротивления, зависящего от температуры. Они обнаружили, что параметр связи и температура сверхпроводящего перехода для TiN составляют 0.73 и 5.35 К, соответственно.

Плазменная молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) была использована для выращивания тонких пленок TiN на подложке MgO [47]. Авторами были получены очень гладкие и высококристаллические пленки с толщиной ~ 40 нм, которые были нанесены при 720 °С, с Tc, достигающей 5.25 К, и коэффициентом остаточного сопротивления RRR = 11.5. При низкой температуре подложки в ходе синтеза сверхпроводимости не наблюдалось. При температуре подложки выше 700oC коэффициент RRR резко возрастал вместе с появлением сверхпроводимости. По их мнению, этот результат был достигнут в результате уменьшения концентрации азотных вакансий в пленке при высокой температуре. Наши исследования пленок TiN с близким к стехиометрическому

составом на подложках М§О (001) имели сходные характеристики, хотя и с несколько меньшей критической температурой (Тс = 4.8 К) и меньшим параметром ККК (2.4). Отметим, что максимально достижимая температура подложки в нашем случае была 500°С. Соответственно, можно предположить, что именно температура подложки является критическим фактором, влияющим на остаточное количество дефектов, определяющее сопротивление образца при низких температурах (в нормальном состоянии).

Тонкие пленки Т1К, нанесенные методом реакционного магнетронного распыления, показали низкие потери в резонаторах и улучшенную когерентность в кубитовых цепях [40,48,49]. Было показано, что Тс можно контролируемым образом изменять в диапазоне от 0.7 до 4.5 К, варьируя содержание азота в газовой камере [50]. Это означает, что содержание азота в пленке может быть изменено и, как правило, самая высокая Тс для тонкой пленки достигается при правильной стехиометрии Т : N = 1 : 1. Так, приближение к правильной стехиометрии привело к получению тонкой пленки с Тс = 4.5 К при синтезе ее на подложках как при температуре 500°С, так и при комнатной температуре [40,51]. Сравнение пленок, нанесенных на кремниевые подложки, с пленками, осажденными на подложки из сапфира, показало, что пленки на кремнии дают большие значения добротностей резонатора Q [42]. Это связывалось с уменьшением величины деформации в поликристаллических пленках. Недавно результаты показали, что высоко-кристаллические тонкие пленки TiN с Тс до 5.4 К и значениями ККК до 3.7 могут быть получены на подложке из кремния, что несколько отличается от привычных результатов. Это можно сделать, повысив температуру подложки во время синтеза до 800°С [52].

В работе [53] изучалось влияние потенциала подложки на рост сверхпроводящих тонких пленок TiN методом РЧ-магнетронного распыления. Пленки кубического TiN с большой долей ориентации роста кристаллов (200) и наименьшей концентрацией кислородных примесей были получены с

наибольшим положительным напряжением смещения подложки (+250, +325, +400 В), в то время как при меньших смещениях +110 и +175 В наблюдалось повышенное содержание кислорода в пленках (3.7 ат.% и 0.1 ат.%, соответственно). С помощью этого метода авторы работы [53] смогли понизить содержание кислорода в пленках до незначительного уровня; при этом содержание углерода в объеме пленки в целом было недетектируемым. Критическая температура пленок Т1К показала небольшую зависимость от смещения, что, видимо, было связано с хорошей стехиометрией полученных составов пленок. Стремление к достижению нулевого содержания кислорода реализовывалось с задействованием нескольких параметров, таких как высокий вакуум, распыление металла-геттера в камере перед запуском процесса осаждения и высокая температура подложки во время роста. Изготовленный из полученных пленок Т1К четвертьволновой резонатор имел высокую добротность, что привело авторов к выводу, что использованный метод роста может быть полезен для многих приложений.

Электрические свойства тонких пленок Т1КХ, нанесенных методом реакционного магнетронного распыления с постоянным током, были исследованы в работе [54]. Авторы изучали влияние температуры подложки, времени осаждения, рабочего давления, потенциала смещения и соотношения концентраций газов Аг : N на удельное электрическое сопротивление тонких пленок Т1М Они обнаружили, что уменьшение удельного сопротивления тонких пленок Т1К коррелировало с понижением рабочего давления, повышением температуры подложки, увеличением длительности осаждения и увеличением потенциала смещения подложки. Сопротивление полученных тонких пленок измеряли методом Ван-дер-Пау.

1.2. Нитрид ванадия VN

1.2.1. Физические свойства и приложения

Начиная со второй половины прошлого века нитриды переходных металлов привлекают внимание исследователей в связи с их выдающимися физическими и химическими свойствами. Нитрид ванадия является одним из важных нитридов переходных металлов из-за его уникальных свойств и широкого применения. Благодаря высокой твердости VN может использоваться в качестве абразивных материалов и покрытий режущих инструментов [55]. VN также может быть использован в качестве катализатора с высокой активностью и селективностью, сходной с таковой для благородных металлов [56]. В последние годы были получены пленки VN с замечательными электрохимическими свойствами для использования в качестве анода перезаряжаемых литий-ионных батарей [57]. Кроме того, VN является сверхпроводником с температурой перехода в объемном состоянии, достигающей 9.25 К [58-60], и может использоваться в приложениях микроэлектроники, связанных со сверхпроводимостью. В таблице 1.2 приведены основные характеристики и свойства нитрида ванадия [61].

Таблица 1.2 - Характеристики и свойства УN

Симметрия решетки ГЦК (тип ШС1)

Плотность 6.8 г/см3

Температура плавления 2050°С

Удельная теплоемкость (Ср) 38 J/mol•K

Тепловое расширение 8.710-6

Удельное сопротивление 85 мкОм-см

Температура сверхпроводящего перехода (Тс) 9.25 К

Твердость по Виккерсу 14.2СРа

1.2.2. Кристаллическая структура бинарной системы V - N

Нитрид ванадия в зависимости от его стехиометрии может кристаллизоваться в более чем одну структуру. Возможными вариантами являются p-V2N с гексагональной плотной упаковкой, 5-VN1-x с гранецентрированной кубической и 5'-VN0.8 с гексагональной структурой. Наиболее распространенным и обладающим практической значимостью является мононитрид ванадия VN со структурой типа NaCl, обычно обозначаемый как 5-VN1-x Из представленного выше ряда соединений видно, что содержание азота в бинарной системе азот - ванадий является переменной величиной, которую в процессе синтеза необходимо контролировать [61].

1.2.3. Зонная электронная структура 8-VN

Изучению зонной структуры нитрида ванадия посвящено достаточно много работ. Так, в работе [62] в модели жестких зон (rigid band model) авторы предложили электронную зонную структуру кубического VN. Выводы авторов обсуждаются ниже.

Стехиометрический нитрид ванадия содержит десять валентных электронов: пять электронов из 2s-2p подоболочек азота и пять электронов из 4s-4d подоболочек ванадия. Эти электроны распределены по предложенной схеме (рисунок 1.2):

(О ^

Z

э

ш ВС

<t

<л

UJ

И <

к— (П

Егг EFe

ENERGY (ARB-. UNITS )

Рисунок 1.2 - Схематическая зонная структура кубических нитридов ванадия VNi-х. Efi и Ef2 - энергии Ферми для случаев VN и VNx (х < 1), соответственно [62].

• Низколежащая s-зона полностью заполнена

• Электронная ^-подоболочка атомов ванадия обуславливает две отнросительно узких подзоны, разделенных минимумом в плотности состояний, обусловленным кристаллическим полем. Плотность состояний в этих подзонах высока, и электроны имеют большую эффективную массу.

• Широкая s-p-зона свободных электронов с низкой плотностью состояний, перекрывающая две ^-подзоны.

Предполагая, что число электронов в s-p-полосе незначительно, десять валентных электронов распределены следующим образом: два электрона в s-зоне, шесть электронов в подзоне ёт и два электрона в подзоне dE; последняя подзона, которая может содержать четыре электрона, заполнена наполовину, а уровень Ферми приходится на dE и частично заполненные s-p-зоны.

1.2.4. Обзор результатов по синтезу тонких пленок кубического VN

Нитрид ванадия был выбран в качестве объекта наших исследований, поскольку он имеет достаточно высокую температуру перехода в

тг Я Ег g

сверхпроводящее состояние, практически совпадающую с Тс для ниобия, а также в связи с возможностью синтеза тонких эпитаксиальных пленок высокого качества, на базе которых возможен рост гетероэпитаксиальных структур со слоями из низкотемпературного ферромагнетика Рё1-хБех (х < 0.10), синтез которого был освоен нами ранее ([4], см. ниже).

Условия осаждения тонких пленок нитрида ванадия играют определяющую роль в формировании их физико-механических, химических и электронных свойств. Это приводит нас к необходимости выбора наилучших условий синтеза, которые приведут к получению пленок с наилучшими искомыми свойствами. Число опубликованных работ по синтезу тонких пленок нитрида ванадия сравнительно невелико. В 2011 году 1С. Саюеёое! с соавторами [63] исследовали влияние отрицательного напряжения смещения на твердость, модуль упругости, размер зерна и параметр решетки тонких пленок У^ нанесенных методом реакционного магнетронного распыления. Они обнаружили, что увеличение отрицательного напряжения смещения интенсифицирует бомбардировку наносимой пленки ионами Аг+, что приводит к выравниванию ее поверхности и увеличению плотности до значений, близких к плотности объемного монокристаллического материала. Кроме того, увеличиваются также твердость и модуль упругости материала пленки.

Сверхпроводимость и магнитная восприимчивость стехиометрического VN были исследованы в работе [64]. Авторы обнаружили, что, согласно данным туннельной спектроскопии, VN является сверхпроводником с большой силой связи. Кроме того, было показано, что ГЦК-структура типа №С1 тонких пленок VN стабильна в широком диапазоне соотношений газов Аг и N в рабочей смеси. Температурная зависимость электрического сопротивления проявляет две температурных области с разными значениями температурного коэффициента сопротивления (ТКС).

В работе [62] также изучалось влияние изменения концентрации азота в материале на сверхпроводящие и магнитные свойства тонких пленок УМ Авторы продемонстрировали, что постоянная кристаллической решетки увеличивается с увеличением содержания азота в УМ; она составляла 4.07 А для х = 0.75 и 4.14 А для х = 1. Что касается сверхпроводимости, то самая высокая температура перехода (Тс = 8.1 К) была получена для стехиометрической тонкой пленки У : N = 1 : 1, а самая низкая (Тс = 2.3 К) была получена для тонкой пленки с самой низкой концентрацией азота (У : N = 1 : 0.75). Также было показано, что магнитная восприимчивость уменьшается с уменьшением содержания азота, изменяясь в пределах от 3.94 х 10-6 еши^ для VN до 1.88 х 10-6 еши^ для УМ.75.

Сверхпроводимость и магнитные свойства были изучены и для наночастиц (МР) УМ и нанопроволок (М^ УМ [65]. Для образца № с х = 0.86 не наблюдалось ни дальнего магнитного порядка, ни сверхпроводимости. В то же время для образца NW с х = 0.93 сверхпроводящее состояние устанавливалось при 5.8 К. Анализируя магнитные измерения, авторы также пришли к заключению о том, что УМ характеризуется значительным паулиевским вкладом в значение восприимчивости. В наночастицах сверхпроводящее состояние было подавлено вследствие уменьшения размера частиц, содержания азота и специфической формы.

Б. Ванг с соавторами изучали влияние величины давления и концентрации М в рабочей смеси на сверхпроводящие свойства тонких пленок VN [66]. Они обнаружили, что температура сверхпроводящего перехода тонких пленок монотонно возрастает с увеличением давления и содержания М. Это заставило их предположить, что повышение температуры сверхпроводящего перехода, вероятно, происходит из-за подавления спиновых флуктуаций и смягчения частоты фононов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мохаммед Ваель Мохаммед Махмуд, 2020 год

Список цитируемой литературы

1. Nonlinear optical effects in epsilon-near-zero media / O. Reshef, I. D. Leon, M. Z. Alam, R. W. Boyd // Nat. Rev. Mater. - 20i9. - V. 4. - P. 535-55i.

2. Alternative plasmonic materials / G. Naik, J. Kim, N. Kinsey, A. Boltasseva // Handbook of Surface Science. - North-Holland. - 20i4. - V. 4. - P. i89-22i.

3. Moen, E. Spin-split conductance and subgap peak in ferromagnet/superconductor spin valve heterostructures / E. Moen, O. T. Valls // Phys. Rev. B. - 20i8. - V. 98. - Art. i045i2 (i4 pages).

4. Epitaxial growth of PdbxFex films on MgO single-crystal substrate / A. Esmaeili, I. V. Yanilkin, A. I. Gumarov [et al] // Thin Solid Films. - 20i9. - V. 669. - P. 338-344.

5. Sundgren, J.-E. Structure and properties of TiN coatings / J.-E. Sundgren // Thin Solid Films. - i985. - V. i28. - P. 2i-44.

6. Effect of deposition conditions and post deposition anneal on reactively sputtered titanium nitride thin films / N. K. Ponon, J. A. Daniel, E. Arac [et al] // Thin Solid Films. - 20i5. - V. 578. - P. 3i-37.

7. Yokoyama, N. LPCVD titanium nitride for ULSIs / N. Yokoyama, K. Hinode, Y. Homma // J. Electrochem. Soc. - i99i. - V. i38. - P. i90-i95.

8. Adhesion and debonding of multi-layer thin film structures / R. H. Dauskardt, M. Lane, Q. Ma, N. Krishna // Eng. Fract. Mech. - i998. - V. 6i. - P. i4i-i62.

9. Dimitriadis, C. A. Schottky barrier contacts of titanium nitride on n-type silicon / C. A. Dimitriadis, S. Logothetidis, I. Alexandrou // Appl. Phys. Lett. - i995. -V. 66. - P. 502-504.

10. Nanoscale TiN metal gate technology for CMOS integration / M. C. Lemme, J. K. Efavi, T. Mollenhauer [et al] // Microelectron. Eng. - 2006. - V. 83. - P. i55i-i554.

11. High performance metal-insulator-metal capacitors with atomic vapor deposited HfO2 dielectrics / M. Lukosius, C. Walczyk, M. Fraschke [et al] // Thin Solid Films - 2010. - V. 518. - P. 4380-4384.

12. Reactivity of nitrogen in titanium nitride film formation by the reactive ion plating process / Y. Matsumura, T. Chujo, H. Uchida, H. H. Uchida // Surf. Coatings Technol. - 1993. - V. 60. - P. 489-492.

13. Starosvetsky, D. Corrosion behavior of titanium nitride coated Ni-Ti shape memory surgical alloy / D. Starosvetsky, I. Gotman // Biomaterials. - 2001. -V. 22. - P. 1853-1859.

14. Effect of microstructure on corrosion behavior of TiN hard coatings produced by a modified two-grid attachment magnetron sputtering process / S. H. Ahn, J. H. Hong, J. G. Kim, J. G. Han // Thin Solid Films. - 2007. - V. 515. - P. 68786883.

15. Chen, P. The use of sputter deposited TiN thin film as a surface conducting layer on the counter electrode of flexible plastic dye-sensitized solar cells / P. Chen, W. Y. Wu // Surf. Coatings Technol. - 2013. - V. 231. - P. 140-143.

16. Fabrication and characterization of epitaxial AlN/TiN bilayers on sapphire / V. Talyansky, R. D. Vispute, R. Ramesh [et al] // Thin Solid Films. - 1998. - V. 323. - P. 37-41.

17. Titanium nitride as a plasmonic material for visible and near-infrared wavelengths / G. V. Naik, J. L. Schroeder, X. Ni [et al] // Opt. Mater. Express.

- 2012. - V. 2. - P. 478-489.

18. Effects of substrate temperature on the properties of sputtered TiN thin films / N. Ghobadi, M. Ganji, C. Luna [et al] // J. Mater. Sci. Mater. Electron. - 2016.

- V. 27. - P. 2800-2808.

19. Zalnezhad, E. Optimizing the PVD TiN thin film coating's parameters on aerospace AL7075-T6 alloy for higher coating hardness and adhesion with better tribological properties of the coating surface / E. Zalnezhad, A. A. D.

Sarhan, M. Hamdi // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2013. - V. 64. - P. 281290.

20. Characterization of reactively evaporated TiN layers for diffusion barrier applications / G. Gagnon, J. F. Currie, G. Beique [et al] // J. Appl. Phys. - 1994.

- V. 75. - P. 1565-1570.

21. Andrievski, R.A. Conductivity and the Hall coefficient of nanostructured titanium nitride films / R. A. Andrievski, Z. M. Dashevsky, G. V Kalinnikov // Tech. Phys. Lett. - 2004. - V. 30. - P. 930-932.

22. Kiran, M. Growth, surface morphology, optical properties and electrical resistivity of s-TiNx (0.4 < x < 0.5) films / M. Kiran, M. G. Krishna, K. A. Padmanabhan // Appl. Surf. Sci. - 2008. - V. 255. - P. 1934-1941.

23. Characteristics of TiNx/n-Si Schottky diodes deposited by reactive magnetron sputtering / C. A. Dimitriadis, J. I. Lee, P. Patsalas [et al] // J. Appl. Phys. -1999. - Vol. 85. - P. 4238-4242.

24. Kadlec, S. Growth and properties of hard coatings prepared by physical vapor deposition methods / S. Kadlec, J. Musil, J. Vyskocil // Surf. Coatings Technol.

- 1992. - V. 54. - P. 287-296.

25. Zhao, G. Electrical and optical properties of titanium nitride coatings prepared by atmospheric pressure chemical vapor deposition / G. Zhao, T. Zhang, T. Zhang [et al] // J. Non. Cryst. Solids. - 2008. - V. 354. - P. 1272-1275.

26. Meng, L. J. Characterization of titanium nitride films prepared by dc reactive magnetron sputtering at different nitrogen pressures / L. J. Meng, M. P. Dos Santos // Surf. Coatings Technol. - 1997. - V. 90. - P. 64-70.

27. Hydrogen interaction with TiN films / E. A. Denisov, I. E. Gabis, T. N. Kompaniets [et al] // Hydrogen and helium recycling at plasma facing materials. - Springer, Dordrecht, 2002. - P. 157-162.

28. Microstructure and hydrogen impermeability of titanium nitride thin films deposited by direct current reactive magnetron sputtering / T. Zhou, D. Liu, Y. Zhang [et al] // J. Alloys Compd. - 2016. - V. 688. - P. 44-50.

29. Investigation of localized surface plasmon resonance of TiN nanoparticles in TiNxOy thin films / J. Zhang, T. P. Chen, X. D. Li [et al] // Opt. Mater. Express.

- 2016. - V. 6. - P. 2422-2433.

30. Khumtong, T. The effects of O2:N2 gas ratios on structural, optical, electrical properties of TiOxNy thin film deposited by reactive DC magnetron sputtering / T. Khumtong, R. Sakdanuphab // Key Engineering Materials. - Trans. Tech. Publications Ltd, 2015. - V. 659. - P. 540-544.

31. Structure and properties of Ti-O-N coatings produced by reactive magnetron sputtering / M. E. Konischev, O. S. Kuzmin, A. A. Pustovalova [et al] // Russ. Phys. J. - 2014. - V. 56. - P. 1144-1149.

32. Crystal structure and mechanical properties of titanium nitride films synthesized by magnetron sputtering with a hot target / V. I. Shapovalov, A. S. Useinov, K. S. Kravchuk [et al] // Glas. Phys. Chem. - 2017. - V. 43. - P. 477479.

33. The orientation dependence of elastic strain energy in cubic crystals and its application to the preferred orientation in titanium nitride thin films / D. R. McKenzie, Y. Yin, W. D. McFall, N. H. Hoang // J. Phys. Cond. Matter. -1996. - V. 8. - P. 5883-5890.

34. Patsalas, P. Interface properties and structural evolution of TiN/Si and TiN/GaN heterostructures / P. Patsalas, S. Logothetidis // J. Appl. Phys. - 2003.

- V. 93. - P. 989-998.

35. Chen, X. Numerical study on the measurement of thin film mechanical properties by means of nanoindentation / X. Chen, J. J. Vlassak // J. Mater. Res.

- 2001. - V. 16. - P. 2974-2982.

36. Synthesis, Optimization, and Characterization of AlN/TiN Thin Film Heterostructures / C. K. Waters, S. Yarmolenko, J. Sankar [et al] // Nanoengineering of Structural, Functional, and Smart Materials. - CRC Press, 2006. - 740 p.

37. Ti nitride phases in thin films deposited by DC magnetron sputtering / R. Manaila, D. Biro, P. B. Barna [et al] // Appl. Surf. Sci. - 1995. - V. 91. -P. 295-302.

38. Williams, W.S. Transition-metal carbides / W. S. Williams // Prog. Solid State Chem. - 1971. - V. 6. - P. 57-118.

39. Asvini Meenaatci, A. T. First Principles Study of Electronic Structure of Transition Metal Nitride: TiN under Normal and High Pressure / A. T. Asvini Meenaatci, R. Rajeswarapalanichmy, K. Iyakutti // J. Phys. Applic. - 2011. -V. 3. - P. 63-72.

40. Improved superconducting qubit coherence using titanium nitride / J. B. Chang, M. R. Vissers, A. D. Corcoles [et al] // Appl. Phys. Lett. - 2013. - V. 103. -Art. 12602 (3 pages).

41. Planar superconducting resonators with internal quality factors above one million / A. Megrant, C. Neill, R. Barends [et al] // Appl. Phys. Lett. - 2012. -V. 100. - Art. 113510 (4 pages).

42. Oliver, W.D. Materials in superconducting quantum bits / W. D. Oliver, P. B. Welander // MRS Bulletin. - 2013. - V. 38. - P. 816-825.

43. Saha, N.C. Titanium nitride oxidation chemistry: An X-ray photoelectron spectroscopy study / N. C. Saha, H. G. Tompkins // J. Appl. Phys. - 1992. - V. 72. - P. 3072-3079.

44. Raman scattering, superconductivity, and phonon density of states of stoichiometric and nonstoichiometric TiN / W. Spengler, R. Kaiser, A. N. Christensen, G. Müller-Vogt // Phys. Rev. B. - 1978. - V. 17. - P. 1095-1101.

45. Superconductivity of TiN single crystals at high pressure / K. Bischoff, D. Kohnlein, T. Wolf, W. Buckel // J. Less-Common Met. - 1978. - V. 62. - Pp. 179-182.

46. Electron/phonon coupling in group-IV transition-metal and rare-earth nitrides / A. B. Mei, A. Rockett, L. Hultman [et al] // J. Appl. Phys. - 2013. - V. 114. -Art. 193708 (5 pages).

47. Coherent growth of superconducting TiN thin films by plasma enhanced molecular beam epitaxy / Y. Krockenberger, S. Karimoto, H. Yamamoto, K. Semba // J. Appl. Phys. - 2012. - V. 112. - Art. 83920 (5 pages).

48. Low loss superconducting titanium nitride coplanar waveguide resonators / M. R. Vissers, J. Gao, D. S. Wisbey [et al] // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V. 97. -Art. 232509 (3 pages).

49. Etch induced microwave losses in titanium nitride superconducting resonators / M. Sandberg, M. R. Vissers, J. S. Kline [et al] // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 100. - Art. 262605 (4 pages).

50. Characterization and in-situ monitoring of sub-stoichiometric adjustable superconducting critical temperature titanium nitride growth / M. R. Vissers, J. Gao, J. S. Kline [et al] // Thin Solid Films. - 2013. - V. 548 - P. 485-488.

51. Room temperature deposition of sputtered TiN films for superconducting coplanar waveguide resonators / S. Ohya, B. Chiaro, A. Megrant [et al] // Supercond. Sci. Technol. - 2013. - V. 27. - Art. 15009 (10 pages).

52. Fabrication of (200)-oriented TiN films on Si (100) substrates by DC magnetron sputtering / R. Sun, K. Makise, W. Qiu [et al] // IEEE Trans. Appl. Supercond. - 2014. - V. 25. - Pp. 1-4.

53. Superconducting tin films sputtered over a large range of substrate dc bias / H. M. I. Jaim, J. A. Aguilar, B. Sarabi [et al] // IEEE Trans. Appl. Supercond. -2014. - V. 25. - Pp. 1-5.

54. Electrical properties of dc sputtered titanium nitride films with different processing conditions and substrates / Y. Jin, Y.-G. Kim, J.-H. Kim, D.-K. Kim // J. Korean Ceram. Soc. - 2005. - V. 42. - P. 455-460.

55. Choi, D. Fast and reversible surface redox reaction in nanocrystalline vanadium nitride supercapacitors / D. Choi, G. E. Blomgren, P. N. Kumta // Adv. Mater. -2006. - V. 18. - P. 1178-1182.

56. Oyama, S.T. Preparation and catalytic properties of transition metal carbides and nitrides / S. T. Oyama // Catal. Today. - 1992. - V. 15. - P. 179-200.

57. Sun, Q. Vanadium nitride as a novel thin film anode material for rechargeable lithium batteries / Q. Sun, Z.-W. Fu // Electrochim. Acta. - 2008. - V. 54. -P. 403-409.

58. Superconducting properties of VNx sputtered films including spin fluctuations and radiation damage of stoichiometric VN / K. E. Gray, R. T. Kampwirth, I. I. D. Capone [et al] // Phys. Rev. B. - 1988. - V. 38. - P. 2333-2341.

59. Koscielska, B. Structure and superconductivity of VN-SiO2 films obtained by thermal nitridation of sol-gel derived coatings / B. Koscielska, A. Winiarski, W. Jurga // J. Non. Cryst. Solids. - 2010. - V. 356. - P. 1998-2000.

60. Low-Temperature Solid State Synthesis and Characterization of Superconducting Vanadium Nitride / L.-B. Wang, Z.-S. Lou, K.-Y. Bao [et al] // Chinese Phys. Lett. - 2017. - V. 34. - Art. 28101 (4 pages).

61. Pierson, H.O. Handbook of refractory carbides and nitrides: properties, characteristics, processing, and applications // Noyes Publications, 1996. -362 p.

62. Ajami, F.I. Magnetic susceptibility and superconductivity of cubic vanadium nitrides / F. I. Ajami, R. K. MacCrone // J. Phys. Chem. Solids - 1975. - V. 36. - P. 7-15.

63. Mechanical and electrochemical characterization of vanadium nitride (VN) thin films / J. C. Caicedo, G. Zambrano, W. Aperador [et al] // Appl. Surf. Sci. -2011. - V. 258. - P. 312-320.

64. Magnetic and superconducting properties of spin-fluctuation-limited superconducting nanoscale VNx / R. Zeng, J. Liu, G. D. Du [et al] // J. Appl. Phys. - 2012. - V. 111. - Art. 07E142 (3 pages).

65. Superconducting and normal-state properties of vanadium nitride / B. R. Zhao, L. Chen [et al] // Phys. Rev. B. - 1984. - V. 29. - P. 6198-6202.

66. High pressure effect on the superconductivity in VN / B. Wang, K. Matsubayashi, Y. Uwatoko, K. Ohgushi // J. Phys. Soc. Japan. - 2015. -V. 84. - Art. 104706 (4 pages).

67. Saldan, I. Chemical synthesis and application of palladium nanoparticles // J. Mater. Sci. - 2015. - V. 50. - P. 2337-2354.

68. Nieuwenhuys, G. J. Magnetic behaviour of cobalt, iron and manganese dissolved in palladium / G. J. Nieuwenhuys // Adv. Phys. - 1975. - V. 24. - P. 515-591.

69. Magnetic ordering in palladium-iron alloys / J. A. Mydosh, J. I. Budnick, M. P. Kawatra, S. Skalski // Phys. Rev. Lett. - 1968. - V. 21. - P. 1346-1349.

70. Ferromagnetic Josephson junctions based on epitaxial NbN/Ni60Cu40/NbN trilayer / F. Li, H. Zhang, L. Zhang, W. Peng, Z. Wang // AIP Adv. - 2018. -V. 8. - Art. 055007 (6 pages).

71. FMR Studies of Ultra-Thin Epitaxial Pd0.92Fe0 08 Film / A. Esmaeili, I. R. Vakhitov, I. V. Yanilkin [et al] // Appl. Magn. Reson. - 2018. - V. 49. -P. 175-183.

72. Bardeen, J. Theory of superconductivity / J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer // Phys. Rev. - 1957. - V. 108. - P. 1175-1204.

73. Delft, D. V. The discovery of superconductivity / D. Van Delft, P. Kes // Phys. Today. - 2010. - V. 63. - P. 38-43.

74. Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure / M. K. Wu, J. R. Ashburn, C. J. Torng [et al] // Phys. Rev. Lett. - 1987. - V.58. - P. 908-910.

75. The superconducting properties of YBa2Cu3O7-x gold composites / N. Imanaka, F. Saito, H. Imai [et al] // J. Appl. Phys. - 1990. - V. 67. - P. 915-917.

76. Callaway, D.J.E. On the remarkable structure of the superconducting intermediate state / D. J. E. Callaway // Nucl. Phys. B. - 1990. - V. 344. -P. 627-645.

77. Ашкрофт Н. Физика твердого тела / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. в 2 т // I - II. М.: Мир. - 1979. - 347 c.

78. Superconductivity in heavily boron-doped silicon carbide / M. Kriener, T. Muranaka, J. Kato [et al] // Sci. Technol. Adv. Mater. - 2009. - V. 9. -Art. 044205 (5 pages).

79. Analysis of low-field isotropic vortex glass containing vortex groups in YBa2 Cu3O7-x thin films visualized by scanning SQUID microscopy / F. S. Wells, A. V. Pan, X. R. Wang [et al] // Sci. Rep. - 2015. - V. 5 - Art. 08677 (5 pages).

80. Khachan J. The discovery of superconductors / J. Khachan, S. Bosi. ()

81. Cooper, L.N. Bound electron pairs in a degenerate Fermi gas / L. N. Cooper // Phys. Rev. - 1956. - V. 104. - P. 1189-1190.

82. Rohlf, J. W. Modern Physics from a to Z0 // John Wiley and Sons, 1994. -636 p.

83. Josephson, B. D. Possible new effects in superconductivity tunneling / B. D. Josephson // Phys. Lett. - 1962. - V. 1. - P. 251-253.

84. Josephson, B. D. The discovery of tunneling supercurrents / B. D. Josephson // Rev. Mod. Phys. - 1974. - V. 46. - P. 251-254.

85. Principles of superconductive devices and circuits / T. Van Duzer, C. W. Turner, D. G. McDonald, A. F. Clark // Phys. Today. - 1982. - V. 35. - P. 80.

86. Andreev, A. F. The thermal conductivity of the intermediate state in superconductors / A. F. Andreev // JETP. - 1964. - V. 46. - P. 1823-1828.

87. De Jong, M. J. M. Andreev reflection in ferromagnet-superconductor junctions / M. J. M. De Jong, C. W. J. Beenakker // Phys. Rev. Lett. - 1995. - V. 74. -P. 1657-1660.

88. Demler, E. A. Superconducting proximity effects in magnetic metals / E. A. Demler, G. B. Arnold, M. R. Beasley // Phys. Rev. B - 1997. - V. 55. -P. 15174-15182.

89. Bergeret, F. S. Odd triplet superconductivity and related phenomena in superconductor-ferromagnet structures / F. S. Bergeret, A. F. Volkov, K. B. Efetov // Rev. Mod. Phys. - 2005. - V. 77. - P. 1321-1373.

90. Buzdin, A. I. Proximity effects in superconductor-ferromagnet heterostructures / A. I. Buzdin // Rev. Mod. Phys. - 2005. - V. 77. - P. 935-976.

91. Lyuksyutov, I. F. Ferromagnet-superconductor hybrids / I. F. Lyuksyutov, V. L. Pokrovsky // Adv. Phys. - 2005. - V. 54. - P. 67-136.

92. Coupling of two superconductors through a ferromagnet: Evidence for a n junction / V. V. Ryazanov, V. A. Oboznov, A. Y. Rusanov [et al] // Phys. Rev. Lett. - 2001. - V. 86. - P. 2427-2430.

93. Inhomogeneous superconductivity induced in a ferromagnet by proximity effect / T. Kontos, M. Aprili, J. Lesueur, X. Grison // Phys. Rev. Lett. - 2001. -V. 86. - P. 304-307.

94. Tagirov, L. R. Low-field superconducting spin switch based on a superconductor/ferromagnet multilayer / L. R. Tagirov // Phys. Rev. Lett. -1999. - V. 83. - P. 2058-2061.

95. Buzdin, A. I. Spin-orientation-dependent superconductivity in F/S/F structures / A. I. Buzdin, A. V Vedyayev, N. V Ryzhanova // Europhysics Lett. - 1999. -V. 48. - P. 686-691.

96. Tedrow, P. M. Spin-dependent tunneling into ferromagnetic nickel / P. M. Tedrow, R. Meservey // Phys. Rev. Lett. - 1971. - V. 26. - P. 192-195.

97. Tedrow, P. M. Spin polarization of electrons tunneling from films of Fe, Co, Ni, and Gd / P. M. Tedrow, R. Meservey // Phys. Rev. B - 1973. - V. 7. - P. 318-326.

98. Meservey, R. Magnetic field splitting of the quasiparticle states in superconducting aluminum films / R. Meservey, P. M. Tedrow, P. Fulde // Phys. Rev. Lett. - 1970. - V. 25. - P. 1270-1272.

99. Tinkham, M. Tunneling generation, relaxation, and tunneling detection of hole-electron imbalance in superconductors / M. Tinkham // Phys. Rev. B - 1972. -V. 6. - P. 1747-1756.

100. Tinkham, M. Theory of pair-quasiparticle potential difference in nonequilibrium superconductors / M. Tinkham, J. Clarke // Phys. Rev. Lett. -1972. - V. 28. - P. 1366-1369.

101. Magnetization-Orientation Dependence of the Superconducting Transition Temperature in the Ferromagnet-Superconductor-Ferromagnet System: CuNi/Nb/CuNi / J. Y. Gu, C.-Y. You, J. S. Jiang [et al] // Phys. Rev. Lett. -2002. - V. 89. - Art. 267001 (4 pages).

102. Potenza, A. Superconductor-ferromagnet CuNi/Nb/CuNi trilayers as superconducting spin-valve core structures / A. Potenza, C. H. Marrows // Phys. Rev. B - 2005. - V. 71. - Art. 180503 (4 pages).

103. Carapella, G. Low-field transport measurements in superconducting Co/Nb/Co trilayers / G. Carapella, F. Russo, G. Costabile // Phys. Rev. B - 2008. - V. 78. - Art. 104529 (8 pages).

104. Moraru, I. C. Observation of standard spin-switch effects in ferromagnet/ superconductor/ferromagnet trilayers with a strong ferromagnet / I. C. Moraru, W. P. Pratt Jr, N. O. Birge // Phys. Rev. B. - 2006. - V. 74. - Art. 220507 (4 pages).

105. Moraru, I. C. Magnetization-dependent T shift in ferromagnet/superconductor /ferromagnet trilayers with a strong ferromagnet / I. C. Moraru, W. P. Pratt Jr, N. O. Birge // Phys. Rev. Lett. - 2006. - V. 96. - Art. 37004 (4 pages).

106. Physical properties of the superconducting spin-valve Fe/Cu/Fe/In heterostructure / P.V. Leksin, N.N. Garifyanov, I.A. Garifullin [et al.] //Phys. Rev. B. - 2012. - V. 85. - №. 2. - P. 024502.

107. Superconducting spin-valve effect and triplet superconductivity in CoOx/Fe1/Cu/Fe2/Cu/Pb multilayer / P.V. Leksin, N.N. Garifyanov, A.A. Kamashev [et al.] // Phys. Rev. B. - 2015. - V. 91. - №. 21. - P. 214508.

108. Isolation of proximity-induced triplet pairing channel in a superconductor/ferromagnet spin valve / P.V. Leksin, N.N. Garifyanov, A.A. Kamashev [et al.] // Phys. Rev. B. - 2016. - T. 93. - №. 10. - C. 100502.

109. Superconducting spin-valve effect in a heterostructure containing the Heusler alloy as a ferromagnetic layer / A.A. Kamashev, P.V. Leksin, N.N. Garifyanov [et al.] //J. Magn. Magn. Mater. - 2018. - V. 459. - P. 7-11.

110. Wagner, T. Epitaxy of Pd thin films on (100) SrTiO3: A three-step growth process / T. Wagner, G. Richter, M. Ruble // J. Appl. Phys. - 2001. - V. 89. -P. 2606-2612.

111. Chwang R. Contact size effects on the van der Pauw method for resistivity and Hall coefficient measurement / R. Chwang, B. J. Smith, C. R. Crowell // Solid State. Electron. - 1974. - V. 17. - P. 1217 - 1227.

112. Ultrathin to nano thickness TiN coatings: processing, structural, mechanical behavior / S. K. Mishra, R. Kumar, M. Sreemany, L. C. Pathak // J. Mater. Eng. Perform. - 2015. - V. 24. - P. 5013-5021.

113. Rehabilitation of MgO (001) substrate surface for growth of single-crystal LaBaCo2O5+s films by magnetron sputtering / Q. Y. Zhang, J. Shaibo, J. Ju [et al] // Cryst. Growth Des. - 2016. - V. 16. - P. 4272-4277.

114. Matsumura, T. A theoretical study on van der Pauw measurement values of inhomogeneous compound semiconductor thin films / T. Matsumura, Y. Sato // J. Mod. Phys. - 2010. - V. 1. - P. 340-347.

115. DC conductivity measurements in the van der Pauw geometry / G. Rietveld, C. V Koijmans, L.C.A. Henderson [et al] // IEEE Trans. Instrum. Meas. - 2003. -V. 52. - P. 449-453.

116. Resistivities of titanium nitride films prepared onto silicon by an ion beam assisted deposition method / K. Yokota, K. Nakamura, T. Kasuya [et al] // J. Phys. D.: Appl. Phys. - 2004. - V. 37. - P. 1095-1101.

117. Characterization of the low temperature behavior of thin Titanium/Titanium Nitride multilayer films / M. Faverzani, E. Ferri, A. Giachero [et al] // Supercond. Sci. Technol. - 2020. - V. 33. - Art. 45009 (6 pages).

118. High quality superconducting titanium nitride thin film growth using infrared pulsed laser deposition / A. Torgovkin, S. Chaudhuri, A. Ruhtinas [et al] // Supercond. Sci. Technol. - 2018. - V. 31. - Art. 55017 (10 pages).

119. Olson, G.A. Growth of titanium-nitride thin films for low-loss superconducting quantum circuits: PhD thesis, 2015. - 165 p.

120. Patsalas, P. Optical properties and plasmonic performance of titanium nitride / P. Patsalas, N. Kalfagiannis, S. Kassavetis // Materials (Basel). - 2015. - V. 8.

- P. 3128-3154.

121. Laser-synthesized TiN nanoparticles as promising plasmonic alternative for biomedical applications / A. A. Popov, G. Tselikov, N. Dumas [et al] // Sci. Rep. - 2019. - V. 9. - P. 1-11.

122. Thin films of pure vanadium nitride: Evidence for anomalous non-faradaic capacitance / O. Bondarchuk, A. Morel, D. Bélanger [et al] // J. Power Sources.

- 2016. - V. 324 - P. 439-446.

123. Epitaxial VN (001) grown and analyzed in situ by XPS and UPS. II. Analysis of Ar+ sputter etched layers / R. T. Haasch, T.-Y. Lee, D. Gall [et al] // Surf. Sci. Spectra. - 2000. - V. 7. - P. 233-241.

124. Crystallographic structure and composition of vanadium nitride films deposited by direct sputtering of a compound target / M. Y. Liao, Y. Gotoh, H. Tsuji, J. Ishikawa // J. Vac. Sci. Technol. A: Vacuum, Surfaces, Films. - 2004. - V. 22. - P. 146-150.

125. X-ray photoelectron spectra of the palladium-iron bimetallic surface used for the rapid dechlorination of chlorinated organic environmental contaminants / R. Muftikian, K. Nebesny, Q. Fernando, N. Korte // Environ. Sci. Technol. -1996. - V. 30. - P. 3593-3596.

126. Epitaxial growth of vanadium nitride thin films by laser molecule beam epitaxy / X. Liu, H. Lu, M. He [et al] // Mater. Lett. - 2014. - V. 123 - P. 38-40.

127. Dynamic and structural stability of cubic vanadium nitride / A. B. Mei, O. Hellman, N. Wireklint [et al] // Phys. Rev. B - 2015. - V. 91. - Art. 54101 (11 pages).

128. Magnetic properties of thin epitaxial Pd1-xFex alloy films / A. Esmaeili, I. V. Yanilkin, A. I. Gumarov [et al] // arXiv. - 2019. no. 1912. - Art. 04852 (20 pages).

129. Microwave observation of magnetic field penetration of high-Tc superconducting oxides / K. Khachaturyan, E. R. Weber, P. Tejedor [et al] // Phys. Rev. B. - 1987. - V. 36. - P. 8309-8314.

130. Microwave absorption across Tc: Determination of the angular dependence Hc2(0)/Hc2 / D. Shaltiel, H. Bill, A. Grayevsky [et al] // Phys. Rev. B. - 1991. -V. 43. - Pp. 13594-13597.

131. Czyzak B. Flux trapping in high-temperature superconductors determined by microwave absorption / B. Czyzak, J. Stankowski, J. Martinek // Phys. C : Supercond. - 1992. - V. 201. - P. 379-385.

132. Shaltiel D. Collective motion of vortices induced by ac magnetic field in the high anisotropy BSCCO / D. Shaltiel // J. Low Temp. Phys. - 2003. - V. 130. -P. 383-406.

133. Experimental Presentation of Microwave Absorption due to Shaking of JV by AC Magnetic Field in Bi2212 and Bi2223 / D. Shaltiel, H.A.K. von Nidda, B.Y. Shapiro [et al] // J. Supercond. Nov. Magn. - 2009. - V. 22. - Pp. 387399.

134. Fairley N. CasaXPS, version 2.3. 9, Casa Software Ltd., Teighnmouth, Devon, UK, 2003.

135. Properties of superconducting vanadium nitride sputtered films / J. Zasadzinski, R. Vaglio, G. Rubino [et al] // Phys. Rev. B. - 1985. - V. 32. - P. 2929-2934.

136. Experimental observation of the triplet spin-valve effect in a superconductor-ferromagnet heterostructure / V. I. Zdravkov, J. Kehrle, G. Obermeier [et al] // Phys. Rev. B. - 2013. - V. 87. -Art. 144507 (6 pages).