Введение к работе
Актуальность темы. Развитие физики наноструктур и нанотехнологий является одним из важнейших направлений современного научно-технического прогресса. Для установления фундаментальных закономерностей, определяющих свойства низкоразмерных структур, оптимальным является исследование изменения свойств вещества при переходе от массивных монокристаллов к низкоразмерным структурам и наноструктурам. Для исследований в данном направлении широкие возможности открываются изучением полуметаллов висмута и сплавов висмут-сурьма, сочетающих в себе характерные свойства как металлов, так и полупроводников, характеризующихся малыми эффективными массами и высокими подвижностями носителей заряда [1], в связи с чем классические и квантовые размерные эффекты проявляются при размерах образцов на порядок превышающих размеры аналогичных структур [2]. Поэтому исследование процессов кристаллизации, структуры поверхности и явлений переноса в пленках висмута является актуальным, представляющим научный и практический интерес.
Работа является продолжением проводимых в лаборатории полуметаллов РГПУ им. А.И. Герцена исследований закономерностей физических явлений в полуметаллах висмуте и сплавах висмут-сурьма [1], включая исследования процессов кристаллизации и явлений переноса в пленках указанных полуметаллов [3, 4]. Выполнение этих исследований в настоящее время на новом уровне обеспечено применением новых методов контроля структуры поверхности пленок, основанных на атомно-силовой и электронной микроскопии.
Целью работы является исследование влияния режимов получения пленок висмута методом термического испарения в вакууме на структуру пленок, а также влияния дефектов структуры на галъваномагнитные свойства пленок висмута.
На данном этапе основное внимание уделено использованию подложек из слюды (мусковит), оказывающих ориентирующее влияние на кристаллографическую ориентацию выращиваемых пленок, так что ось третьего порядка Сз преимущественно ориентирована перпендикулярно подложке, что упрощает постановку эксперимента по исследованию эффектов переноса в них и интерпретацию получаемых результатов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Разработать способы определения кристаллографической
ориентации и размеров кристаллитов пленок висмута на слюде с
использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Получить пленки висмута различной толщины на слюде, при температурах подложки 20 - 230 С, скоростях осаждения 0,5 - 20 нм/с, температурах отжига 180-270 С.
Провести исследования структуры этих пленок на сканирующем зондовом микроскопе методом атомно-силовой микроскопии и вьывить
основные закономерности влияния режимов получения на структуру тонких пленок висмута на слюде.
4. Выполнить измерения удельного сопротивления, коэффициента
Холла и магнетосопротивления в интервале температур 77 - 300 К и
магнитных полей 0 — 0,6 Тл на пленках, имеющих различные структурные
характеристики.
5. Рассчитать подвижности электронов и дырок в пленках висмута в
интервале температур 77-300 К и установить их связь со структурой пленок.
На основании полученных результатов определить вклад различных дефектов структуры в рассеяние электронов и дырок в пленках висмута.
Установить основные пути оптимизации режимов получения пленок висмута для достижения наиболее совершенной структуры пленок и наибольших значений подвижностей носителей заряда.
Научная новизна. В отличие от ранее выполненных работ, посвященных исследованию структуры и свойств пленок висмута, проведено целенаправленное комплексное исследование влияния различных технологических параметров получения пленок висмута на их структуру (размеры и взаимная ориентация кристаллитов, совершенство поверхности) с применением новых, разработанных в данном исследовании, методов анализа поверхности и блочной структуры пленок с применением АСМ. Определен оптимальный режим получения пленок висмута методом термического испарения на подложки из слюды, обеспечивающий наиболее совершенную структуру и наибольшие подвижности носителей заряда.
На основе экспериментальных данных о влиянии отжига на размеры кристаллитов в пленках висмута на подложках из слюды предложена модель структурной перестройки, обеспечивающей увеличение размеров блоков.
Определен вклад поверхности и границ кристаллитов в рассеяние носителей заряда в исследуемых пленках висмута.
Основные положения, выносимые на зашиту:
Избирательное травление и декорирование с помощью естественного оксидирования в сочетании с АСМ позволяет определить размеры блоков и их взаимную кристаллографическую ориентацию в пленках висмута субмикронных толщин.
Применяемые методы исследования структуры пленок обеспечивают возможность оптимизации технологии получения пленок с высоким совершенством структуры и максимальными подвижностями носителей заряда.
Отжиг наиболее эффективен для выращивания крупноблочных пленок висмута на ориентирующей подложке в случае исходной структуры пленок висмута, имеющей кристаллиты только с двумя противоположными ориентациями кристаллографических осей.
В пленках висмута, имеющих размер кристаллитов на порядок больше чем толщина пленки, ограничение подвижности электронов связано, в основном, с взаимодействием с поверхностью пленки, а подвижности дырок - с взаимодействием с границами блоков.
Теоретическая значимость работы. Полученные результаты представляют собой этап исследования закономерностей изменения свойств полуметаллов при переходе от массивных монокристаллов к тонким пленкам, обусловленных, в частности, проявлением классического размерного эффекта в пленках висмута, вкладами в него рассеяния носителей заряда на поверхности пленки и границах кристаллитов. Предложена модель процесса рекристаллизации при отжиге, которая позволяет понять различную его эффективность для пленок висмута, имеющих различную исходную структуру.
Практическая значимость работы. Разработаны неразрушающие способы выделения межкристаллитных границ и определения взаимной ориентации кристаллитов в пленках висмута субмикронной толщины с помощью естественного оксидирования или травления в сочетании с атомно-силовой микроскопией, которые могут быть использованы для контроля качества тонкопленочных изделий.
При контроле методами АСМ оптимизированы режимы получения пленок висмута, имеющих структуру, близкую к монокристаллической. Эти пленки могут использоваться для разработки термоэлектрических преобразователей энергии, болометров, тензометров, а также для исследования классических и квантовых размерных эффектов в низкоразмерных системах на основе висмута.
Связь темы с планом научных работ.
Диссертационная работа является частью научных исследований научно-исследовательской лаборатории полуметаллов и проводилась в рамках тематики НИИ Физики РГПУ им. А.И. Герцена (финансирование: Министерством образования и науки РФ в рамках аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" № 2.1.1/3847 «Закономерности изменения свойств при переходе от массивного монокристалла к наноструктурам на основе полуметаллов и узкозонных полупроводников системы висмут-сурьма», а также правительством Санкт-Петербурга (распоряжение Комитета по науке и высшей школы от 20.06.2008 №68, грант № 2.4/28-04/10 «Совершенствование структуры пленок висмута при ее контроле методом атомно-силовой микроскопии»)).
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертации обеспечивается: применением апробированных способов получения пленок висмута при контроле их структуры различными методами сканирующей зондовой и электронной микроскопии, сравнительным анализом их результатов, экспериментальным исследованием апробированными методами комплекса гальваномагнитных явлений в этих пленках, их интерпретацией в рамках общепризнанных теорий, согласованностью полученных результатов с результатами опубликованных работ в той части, в которой сравнение результатов возможно.
Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах: X Межгосударственном семинаре
«Термоэлектрики и их применения» (Санкт-Петербург, 2006 г.), XI Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применения» (Санкт-Петербург, 2008г), XIII Международном форуме по термоэлектричеству (г. Киев, Украина, 2009 г.), XVI Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел «РЭМ 2009» ( Черноголовка, 2009 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Физические явления в конденсированном состоянии вещества» (Чита, 2009 г.) и на научных семинарах лаборатории полуметаллов кафедры общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 в журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка используемой литературы. Работа содержит 150 страниц сквозной нумерации, 57 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 177 наименований.
