Проводящие и СВЧ-отражающие свойства тонких металлических и металл-диэлектрических плёнок с включениями Макаров, Павел Андреевич

Введение к работе

Актуальность проблемы

Изучение проводящих и СВЧ свойств низкоразмерных систем является одним из важнейших направлений современной физики конденсированного состояния, которое включает в себя исследование тонких плёнок, поверхностей, различных мультислойных и композитных структур, и имеет первостепенное значение для их практического использования.

Многослойные и композитные структуры широко исследуются в настоящее время в связи с разнообразием проявляемых ими аномальных электрических [1-5] и магнитных [6-12] свойств. Особенности микро- и наноструктуры подобных объектов непосредственно обуславливают их материальные параметры (диэлектрическую, магнитную проницаемость, проводимость), а вместе с ними и отражение, прохождение и поглощение СВЧ электромагнитных волн в данных системах [А1-А9] [13-18].

Интерес к изучению микро- и наносистем связан также с решением различных фундаментальных проблем. Исследования в этой области подкрепляются как открытием новых явлений, таких, например, как квантовые эффекты Холла, Зенона, так и появлением принципиально новых технологий получения планарных структур, позволяющих изготавливать многослойные структуры из самых различных материалов. Всё это приводит к развитию новых идей и принципов, которые вызывают потребность в более глубоком и детальном теоретическом анализе, а также в постановке комплексных экспериментальных исследований.

Большое значение имеют исследования пространственных неод- нородностей низкоразмерных структур, обусловленных как несовершенством поверхности подложек, так и технологей получения плёнок. Зачастую неоднородности и включения делают достаточно сложными, а во многих случаях невозможным наблюдение «тонких» эффектов, усложняют понимание физической природы наблюдаемых явлений. В силу данных причин наблюдается бурное развитие техники и аппаратуры для измерений структурных, электрических и магнитных свойств низкоразмерных структур и влияния на них неоднородностей и включений [19,20]. Степень неоднородностей планарных структур, а также характер распределения их по поверхности являются важными факторами, влияющими на предельно достижимые параметры и надежность работы многих устройств на их основе. Поэтому большой практический интерес вызывает исследование влияния неоднородности структуры плёночных систем на их электродинамические свойства.

Изучение свойств тонких плёнок играет большую роль для создания и усовершенствования различных СВЧ устройств, таких как фазированные антенные решетки, перестраиваемые фильтры, гетеродины с низким уровнем фазового шума, параметрические усилители, генераторы, а так же преобразователи частоты: смесители, делители, умножители [21-23].

Тонкоплёночные технологии находят применение и в интегральной электронике, при создании различных активных и пассивных элементов высокой стабильности и точности, например, в гибридных и монолитных интегральных микросхемах применяются тонкоплёночные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, интегрирующие и дифференцирующие RC-цепи [24-26]. Замена диффузионных резисторов на тонкоплёночные дает целый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент сопротивления, низкую паразитную емкость, более высокую радиационную стойкость, более высокую точность номинала.

Изучение проводящих и СВЧ отражающих свойств тонких плёнок толщиной порядка 10 - 500 нм имеет большое значение в области обработки и хранения информации [12].

Тема настоящей диссертационной работы соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утверждённых Президиумом РАН (раздел 1.2. — «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1.2.5. — «Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО Сыктывкарского государственного университета при финансовой поддержке Министерства образования и науки (темплан НИР, 2008 - 2011 гг.) и грантов РФФИ (06-02-17302, 09.-02- 9800_р_север_а, 10-02-01327).

Объект и предмет исследования

Объект исследования — металлические, металл - диэлектрические плёнки с включениями и композитными структурами. Предметом исследования является вопрос взаимосвязи включений с проводимостью, диэлектрической проницаемостью и отражающими свойствами в СВЧ- диапазоне двухслойных металлодиэлектрических плёнок. Цели и задачи настоящего исследования

Целью настоящей работы является комплексное исследование электрических и СВЧ-отражающих свойств тонких металлических и металлодиэлектрических плёнок с включениями и композитными структурами на диэлектрической подложке, включающее в себя как теоретическое моделирование, так и экспериментальное исследование их проводящих и отражающих свойств в СВЧ-диапазоне. Для достижения выбранной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование поведения СВЧ электромагнитного поля в неоднородных средах;

2. Изучение диэлектрической проницаемости и проводимости композитных слоёв;

3. Расчет коэффициентов отражения, прохождения и поглощения в многослойных структурах с включениями;

4. Изготовление серий тонких плёнок Fe, (Fe)_x(BaF^_у, (Fe)_x(Al)_y, (Fe)_x(WOs)_у, (Fe)_x(MoO)_y с разной толщиной;

5. Экспериментальное исследование проводящих и СВЧ- отражаюгцих свойств полученных плёнок и влияние на них окисления слоя Fe и включений, возникающих при напылении диэлектрического слоя.

Научная новизна

1. Получены аналоги волновых уравнений электромагнитного поля в стационарных изотропных неоднородных средах.

5. 1. На основе приближений Максвелла — Гарнетта, Полдера — ван Сантена, фон Бруггемана проанализирована эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость композитных сред в зависимости от концентрации включений.

   2. Предложена методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения СВЧ-волн в многослойных неоднородных композитных средах.

   3. Проведен анализ влияния включений в составе многослойной системы на её проводящие и отражающие свойства.

   4. Изготовлены образцы нанокомпозитных металлических и металло- диэлектрических плёнок Fe, (Fe)_x(BaF^_y, (Fe)_x(Al)_y, (Fe)_x(WОз)_y, (Fe)_x(MoO)_y, исследованы их проводящие и СВЧ-отражающие свойства, а также наноструктура плёнок Fe, (Fe)_x(BaF^_y.

   5. Измерено изменение массы плёнок от времени в процессе и после напыления.

   Практическая значимость работы

   Результаты диссертационной работы могут быть использованы для создания плёнок с заданными диэлектрической проницаемостью и проводимостью, и соответственно, коэффициентами отражения, а также для совершенствования технологии получения многослойных плёнок.

   Методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения может быть эффективно использована для оперативной диагностики тонкоплёночных материалов, в том числе контроля концентрации и проводимости включений.

   На защиту выносятся следующие положения:

   5. 5. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости, проводимости композитных слоёв от концентрации включений;

         2. Методика расчета коэффициентов отражения, прохождения и поглощения СВЧ-волн в многослойных плёнках с композитными слоями;

         3. Зависимости проводящих и СВЧ-отражающих свойств плёнок Fe, (Fe)_x(BaF₂)_y от толщины слоёв и концентрации включений;

         4. Методика определения концентрации и проводимости включений в металлических и металл - диэлектрических плёнках.

         Апробация работы

         Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, школах и семинарах:

         X, XII Всероссийской научной конференции студентов радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007);

         2008); кар, 2009);

         лодых учёных (Кемерово, 2009);

         нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2009);

         ного состояния (Санкт-Петербург, 2010); тывкар, 2008, 2010); кар, 2009 - 2012);

         карского государственного университета.

         Публикации

         Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ и в 2 статьях в сборниках работ международных конференций. Список публикаций по материалам диссертации приведён в конце автореферата до списка цитируемой литературы.

         Личный вклад автора заключается в выборе и постановке задач исследований, теоретическом моделировании диэлектрической проницаемости, проводимости и СВЧ-отражения композитных плёнок, а также в проведении экспериментов и анализе результатов экспериментальных исследований.

         Структура и объем диссертации

         Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка авторской и цитированной литературы. Общий объем диссертации — 119 страниц, включая 36 рисунков и 1 таблицу. Библиографический список содержит 123 наименования.

         Похожие диссертации на Проводящие и СВЧ-отражающие свойства тонких металлических и металл-диэлектрических плёнок с включениями

         

         Структура, магнитные и магниторезистивные свойства тонких плёнок 3d-металлов Воробьёв Юрий Дмитриевич

         

         Влияние микроструктуры эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7-x на их электрофизические и нелинейные СВЧ свойстваБарышев Сергей Владимирович

         

         Исследование свойств оптических, СВЧ и электронных элементов на основе полимерных и керамических подложек с тонким металлическим покрытием Трофимов Сергей Митрофанович

         Исследование свойств галогенидосеребряных кристаллов с помощью моделирования на СВЧВольхин, Игорь Львович

         Термодинамические свойства металлов и сплавов в ячеечном приближении метода модельного функционала электронной плотностиБадаева, Венера Файзиевна

         Исследование кинетики процессов, структуры и свойств металлов, подвергнутых ударно-волновому воздействию потока дискретных частиц в режиме, реализующем эффект сверхглубокого прониканияКирсанов, Роман Григорьевич

         

         Вариации скорости волн релея при деформации и оценка механических свойств металлов и сплавов Лунев Алексей Геннадьевич

         

         Влияние пластической деформации на нелинейность упругих свойств металлов Никитин Константин Евгеньевич

         

         Особенности микроструктуры, электрических и магнитных свойств металлов, полученных с помощью протонного восстановления тонких пленок оксидов металловДомантовский Александр Григорьевич

         Структура и механические свойства металлов и сплавов, подвергнутых интенсивной пластической деформацииКорзников, Александр Вениаминович