Введение к работе
Актуальность темы исследования. Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с размерами менее 100 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая вносит революционные изменения в технологии XXI века. Подобным структурам соответствует такое состояние вещества, когда в их поведении проявляются и доминируют принципиально новые явления, в числе которых квантовые эффекты, статистические временные вариации свойств и их масштабирование в зависимости от размеров структур, преобладающее влияние поверхности, отсутствие дефектов в объеме монокристаллов, значительная активность в химических реакциях, процессах сорбции, спекания, горения и т. п. Эти явления наделяют наноразмер-ные частицы и структуры уникальными механическими, электрическими, магнитными, оптическими, химическими и другими свойствами, которые открывают дверь в принципиально новую область манипулирования материей с применениями, трудно представимыми в обычной ситуации.
Использование в технологии полупроводниковых приборов лучевых методов, ионно-лучевых, рентгеновских и других позволяет получать приборы размером до 10-25 нм. Переход от микро- к наноразмерным элементам электронной техники приводит к увеличению потребности в объективной информации об электронных процессах, протекающих в наногетерогенных структурах.
Известны теоретические и экспериментальные работы, посвященные изучению механизмов электропроводности наногетерогенных структур. Однако не исследованы электрические свойства монослоя наночастиц. Перенос электронов через межфазную границу "шарообразная частица-плоский электрод" происходит в результате туннелирования с заполненных состояний по одну строну межфазной границы на свободные состояния по другую строну этой границы. Поэтому, изменяя электрическое напряжение на межфазной границе и его полярность, можно пытаться осуществить сканирующую туннельную спектроскопию поверхностных электронных состояний (ПЭС). Физические и химические процессы, протекающие на поверхности наночастиц в активной газовой среде, изменяют ПЭС и положение уровня Ферми на поверхности. Следовательно, наблюдая изменение электрических свойств наночастиц, можно контролировать физические и химические процессы, протекающие на их поверхности.
Известны оптические свойства полупроводниковых квантовых точек (КТ). Электрические свойства КТ исследованы на моделях двумерного электронного газа, полученных методом литографии с использованием затворов из металлических электродов, ограничивающих двумерное движение электронов при наложении электрического поля. Методы получения электрических контактов к полупроводниковым КТ не разработаны.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования является гетерогенная структура, содержащая наночастицы полупроводника. Объектами исследования служили электронные явления в структуре «металл - наноча-
стицы - металл» (МНМ) с монослоем шарообразных наночастиц А12Оз, Zr02 или никеля и меди с тонкими оксидными плёнками на их поверхности.
Цель работы состоит в изучении механизмов электронных явлений в структуре МНМ с монослоем шарообразных наночастиц металлов, содержащих тонкую оксидную плёнку на своей поверхности, или с монослоем оксидов металлов.
Задачи исследования:
Разработать метод получения тонких плёнок, состоящих из монослоя наночастиц, диаметр которых не превышает 270 нм.
Изучить структуру поверхности подложек и структуру тонких плёнок, состоящих из монослоя наночастиц (распределение частиц по поверхности, определение размеров частиц и элементного состава пленок).
Разработать технические средства для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) структуры МНМ.
Исследовать влияние диаметра наночастиц оксидов металлов структуры МНМ на её электрические свойства.
Исследовать влияние температуры на электропроводность структуры МНМ.
Исследовать влияние воздействия активной газовой средой (атомарным водородом или атомарным кислородом) на электрические свойства структуры МНМ.
Разработать метод получения полупроводниковых КТ.
Изучить электронные явления в КТ.
Научная новизна работы обусловлена изучением электрических свойств наночастиц, в том числе квантовых точек, обладающих полупроводниковыми свойствами, и определяется следующими результатами:
На примере структуры МНМ с шарообразными наночастицами А12Оз или ZrC>2 обнаружено явление, заключающееся в том, что дифференциальное сопротивление гетерогенной структуры отрицательное и приближается к нулю (обратимо) при увеличении силы тока. Установлено, что этот эффект обусловлен двойной инжекцией носителей тока (электронов и дырок) и туннели-рованием электронов через межфазные границы. При этом толщина потенциального барьера на межфазной границе уменьшается при увеличении уровня инжекции. Положительная обратная связь обеспечивает приближение к нулю отрицательного дифференциального сопротивления структуры МНМ при увеличении силы тока.
Обнаружено, что после выдержки структуры МНМ с монослоем шарообразных наночастиц А1203 или Zr02 в среде атомарного кислорода или атомарного водорода электропроводность структуры возрастает до 104 раз и зависит от полярности приложенного электрического напряжения. Эффект обусловлен изменением состояния поверхности наночастиц под действием атомов Н или О. При этом контакт наночастиц с одним из электродов может становиться запорным.
Установлено, что дифференциальное сопротивление структуры в виде монослоя шарообразных наночастиц никеля или меди с оксидными плен-
ками на их поверхности, расположенных между плоскими металлическими электродами, положительное и уменьшается при увеличении приложенного электрического напряжения. Форма ВАХ структуры МНМ меняется после выдержки структуры МНМ в среде атомарного водорода: наблюдается обратимый переход из проводящего состояния в непроводящее (переключения) структуры МНМ при увеличении электрического напряжения.
4. Разработан метод, позволяющий получать полупроводниковые КТ с
1 1 —9
концентрацией до 10 см и электрические контакты к каждой из них. Установленные в опытах электрические свойства КТ объяснены с использованием представлений об эффекте кулоновской блокады и эффекте увеличения прозрачности туннельных барьеров при двойной инжекции электронов и дырок в КТ.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработан метод получения тонких плёнок, состоящих из монослоя на-ночастиц, содержащих КТ. Полученные экспериментальные результаты способствуют развитию теории электропроводности наногетерогенных структур и могут найти применение при изучении физических и химических процессов, протекающих на поверхности наночастиц и КТ.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Структура «металл - наночастицы - металл» (МНМ) с монослоем шарообразных частиц А1203 или Zr02 (у которых наибольший диаметр d = 100±30 нм) в зависимости от величины приложенного электрического напряжения находится в слабо проводящем или в высоко проводящем электрический ток состояниях. В высоко проводящем состоянии дифференциальное сопротивление dU/dl структуры отрицательное и приближается к нулю (обратимо) при увеличении силы тока J.
После выдержки структуры МНМ с частицами А12Оз или Zr02 в среде атомарного кислорода или атомарного водорода электропроводность структуры возрастает до 104 раз и зависит от полярности приложенного электрического напряжения.
В высоко проводящем состоянии электропроводность структуры МНМ с частицами А12Оз или Zr02 обусловлена двойной инжекцией носителей тока (электронов и дырок) и туннелированием электронов через межфазные границы.
Дифференциальное сопротивление структуры МНМ в виде монослоя шарообразных наночастиц (диаметром /-100 нм) меди или никеля с оксидными пленками на их поверхности, расположенных между плоскими металлическими электродами, положительное и уменьшается при увеличении приложенного электрического напряжения. После действия атомарного водорода на структуру МНМ форма ВАХ изменяется: ее электропроводность резко увеличивается, а при увеличении напряжения сила тока линейно зависит от напряжения, затем после увеличения напряжения выше некоторого критического значения происходит обратимый переход (переключение) в непроводящее состояние.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечена теоретической обоснованностью используемых методов и воспроизводимостью большого числа экспериментальных данных, а так же использованием современных экспериментальных методов исследования (СТМ, АСМ, СЭМ). Кроме того полученные экспериментальные результаты допускают непротиворечивую теоретическую интерпретацию.
Личный вклад автора. Автором работы получены основные результаты, разработаны технические средства и выполнен весь объём экспериментальных исследований. Им также проведен анализ полученных экспериментальных результатов и сформулированы научные положения, выносимые на защиту.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационное исследование соответствует п. 1 «Физические основы технологических методов получения полупроводниковых материалов, композитных структур, структур пониженной размерности и полупроводниковых приборов и интегральных устройств на их основе», поскольку разработана и апробирована технология получения тонких плёнок, состоящих из монослоя наночастиц; п.2 «Структурные и морфологические свойства полупроводниковых материалов и композитных структур на их основе», т.к. проведено экспериментальное изучение влияния толщины оксидной плёнки на поверхности частиц меди и никеля структуры МНМ на её электрические свойства и изучено влияние воздействия активной газовой средой (атомарным водородом или атомарным кислородом) на электропроводность структуры МНМ; п.4 «Поверхность и граница раздела полупроводников, полупроводниковые гетероструктуры, контактные явления», т.к. проведено экспериментальное изучение структуры поверхности подложек и структуры тонких плёнок, состоящих из слоя наночастиц; п. 6 «Электронный транспорт в полупроводниках и композиционных полупроводниковых структурах», т.к. проведено экспериментальное изучение механизма электропроводности структуры МНМ с монослоем шарообразных наночастиц; п. 19 «Разработка методов исследования полупроводников и композитных полупроводниковых структур» (в соответствии которому разработаны методы измерения вольтамперных характеристик структуры МНМ) паспорта специальности 01.04.10 — «Физика полупроводников».
Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ОрелГТУ (2010 г., 2011 г.), X Юбилейной международной научной конференции "Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии" (г. Ставрополь, 2010 г.), XXII Всероссийском Симпозиуме «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2010 г, 2011 г.), Московской конференции - конкурс молодых учёных, аспирантов и студентов "ФИЗИКОХИМИЯ - 2009" «Физикохимия нано- и супрамолекулярных систем» (г. Москва, 2009 г.), VII и VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (г. Москва, 2010 г., 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, 8 публикаций в научных изданиях, сборниках материалов и тезисов докладов на Международных, Всесоюзных, Всероссийских и региональных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 139 страницах, иллюстрируется 62 рисунками и 9 таблицами, состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 145 наименований.
