Образование пространственного заряда и возникновение ЭДС в пленках оксида алюминия при их взаимодействии с водой Вилинская, Людмила Николаевна

Введение к работе

Актуальность работы. В последнее время усилилось внимание к изучению пленок оксидов металлов, полученных электрохимическим способом, в связи с использованием их в МДП-структурах, конденсаторах, датчиках во влагомерах, в качестве электроизоляционных и декоративных покрытий, а также катализаторов многих химических реакций. Электрохимический метод получения оксидных пленок имеет ряд преимуществ перед остальньшн методами приготовления окисных пленок (катодное распыление, термическое окисление). Этот метод позволяет в едином технологическом цикле регулировать как толщину окисного слоя в желаемых пределах, так и объемные свойства оксидов. Несмотря на широкое применение анодных окисных пленок на алюминии в различных областях техники, многие функциональные свойства этих пленок остаются малоизученными и до конца невыясненными.

Для анодных оксидных пленок многих металлов характерно явление формирования пространственного заряда. Наличие пространственного заряда в этих пленках, природа которого остается до сих пор спорной и неоднозначной, указывает на возможность применения оксидных пленок алюминия в качестве анодоэлектретов, а также источников слабых токов. Современное состояние проблемы пространственного заряда в этих пленках, несмотря на имеющийся в литературе значительный экспериментальный материал, требует дальнейшего развития, как в научном, так и в прикладном аспектах. Так, в связи с необходимостью расширения функциональных возможностей микроэлектронных устройств на основе оксидных пленок алюминия возникает вопрос о выяснении конкретного механизма образования пространственного заряда в рассматриваемых пленках. С другой стороны, на основе знания этого механизма ставится задача о создании источников тока.

Цель и задачи. В работах по исследованию электретных характеристик анодных окисных пленок алюминия высказано предположение, что поляризационное состояние обусловлено инжекцией электронов и захвата их на ловушки в приповерхностном слое окисла в процессе его роста или при приложении внешнего поляризующего напряжения. Однако, имеется ряд экспериментальных фактов, не укладывающихся в рамки предложенных механизмов создания и разрушения поляризационного состояния. Так, изменение емкости электролюминесцентной ячейки на основе оксида алюминия при различной влажности, создание поляризационного состояния в окисных пленках алюминия в атмосфере, содержащей пары воды, и целый ряд других явлений не могут быть объяснены только образованием объемного заряда в процессе роста или поляризации пленки.

С другой стороны, накопленный к настоящему времени теоретический и экспериментальный материал свидетельствует о том, что процессы адсорбции и катализа, происходящие с участием поверхностных состояний окисных пленок, оказьшают большое влияние на явления, протекающие на поверхности и в объеме этих пленок. Показано, что при помещении структуры А1-А1₂0₃-8п0₂ на основе окисла алюминия в атмосферу, содержащую пары воды, в ней возникает ЭДС. Возникновение ЭДС в рассматриваемой структуре состоит в следующем. В процессе адсорбции и диффузии молекул воды в глубь окисной пленки алюминия они могут попадать на неравномерно распределенные в этой пленке каталитически активные центры. При взаимодействии молекул воды с такими центрами возможно протекание реакции диссоциации. Вследствие различия коэффициентов диффузии продуктов диссоциации и концентрационного избытка их около каталитически активных центров возникают диффузионные потоки в сторону меньших концентраций, т.е. от Sn0₂ к алюминиевому электроду, тем самым происходит пространственное разделение продуктов диссоциации, что

приводит к возникновению разности потенциалов между электродами из алюминия и Sn0₂. В результате этого ионы Н* локализуются вблизи алюминиевого электрода, при этом алюминиевый электрод всегда заряжается положительно, a Sn0₇ - отрицательно. Однако наши дальнейшие исследования показали, что при определенных условиях полярность электродов сменяется на противоположную. Кроме того, было установлено, что величина разности потенциалов между электродами может достигать 0.4-0.8 В, что не может быть объяснено на основании предложенных ранее представлений.

Целью настоящей работы было исследование электронных и ионных процессов, происходящих в электрохимически полученных пленках оксида алюминия при их взаимодействии с парами воды, а также уточнение механизма возникновения ЭДС в них, учитывающее образование пространственного заряда, связанного на ловушках.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

установить влияние плотности паров воды и толщины окнсной пленки на знак и величину ЭДС и выяснить причины, влияющие на появление разных знаков полярности алюминиевого электрода,

выяснить участие ловушек в образовании пространственного заряда,

определить концентрации свободных электронов в окисных пленках алюминия и электронов, связанных на ловушках,

изучить кинетику ЭДС, возникающей в окисных пленках алюминия в атмосфере паров воды,

построить физическую модель, описывающую механизм возникновения ЭДС в окисных пленках алюминия.

Научная новизна. В ходе выполнения поставленной задачи впервые установлено, что в процессе генерации ЭДС окисными пленками алюминия в присутствии паров воды могут принимать участие как протоны, так и электрошл. Установлена и изучена зависимость ЭДС от толщины исследуемых пленок.

-s-

Установлено, что за величину ЭДС в окисных пленках алюминия ответственны ловушки биографического происхождения. Определена их концентрация и глубина залегания.

Методом тока Холла определена величина подвижности свободных электронов в окисной пленке алюминия. Установлено, что рассеяние электронов, в основном, происходит на тепловых колебаниях решетки.

Изучена кинетика нарастания и спада ЭДС в окисных пленках алюминия. Предложена математическая модель, описывающая кривые кинетики ЭДС, дающая хорошее совпадение с экспериментально полученными кривыми.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований предложен способ полученіш источника слабых токов с повышенными значениями удельной емкости и удельной энергии. Основные характеристики разработанного источника тока содержатся в информационном листке о передовом производственном опыте.

Основные положения, выносимые на защиту.

Результаты исследований, полученных в настоящей работе, позволяют сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Выявленные зависимости знака и величины ЭДС, возникающей в окисных пленках алюминия, от плотности паров воды.

2. Предложенный механизм возникновения ЭДС, учитывающий образование пространственного заряда, связанного на ловушках.

3. Экспериментальные результаты исследования кинетики нарастания и спада ЭДС и пространственного заряда в оксидных пленках алюминия в атмосфере паров воды.

4. Предложенная модель для кинетических процессов образования и разрушения пространственного заряда в исследуемых структурах.

5. Экспериментальные результаты исследования ЭДС и тока в системе АІ-АІ2О3 - электролит. _

6. Возможность создания источников тока с большой удельной емкостью на основе пленок оксида алюминия.

Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались на IV и V Международных конференциях по физике и технологии тонких пленок "МКФТТП-IV" и "МКФТТП-V" (Ивано-Франковск, 1993, 1995), Международной конференции по химическим сенсорам (Рим, 1994).

Публикации: Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 135 страницы, включая 99 страниц машинописного текста, 26 рисунков и списка нитрованной литературы, насчитывающей 112 наименований.