Введение к работе
Актуальность темы. Известные к настоящему времени материалы в тройной системе Co-Ge-Te с магнитными свойствами отличаются высокой стабильностью в кристаллическом и аморфном состоянии при комнатной температуре, что делает их значимыми в отраслях производства материалов памяти, микроактюаторов, инфракрасных сенсоров, энергонезависимых запоминающих устройств с произвольной выборкой "ЗУПВ", переключателей, работающих в тепловом инфракрасном диапазоне и динамических оперативно запоминающих устройств "динамическое ОЗУ. Магнитные свойства в этой тройной системе обусловлены содержанием кобальта и могут находить широкие применения в современной технике.
Определяющим триангуляцию в тройной системе Co-Ge-Te является тройное соединение СогОезТез (CoGei 5ТЄ15), которое находится в равновесии с соединениями CoGe2, С0ТЄ2 и CosGey (СогОез). CoGeisTeu - это полупроводниковое соединение п-типа кубической сингонии с параметром а= 8,727 А. Известно и другое тройное соединение CoGeTe орторомбический сингонии с параметрами а = 6,1892, b = 6,2285 и с = 6,1240 А, которое разлагается на GeTe, СоТе и СоТег и предположительно обладает полупроводниковыми свойствами.
Первоочередными задачами в области технологии новых материалов Co-Ge-Te с заданными сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами является контролируемое введение в состав сплава 3d- метала, каким является кобальт, которое и обеспечивает функциональные свойства этих материалов.
Цель работы. Поиск и создание новых объемных и пленочных полупроводниковых/ полуметаллических материалов в тройной системе Co-Ge-Te, обладающих сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами.
Установление закономерностей фазообразования в тройной системы в зависимости от относительного содержания кобальта в тройной системе.
Основные задачи исследования:
оптимизация технологических параметров синтеза для получения объемных и тонкопленочных материалов на остове тройной системы Co-Ge-Te;
синтез объемных сплавов различного элементного и фазового состава с существенно различным содержанием кобальта;
исследование влияния содержания кобальта на структурные свойства, сегне-тоэлектрические и магнитные явления в объемных сплавах;
исследования тонкопленочных материалов тройной системы Co-Ge-Te, полученных в аморфной фазе;
определение их электрофизических и сегнетоэлектрических свойств;
исследования необратимых фазовых переходов между аморфным и кристаллическим устойчивыми состояниями, а также сегнетоэлектрических явлений в стеклообразном состоянии.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования являлись материалы тройной системы Co-Ge-Te, синтезированные в объемном и тонкопленочном состояниях при различных концентрациях элементов из чистых источников Ge, Те и Со. Синтез объемных слитков a- GeTe и тройных сплавов CoGeTe осуществлялся на оригинальной установке автора диссертации методом сплавления компонентов в вакууме
по разработанной технологии. Тонкие аморфные пленки тройных сплавов получались вакуум-термическим испарением синтезированных объемных сплавов.
Исследование морфологии полученных материалов проводилось на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6380. Кристаллографические исследования проводились на просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ -100БР методом дифракции электронов. Размеры кристаллов оценивались с помощью электронной микроскопии. Фазовый состав полученных образцов определяли методом рентгеновской дифракции на дифрактометре ДРОН-4.
Исследование сегнетоэлектрических и магнитных свойств кристаллических объемных материалов аморфных тонких пленок с использованием модифицированной схемы Сойера-Тауэра, атомно-силовой микроскопии (АСМ), электростатической силовой микроскопии (ЭСМ) и магнитной силовой микроскопии (МСМ).
ИК-поглощение изучалось методом нарушенного полного отражения ATR в спектральном диапазоне от 500 до 4000 см"1 на приборе Vertex-70 (Bruker).
Оптические спектры поглощения и пропускания аморфных тонкопленочных образцов для оценки ширины запрещенной зоны получены на двулучевом спектрофотометре Jasco 752.
Изучение электрической проводимости в зависимости от температуры производилось на оригинальной установке.
Научная новизна определяется тем, что:
1. Установлены закономерности фазообразования в тройной системе Co-Ge-Te в
зависимости от содержания кобальта, которые позволили синтезировать новое
ТрОЙНОе Соединение СОз4,5СЄз2,5ТЄзз-
Определены технологические режимы синтеза из расплава нового тройного соединения Co34,5Ge32,5Te33 тетрагональной сингонии и найдены его параметры а = 6,204 ±(0,01)А, с = 11,273±(0,03)А, и V = 433,955 (1,16)А3.
Полученный новый материал представляет собой хорошо ограненные микрокристаллы с размерами в пределах от 4 до 11 микрон и обладает ярко выраженными сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами.
Впервые в тройной системе Co-Ge-Te получены и исследованы аморфные полупроводниковые пленки с сегнетоэлектрическими свойствами.
Обнаружено, что электропроводность тонких аморфных пленок с малым содержанием Со имеет переход между двумя стабильными состояниями из аморфной фазы (невырожденный полупроводник) в кристаллическое состояние (вырожденный полупроводник).
Электропроводность аморфных пленок с большим содержанием кобальта имеет другой характер переходов: из аморфного полупроводникового в стеклообразное полуметаллическое состояние.
Практическая ценность результатов работы определяется тем, что полученные в ходе исследований данные могут быть использованы при создании новых материалов на основе системы Co-Ge-Te. Разработанные методики могут оказаться полезными при создании систем контроля технологических процессов получения материалов для оп-тоэлектронных и запоминающих устройств: компьютерных дисплеев, систем хранения изображений и оптических переключателей интегрально-оптических систем и т.д.
Научные положения, выносимые на защиту.
Закономерности фазообразования в тройной системе Co-Ge-Te в зависимости от содержания кобальта, позволяющие синтезировать новое тройное соединение состава C034,5Ge32,5Te33.
Технологические режимы синтеза из расплава нового тройного соединения Со-GeTe тетрагональной сингонии с параметрами а = 6,204 ±(0,01)А, с = 11,273 ± (0,03) А, и V = 433,955 (1,16)А3, в форме хорошо ограненных микрокристаллов с ярко выраженными сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами.
Обнаруженные переходы электропроводности тонких аморфных пленок между двумя стабильными состояниями из аморфной фазы (невырожденный полупроводник) в кристаллическое состояние (вырожденный полупроводник), при малых содержаниях Со в результате нагревания до температуры выше 400 К
Затяжной нелинейный характер изменения электропроводности аморфных пленок с большим содержанием кобальта при переходах из аморфного полупроводникового состояния в стеклообразное полуметаллическое Со в результате нагревания до температуры выше 400 К
Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре Физики твердого тела и наноструктур Воронежского госуниверситета и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором осуществлено обоснование метода исследования и проведены экспериментальные исследования. Совместно с научным руководителем проведен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту. ПЭМ исследования проведены в Воронежском государственном техническом университете С.А. Солдатенко.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:
VII Всероссийской конференции-школе «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)», 2009, Воронеж.
12-ой научной молодежной школе по твердотельной электронике "Физика и технология микро - и наносистем", 2009, Санкт-Петербург.
Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 2009, Воронеж.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4-х печатных работах, из которых 2 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в перечень ВАК. Кроме того, 3 работы опубликованы в трудах конференций.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения с выводами, изложенных на 156 страницах машинописного текста, включая 71 рисунка, 23 таблицы и список литературы из 137 наименований.
