Введение к работе
Актуальность работы. Установление зависимости между условиями
синтеза, составом, структурой и свойствами химических соединений является
одной из важнейших задач неорганической химии. В настоящей работе в
качестве исходного объекта исследования выбраны структуры, состоящие из
тонких пленок ниобия, индия и их оксидов на поверхности
монокристаллического или окисленного кремния. Наиболее значимым
свойством подобных структур является то, что в зависимости от конфигурации
межфазных границ и условий синтеза на базе одних и тех же материалов
возможно формирование диэлектрических, полупроводниковых,
сегнетоэлектрических и оптоэлектронных материалов. Для формирования пленок с заданными свойствами необходимо установить связь их состава и структуры с условиями синтеза. Поэтому на первый план выдвигается изучение фазовых превращений, изменения кристаллической структуры и поверхностной морфологии пленок, происходящих при их термообработке. Варьируя условия синтеза, можно изменять в требуемом направлении состав и свойства получаемых пленок. Наряду с весьма значимыми перспективами использования тонкопленочных гетероструктур, полученных при оксидировании сложных композиций на основе металлических слоев и их оксидов, механизм их формирования далеко не всегда ясен. Так, в последние годы, активно развивается представление о роли процессов самоорганизации в переходных областях, локализованных на границах соседствующих фаз, которые в некоторых случаях могут определять рост тонких слоев на протяжении всего времени синтеза.
Исследование процесса оксидирования полупроводников и металлов интенсивно изучается в последнее время из-за высокой востребованности и актуальности применения таких оксидов. Тонкопленочные оксиды металлов и полупроводников широко используются в таких перспективных областях, как микро- и наноэлектроника; тонкие слои являются основой любой современной технологии в производстве интегральных схем. Однако, не смотря на значительный интерес к данным объектам, до сих пор остается ряд невыясненных вопросов. Особенность тонко пленочного состояния практически во всех известных случаях коренным образом изменяет характеристики процесса.
С этих точек зрения, актуальность предлагаемого исследования выглядит достаточно обосновано.
Цель работы: установление фундаментальной взаимосвязи между условиями синтеза, механизмом и свойствами сложных оксидных гетероструктур, сформированных на основе оксидов индия и ниобия.
Для достижения данных целей были сформулированы и решены следующие задачи:
отработка методики нанесения ультратонких слоев индия и ниобия на подложки из монокристаллического кремния и плавленого кварца, позволяющей воспроизводимо формировать однородные и однофазные металлические пленки;
разработка принципов твердофазного синтеза в вакууме и в атмосфере кислорода сложных оксидов, содержащих оксиды индия и оксиды ниобия;
исследование кинетики и механизма оксидирования ультратонких слоев индия и ниобия;
изучение механизма твердофазного взаимодействия индия с оксидом ниобия и ниобия с оксидом индия в условиях высокого вакуума при фотонном стимулировании;
формирование сложных тонкопленочных оксидов на основе индия и ниобия при отжиге в атмосфере кислорода плоскослоистых структур с различной конфигурацией межфазных границ;
исследования микроструктуры, фазового состава и оптических свойств сформированных гетероструктур на различных подложках. Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые с помощью магнетронного способа напыления сформированы сложные гетероструктуры содержащие оксиды ниобия и индия, от 15 до 200 нм, характеризующиеся высокой степенью однородности на подложках диаметром до 75 мм. Впервые показан дискретный рост оксидной пленки на металлических пленках индия с применением автоматической эллипсометрии и измерениями in situ в процессе оксидирования длительностью до 60 минут и температурном интервале 398 - 523 К. Впервые предложен механизм, интерпретирующий дискретный рост оксида на пленках индия, основанный на представлениях о пресыщении ионами металла, выращенного оксидного слоя и дальнейшей его самоорганизации до стехиометрического ІП2О3. Впервые изучен процесс твердофазного взаимодействия металлического индия с оксидами ниобия и металлического ниобия с оксидами индия в ультратонких слоях в условиях высокого вакуума при фотонном воздействии. Впервые синтезированы сложные гетероструктуры на основе оксидов индия и ниобия, содержащие сложную структуру гпМЮф И предложен механизм их формирования, заключающийся во взаимодействии металла с ультратонкой пленкой оксида.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов определяется тем, что все синтезированные структуры могут быть использованы как основы структур функциональной электроники для разработки технологий сенсоров различного назначения, запоминающих устройств, а также оптоэлектронных устройств, оптических элементов, просветляющих и оптически активных покрытий.
Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию при разработки современных технологий и изделий функциональной электроники на основе ультратонких оксидных покрытий на воронежском заводе
полупроводниковых приборов, научно-исследовательском институте полупроводникового машиностроения. Результаты диссертационного исследования также могут быть использованы при подготовке и чтении специальных курсов по химии твердого тела, наноиндустрии, современного материаловедения и физической электроники.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработанная методика синтеза ультратонких пленок индия, ниобия и их оксидов на основе метода магнетронного напыления позволила воспроизводимо сформировать слои толщиной от 15 нм.
Механизм дискретного рост оксидных слоев на тонких пленках металлического индия, основанный на представлениях о пресыщении ионами металла, выращенного оксидного слоя и дальнейшей его самоорганизации до стехиометрического ІП2О3.
Предложенный метод синтеза ультратонких оксидных пленок позволяет формировать гетероструктуры содержащие соединение InNb04, способные использоваться как элементы функциональной оптоэл ектроники.
Установлена взаимосвязь между условиями синтеза, конфигурацией межфазных границ и микроструктурой, фазовым составом и оптическими свойствами гетероструктур на основе ультратонких пленок сложных оксидов индия и ниобия
Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на VI Международной конференции «Рост монокристаллов и тепломассоперенос «ICSC-2005» (Обнинск, 2005); VI Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006); III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах «ФАГРАН-2006» (Воронеж, 2006); XI международной конференции «Физика и технология получения тонких пленок» (Нижний Новгород, 2007 г.); VII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007); XIII конференции «Высокочистые вещества и материалы» (Ивано-Франковск, 2007 г.)
Публикации. Основное содержание работы изложено в 10 публикациях, в том числе 2 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах и журналах, входящих в перечень периодических изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наименования, приложений. Работа изложена на 118 страницах основного текста и 5 страницах приложений, иллюстрирована 53 рисунками и содержит 12 таблиц.
