Электрическое сопротивление нанокомпозитов аморфных сплавов Fe41 Co39 B20 и Co86 Ta12 Nb2 в матрице SiO n тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Композиты на основе аморфных металлических сплавов.

1.1.1 Способы получения аморфных композитов в виде тонких пленок.

1.1.2 Экспериментальные результаты по исследованию структуры тонкопленочных композитов.

1.2 Электрические свойства композитов металл - диэлектрик.

1.2.1 Теория протекания.

1.2.2 Экспериментальные данные по измерению концентрационных зависимостей электросопротивления композиционных пленок.

1.2.3 Механизмы переноса заряда в аморфных композитах металл-диэлектрик.

1.2.4 Температурные зависимости электросопротивления аморфных композитов металл-диэлектрик.

1.2.5 Магнитосопротивление в гранулированных металлических пленках.

1.2.6 Перенос заряда в композитах металл-диэлектрик в сильных электрических полях.

2 ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.47 (

2.1 Получение образцов.

2. 2 Измерение удельного электросопротивления композитов \

Со41рез9В2о)х+(8Ю2)1оо-х и (СовбТаюЫЬгЭх+СБЮгЬо-х.54 |

2.3 Погрешности измерения электросопротивления.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Структура нанокомпозитов (Со41рез9В2о)х+(8Ю2)юо-х и > (Со8бТа12№>2)х+(8Ю2)1оо-х.60 I

3.2 Зависимость удельного электрического сопротивления ; исследуемых нанокомпозитов от состава.

3.3 Температурные зависимости удельного электрического сопротивления аморфных нанокомпозитов.

3.4 Температурные зависимости проводимости композитов в области 78 К-300 К.

3.5 Влияние сильных электрических полей на электропроводность нанокомпозитов (Со41Рез9В2о)х+(8102)1оо-х и (Со^Та^М^х+^Юг^оо-х.

Актуальность темы

В настоящее время наблюдается повышенный интерес специалистов в области материаловедения, физики твердого тела и перспективных технологий к синтезу и исследованию физических свойств материалов с распределенными в неорганической матрице наночастицами или кластерами металлов. Это связано как с научной новизной исследований в этом направлении, так и с широкими возможностями практического применением таких материалов. Научный интерес к нанокомпозитам обусловлен тем, что малый размер частиц приводит к появлению уникальных физических, химических и других свойств, которые не получили достаточно убедительной физической трактовки.

Практический интерес к нанокомпозитам обусловлен перспективным применением их в качестве магнитных головок для записи и воспроизведения информации, при разработке защитных покрытий и для других целей. В последние годы для создания головок магнитной записи широко используются аморфные магнитомягкие сплавы на основе железа и кобальта. В области низких частот они обладают хорошими магнитными свойствами. Однако в высокочастотной области их применение затруднено вследствие возрастающих потерь на вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо увеличивать удельное электрическое сопротивление магнитных сплавов. Одним из путей решения данной задачи является получение композиционных материалов на основе аморфных металлических сплавов и диэлектрика. Такие композиты состоят из множества металлических гранул размером несколько нанометров, хаотически распределенных в диэлектрической матрице. Применение таких материалов как БЮ2 и А1203 в качестве диэлектрических наполнителей позволяет увеличить удельное электросопротивление и расширить частотный диапазон применения магнитомягких материалов. Кроме того, такие композиты обладают высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью, что делает их перспективными материалами при изготовлении защит5 ных покрытий. Однако до последнего времени композиты на основе железа и кобальта были получены в виде кристаллических включений металла в диэлектрической матрице. Учитывая вышесказанное, была поставлена задача получить аморфные нанокомпозиты (Со41рез9В2о)х"К8Ю2)юо-х и (Со8бТа12М)2)х+(8Ю2)юо-х и сформулирована следующая цель их исследований.

Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме НИР № ГБ.96.26 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники".

Цель и задачи работы

Экспериментально исследовать структуру и механизмы электропереноса композитов металл-диэлектрик на основе аморфных магнитомягких сплавов железа и кобальта в широком интервале концентраций и температур.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

- методом ионно-лучевого распыления получить композиты на основе аморфных сплавов железа и кобальта в матрице в виде тонких пленок;

- методом электронной просвечивающей микроскопии исследовать микроструктуру композитов в исходном состоянии и ее изменение в процессе термообработки;

- изучить механизмы электропереноса полученных композитов в широком диапазоне температур и концентраций;

- исследовать влияние сильных электрических полей на проводимость композитов. 6

Научная новизна

В работе впервые: исследована микроструктура композитов (Со^РездВго^+^Юг^оо-х и (Со8бТа12№>2)х+(8Ю2)кю-х и установлено образование фрагментированных включений аморфного металла с размером гранул 2-6 нм в диэлектрической матрице. Показано, что термический отжиг до температуры 700 К приводит к объединению металлических гранул в крупные включения размером до 20 - 50 нм; изучена зависимость электропроводности нанокомпозитов от концентрации аморфных металлических включений при комнатной температуре и определен порог перколяции Хс, при котором металлические проводящие каналы разрываются на отдельные, изолированные диэлектриком области. Для композитов (Со41Ре39В2о)х+($Ю2) юо-х порог перколяции Хс = 46 ат. % и для композитов (Со86Та12КЬ2)х+(8Ю2)юо-х^с= 57 ат. %; изучены механизмы переноса заряда в композитах в области температур 78 - 300 К. Установлено, что для композитов (Со41рез9В2о)х+(8Ю2)1оо-х и (Со8бТа12М)2)х+(8Ю2)1оо-х, с большим содержанием диэлектрика в области низких температур доминирующим механизмом переноса заряда является электронное туннелирование между металлическими гранулами через диэлектрическую матрицу. С уменьшением содержания диэлектрика в составе композита механизм электронного туннелирования сменяется на прыжковый механизм проводимости по локализованным состояниям с переменной длиной прыжка;

- из зависимостей проводимости композитов от напряженности электрического поля найдена относительная длина прыжка носителей заряда по локализованным состояниям в диапазоне температур 100 - 300 К.

Практическая значимость работы

Разработана методика получения гранулированных композиционных пленок из аморфных магнитомягких сплавов и диэлектрика 8Ю2 с заранее определенным удельным электрическим сопротивлением в диапазоне 10"б.104 Ом*м. 7

Полученные композиты из аморфного металлического магнитомягкого сплава и диэлектрика могут быть использованы для изготовления резистивных слоев и магнитных головок для записи и воспроизведения информации.

Положения, выносимые на защиту

- структура композитов (Со^РездВгсОх+СЗЮгЗюо-х и (Со^ТапКЬг^+^Юг^оо-х представляет собой хаотически распределенные металлические гранулы размеров 2-6 нм в диэлектрической матрице. При термообработке до 700 К происходит объединение металлических гранул в крупные включения размером до 20 -50 нм;

- для композитов с малым содержанием металлического компонента с увеличением температуры наблюдается сильный рост удельного электрического сопротивления вследствие уменьшения поверхности раздела между металлической и диэлектрической фазами за счет объединения металлических гранул, а для низкоомных составов наоборот электросопротивление уменьшается с увеличением температуры за счет кристаллизации аморфной структуры и образования дополнительных проводящих металлических каналов;

- для высокоомных составов в области низких температур доминирующим механизмом переноса заряда является электронное туннелирование между металлическими гранулами через диэлектрическую матрицу. При увеличении доли проводящей металлической фазы механизм электронного туннелирования сменяется прыжковым механизмом переноса заряда с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям в матрице 8ЮП;

- длина прыжка носителя заряда по локализованным состояниям увеличивается с уменьшением температуры и приближается к значению, равному среднему расстоянию между металлическими гранулами.

Апробация работы

Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Воронежского государственного технического университета, а также на Втором всероссийском семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизаций в современном ма-териаловедении"(Воронеж 1999 г.); на Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж 1999 г.); на Международной конференции "Стекла и твердые электролиты" (С - Петербург 1999 г.); на 8 Европейской конференции по магнитным материалам и их применению "EMMA - 2000" (Киев 2000 г.); на Международной конференции "Fullerenes and atomic clasters IWF AC 99" (S.- Petersburg 1999 г.), на Международной конференции "Conference on Rapidly Quenched and Metastabile Materials" (Bangalore, India, 1999r.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 2 научные статьи и 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в получении образцов. Автором выполнены все измерения удельного электрического сопротивления полученных композитов при различных температурах и напряженностях электрического поля, а также проведена обработка экспериментальных результатов средствами вычислительной техники. Автор участвовал в обсуждении результатов эксперимента и проводил подготовку научных публикаций для печати.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы из 83 наименований. Основная часть работы изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 37 рисунков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ^

1. Методом ионно-лучевого распыления составных мишеней из металлических сплавов Со4,РездВ2о, Со86Та12МЬ2 и кварца получены образцы аморфных г композитов (Со41Еез9В2о)х"К8Ю2)юо-х и (Со86Та12]ЧЬ2)х+(8Ю2)1оо-х- Показано, что в процессе распыления составной мишени образуется фрагментированная структура включений аморфного металлического сплава размером 2-6 нм в 1 аморфной электроизолирующей матрице из кварцевого стекла. При малых концентрациях диэлектрического компонента металлические области образуют протяженные проводящие каналы, а при больших концентрациях диэлектрика ! представляют отдельные гранулы, изолированные друг от друга аморфной матрицей 8Ю2. Установлено, что нагрев до 700 К приводит к объединению металлических гранул в области до 20-50 нм, а при температурах свыше 800 К включения из аморфного металла кристаллизуются и распадаются на более мелкие.

2. Экспериментально подтверждена справедливость теории перколяции для исследованных нанокомпозитов и определены концентрации компонентов, соответствующие порогу протекания, который для композитов (Со41ре39В2о)х+(вЮг) 1 оо-х Хс « 46%, а для композиций (Со86Та12Мэ2)х+(8Ю2)юо-х 1 Хс «57%.

3. Показано, что для композитов с высоким содержанием диэлектрика при \ термическом нагреве в диапазоне 400-700 К происходит сильный нелинейный ) рост удельного электрического сопротивления вследствие увеличения размера ! металлических включений и расстояния между ними, а для низкоомных составов наблюдается уменьшение электросопротивления вследствие кристаллиза- .; ции металлической фазы.

4. Исследованы механизмы электропроводности в гранулированных аморф- | ных нанокомпозитах в области низких и умеренных температур. Показано, что в области низких температур, что для высокоомных составов основным механизмом переноса заряда является электронное туннелирование между металлическими гранулами через аморфную диэлектрическую матрицу. С увеличением

93 доли металлического компонента электронное туннелирование сменяется прыжковым механизмом переноса заряда с переменной длиной прыжка.

5. Установлено, что проводимость полученных композитов не зависит от напряженности приложенного электрического поля до значений Е = 1* 104 В/м. Для полей, превышающих указанное значение, зависимость проводимости от напряженности электрического поля хорошо описывается в рамках модели теории прыжковой проводимости. Из полевых зависимостей проводимости определена относительная зависимость длины прыжка носителя заряда от температуры в диапазоне 100 - 300 К. Показано, что с понижением температуры длина прыжка увеличивается, приближаясь к среднему расстоянию между гранулами.

94

1. Холлэнд JI. Нанесение тонких пленок в вакууме. М-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. - 378 с.

2. Kodama L.I. Fabrication of amorphous Ni-Si films with small temperature coefficient of resistance by new flash evaporating method // J. of electronic materials. -1995. V. 24.-№ 12. - P. 175-180.

3. Физика тонких пленок / Под ред. Хасса Г., Франкомба М., Гофмана Р. М.: Мир. - Т. 8. - 1978. - 360 с.

4. Чопра К. Л. Электрические явления в тонких пленках. М.: Мир, 1972. -170 с.

5. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М.: Радио и связь. 1991.-527 с.

6. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные и распылительные системы. М.: Радио и связь. 1986. - 176 с.

7. Omata Y., Sakakima Н. Thermal stability of softmagnetic properties of Co-(Nb,Ta)-(Zr,Hf) films with high saturation magnetization // Transactions on magnetics. 1987. -V. 23. -№ 5.-P. 1005 - 1008.

8. Guzman J.I., Koeppe P.V., Kryder M.N. Magnetic properties of sputtered bilayer and laminated CoZr/Sio2thin films // Transactions on magnetics. 1988. - V. 24. № 6.-P.1095- 1101.

9. Choh K.K., Judy J.H. The effects of an applied magnetic field on the magnetic properties of rf sputtered amorphous CoZrNb thin films // Transactions on magnetics. - 1987.-V. 23.-№ 5.-P. 965 - 969.

10. Gurumrugan K., Mangalaraj D., Narayandass K. Magnetron sputtered transparent conducting CdO thin films // J. of Electronic Materials. 1996. - V. 25. - № 4. -P. 2011 -2023.

11. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир. 1986. - 556 с.95 г

12. Гуревич С.А., Зарайская Т.А., Конников С.Г. Исследование химического |состояния меди в композитных пленках Cu/Si02 методом рентгеновской фо- JIтоэлектронной спектроскопии // Физика твердого тела. 1997. - Т. 39. 1. С. 1995 1998. , . /

13. Zhengang Zhang, Chengxian Li, Chao Li, Shihui Ge. Giant magnetoresistance of > Co-Al-O insulating granular films deposited at various substrate temperatures // J. ; of Magnetism and Materials. 1999. -№ 198-199. - P. 30-32. |

14. Dieny В., Sankar S., Mc Cartney M.R. Spin-dependent tunneling in discontinuous f metal/insulator multilayers // J. of Magnetism and Materials. -1998. V. 185. - | P. 283-292. *

15. Михеев B.M. Влияние донор-донорного взаимодействия на переход металл-изолятор в легированных полупроводниках // Физика твердого тела. 1997. - -Т. 39.-№ 11.-С. 1985-1989.

16. Василевская Т.Н., Ястребов С.Г., Андреев Н.С., Дроздова И.А., Звонарева Т.К., Филиппович В.Н. Структура пленок аморфного гидрированного угле- I рода, легированного медью // Физика твердого тела. 1999. - Т. 41. - | С. 2145-2149. . I

17. Berthier S., Khodia K.D., Peiro J. Influence of morphology on the optical properties of nanoncermets and granular inhomogeneous media // Nanostructured materials. 1993. -V. 2. - P. 421-432. I

18. Эфрос АЛ.,. Шкловский Б.И. Теория протекания и проводимость сильно " неоднородных сред // УФН. 1974. - Т. 117. - № 3. - С. 2-14.

19. Shante V.K., Kirkpatrick S. // Advanced Physics. 1971. - № 20. - P. 325. I

20. Efros A.L., Shklovski B.I. Conduction of nanostructured metall insulator // Phys. Stat. Solid. В.- 1976. - № 76. - P. 475 - 490. J

21. Киркпатрик С. Теория и свойства неупорядоченных материалов // Новости 'fфизики твердого тела. 1977. - Т.7. - С. 249-291.

22. Kluppel М., Strukture und Eigenschaften fraktaler Fullstoffhetzwerke in Elas- ? tomeren // Elastomere und Kunststoffe. 1997. - Bd. 4. - S. 282-291. Гуjr '4>96

23. Чмутин И.А., Летягин С.В., Шевченко В.Г., Пономаренко А.Т. Электропроводящие полимерные композиты: структура, контактные явления, анизотропия // Высокомолекулярные соединения. 1994. - Т. 36. - С. 699-713.

24. Shevchenko V.G., Ponomarenko А.Т., EnikolopovN.S. Anisotropy effect in electrically conducting polymer composites // J. of Applied electromagnetics in materials. 1994.-V. 5.-P. 267-277.

25. Gittleman J.I., Goldstein Y. Magnetic Properties of Granular Nickel Films // Physical review. 1972. - V. B5. - № 9. - P. 3609 - 3621

26. Abeles В., Pinch H. L., Gittleman J.I. // Physical Review Letter. 1975. - V. 35. - P. 247.

27. Аронзон Б.А., Варфоломеев A.E., Ковалев Д.Ю., Ликальтер А.А., Рыльков В.В., Седова М.А. Проводимость, магнитосопротивление и эффект Холла в гранулированных пленках Fe / SiC>2 // Физика твердого тела. 1996. -Т. 41.- №6.- С. 1056-1060.

28. Cohen М., Fritzche Н., Ovshinsky S. // Physics Review Letter. 1969. - V. 22. -P. 1065.

29. Mott N.F. Conduction in non-crystalline system // The Phylosophical Magasine. -V. 22.-№ 175.-P. 7-30.

30. Шкловский Б.И. Прыжковая проводимость слабо легированных полупроводников. // Физика и техника полупроводников. 1972. - Т.6. - № 7. С. 11971225.

31. Bennett A.J., Roth L.M. Electronic structure of defect centers in Si02 // J. Phys. Chem. Solids.-1971.- V. 32.-P. 1251-1261.

32. Мотт H., Девис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. -М.: Мир, 1974. 623 с.k