Электроперенос и магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co41Fe39B20)x(SiOn)100-x и Cox(LiNbOn)100-x в сильных электрических полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

КОПЫТИН Михаил Николаевич

ЭЛЕКТРОПЕРЕНОС И МАГНИТОТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ (Со41Рез9В2о)х(8Юп)1оо_х и Сох(ЫМЬОп)100-х В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Специальность 01.04.07 — Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж - 2006

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Защита состоится «26» декабря 2006 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06. Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Научный руководитель

доктор физико-математических наук

Стогней Олег Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Даринский Борис Михайлович;

кандидат физико-математических наук, доцент

Татохин Евгений Анатольевич

Ведущая организация

Воронежский государственный университет

Автореферат разослан « > ноября 2006 г.

Ученый секретарь у

диссертационного совета Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Тонкопленочные гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик представляют собой гетерогенные системы, состоящие из металлических гранул нанометрового размера, случайным образом распределенных в диэлектрической матрице. Эти структурные особенности обусловливают проявление ряда свойств и эффектов, которые в гомогенных системах выражены слабо или совершенно не наблюдаются: отрицательное (гигантское) магнитосо-противление, аномальный эффект Керра, туннельный механизм электропереноса, высокий коэффициент поглощения электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне и целый ряд других магнитных, электрических, оптических и магнитооптических свойств. Одним из важных аспектов изучения физических свойств этих материалов является исследование электропроводности, величина которой может изменяться на несколько порядков в зависимости от соотношения долей металлической и диэлектрической фаз.

Уникальность физических свойств гранулированных нанокомпозитов, их туннельная, спин-зависимая проводимость делает эти материалы привлекательными не только для фундаментальных исследований, но и для применения в микроэлектронике и спинтронике. Поскольку нанокомпозиты получают различными методами осаждения из газовой фазы, они имеют вид тонких пленок (обычно толщиной от 2 до 10 микрон). При приложении к таким композитам напряжения величиной порядка единиц вольт весьма высока вероятность того, что в объеме материала будет реализован режим сильного электрического поля, когда энергия поля становится по порядку величины равной или больше тепловой энергии при данной температуре. Для такого режима протекания тока характерны отклонения от закона Ома, что наблюдалось в ранее проводимых исследованиях. Однако до сих пор остается открытым вопрос о механизмах воздействия сильного электрического поля на такие свойства гранулированных нанокомпозитов, как магнитосопротивление, намагниченность, диэлектрическую проницаемость. Это и является предметом исследования в настоящей работе.

Тема данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 — «Физика конденсированного состояния вещества»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 07.96 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычисли-

тельной техники", а также по грантам РФФИ № 02-02-16102-а «Высокочастотные магнитные и магниторезистивные свойства нанокомпозитов аморфных металлов в диэлектрической матрице», № 03-02-96486-р2003цчр_а «Магнитный импеданс и магнитосопротивление ферромагнитных гранулированных нанокомпозитов и многослойных наноструктур», № 05-02-17012-а «Магнитоэлектрический эффект и магнитосопротивление в гранулированных нанокомпозитах и многослойных наноструктурах ферромагнетик-сегнетоэлектрик», № 06-02-81035-Бел_а «Нелинейные явления в композитных и мультислойных магнитных наноструктурах при воздействии внешних полей», МО РФ на поддержку ведущих научно-педагогических коллективов, № 06-08-01045-а «Аномальные магнитотранспортные эффекты в нанограну-лированных композиционных материалах металл-диэлектрик», программе Университеты России «Развитие научного потенциала высшей школы»

-№34154.

Цель работы: Исследование проводимости гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик в условиях сильного электрического поля, и

V выяснение механизмов влияния сильного электрического поля на электрические и магнитотранспортные свойства этих нанокомпозитов. Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

1; Спроектировать и изготовить автоматизированный измерительный

♦ - комплекс для исследования электрических и магнитотранспортных свойств

- тонкопленочных гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик, создать программное обеспечение для его работы.

2. Исследовать ВАХ композитов (Со^РездВгоМЗЮ^юо-х при различ-

• ных температурах и определить механизм проводимости в этих композитах в условиях сильного электрического поля.

3. Исследовать влияние сильного электрического поля на электросопротивление и среднее число локализованных состояний <п>, принимающих

- участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу гранулированных нанокомпозитов (Со41Рез9В2о)х($Юп)1оо-х-

4. Установить механизм воздействия сильного электрического поля на электронный транспорт в нанокомпозитах.

5. Провести сравнительное исследование влияния сильного электрического поля на электроперенос и магнитотранспортные свойства композитов с различными материалами диэлектрической матрицы на примере систем (Со41рез9В2о)х(5Юп)1оо-х и Со-1ЛЫЬОп.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Предложена модель кластерных электронных состояний, использованная для объяснения гистерезисных явлений на ВАХ гранулированных на-нокомпозитов (Со41ре39В2о)х(8Юп) юо-х-

2. Предложен механизм воздействия электрического поля на электроперенос в нанокомпозитах, заключающийся в создании новых локализованных состояний на вновь образующихся дефектах.

3. Экспериментально обнаружено наличие обратимого и необратимого изменения электрического сопротивления нанокомпозитов, вызванного полевым воздействием и зависящим от величины напряженности поля.

4. Установлена взаимная обратимость термического и полевого воздействий на электрические свойства нанокомпозитов, обусловленная появлением дефектов после воздействия высокого электрического поля и их исчезновением после последующего термического отжига.

5. Впервые исследованы гранулированные нанокомпозиты с диэлектрической матрицей, сформированной из 1л№Юп, и показано, что основные характеристики этой системы (концентрационная зависимость сопротивления и магнитосопротивления) аналогичны исследованным ранее нанокомпозитам с простыми диэлектрическими матрицами. При этом нанокомпозиты с матрицей ЫМэОп проявляют больший отклик на воздействие сильного электрического поля по сравнению с композитами на основе 8ЮП.

Практическая значимость работы

1. Изготовлен оригинальный автоматизированный измерительный комплекс с компьютерным управлением для исследования электрических и магнитотранспортных свойств тонкопленочных гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик.

2. Разработан пакет прикладных программ для стандартного АЦП с 1ВМ-совместимого компьютера, позволяющий осуществлять измерение и сбор экспериментальных данных в автоматическом режиме.

3. Предложен способ значительного изменения удельного сопротивления и магнитосопротивления нанокомпозитов без изменения наногранули-рованной структуры и соответствующих магнитных характеристик.

4. Нелинейность вольт-амперной характеристики нанокомпозитов, наблюдаемая в высоких электрических полях, позволяет использовать такие материалы в качестве нелинейных элементов электронных схем.

5. Полученные результаты позволяют сформулировать критерий для выбора диэлектрической матрицы композитов с целью получения материала, максимально устойчивого к высоким электрическим полям.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Наличие необратимых эффектов, изменяющих электрические и магнитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn) юо-х и Cox(LiNbOn), после воздействия электрического поля.

2. Модель кластерных электронных состояний, существующих в на-нокомпозитах вследствие делокализации электронов на группе из нескольких близкорасположенных гранул.

3. Механизм воздействия сильного электрического поля на гранулированный нанокомпозит, заключающийся в увеличении среднего числа локализованных состояний <п>, принимающих участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу между соседними гранулами.

4. Результат сравнительного анализа вольт-амперных характеристик и магнитосопротивления гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x и Cox(LiNbO„) до и после воздействия сильного электрического поля, заключающийся в том, что нанокомпозиты с диэлектрической матрицей LiNbOn проявляют больший отклик на воздействие сильного электрического поля, по сравнению с матрицей SiO„.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:

• 8th European Magnetic Materials and Applications Conference. - Киев, 2000.

• Седьмой Всероссийской конференции с международным участием «Аморфные прецизионные сплавы: технология-свойства-применение». - Москва, 2000.

• Международной конференции «Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia». - Москва, 2002.

• Всероссийской научной конференции ВНКСФ-9. - Красноярск,

2003.

• Международной конференции «International Conference On Magnetism». - Рим, 2003.

• Международной научно-практической конференции Пьезотехника-2003. «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». -Москва, 2003.

• Всероссийской научной конференции ВНКСФ-10. - Москва, 2004.

• XIX Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». - Москва, 2004.

• Международной конференции «Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" EASTMAG-2004». - Красноярск, 2004.

• V Международной конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении». — Воронеж, 2004.

• Международной конференции «XXI International Conference on Relaxation Phenomena in Solids (RPS-21)». - Воронеж, 2004.

• Всероссийской научной конференции ВНКСФ-11. — Екатеринбург,

2005.

• VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». — Воронеж, 2005.

• Международной конференции «Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005)». - Москва, 2005.

• XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков ВКС-XVH.-Пенза, 2005.

• П Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. — Анапа, 2005.

• XX Международной юбилейной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». — Москва, 2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ — 4 статьи. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит приготовление к эксперименту и аттестация образцов, получение и анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 162 страницах, содержит 89 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные результаты и положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

В первой главе сделан литературный обзор по теме диссертации. Рассмотрены основные методы получения гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик. Приведены структурные особенности гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик на примере систем Co-Al-O и Co-Si-O.

Обсуждены основные модели электропереноса в гранулированных на-нокомпозитах. Показано, что согласно экспериментальным данным, в зависимости от того, какие компоненты формируют металлические гранулы и диэлектрическую матрицу, а также от соотношения этих фаз, температурная зависимость электрической проводимости нанокомпозита может подчиняться либо «закону 1/2» (модель проводимости Шенга и Абелеса — туннелирование электронов между соседними металлическими гранулами), либо «закону 1/4» . (модель проводимости Мотта - прыжковая проводимость по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка). Кроме того, возможны ситуации, когда в пределах одного температурного интервала для гранулированного нанокомпозита выполняется «закон 1/4», в то время как для другого температурного интервала - «закон 1/2».

Для режима сильного электрического поля рассмотрена модель индуцированного полем туннелирования, предложенная Шенгом и Абелесом. Согласно этой модели, переход от низкополевого к высокополевому режиму, экспериментально наблюдаемый как резкое увеличение электропроводности, осуществляется, когда энергия электрического поля становится сравнимой или больше, чем тепловая энергия при данной температуре.

Во второй главе приведено описание специально разработанной автоматизированной установки с компьютерным управлением, предназначенной ■для исследования электрических, магнитных и магнитотранспортных свойств гранулированных нанокомпозитов. Кратко рассмотрены пакеты программ, написанные для работы с этим комплексом. Описаны особенности экспериментальных методик исследования электрических, магнитных и магнитотранспортных свойств гранулированных нанокомпозитов.

Измерительный комплекс разработан на базе стандартного АЦП, который представляет собой плату, подключаемую к компьютеру по шине PCI. Он представляет собой промежуточное звено между пользователем, проводящим эксперимент, и установкой для измерения электрических, магнитных и магнитотранспортных свойств (рис. 1). В качестве установки может использоваться различное измерительное оборудование, выходным сигналом которого является электрическое напряжение.

Программы для проведения измерений магнитосопротивления, полевых, температурных и временных зависимостей электрического сопротивления и намагниченности написаны в среде программирования Delphi 6.

Рис. 1. Структурная схема измерительного комплекса с внешним блоком для АЦП

Высокополевой режим в исследованиях нанокомпозитов был реализован благодаря подаче напряжения перпендикулярно пленке образца, что позволило достигать значений напряженности поля ~2,52-106 В/м и более.

В третьей главе приводятся результаты изучения влияния сильного электрического поля на электроперенос в гранулированных нанокомпозитах (Со41ре39В2о)х(8Юп) юо-х- Показано, что электросопротивление нанокомпозитов не является стабильной величиной, даже если внешние параметры не изменяются. На рис. 2 показано, что изменение электросопротивления нанокомпозитов зависит от величины напряжения, подаваемого на образец. Такое поведение сопротивления не позволяет корректно исследовать транспортные характеристики композитов, определять механизм проводимости. Поэтому особенности электропереноса в условиях высоких полей были исследованы на основе анализа вольт-амперных характеристик нанокомпозитов, поскольку длительность их измерения значительно меньше характерных времен релаксации процессов, показанных на рис. 2. Основные особенности В АХ нанокомпозитов (Со4,Рез9В2о)х(ЗЮп)10о-х показаны на рис. 3 на примере нанокомпо-зита (Со41рез9В2о)41(8Юп)59. Очевидно, что при комнатной температуре для ВАХ характерны нелинейность и гистерезис. Наличие гистерезиса делает

0,08 0,04 0,00 -0,04 -0,08

Рис. 2. Зависимости приведенного электрического сопротивления от времени

при различных значениях напряжения, приложенного к образцу гранулированного нанокомпозита (Со41Рез9В2о)41(5Юп)59

Рис. 3. ВАХ гранулированного нанокомпозита (Со4,Рез9В2о)41(8Юп)59 при температурах 77 К и 300 К

невозможным однозначную интерпретацию ВАХ в рамках какой-либо модели. Однако было обнаружено, что гистерезисные эффекты очень малы или практически отсутствуют в нанокомпозитах при Т = 77 К (см. рис. 3). Эти экспериментальные данные были проанализированы в рамках трех моделей: эмиссии Пула-Френкеля, эмиссии Шоттки и модели, предложенной Шенгом и Абелесом для активированного полем туннелирования. Анализ соответствия экспериментальных зависимостей нанокомпозитов (Со4]Рез9В2о)х(5Юп) 10о-х

(х = 39, 41, 43, 48 и 51 ат.%) указанным моделям показал, что механизмом проводимости, реализующимся в этих системах при 1=11 К, является активированное полем туннелирование.

Было обнаружено, что воздействие сильного электрического поля приводит как к обратимым, так и к необратимым изменениям электрического сопротивления (рис. 4). Для объяснений гистерезисных явлений ВАХ была - использована модель кластерных электронных состояний (КЭС). К образованию КЭС приводит существование дефектов и примесей в диэлектрической матрице, образующих локализованные состояния. Наличие локализованных состояний приводит к резкому возрастанию вероятности туннелирования электронов между металлическими гранулами, следовательно, электроны, находящиеся вблизи уровня Ферми в наногранулах, могут делокализоваться с образованием КЭС на группе гранул. Поскольку кластеры представляют собой области с высокой проводимостью, предполагается, что сильное электрическое поле может влиять на локализацию КЭС, а значит, и на электрическое сопротивление. Если пространственная структура КЭС после воздействия сильного электрического поля возвращается в исходное состояние, наблюдаются обратимые изменения электрического сопротивления. Необратимое уменьшение электросопротивления может быть связано с тем, что воздействие сильного поля приводит к формированию новых локализованных состояний, по которым осуществляется проводимость, и, соответственно, необратимому увеличению областей локализации КЭС. То есть, гистерезисные явления на ВАХ при Т=300 К могут быть связаны с тем, что после снятия ветви ВАХ кластерные состояния возвращаются к состоянию, отличному от начального.

Для того чтобы выяснить, действительно ли необратимые изменения электросопротивления, величина которых достигала 96 % от начального значения, связаны с увеличением числа дефектов в диэлектрической матрице, были проведены исследования магнитосопротивления (МС), намагниченности и электрической емкости нанокомпозитов (Со41рез9В2о)х($Юп)юо-х- Установлено, что после воздействия сильного электрического поля наряду с электрическим сопротивлением происходит уменьшение величины магнитосопротивления нанокомпозитов (Со41рез9В2о)х($Юп)юо-х (х = 44, 49 и 56 ат.%). Уменьшение значений МС находится в согласии с предположением об уве-

1-'—I—'—г

41------ . ........

-4-3-2-10 1 2 3 4

ЦВ

Рис. 4. Зависимость электрического сопротивления композита (СоРеВ)41(8Юп)59 от величины приложенного напряжения (стрелками показана последовательность измерения характеристики)

личении количества локализованных состояний и размеров областей локализации КЭС, так как в этом случае должна уменьшиться доля спин-зависимого туннелирования и, соответственно, величина МС.

Поскольку большие электрические поля в нанокомпозите могут приводить к локальному разогреву образца и быть причиной наблюдаемых необратимых изменений, было проведено исследование влияния прямых термических отжигов на электрическое сопротивление и МС нанокомпозитов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в доперколяционных нано-композитах отжиги приводят к возрастанию как величины электрического сопротивления, так и значений МС. Следовательно, действие термического отжига на нанокомпозиты противоположно действию сильного электрического поля.

Увеличение электрического сопротивления и МС в доперколяционных нанокомпозитах после отжига может быть связано с диффузией атомов металла, растворенных в диэлектрической матрице, и встраиванием их в гранулы. В результате этого процесса должно уменьшаться количество дефектов, которые могут выступать в роли локализованных состояний и по которым может осуществляться туннелирование. Следствием этого является уменьшение размеров областей локализации КЭС, увеличение электрического сопротивления и МС. Для того чтобы выяснить, являются ли воздействия отжига и электрического поля взаимно обратимыми, был проведен следующий эксперимент. Образец гранулированного нанокомпозита (Со41рез9В2о)4о(5Юп)бо был разделен на две части, и первая была исследована только в исходном состоянии и после отжига при 750 К (образец «А»), а другая - в исходном состоянии, после воздействия сильного электрического поля и последующего отжига (образец «Б») (рис. 5). Установлено, что отжиг приводит к увеличению сопротивления и МС образца «А» (рис. 5, а). Кроме того, отжиг увеличивает

-2,5

после воздействия

1 после отжига |

-10000 -5000 0 5000 10000

-10000 -5000 0 5000 10000

н.э

н, э

а)

б)

Рис. 5. Магнитосопротивление образцов «А» (а) и «Б» (б) гранулированного нанокомпозита (Со41Рез9В2о)4о(ЗЮп)6о. Стрелками показана последовательность изменения МС

сопротивление и величину МС образца «Б» (предварительно подвергнутого воздействию сильного электрического поля, уменьшившего МС) до той же величины, что и для образца «А» (рис. 5, б). Следовательно, действие сильного электрического поля может быть связано с увеличением числа дефектов, которые выступают в роли локализованных состояний в диэлектрической матрице.

Изменение числа дефектов, выступающих в качестве локализованных состояний в диэлектрической матрице, можно оценить по изменению среднего числа локализованных состояний, участвующих в электронном транспорте между соседними гранулами <п>. Этот параметр был определен с помощью модели Луцева для неупругого резонансного туннелирования электронов по локализованным состояниям в диэлектрической матрице. В соответствии с моделью среднее число локализованных состояний <п> может быть определено из температурной зависимости проводимости композита, перестроенной в координатах 1п(ао/ст) - [1п(То/Т)]. В температурном интервале, для которого число <п> остается постоянным, зависимость линеализуется и угол ее наклона позволяет определить величину у. Пересчет данной величины в соответствии с (3) дает значение <п>:

Экспериментальные данные, представленные на рис. 6, а, б, свидетельствуют о том, что для всех исследованных составов нанокомпозитов (Со41рез9В20)х(8Ю2)100-х в диапазоне концентраций металлической фазы 39<х<51 ат.% воздействие сильного электрического поля приводит к увеличению среднего числа локализованных состояний <п>, в то время как после отжига при 723 К происходит уменьшение <п>. В рамках модели КЭС это соответствует увеличению размеров областей локализации в результате полевого воздействия и уменьшению — после отжига.

(1)

5

Л

с 3 v

2

4

35 40 45 50 55

Доля металлической фазы (х), ат.%

35 40 45 50 55

Доля металлической фазы (х), ат.%

а)

б)

Рис. 6. Зависимость среднего числа локализованных состояний <п> от доли металлической фазы х нанокомпозитов (Со41Рез9В2о)х(8Юп)10о-х в исходном состоянии и после воздействия сильного электрического поля (а), в исходном состоянии и после отжига при 723 К (б)

Таким образом, исследование среднего числа локализованных состояний в диэлектрической матрице, участвующих в процессе электропереноса, подтверждает предположение об увеличении числа дефектов в матрице гранулированных нанокомпозитов (Со41рез9В2о)х(5Юп)1оо-х после воздействия сильного электрического поля.

Известно, что в аморфном Б Юг при увеличении плотности структурных дефектов возрастает значение диэлектрической проницаемости. Поэтому при увеличении количества локализованных состояний в диэлектрической матрице композита (то есть, при увеличении степени дефектности матрицы) в результате воздействия сильного электрического поля должно увеличиваться и значение диэлектрической проницаемости диэлектрика, а значит, и всего композита в целом. Соответственно, величина электрической емкости композита тоже должна возрасти. В результате исследования емкостных характеристик нанокомпозитов (Со41рез9В2о)41(^10п)59, проведенных на частоте 10 кГц в исходном состоянии и после ряда воздействий сильного электрического поля, установлено, что электрическая емкость образца увеличилась с 23.5 до 73 пФ. Этот результат подтверждает предположение об увеличении числа дефектов в диэлектрической матрице 8ЮП.

Было установлено, что сильное электрическое поле не воздействует на магнитную подсистему композитов. Это следует из отсутствия изменений в процессах намагничивания композитов, измеренных до и после полевого воздействия. Исследования показали, сильное электрическое поле не приводит к формированию анизотропии формы у магнитных наногранул. Таким образом, за изменения электрических свойств нанокомпозитов ответственны изменения, происходящие в диэлектрической матрице.

Для выяснения природы дефектов, образующих локализованные состояния, число которых увеличивается после высокополевого воздействия, были исследованы релаксационные зависимости электрической проводимости нанокомпозитов при различных температурах (рис. 7). Из экспериментальных данных было оценено значение энергии активации процесса релаксации, которое составило 0.42 эВ. Это значение по порядку величины сопоставимо со значениями энергии диффузии атомов металлов в аморфном БЮ2.

Таким образом, основываясь на приведенных выше экспериментальных данных, можно сделать вывод о том, что предложенная модель кластерных электронных состояний позволяет объяснить наблюдаемое после воздействия сильного электрического поля уменьшение электрического сопротивления и магнитосопротивления увеличением областей локализации КЭС. Это увеличение обусловлено возрастанием числа локализованных состояний в диэлектрической матрице. В качестве локализованных состояний предположительно выступают атомы металла, а увеличение числа <п> связано, по всей видимости, с их диффузией в матрице 8ЮП.

В четвертой главе рассмотрено влияние матрицы на величину изменений, происходящих в гранулированных нанокомпозитах после воздействия сильного электрического поля. Проведен сравнительный анализ влияния сильного электрического поля на ВАХ и магнитосопротивление гранулированных нанокомпозитов (Со41рез9В2о)х(8Юп+02)1оо-х и

С0х(1лМЬ0п+02)100-х-

Установлено, что в нанокомпозитах с матрицей 1ЛМЬОп нелинейность и гистерезис ВАХ выражены сильнее, чем в системе с матрицей из 8ЮП. Кроме того, в двух системах Сох(1л№>0„+02) юо-х (полученных при давлении кислорода 3.4-10"5 и 4-10"5 Торр и отличающихся степенью нестехио-метричности матрицы) нелинейность и гистерезис наиболее сильно выражены для системы, в которой давление кислорода в камере при напылении было меньше. Предполагается, что это связано с наличием большего числа оборванных связей по кислороду, которые выступают в роли локализованных состояний в диэлектрической матрице и по которым осуществляется проводимость. Соответственно, согласно модели кластерных электронных состояний, в этом случае большими являются и размеры областей локализации КЭС. Это подтверждается концентрационными зависимостями электрического сопротивления: сопротивление больше в системе, при получении которой давление кислорода в камере составляло большую величину.

Значения критического напряжения, при котором начинают наблюдаться необратимые изменения электрического сопротивления для систем (Со41Рез9В2о)х(ЗЮп+02)1оо-х и Сох(1ЛМЬОп+О2)ю0-х, уменьшаются при увеличении концентрации металлической фазы (рис. 8, а, б). Это объясняется тем, что с уменьшением ширины туннельных барьеров увеличиваются размеры локализации КЭС, и критическое значение напряженности электрического поля достигается при меньших значениях электрического напряжения, приложенного к образцу.

Зависимости приведенного магнитосопротивления нанокомпозитов (Со41рез9В2о)х(8Юп+02)1оо-х и нанокомпозита Со4з(1лКЪОз+02)57 от

1 263 К

0.8 289 К

" """* 328 К

0.6

0,4 4 363 К

0 1000 2000 3000 4000 I, С

Рис. 7. Релаксационные зависимости нормализованной электрической проводимости ДЛЯ КОМПОЗИТа (Со41Ре39В2о)42(ЗЮп)58 при различных температурах

СП

35 40 45 50 55 60 65 70

х, ат.%

а)

б)

Рис. 8. Концентрационная зависимость критического напряжения в гранулированных нанокомпозитах (Со^РездВгоМЗЮп+ОгЭюо-х и Сох(1лМЬОп+02) 10о-х

относительного изменения сопротивления, вызванного полевым воздействием, приведены на рис. 9. С одной стороны, для образца нанокомпозита Со4з(1лКЬОз+02)57» как и для нанокомпозитов (Со41ре39В2о)х(5Юп+02)юо-х> наблюдается уменьшение величины МС после воздействия сильного электрического поля. С другой стороны, имеются существенные различия в отклике на воздействие поля этих двух систем. Во-первых, характер зависимостей для матрицы из БЮ,, — линейный, а для 1л№Юп — нелинейный. Во-вторых, изменения электрического сопротивления и МС для нанокомпозита

Со4з(ЫМЬ03+02)57 превосходят по величине изменения соответствующих величин

для нанокомпозитов

(Со41рез9В2о)х(8Ю„+02) юо-х.

Полученные экспериментальные данные для систем (Со41рез9В2о)х(8Юп+02)1оо-х и Сох(1лМЬОп+С>2) юо-х позволяют сделать вывод о том, что гранулированные нанокомпозиты с диэлектрической матрицей

ЫМЪОп в большей степени подвержены воздействию сильного электрического поля по сравнению с нанокомпозитами, содержащими матрицу БЮ,,.

(СоРвВ)и(ЗЮ„+Оа)14 (СоРеВ^ЭЮ.+О,),,

э.

(СоРеВ)1„(ЗЮ1+Ог)51

Со^ШЬО.+О,),,

0.0 0.2 0.4 0,6 0.8 1.0

Рис. 9. Зависимость приведенного магни-тосопротивления нанокомпозитов (Со4,Рез9В2о)х(8Юп+02)1оо.х и С04з(1ЛМЬ0п+02)57 от относительного изменения сопротивления, вызванного полевым воздействием

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан универсальный измерительный комплекс с компьютерным управлением для проведения исследований транспортных свойств гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик. Разработан пакет прикладных программ для стандартного аналого-цифрового преобразователя, позволяющий осуществлять измерение и сбор экспериментальных данных в автоматическом режиме.

2. Установлено, что в высокополевом режиме вольт-амперные характеристики гранулированных нанокомпозитов (Со4! Рез9В2о)х($Юп) 10о-х и Сох(1ЛМЮп) юо-х, измеряемые при комнатной температуре, характеризуются нелинейностью и гистерезисом. Анализ экспериментальных ВАХ на основе известных моделей показал, что в сильных электрических полях при Т = 77 К проводимость в гранулированных нанокомпозитах осуществляется посредством активированного полем туннелирования электронов через диэлектрические прослойки между гранулами.

3. Для объяснения экспериментально наблюдаемого изменения электрического сопротивления гранулированных нанокомпозитов в режиме высокого электрического поля предложена модель кластерных электронных состояний. Кластерные электронные состояния (КЭС) образуются в результате частичной делокализации электронов на группе гранул вследствие перекрытия волновых функций электронов проводимости этих гранул. Сильное электрическое поле приводит к изменению областей локализации КЭС и наблюдаемым в эксперименте гистерезисным эффектам на ВАХ.

4. Обнаружено, что в зависимости от напряженности электрического поля изменение электросопротивления носит как обратимый, так и необратимый характер. В рамках модели КЭС обратимые изменения электрического сопротивления связываются с обратимыми изменениями областей локализации КЭС при воздействии сильного электрического поля. Необратимое уменьшение сопротивления и магнитосопротивления нанокомпозитов обусловлено возникновением новых дефектов в диэлектрической матрице и увеличением размеров областей локализации КЭС.

5. Исследовано влияние сильного электрического поля на среднее число локализованных состояний <п>, принимающих участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу между соседними гранулами нанокомпозитов (Со41Рез9В2о)х($Юп)1оо-х- Показано, что в результате полевого воздействия величина <п> увеличивается, что подтверждает предположение об увеличении числа дефектов в диэлектрической матрице. Увеличение <п> приводит к росту размеров областей локализации КЭС и объясняет наблю-

даемое уменьшение сопротивления и магнитосопротивления. Установлено, что в результате термического воздействия величина <п>, а значит, и размеры областей локализации КЭС, уменьшаются, приводя к увеличению как сопротивления, так и магнитосопротивления.

6. Анализ релаксации обратимого изменения сопротивления в композитах (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x позволил определить энергию активации процесса (Еа ~ 0,4 эВ), сопоставимую по величине с энергией диффузии атомов металла по междоузлиям в аморфном Si02. Установлено, что термические отжиги образцов, предварительно подвергнутых полевому воздействию, восстанавливают исходно высокие значения сопротивления и магнитосопротивления композитов.

7. На основе сравнительного исследования нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)1oo-x и Cox(LiNbOn) установлено, что величина эффектов, вызываемых полевым воздействием на нанокомпозит, зависит от вида диэлектрической матрицы. Так, нелинейность и гистерезис ВАХ, а также изменение величины магнитосопротивления нанокомпозитов после полевого воздействия значительно больше в нанокомпозитах с матрицей LiNbO„ по сравнению с нанокомпозитами на основе SiOn.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Свойства гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик в сильных электрических полях и кластерные электронные состояния / Л.В. Луцев, М.Н. Копытин, A.B. Ситников, О.В. Стогней // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. Вып. 11. С. 2080-2090.

2. Диэлектрические и электрические свойства тонкопеночных наноге-терогенных структур Co-LiNb03 / С.А. Гриднев, А.Г. Горшков, М.Н. Копытин, A.B. Ситников, О.В. Стогней // Известия РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. № 8. С. 1130-1133.

3. Копытин М.Н. Электрическое сопротивление тонкопленочных композитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)юо-х в высокополевом режиме / М.Н. Копытин, A.B. Ситников, О.В. Стогней // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. Сер. Материаловедение. 2003. Вып. 1.13. С. 32-37.

4. Копытин М.Н. Влияние высоких электрических полей на магниторези-стивный эффект в гранулированных нанокомпозитах Co4iFe39B20-SiOn / М.Н. Копытин, О.В. Стогней, A.B. Ситников // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. Сер. Материаловедение. 2005, Вып. 1.17. С. 76-79.

Статьи и материалы конференций

5. Change of the electrical properties of granular CoFeB-SiOn nanocompo-sites after heat treatment / O.V. Stognei, V.A. Slyusarev, Yu.E. Kalinin, V.A. Sitnikov and M.N. Kopitin // Microelectronic Engineering. 2003. V. 69, Is-sure. 2-4. P. 476-479.

6. Electrical Properties of Nanocomposites Cox(LiNb03)ioo-x / Yu.E. Kalinin, M.N. Kopitin, S.A. Samsonov, A.V. Sitnikov and O.V. Stognei // Ferroelectrics. 2004. V. 307. P. 243-249.

7. Influence of High Electric Field on Conductance of (Co4iFe39B2o)x(Si02)ioo-x Nanocomposites / M.N. Kopitin, A.V. Sitnikov, O.V. Stognei, Yu.E. Kalinin, A.V. Kovtun // Journal of Nanostructured Polymers and Nanocomposites. 2006. V.2. Issue 02. P. 67-72.

8. Электрические и магнитные свойства гранулированных нанокомпозитов Co-LiNb03 / Ю.Е. Калинин, М.Н. Копытин, С.В. Самсонов, А.В. Ситников, О.В. Стогней // Пьезотехника-2003. Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. М., 2003. С. 48-51.

9. Электрические и магнитные свойства нанокомпозитов Cox(LiNb03)ioo-x / Ю.Е. Калинин, М.Н. Копытин, С.В. Самсонов, А.В. Ситников, О.В. Стогней // Новые магнитные материалы микроэлектроники: труды XIX междунар. школы-семинара. М., 2004. С.225-227.

10. Влияние сильного электрического поля на магнитные и магниторези-стивные свойства гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик / Ю.Е. Калинин, М.Н. Копытин, А.В. Ситников, О.В. Стогней // Новые магнитные материалы микроэлектроники: труды XIX междунар. школы-семинара. М., 2004. С.881-882.

11. Нанокомпозиты ферромагнитных наночастиц Со в матрице из LiNb03 / Ю.Е. Калинин, М.Н. Копытин, С.В. Самсонов, А.В. Ситников, О.В. Стогней // Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении: материалы V междунар. конф. Воронеж, 2004. С.121-123.

12. Особенности вольт-амперных характеристик и электропроводность гетерогенных наноструктур Cox(LiNb03)ioo-x / С.А. Гриднев, А.Г. Горшков, М.Н. Копытин, А.В. Ситников, О.В. Стогней // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов: материалы VI междунар. конф. Воронеж, 2005. С. 9-10.

13. Электрические и диэлектрические свойства тонкопленочных наногранулированных композитов Co-LiNb03 / А.Г. Горшков, С.А. Гриднев, М.Н. Копытин, A.B. Ситников, О.В. Стогней // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов: материалы VI междунар. конф. Воронеж, 2005. С.84-85.

14. Копытин М.Н. Магниторезистивный эффект и среднее число локализованных состояний в диэлектрической матрице наногранулированных композитов (CoFeB)x(Si02)ioo-x после воздействия сильного электрического поля / М.Н. Копытин, A.B. Ситников, О .В. Стогней // Новые магнитные материалы микроэлектроники: труды XX междунар. юбилейной школы-семинара. М., 2006. С. 901-903.

Подписано в печать 15.11.2006. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № 474 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Структурные особенности гранулированных нанокомпозитов

1.1.1 Гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик

1.1.2 Методы получения

1.1.3 Структурные особенности

1.2. Электрические свойства

1.2.1. Модель проводимости Шенга и Абелеса

1.2.2. Режим сильного поля в модели Шенга и Абелеса

1.2.3. Модель проводимости Мотта

1.2.4. Локализованные состояния в модели Луцева

1.3. Влияние отжигов на электрические и магнитотранспортные свойства

1.4. Явления переноса в сильных электрических полях

1.5. Выводы, цели и задачи диссертации

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Измерительный комплекс для исследований электрических и магни-тотранспортных свойств

2.2. Описание программы для работы с измерительным комплексом

2.3. Получение образцов и достижение высокополевых режимов

2.4. Измерение ВАХ

2.5. Низкотемпературные зависимости электросопротивления

2.6. Измерение магнитосопротивления

2.7. Высокотемпературные зависимости электросопротивления

2.8. Измерение намагниченности (вибрационный магнетометр)

3. ВЛИЯНИЕ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЭЛЕКТРОПЕРЕНОС В ГРАНУЛИРОВАННЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ (Co41Fe39B2o)x(SiOn)ioo-x

3.1. Вольт-амперные характеристики гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик, их особенности, обратимые и необратимые процессы изменения электросопротивления

3.1.1 Временные зависимости электрического сопротивления нанокомпозитов

3.1.2 Нелинейность ВАХ

3.1.3 Кластерные электронные состояния

3.2. Влияние сильного электрического поля на магнитосопротивление

3.3. Влияние отжига на электрическое сопротивление

3.4. Влияние отжига на магнитосопротивление

3.5. Влияние внешних воздействий на локализованные состояния в диэлектрической матрице

3.6. Влияние сильного электрического поля на намагниченность

3.7. Влияние воздействия сильного электрического поля на электрическую емкость

3.8. Релаксация электрической проводимости

4. ВЛИЯНИЕ МАТРИЦЫ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГРАНУЛИРОВАННЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ К СИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЯМ

4.1. Гранулированные нанокомпозиты системы Co-LiNbOn

4.2. Сравнительный анализ систем (Co4IFe39B2o)x(SiOn+02)ioo-x и Cox(LiNbOn+O2)100.x

OCIЮВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Актуальность темы

Тонкопленочные гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик представляют собой гетерогенные системы, состоящие из металлических гранул нанометрового размера, случайным образом распределенных в диэлектрической матрице. Эти структурные особенности обусловливают проявление ряда свойств и эффектов, которые в гомогенных системах выражены слабо или совершенно не наблюдаются: отрицательное (гигантское) магнито-сопротивление, аномальный эффект Керра, туннельный механизм электроие-реноса, высокий коэффициент поглощения электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне и целый ряд других магнитных, электрических, оптических и магнитооптических свойств. Одним из важных аспектов изучения физических свойств этих материалов является исследование электропроводности, величина которой может изменяться на несколько порядков в зависимости от соотношения долей металлической и диэлектрической фаз.

Уникальность физических свойств гранулированных нанокомпозитов, их туннельная, спин-зависимая проводимость делает эти материалы привлекательными не только для фундаментальных исследований, но и для применения в микроэлектронике и спинтронике. Поскольку нанокомпозиты получают различными методами осаждения из газовой фазы, они имеют вид тонких пленок (обычно толщиной от 2 до 10 микрон). При приложении к таким композитам напряжения величиной порядка единиц вольт весьма высока вероятность того, что в объеме материала будет реализован режим сильного электрического поля, когда энергия поля становится по порядку величины равной или больше тепловой энергии при данной температуре. Для такого режима протекания тока характерны отклонения от закона Ома, что наблюдалось в ранее проводимых исследованиях. Однако до сих пор остается открытым вопрос о механизмах воздействия сильного электрического поля на такие свойства гранулированных нанокомпозитов, как магнитосопротивление, намагниченность, диэлектрическую проницаемость. Это и является предметом исследования в настоящей работе.

Тема данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2 - «Физика конденсированного состояния вещества»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 07.96 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники", а также по грантам РФФИ № 02-02-16102-а «Высокочастотные магнитные и магниторезистивные свойства нанокомпозитов аморфных металлов в диэлектрической матрице», № 03-02-96486-р2003цчра «Магнитный импеданс и магнитосопротивление ферромагнитных гранулированных нанокомпозитов и многослойных наноструктур», № 05-02-17012-а «Магнитоэлектрический эффект и магнитосопротивление в гранулированных нанокомпозитах и многослойных наноструктурах ферромагнетик-сегнетоэлектрик», № 06-02-81035-Бела «Нелинейные явления в композитных и мультислойных магнитных наноструктурах при воздействии внешних полей», МО РФ на поддержку ведущих научно-педагогических коллективов, № 06-08-01045-а «Аномальные магнитотранспортные эффекты в нанограну-лированных композиционных материалах металл-диэлектрик», программе Университеты России «Развитие научного потенциала высшей школы» №34154.

Цель работы: Исследование проводимости гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик в условиях сильного электрического поля, и выяснение механизмов влияния сильного электрического поля на электрические и магнитотранспортные свойства этих нанокомпозитов. Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Спроектировать и изготовить автоматизированный измерительный комплекс для исследования электрических и магнитотранспортных свойств тонкопленочных гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик, создать программное обеспечение для его работы.

2. Исследовать ВАХ композитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x при различных температурах и определить механизм проводимости в этих композитах в условиях сильного электрического поля.

3. Исследовать влияние сильного электрического поля на электросопротивление и среднее число локализованных состояний <п>, принимающих участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x

4. Установить механизм воздействия сильного электрического поля на электронный транспорт в нанокомпозитах.

5. Провести сравнительное исследование влияния сильного электрического поля на электроперенос и магнитотранспортные свойства композитов с различными материалами диэлектрической матрицы на примере систем (Co41Fe39B2o)x(SiOn)ioo * и Co-LiNbOn.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Предложена модель кластерных электронных состояний, использованная для объяснения гистерезисных явлений на ВАХ гранулированных нанокомпозитов (Co4IFe39B2o)x(SiOn)ioo-x

2. Предложен механизм воздействия электрического поля на электроперенос в нанокомпозитах, заключающийся в создании новых локализованных состояний на вновь образующихся дефектах.

3. Экспериментально обнаружено наличие обратимого и необратимого изменения электрического сопротивления нанокомпозитов, вызванного нолевым воздействием и зависящим от величины напряженности поля.

4. Установлена взаимная обратимость термического и полевого воздействий на электрические свойства нанокомпозитов, обусловленная появлением дефектов после воздействия высокого электрического поля и их исчезновением после последующего термического отжига.

5. Впервые исследованы гранулированные нанокомпозиты с диэлектрической матрицей, сформированной из LiNbOn, и показано, что основные характеристики этой системы (концентрационная зависимость сопротивления и магнитосопротивления) аналогичны исследованным ранее нанокомпозитам с простыми диэлектрическими матрицами. При этом нанокомпозиты с матрицей LiNbOn проявляют больший отклик на воздействие сильного электрического поля по сравнению с композитами на основе SiOn.

Практическая значимость работы

1. Изготовлен оригинальный автоматизированный измерительный комплекс с компьютерным управлением для исследования электрических и маг-нитотранспортных свойств тонкопленочных гранулированных нанокомпози-тов металл-диэлектрик.

2. Разработан пакет прикладных программ для стандартного АЦП с IBM-совместимого компьютера, позволяющий осуществлять измерение и сбор экспериментальных данных в автоматическом режиме.

3. Предложен способ значительного изменения удельного сопротивления и магнитосопротивления нанокомпозитов без изменения наногранулиро-ванной структуры и соответствующих магнитных характеристик.

4. Нелинейность вольт-амперной характеристики нанокомпозитов, наблюдаемая в высоких электрических полях, позволяет использовать такие материалы в качестве нелинейных элементов электронных схем.

5. Полученные результаты позволяют сформулировать критерий для выбора диэлектрической матрицы композитов с целью получения материала, максимально устойчивого к высоким электрическим полям.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Наличие необратимых эффектов, изменяющих электрические и маг-нитотранспортные свойства гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x и Cox(LiNbOn), после воздействия электрического поля.

2. Модель кластерных электронных состояний, существующих в нано-композитах вследствие делокализации электронов на группе из нескольких близкорасположенных гранул.

3. Механизм воздействия сильного электрического поля на гранулированный нанокомпозит, заключающийся в увеличении среднего числа локализованных состояний <п>, принимающих участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу между соседними гранулами.

4. Результат сравнительного анализа вольт-амперных характеристик и магнитосопротивления гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x и Cox(LiNbOn) до и после воздействия сильного электрического поля, заключающийся в том, что нанокомпозиты с диэлектрической матрицей LiNbOn проявляют больший отклик на воздействие сильного электрического поля, по сравнению с матрицей SiOn.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:

• 8lh European Magnetic Materials and Applications Conference. - Киев, 2000.

• Седьмой Всероссийской конференции с международным участием «Аморфные прецизионные сплавы: технология-свойства-применение». - Москва, 2000.

• Международной конференции «Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia». - Москва, 2002.

• Всероссийской научной конференции ВНКСФ-9. - Красноярск, 2003.

• Международной конференции «International Conference On Magnetism». - Рим, 2003.

• Международной научно-практической конференции Пьезотехника-2003. «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». -Москва, 2003.

• Всероссийской научной конференции ВНКСФ-10. - Москва, 2004.

• XIX Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». - Москва, 2004.

• Международной конференции «Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" EASTMAG-2004». - Красноярск, 2004.

• V Международной конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении». - Воронеж, 2004.

• Международной конференции «XXI International Conference on Relaxation Phenomena in Solids (RPS-21)». - Воронеж, 2004.

• Всероссийской научной конференции ВНКСФ-11. - Екатеринбург, 2005.

• VI Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов». - Воронеж, 2005.

• Международной конференции «Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005)». - Москва, 2005.

• XVII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлеюриков ВКС-XVII.-Пенза, 2005.

• II Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. -Анапа, 2005.

• XX Международной юбилейной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники». - Москва, 2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ - 4 статьи. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит приготовление к эксперименту и аттестация образцов, получение и анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 162 страницах, содержит 89 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан универсальный измерительный комплекс с компьютерным управлением для проведения исследований транспортных свойств гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик. Разработан пакет прикладных программ для стандартного аналого-цифрового преобразователя, позволяющий осуществлять измерение и сбор экспериментальных данных в автоматическом режиме.

2. Установлено, что в высокополевом режиме вольт-амперные характеристики гранулированных нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x и Cox(LiNbOn)ioo-x, измеряемые при комнатной температуре, характеризуются нелинейностью и гистерезисом. Анализ экспериментальных ВАХ на основе известных моделей показал, что в сильных электрических полях при Т = 77 К проводимость в гранулированных нанокомпозитах осуществляется посредством активированного полем туннелирования электронов через диэлектрические прослойки между гранулами.

3. Для объяснения экспериментально наблюдаемого изменения электрического сопротивления гранулированных нанокомпозитов в режиме высокого электрического поля предложена модель кластерных электронных состояний. Кластерные электронные состояния (КЭС) образуются в результате частичной делокализации электронов на группе гранул вследствие перекрытия волновых функций электронов проводимости этих гранул. Сильное электрическое ноле приводит к изменению областей локализации КЭС и наблюдаемым в эксперименте гистерезисным эффектам на ВАХ.

4. Обнаружено, что в зависимости от напряженности электрического поля изменение электросопротивления носит как обратимый, так и необратимый характер. В рамках модели КЭС обратимые изменения электрического сопротивления связываются с обратимыми изменениями областей локализации КЭС при воздействии сильного электрического поля. Необратимое уменьшение сопротивления и магнитосопротивления нанокомпозитов обусловлено возникновением новых дефектов в диэлектрической матрице и увеличением размеров областей локализации КЭС.

5. Исследовано влияние сильного электрического поля на среднее число локализованных состояний <п>, принимающих участие в туннельном переносе заряда через диэлектрическую матрицу между соседними гранулами нанокомпозитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x. Показано, что в результате полевого воздействия величина <п> увеличивается, что подтверждает предположение об увеличении числа дефектов в диэлектрической матрице. Увеличение <п> приводит к росту размеров областей локализации КЭС и объясняет наблюдаемое уменьшение сопротивления и магнитосопротивления. Установлено, что в результате термического воздействия величина <п>, а значит, и размеры областей локализации КЭС, уменьшаются, приводя к увеличению как сопротивления, так и магнитосопротивления.

6. Анализ релаксации обратимого изменения сопротивления в композитах (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo-x позволил определить энергию активации процесса (Еа ~ 0,4 эВ), сопоставимую но величине с энергией диффузии атомов металла по междоузлиям в аморфном Si02. Установлено, что термические отжиги образцов, предварительно подвергнутых полевому воздействию, восстанавливают исходно высокие значения сопротивления и магнитосопротивления композитов.

7. На основе сравнительного исследования нанокомпозитов (Co41Fe39B2o)x(SiOn)ioox и Cox(LiNbOn) установлено, что величина эффектов, вызываемых полевым воздействием на нанокомпозит, зависит от вида диэлектрической матрицы. Так, нелинейность и гистерезис ВАХ, а также изменение величины магнитосопротивления нанокомпозитов после полевого воздействия значительно больше в нанокомпозитах с матрицей LiNbOn по сравнению с нанокомпозитами на основе SiOn.

1. Sheng P., Abeles В. and Arie Y. Hopping conductivity in granular Metals //

2. Phys.Rev.Lett.-1973.-V.31, N.l.-P.44-47.

3. B. Abeles, P. Sheng M.D.Coutts and Y. Arie Structural and electrical properties ofgranular metal films// Advances in Physics.-1975.-V.24.-P.407-461.

4. Sankar S., Berkowitz A.E., Smith D.J. Spin-dependent transport of Co-Si02granular films approaching percolation // Phys.Rev.B.-2000.-V.62, N.21.-P.14273-14278.

5. Tunneling giant magnetoresistance in heterogeneous Fe-Si02 granular films / S.

6. Honda, T. Okada, M. Nawate, M. Tokumoto // Phys. Rev.B.-1997.-B56.-P. 14566-14573.

7. Granular Fe-Pb-0 films with large tunneling magnetoresistance / Y.-H. Huang,

8. J.-H. Hsu, J.W. Chen, C.-R. Chang // Appl. Phys. Lett.-1998.-V.72.- P.2171-2173.

9. Холлэнд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. М-Л.: Государственноеэнергетическое издательство, 1963. 378 с.

10. Q.Y. Xu, Н. Chen, Н. Sang, Х.В. Yin, G. Ni, J. Lu, M. Wang, Y.W. Du / Thegiant magnetoresistance and domain observation of Co3s(Si02)65 nanogranular film // J. Magn. Magn. Mater. 1999. - V.204.- P.73-78.

11. Z. Zhang, Chengxian Li, Chao Li, S. Ge / Giant magnetoresistance of Co-Al-0insulating granular films deposited at various substrate temperatrures // J. Magn. Magn. Mater. 1999. - V.204.- P.73-78.

12. H. Fujimori, S. Mitani, S. Ohnuma / Tunnel-type GMR in metal-nonmetal granularalloy thin films//Material Science and Engineering. 1995. - V.B31. - P.219-223.

13. C.L. Chien / Granular magnetic solids // J. Appl. Phys. 1991. - V.69, N.8.1. P.5267-5272.

14. A. Milner, A. Gerber, B. Grosman, M. Karpovsky, and A. Gladkih / Spin-dependent electronic transport in granular ferromagnets // Phys. Rev. Letters. -1995.-V.76, N.3.-P.475-478.

15. K. Yakashiji, S. Mitani, K. Tananashi, J.-G. Ha, H, Fujimori / Composition Dependence of particle size distribution and giant magnetoresistance in Co-Al-0 granular films // J. Magn. Magn. Mater. 2000. - V.212.- P.75-81.

16. S. Barzilai, Y.Goldstein, I Balberg, and J.S. Helman / Magnetic and transportproperties of granular cobalt films // Phys. Rev. B. 1981. - V.23, N.4. -P. 1809-1817.

17. J.I. Gittleman, Y Goldstein, and S. Bozowski / Magnatic properties of granularnickel films // Phys. Rev. B. 1972. - V.5, N.9. - P.3609-3620.

18. M. Ohnuma, К. Hono, E. Abe, and H. Onodera / Microstructure of Co-Al-0 granular thin films // J. Appl. Phys. V.82, N. 11. - 1997. - P.5646-5652.

19. H. Fujimori, S. Mitani, K. Takanashi / Giant Magnetoresistance in insulatinggranular films and planar tunneling junctions // Material Science and Engineering. 1999. - V.A267.- P. 184-192.

20. Ohnuma M., Ilono K., Onodera H., Pedersen J.S., Mitani S.and Fujimori II. Distribution of Co particles in Co-Al-0 granular thin films // Materials Science Forum. 1999. - V.307, P.171-176.

21. Гусев А.И. 11анокристаллические материалы методы получения и свойства. Екатеринбург: УрО РАН, - 1998.- 200 с.

22. Шпак А.П., Куницкий Ю.А., Карбовский B.JI. Кластерные и наноструктурные материалы. Киев: Издательский дом «Академпериодика» - Т.1. -2001.-588 с.

23. Александров M.JI. Куснер Ю.С. Газодинамические молекулярные ионныеи кластерные пучки. Л. 11аука, 1989. - 412 с.

24. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфленд И.Е. Паночастицы металлов вполимерах. М.: Химия, 2000. - 676 с.

25. Материалы в приборостроении и автоматики./ Под ред. Пятика Ю.М.

26. М.: Машиностроение, 1982. 528 с.

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

28. Физика тонких пленок / Под ред. Хасса Г., Франкомба М., Гофмана Р.

29. М.: Мир, Т. 8, 1978.-360 с.

30. Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках. М.: Мир, 1972.170 с.

31. Готра ЗЛО. Технология микроэлектронных устройств. М.: Радио и связь,1991.-527 с.

32. Золотухин И.В., Бармин Ю.В. Методы получения металлических стекал//Физика и химия стекла. 1984, Т. 10, №5 - С. 513 - 525.

33. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные и распылительные системы.

34. М.: Радио и связь, 1986. 176 с.

35. Omata Y., Sakakima Н. Thermal stability of softmagnetic properties of Co

36. Nb,Ta)-(Zr,Hf) films with high saturation magnetization // Transactions on magnetics. 1987.-V. 23.-№5.-P. 1005 - 1008.

37. Guzman J.I., Koeppe P.V., Kryder M.N. Magnetic properties of sputtered bilayer and laminated CoZr/Si02 thin films // Transactions on magnetics. -1988. V. 24. № 6. - P. 1095-1101.

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

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

40. Miyazaki T. and Tezuka N.// J. Magn. Magn. Mater. 1995. - V.151.- P.403.

41. C.A. Neugebauer and M.B. Web // J. Appl. Phys. 1962. - V.33. - P.74.

42. R.M. Hill // Proc. R. Soc. A. 1969. - V.309. - P.377.

43. Quantum Mechanics, third edition / L.I. Shriff. New York: McGraw-Hill1. Book Co., 1968.-p.278.

44. С.-П. Lin, G.Y. Wu / Hopping conduction in granular metals // Physica B.2000.-V.279.-P.341-346.

45. Theoretical Nuclear Physics / J.M. Blatt, and V.F. Weisskopf. New York:

46. John Wiley & Sons, 1952. p.387.

47. Мотт H., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах.- М.: Мир, 1982. Т. 1.-368 с.

48. N.F. Мои // Phil. Mag. 1969. - V.19. - Р.835.

49. V. Ambegaoker, B.I. Halperin, and J.S. Langer // Phys. Rev. В, 1971. - V.4.1. P.2612.

50. Handbuch der Physik / R.H. Good, and E.W. Muller. Berlin: Springer-Verlag,1956.-p. 188.

51. ЕЛ I. Show // Solid-st. Commun. 1967. - V.5. - P.813.

52. M.A.S. Boff, J. Geshev, and J.E. Schmidt // J. Appl. Phys. 2002. - V.91,1. N.12. P.9909-9914.

53. Phisique dcs Semiconducters / ed. M. Hulin. Paris:Dunod, 1964. - p.417.

54. Квантово-электронная теория аморфных полупроводников / А.И. Губанов.-M.-JI.: Изд-во АН СССР, 1963.

55. Anderson P.W. Absence of Diffusion in Certain Random Lattices // Phys.Rev.1958.-V. 109.-P. 1492- 1505.

56. M.H. Cohen, H. Fritzshe, S.R. Ocshinsky // Phys. Rev. Lett. 1969. - V.22.1. P. 1065.

57. A. Miller, S. Abrahams // Phys. Rev. 1968. - V. 166. - P.871.

58. S. Kirkpatrick // Garmish. 1974. - P. 183.

59. JI.B. Луцев, IO.E. Калинин, A.B. Ситников, O.B. Стогней / Электронныйтранспорт в магнитном поле в гранулированных пленках аморфной двуокиси кремния с ферромагнитными наночастицами // ФТТ. 2002. -Т.44, №11.-С. 1802-1810.

60. Л.И. Глазман, К.А. Матвеев Неупругое резонансное туннелирование электронов через потенциальный барьер // ЖЭТФ. 1988. - Т.94, Вып.6. -С.332.

61. Л.И. Глазман, Р.И. Шехтер / Неупругое туннелирование через тонкие аморфные пленки // ЖЭТФ. 1988. - Т.94, Вып. 1. - С.292.

62. S.V. Vyshenski // Письма в ЖЭТФ. 1995. - Т.61, Вып. 1 -2. - С. 105.

63. А.В. Тартаковский, М.В. Фистуль, М.Э. Райх. И.М. Рузин // ФТП. 1987.1. Т.21, Вып.4. С.603.

64. Ю.Е.Калинин, А.И.Ремизов, А.В.Ситников // ФТТ. 2004 - Т.46, №11.1. С.2076.

65. J.G. На, S. Mitani, К. Takanashi, М. Ohnuma, К. Ilono, II. Fujimori / Annealing effect of tunnel-type GMR in Co-Al-0 granular films // J. Magn. Magn. Mater. 1999. - V. 198-199.- P.21 -23.

66. S. Mitani, S. Takahashi, K. Takanashi, K. Yakushiji, S. Maekawa, and II. Fujimori / Enhanced Magnetoresistance in Insulating Granular Systems: Evidence for Higher-Order Tunneling // Phys. Rev. Lett. 1998. - V.81. -P. 2799-2802.

67. M. Ohnuma, К. Hono, II. Onodera, S. Mitani, J.G. Ha and II. Fujimori / Microstructure change in Со4бА119Оз5 granular thin films by annealing // Nanostruc-tuted Materials. 1999. - V. 12. - P.573-576.

68. S. Honda, T. Okada, M. Nawate / Tunneling magnetoresistance in Fe-Si02 multilayered and alloyed films//J. Magn. Magn. Mater. 1997. - V. 165.- P. 153156.

69. Коротков Л.Н., Гриднев С.А., Климентова Т.И. // Изв. РАН, сер. физ. 2004.1. Т. 68. С. 982.

70. С. Зи Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир. - 1984.

71. И.Л. Рогельберг, В.М. Бейлин Сплавы для термопар // Справочник. М.:1. Металлургия, 1983. 360 с.

72. Ю.Е.Калинин, С.Б.Кущев, П.В.Неретин, А.В.Ситников, О.В.Стогней / Фазовое расслоение и электрические свойства аморфных систем (Co4oFeioB2o)i-x +(Si02) // Журнал прикладной химии. 2000. - Т.73, вып.З. -С.439-443.

73. Резистивные и магниторезистивные свойства гранулированных аморфныхкомпозитов CoFeB-SiOn / О.В.Стогней, Ю.Е.Калинин, А.В.Ситников, И.В.Золотухин, А.В.Слюсарев // Физика металлов и металловедение. -2001. Т. 91, №1.-С.24-31.

74. O.V. Stognei, V.A. Slyusarev, Yu.E. Kalinin, A.V. Sitnikov / Influence of the

75. Thermal Annealing on the Magnetoresistance of CoFeB-Si02 Composites //

76. Moscow International Symposium on Magnetism (Moscow, June 20-24, 2002). 23P08 - 20. - P.266.

77. O.V.Stognei, Yu. E.Kalinin, I. V. Zolotukhin et al. / Low temperature behaviour of the giant magnetoresistivity in CoFeB-SiOn granular composites // J. Phys.: Condens. Matter 15 (2003). -4267-^277.

78. Yu.E.Kalinin, A.V.Sitnikov, O.V.Stognei, I.V.Zolotukhin, P.V.Neretin / Electrical properties and giant magnetoresistance of the CoFeB-Si02 amorphous granular composites // Material Science and Engineering 2001. -V.304-306. - P.941-945.

79. O.B. Стогней. Электроперенос и магнитные свойства аморфных наногранулированных композитов металл-диэлектрик // Диссертация на соискание на соискание ученой степенидоктора физико-математических наук. Воронеж: Воронежский Гос. Техн. Ун-т. - 2004.

80. М.Н. Копытин, А.В. Ситников, О.В. Стогней / Электрическое сопротивление тонкопленочных композитов (Co4iFe39B2o)x(SiOn)ioo.x в высокополевом режиме // Вестник ВГТУ. -2003. вып. 1.13.-е. 32-37.

81. Hill R.M. / Poole-Frenkel Conduction in Amorphous Solids // Phil.Mag. 1971.-V.23., N.181. P.59.

82. Simmons J.G. / Poole-Frenkel Effect and Schottky Effect in Metal-Insulator

83. Metal Systems//Physical Rewiev.- 1967.-V. 155, N.3.-P.657-660.

84. Фельц А. Аморфные стеклообразные неорганические твердые тела. М.:1. Мир.- 1986.-558 с.

85. Силинь А.Р., Трухин А.Н. Точечные дефекты и элементарные возбуждения вкристаллическом и стеклообразном Si02. Рига: Зинатне, 1985. - 244 с.

86. Л.В. Луцев, M.II. Копытин, А.В. Ситников, О.В. Стогней / Свойства наногранулированных композитов металл-диэлектрик в сильных электрических нолях и кластерные электронные состояния // Физика твердого тела. 2005. - том 47, вып. 11.-е. 2080-2090.

87. L.V. Lutsev, N.E. Kazantseva, I.A. Tchmutin, N.G. Ryvkina, Yu.E.Kalinin,

88. A.V. Sitnikoff// J. Phys.: Condensed Matter. 2003. - V. 15, N.22. - P.3665.

89. Л.В. Луцев, Т.К. Звонарева, В.М. Лебедев // Письма в ЖТФ. 2001. - Т.27,15.-С. 84.

90. М.Н. Копытин, О.В. Стогней, А.В. Ситников / Влияние высоких электрических полей на магниторезистивный эффект в гранулированных нанокомпо-зитах Co4iFe39B2o-SiOn // Вестник ВГТУ. 2005. - вып. 1.17. - с. 76-79.

91. Slonczewski J.C. Conductance and exchange coupling of two ferromagnetsseparated by tunneling barrier // Physical Review B.-1989.-V.39, N.10.-P.6995-7002.

92. Pomerantz M., Slonczewski J.C. / Spiller E. Strongly coupled ferromagneticresonances of Fe films // J.Appl.Phys. 1987. - V.61. - P.3747-3749.

93. Change of the electrical properties of the granular CoFeB-SiOn nanocompositesafter heat treatement / O.V. Stognei, V.A. Slyusarev, Yu.E. Kalinin, A.V. Sitnikov, M.N. Kopitin // Microelectronics Engineering.-2003.-V.69, N.2-4.-P.476-479.

94. Аморфные металлические сплавы / Под ред. Ф.Е.Люборского. М.: Металлургия, 1987.-584 с.

95. Стогней О.В., Бармин Ю.В. Образование и свойства аморфных сплавов наоснове тугоплавких металлов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1994. - 80 с.

96. Hughes R.C. Electronic and ionic charge carriers in irradiated single crystal andfused quartz // Rad.Effects. 1975. - V.26. - P.225-235.

97. Mott N.F. Electronic properties of vitreous silicon dioxide // Physics of Si02and Its Interfaces Pergamon Press. - 1978. - P. 1-13.

98. Зи С. Технология СБИС. М.: Мир. - 1986. - Т. 1. - 404 с.

99. Yu.E. Kalinin, M.N. Kopitin, S.A. Samsonov, A.V. Sitnikov and O.V. Stognei

100. Electrical Properties of Nanocomposites Cox(LiNb03)ioo-x H Ferroelectrics. -2004. V.307. - P.243-249.

101. IO.E. Калинин, M.H. Копытин, С.В. Самсонов, A.B. Ситников,

102. O.B. Стогней, Электрические и магнитные свойства нанокомпозитов Cox(LiNb03)ioo-x Н Новые магнитные материалы микроэлектроники: Труды XIX международной школы-семинара. М. 2004. - С.225-227.

103. Ю.Е. Калинин, М.Н. Копытин, С.В. Самсонов, А.В. Ситников,

104. О.В. Стогней, Нанокомпозиты ферромагнитных наночастиц Со в матрице из LiNb03 // Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении: Материалы V международной конференции. Воронеж. 2004. - с. 121-123.

105. С.А. Гриднев, А.Г. Горшков, М.Н. Копытин, А.В. Ситников, О.В. Стогней

106. Диэлектрические и электрические свойства тонкопеночных наногетеро-генных структур Co-LiNb03 // Известия РАН. Серия физическая. 2006, том 70, №8, с. 1130-1133.