Кинетические явления в многослойных пленочных конденсатах на основе хрома, кобальта, никеля и германия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

М1Н1СТЕРСТВ0 0СВ1ТИ УКРАШИ СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОДНОДВОРЕЦЬ ЛАРИСА ВАЛЕНТИН1ВНА

КШЕТИЧН1 ЯВИЩА В БАГАТОШАРОВИХ ПЛ1ВКОВИХ КОНДЕНСАТАХ НА ОСНОВ1 ХРОМУ, КОБАЛЬТУ, ШКЕЛК ТА ГЕРМАНПО

Спещальшсть Ol.O4.07 - ¿¡лзика твердого тша

АВТОРЕФЕРАТ

дисертаци на здобуття вченого ступеня кандидата ф1зико-математичних наук

Г5 ОЛ

з ФЕО 1037

На правах рукопису

СУМИ - 1996

Дисертащя е рукопис.

Роботу виконано на кафедр! с[лзики Сумсы державного педагогичного шституту та каф прикладно! ф1зики Сумського держав! ушверситету.

Науковий кер1вник:

доктор ф1зико-математичних наук, професор Проценко I. Ю.

Офщшш опоненти:

доктор ф1зико-математичних наук, професор Стасюк 3. В.

доктор ф1зико-математичних наук, професор Погребпяк О. Д.

Провщна оргашзащя:

Харшвський державний ушверситет

Захист дисертацп вщбуде-! " " 1997

о 15 год. на засщанш спеща^ ' ^ади К 22.01

при Сумському державному уь за адрес!

244007, м.Суми, вул.Римського-Ко^. ауд. 2

корпус ЕТ.

3 дисертащею можна ознайомитися в Ьх Сумського державного ушверситету.

Автореферат розюлано " /У" грудня 1996 р. Вчений секретар

спец1ал13овано1 вченог ради ^.^у

кандидат ф1зико-математичних /V наук С. Опанасю

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Тонш шавки за своею природою - це об'екти з р1зномаштними властивостями, так як 1х ф1зичш характеристики можуть в1др1знятись вщ властивостей цих же матер1алхв в масивному стат. Результати дослщжень зразшв малих розм1р1в (тонш шавки, проволоки, мал1 частинки та ш.) застосовують для вир1шення деяких фундаментальних питань ф1зики твердого тша, а саме, розм1рш ефекти в структурних, електроф1зичних та термодинам1чних властивостях, а також для одержання шформаца про деяк1 загальш властивост1 твердих пл.

В останнш час в багатьох галузях мшроелект-ронши, приборобудування, електронно! технжи широке використання одержали не т1льки металев1 пл1вки, але й багатошаров1 пл1вков1 композицп, головною вимогою до яких е IX терм1чна стаб1льшсть. В пор1внянш з одношаровими , в багатошарових пл1вках мають дпсце сво! особливосй в розм!рних явищах, так як поряд з традицшними мехашзмами розсиовання носив електричного струму на фононах, дефектах кристшачно! гратки, межах зерен та зовшшшх поверхнях з'являеться додатковий, пов'язаний з межами роздшу м1ж шарами. Якщо ж один з шар1в взяти з нашвпровщника, то це приведе до змши знаку терм1чного коеф1щенту опору та коефщ1енту стабильность а також зменшення 1х абсолютно! величини. Таку особлив1сть можна використовувати при розробщ шавкових терморезистор1в та тензодатчик1в.

Актуалыпстъ темп. Досл1дженню ф1зичних властивостей одношарових пл1вок перехщних метал1в в тепе-р1шнш час присвячена значна шльтсть робгг. Але, багатошаров1 шавков! системи е не менш щкавими та перспективними в плат вивчення шнетичних явищ.

Це пов'язано з т!ею обставиною, що в цих системах межа розд1лу шар1в виступае як додаткове джерело розсиовання носив електричного струму, яке спричиняе також появу макронапружень, впливае на

процеси взаемно! дифузи i е м1сцем сегрегацй дом!шкових атом1в.

У зв'язку з цим, багатошаров1 шпвков1 системи з довшьним чергуванням niapis pi3Ho'i товщини (багато-niapoBi пл1вков1 структуры загального типу) та першдичш багатошаров1 структури, де структура загального типу виступае як фрагмент, котрий повторюеться декълька раз1в, являють собою штерес як об'екти для досл1дження законом1рностей та явищ, яш не спостер1гаються в одношарових зразках.

Таким чином, вивчсння кристал!чно! структури (фазового та елементного складу) та кшетичних явищ (po3MipHo'£ i температурно! залежностей опору R,

терм1чного коефнценту опору ß (ТКО), коефщ!енту

стабшьност1 S, коефицент1в повздовжньо! у/ та

поперечно! у t тензочутливост1) багатошарових шпвкових конденсат1в на ochobi Cr, Со, Ni та Ge е актуальною науковою проблемою, яка дозволяе пояснити в!дом1 i HOBi явища та законом1рность

Мета роботи. У вщповщносп з щею науковою проблемою основний напрямок дисертацшно! роботи полагав в вивченш розм1рно! та температурно! за-лежност1 опору, ТКО, коеф].щенту стабшьносм та кое-фпценпв повздовжньо! та поперечно! тензочутливост1 в багатошарових пл1вках на основ1 хрому, кобальту, шкелю та германпо, з р1зним чергуванням inapiB та шльшстю фрамент1в, одержаних в вакуум1 10"4-10"5 IIa при вщкачуванш дифузшним пароструйним та магшторозрядними насосами.

При цьому бши розв'язаш таш задачи а) дослвджеш кристал1чна структура, фазовий та елементний склад пл1вок Cr, Со, Ni, Ge, Cr/Ge/П (П - шдкладка), Cr/Co/Cr/П, Со/Сг/Со/П, Co/Ni/Co/П, Ni/Co/Ni/П, Cr/Co/Ni/П, Ni/Co/Cr/П, Cr/Ge/Cr/П, Cr/Ni/Co/Cr/П, Ge/Cr/Ge/Cr/П, Ni/Co/Cr/Ni/Co/Cr/П, Cr/Co.../Cr/Co/П, ...Co/Ni/Co/Ni/П (до десяти inapiB);

б) вивчено розподиг. елементав за товщиною трьохшарових шивок Cr/Co/Cr/П, Со/Сг/Со/П, Co/Ni/Co/П, Ni/Co/Ni/П. Cr/Ge/Cr/П;

в) дослцркено залежтсть ввд температури, загально! товщини багатошарово! структуры (d) та товщини фрагменту (с!ф) ТКО, коефщ1ент1в стаб1льност1 та тензочу тливост1;

г) в рамках макроскотчно! модел1 одержано ствввдношення для розрахунку ТКО та коефд.щенту повздовжньох тензочутливоста багатошарових металевих шпвок з довшьною шльтстю inapiB, на

основ! яких проведено розрахунок д1аграм "ß-<i" та

"у¡-d", шдтверджених експериментально;

д) одержано численш розрахунков1 залежност1, основш з яких шдтверджено експериментально, для ТКО та коефиценту повздовжньо! тензочутливоста вщ кшькост1 niapiB в багатошарових структурах загального типу та кшькост1 фрагмент1в в багатошарових перюдичних структурах.

Виб1р багатошарових шивкових структур на основ1 хрому, кобальту, ткелю та герматю як об'ек-пв дослщженпя був пов'язаний з такими причинами:

- на момент постановки задач1 дослщжень розм1рно-температурш ефекти в багатошарових зразках не вивчались взагалц

- теоретичною можлив1стю зб1льшення коефицента тензочутливоси пор1вняно з одношаровими зразками;

- практичним використанням багатошарових структур як елемент1в мшросхем та тензодатчишв.

Наукова новизна. В дисертацшнш poöoTi вперше одержат експериментальт результата з розм1рно! залежност1 ТКО та коефщ1енту повздовжньо! тензочутливост1 багатошарових структур загального i перюдичного типу : Cr/Co/Cr/П, Со/Сг/Со/П, Co/Ni/Co/П, Ni/Co/Ni/П, Cr/Co/Ni/П, Ni/Co/Cr/П, Cr/Ge/Cr/П, Cr/Ni/Co/Cr/П, Ge/Cr/Ge/Cr/П, Ni/Co/Cr/Ni/Co/Cr/П, Cr/Co.../Cr/Co/П, ...Co/Ni/Co/ /Ni/П (до десяти inapiB).

Встановлено, що по Mipi збшыпення кшькоста ша-piß в багатошаровш металевш шпвщ ТКО та коефь фщ1ент стаб1льност1 все в менипй Mipi залежить вщ

температури: в температурному штервал1 300 - 600 К ТКО змшюеться в1д 1.2 до 1.0 раз1в при збхлыпеша к1лькост1 шар1в вщ 3 до 10, ввдповщно.

Вперше дослщжеш особливост1 тензорезистивного ефекту в пл1вках Се, Сг/Ое/П, . Сг/Ое/Сг/П, Се/Сг/Ое/Сг/П, яш частково можна пояснити залежшстю енерга активаци електропровщност! в мшкокристал1чних пл1вках йе вщ ступеню деформаца.

Розроблено метод прогнозу на основ1 мшроскошч-но1 модел1 коефщ1ент1в теплопровщност1 та термоЕРС по даним вим1рювання питомого опору та на основ1 макроскопчно! модел1 - ТКО 1 коефщ1ент1в повздовж-ньо1 тензочутливость

Практична та пауков а щнтсть. Одержан! систе-матичш дат з розм1рно! та температурною залежност1 опору, терм1чного коеф1щенту опору та коефщ1енту повздовжньо! тензочутливост1 в загального типу та першдичних багатошарових структурах, встановлена залежшсть цих параметр1в вщ товщини та кьлькост1 фрагменив. Проведена апробащя теоретичних моделей, що е важливим в плат розвитку теорШ електропро-вщност1 1 тензочутливост1 в тонких пл1вках. Одержан! науков1 результати можуть бути використаш при розробщ б1льш ефективних терморезистор1в та тензодатчишв.

Особистий вклад дисертанта полягае в постановщ та проведенш експерименив, 1х обробщ та обговоренш, а також написанн1 роби1 [2, 5, 9, 10].

Основш положения та результати, як1 виносяться на захист.

1. Результати експериментального дослщження взаем-но1 дифуза елемент1в, температурно!' залежност1 опору, ТКО та коефаценту стабшьност1 для трьохшарових шавок, яш складаються з двох або трьох компонент1в. Вони вказують на те, що в температурному штервал1 100 - 700 К величина ТКО змшюеться в межах (0.3 - 1.8)-10"3 (шавки на основ1 Сг 1 Со); (1.0 - 2.3)-10'3 (пл1вки на основ1 N1 1 Со); (1.3 -2.1)-10"3 (пл1вки на. основ1 Сг, № та Со) та - (0.8 - 1.9)-10"4 К"1 (шавки на основ1 Сг 1 Се) при коефпцент1 стабшьност1 £5 = (0.11 -0.71); (0.05 - 1.56); (0.20 - 1.00) та - (1.00 - 18.00)-10"3, вщповвдно. На температурит залежност1 опору та ТКО

зафшсоваш особливоси поблизу температури Нееля для Сг, Кюр1 для № та Дебая для Сг 1 Со.

2. Збшьшення шлькост1 шар1в (до десяти) дво- та трьохкомпонентних пл1вок приводить до все в менппй м1р1 залежним вщ температури значениям опору, ТКО

(Р) та коефиценту стабшьност1 (Б), яш мають величину (0.30 - 2.47)'10 3 К"1 та (0.30 - 1.00).

3. Характер залежност1 вщ товщини ТКО та коеф1щен-

ту повздовжньо! тензочутливост1 у / багатошаровоГ пл1вки мае осцилюючий характер: величина ТКО в межах одного фрагменту буде збнгьшуватись (якщо р1 та $д\<$д2<$дз) > зменшуватись (при оберненш р!вност1) або осцилювати (якщо Р) та $д\<$дг, а р2 та Р^2>Р^з або Р1 та > Р^2, а р2 та Р^2< Р^з), вихо-дячи на асимптотичне значения Р^з 13 збшьшенням

товщини окремих шар1в; величина у/ монотонно зменшуеться з ростом товщини окремих шар!в, ви-ходячи на максимум при переход! до наступ-ного шару. Розмах осциляцш в межах фрагменту змен-шуэться при збигыненш числа фрагмент1в.

4. Збшьшення значения у/ багатошарово! шпвки в

пор1внянн1 з уц одношарово! пл1вки тако! ж товщини, як 1 у багатошарово! шпвки, задовшьно узгоджуеться з теоретичним ствввдношенням, яке одержано в рамках макроскошчно! модели р1зниця м1ж експерименталь-ними та розрахунковими значениями поясняюеться впливом меж розд1лу м!ж шарами та процесами

взаемно! дифузп ( у//у л = (1.10 - 1.36), у//у/2 =

=(1.11 - 2.84), у//у/з = (1.08 - 1.20).

5. Методика прогнозу ф!зичних властивостей пл1вок (коефшДент1в теплопроввдност1 та термоелектрору-цнйно! сили) на основ1 вим1рювання електричних зластивостей.

АПР0БАЦ1Я РОБОТИ I ПУБЛ1КАЦН

Основш результати роботи доповщались на конференциях та семшарах: IV Млжнародна конференщя з ф1зики 1 технологи тонких пл1вок (1вано-Франшвськ, 1993 р.); 3-тя Харшвська вакуумна конференщя сулпсно з семшаром "Системи ввдкачування прискорювач1в та термоядерних реактор1в" (Харшв, 1993 р.); М1жнародна конференщя з модифшаци властивостей поверхневих шар1в ненашвпровщникових матер1ал1в (Суми, 1993 р.); Науково-техшчна конференщя з техшки 1 ф1зики електронних систем 1 пристроГв (Суми, 1995 р.); М1жнародна наукова конференщя, присвячена 150-р1ччю в1д дня народження видатного украшського ф1зика 1 електротехшка 1вана Пулюя (Льв1в, 1995 р.); V М1ж-народна конференщя з ф!зики 1 технолог!!' тонких шпвок (1вано-Франк1вськ, 1995 р.); М1жгалузевий науково-практичний семшар з участю заруб1жних спец1ал1ст1в "Вакуумна метал1защя" (Харшв, 1996 р.); И Мджнародна конференщя МРБЬ'96 (Суми, 1996 р.).

Матер1али були представлен! на конференщях: Ево-лющя тонких шпвок, структура поверхш 1 морфолошя (Бостон, 1994 р.); Полшристал1чш тоню шпвки - II : Структура, текстура та використання (Бостон,1995 р.).

Результати дослщжень опублжоват в 15 статтях та тезах доповщей, з них 10 назв подано у списку публжацш в автореферат!.

Об'см роботи. Дисертащйна робота викладена на 143 сторшках тексту, включаючи 50 рисуншв та 12 таблиць. Дисертащя складаеться з1 вступу, чотирьох глав, заключения, висновшв та списку використано! л1тератури, що мштить 133 назви.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ

У встут обгрунтована актуалыпсть теми, и наукова новизна, охарактеризовано сучасний стан проблеми, сформульована мета дослщжень та основш положения, яш виносяться на захист, мштяться вщомост1 про практичну значимтть роботи.

Перша глава "Розм1рт ефекти в електроф1зичних властивостях одно- та двошарових пл1вок" - це огляд л1тературних даних. Бона складаеться з п'яти параграф1в.

У перших двох параграфах розглянута теоретичш. модел1 електропров1дност1 одно- та двохшарових шпвок. Констатуеться, що теоретичш модел1 Майадаса 1 Шатцкеса (МШ) та Телье, Тоссе 1 Шшара (ТТП) приблизно однаково описують розсновання електрошв на меж1 зерен, в той час як поверхневе розсновання модель МШ описуе некоректно. Модел1 ТТП являються бшып послщовними та прийнятливими для обробки експериментальних результат1в. Теор1я, запропонована Д1мм1хом [1], враховуе розсновання носив не т1льки на меж1 розд1лу кристалтв, а й шар1в, але вираз для розрахунку ТКО мае складний вигляд для пор1вняння з експериментом, тому було здшснено [2] вщповщне спрощення його до вигляду, при якому можливо провести юлыист розрахунки не тшьки для двох- але й багатошарових шпвок .

В параграф! 1.3 розглядаються експериментальт результати дослщжень кшетичних властивостей одно-, двох- та багатошарових шпвок. Спочатку анал1зуються електроф1зичт властивост1 тих метал1в, як1 використовувались для одержання багатошарових структур, дослдджених в робот].. Узагальнюючи експериментальт дат з розм1рно! залежност1 для шпвок хрому, ншелю та кобальту, робиться висновок про те, що середня довжина вольного проб1гу електрошв в цих шивках л1мггуеться в основному межами зерен 1 , в щлому, збшьшуеться з ростом товщини пл1вки, а розьпрш залежност1 питомого опору та температурного коефнценту опору носять монотонний характер. Що до температурно! залеж-ност1 опору для шпвок цих метал1в, то вона мае сво! особливост1 в точках Нееля, Кюр11 Дебая.

Законом1рност1 розм1рного ефекту в ТКО для двошарових шпвок сильно в1др1зняються вщ аналог1чних для одношарових: з ростом товщини верхнього шару значения ТКО або збшьшуеться, або зменшуеться,в

залежносп вщ того, як сшввщносять ТКО окремих шар1в, виходячи на асимптотичне значения, в той час для одношарових ТКО з ростом товщини пльки збшьшуеться.

Практично ус1ма авторами роби1 з розм1рно! залеж-носп ТКО багатошарових шивок шдкреслюеться, що питомий ошр багатошарово! шпвки суттево залежить вщ товщини 1 шлькост1 шар1в або фрагменпв та сшв-вцщошення ТКО окремих шар1в, з яких складаеться багатошарова структура.

У четвертому параграф! розглядаються теоретичш модел1, та експериментальш результати дослгдження тензочутливост1 в одно- та двошарових пл1вках. Вка-заш основш законом1рностх тензоефекту в одно- та двошарових пл1вках на основ! ввдомих експеримён-тальних результат1в.

Анализу результамв з дослвдження фазового, еле-ментного складу та процес1в взаемно! дифузи елеменив присвячений п'ятий параграф.

Предметом особливого розгляду було питания про структуру пл1вок германио, ям можуть бути аморфними або полшристал1чними. Це повшстю ви-значаеться такими параметрами конденсацп як температура шдкладки, тиском залишкових газ!в, швидшстю конденсацп. При цьому кристал1чш пл1вки гермашю утворюються при температурах вище деякого порогового значения Тп= 445 - 470 К.

У другш глав! "Методика I техшка експерименту" описуються установки для одержання багатошарових шпвкових структур ( ВУП-5М та установка з магшлю-розрядним насосом) 1 проведения дослщжень 1"х електроф1зичних властивостей ( електроошр та тензо-чутливклъ), методика дослщження елементного складу (мас-спектрометр вторинних юшв МС-7201М), фазового складу 1 особливостей кристал1чно1 структури (елек-тронний мшроскоп ЕМ - 125К).

Для вим1рювання електропровщносп, тензочутли-восдч., дослщження фазового складу та кристал1чно1 структури використовувались шдкладки 1з скла,

склотекстол1ту (або слюди) , с1талу та шпвок вуглецю товщиною до 20 нм.

Термообробка шпвок продилась за схемою "нагр1в <--> охолодження" в штервал1 температур 100 - 670 К ( швидшсть нагр1вання та охолодження складала величину 2-3 К/хв.

Розтяг шпвкових зразк1в при дослщженш тензо-чутливост1 в обласи великих деформацш (2-4%) здшс-нювався за допомогою мшрогвинта, а в област1 малих деформацш (0.04-0.06%) - методом згинання тдклад-ки. В першому 1 другому випадку використовувались контакти одинаково! конфзтурацп.

Електронно-мшроскошчним та електронограф1чни-ми методами вивчено, при яких умовах конденсащ! утворюються достатньо чист1 шпвков1 зразки ОЦК-Сг, ГЦК-№, ГП- та ГЦК-Со, а- та к-ве, а також там дом1шков1 фази, як Сг30, СоО. Зроблено висновок, що методом електронографи утворення 1нтерметалевих фаз не спостердтаеться.

На рисунку 1 приводяться типов1 дифракщйш кар-тини та мшрозшмки одношарових шпвок, ям висту-пають компонентами дослщжуваних багатошарових систем.

Рисунок 1 - Макроструктура 1 вщповщш ш дифрак-цшш картини для шпвок ОЦК - Сг (а), ГЦК - № (б), ГП - Со (в) та а - ве (г)

У третш глав1 "Розм1рно-температурш ефекти в електропровцщосп багатошарових шпвок" в першому параграф! подат результати дослщження елементного, фазового складу та кристал1чно1 структури трьохшаро-вих пл1вок на основ1 хрому, кобальту, шкелю та гермашю. Вщм1чено, що дослвдження зразшв з великою ьилыистю шар1в мае ряд затруднень в випадку вторично! юнно1 мас-спектрометрп та практично не-можливе в випадку електронно! мшроскопп.

На рисунку 2 приведен! типов1 дифузшш профиа на приклад! трьохшарово! шпвки №/Со/№/П.

1 ■ 1 -1 ' 'б

+ -N1

1 •-Со

1 1 V \ ч д / \

1 N - М 1 • .

к/ 1... л. >т<

-I_I_I_1_■_и

О 20 40 60 80 ^мин

Рисунок 2 - Дифузшш профш1 для невщпалених (а) та вщпалених (б) пл1вок №/Со/№ . Загальна товщина 215 нм

На основ! цих дослщжень зроблено висновки, що не дивлячись на б1льш або менш сильну взаемну дифу-зда елемент1в, шдивщуальшсть шар1в зберзтаеться. Одержан! результати дозволяють зробити заключения про можлив1сть застосування теоретичних моделей для розм1рних ефект1в в ТКО та тензочутливосп багатошарових зразтв. Даш, одержан! методом вторинно! юнно! мас-спектрометри шдтверджуються елекронно-мшроскошчними дослщженнями. На основ1 одержаних зшмшв були розраховаш пстограми.

Результати дослвдження температурно! залежност1 опору приведен! в параграф! 3.2. Найбшыи

характерними особливостями залежностей Я(1) 1 Р(Т) е такь Для пл1вок Сг/Со/Сг 1 Со/Сг/Со спостер1гаються

особливост! в точках Нееля (0,у) 1 Дебая (©л) Для хрому. Розми/псть максимумов та мш1мумов на температурнш залежност! ТКО 1 ТК ТКО можна пояснити дифузшними процесами в об'ем1 зерен, що обусловлюе змпповання температуря Нееля 1 Дебая для кожного окремого зерна ( тобто, так зваш, концентрацшш ефекти в характерних температурах).

При переход! до пл1вкових систем на основ! шкелю та кобальту описаш вище особливост! проявляються

найбьлын сильно в точщ Кюр1 (©ос 1 ©с) для шкелю, хоча в випадку зразка Со/№/Со мають м1сце особливост! 1 в температурному штервал! 350 - 450 К, що слвд пов'язувати з електрон-магнонною взаемод1ею, яка приводить до квадратично!" по температур! залежност! опору ! спостер!гаеться в цьому температурному штервал! як для шкелю, так ! кобальту.

В трьохкомпонентних пл!вкових системах на основ! хрому, шкелю та кобальту мають м!сце розмшч конфентрацшш ефекти в точках Нееля для хрому, Кюр! для шкелю та Дебая для кобальту.

На рисунку 3 приведен! типов! температуря! залежност! опору, ТКО та ТК ТКО для трьошарових пл!вкових систем на основ! Сг, N1 ! Со.

Не дивлячись на високу термостабшьшсть вищевказаних структур та стабЪпзащю ТКО в деяких температурних штервалах, треба признати, що !х параметри слабо ввдповвдають вимогам до високоточних легкоплавких терморезистор!в.

Рисунок 4 шюструе температурну залежн!сть опору для багатошарових пл!вкових систем на основ! хрому, ! кобальту. Характерною для багатошарових (кшькшть шар1в до десяти) зразшв е л!н!йна по температур! залежшсть опору та практично незмшне значения ТКО. Щ результати принципово в!др!зняються ввд аналог!чних, приведених вище, тому що зменшення товщини та паралельне збшынення юлькост! шар!в

II,Ом 8

6

4

300 400 500 600 Т,1

/ ^ • ¡1 е JC

' б

300 400 500 600 Т,К

О ■10

И, Ом ю

170

120

70

Р 103, К"1

п=4

( и—8

300 400 500 600 т>К

Рисунок 3 -Температурна залежшсть опору, ТКО та ТКТКО ДЛЯ трьох-шарових шпвкових систем Сг(20)/ /Со(20)/ /№(20)/П (а) та №(75)/Со(75)/ /Сг(65)/П (б).

©о - характерш температури для масивних зразшв

п = 4

п = 5

20

1в8аеваваавввввеевввв8вв0аевеввв -._■_■

300

400

500

600 Т,К 700

Рисунок 4 - Температурна залежшсть опору 1 ТКО для перюдично! багатошарово! шпвково! системи ...Сг(150)/Со(10)/Сг(80)/Со(10)/П, п - юльшсть шар1в

5

приводить, в свою чергу, до розмиття i практично повного зглажування концентрацшних ефект1в в характерних точках. Для характеристики терморезистор1в використовують коефшдент

стабильность який визначаеться за сшввщношенням :

5 = ^f = ßr. (1)

Розрахунки коефпцента стаб!льност1 для двох- та трьохкомпонентних багатошарових шпвок говорить про вщносну стабшьшсть терморезистор1в, виготовлених на !х основ! .

Bei багатошаров1 пл1вков1 системи на ochobI мета-л1в мають загальний недолш - вщносно велике значения ТКО (порядка 10'3-10'4 К'1). Якщо ж один або де-млька niapiB взяти з нашпровщника, одержуемо вщносно мал1 (порядка 10"4- Ю^К'1) значения.ТКО.

Рисунок 5 дае уяву про особливост1 електроф1зич-них властивостей шивкових систем на основ! аморфного або мшкокристал1чного гермашю та полшристал!ч-ного хрому.

10м_ Д'ШУ s»w2

-

л л "г

Оеоооо„ллй V зав w sm т,к

300 400 500 600 700 Г,К

Рисунок 5 - Температурна залежшеть опору, ТКО та коеф1щента стабшьност! для пл!вки

Cr(65)/Ge(10)/Cr(65)/II

Третш параграф третьо! глави присвячений дос-лвдженню розм1рного ефекту електропровщност1 та апробаци теоретично! модел1 Д1мм1ха i макроскошчно! модел1 на випадок багатошарових пл1вок з довольною кшыастю inapiB.

Використання Teopii fliMMixa для розгляду елект-ричних властивостей багатошарово! перюдично] структури з фрагментом с1ф = dx + d2, зводиться до анал1зу властивостей окремого фрагменту, який являе собою ту ж саму двошарову пл1вку. Спрощеш сшввщношення Teopi'i fliMMixa можна узагальнити на випадок довшьно! KbibKocTi niapÍB:

(2)

Однак, трудноиц математичного характеру не дають можливост1 одержати в рамках мшроскотчних моделей cTpori стввщношення для багатошарових шпвок. Тому, слщ BiflMÍTHTH, що ан&тпзувати ф1зичш процес1в i прогнозувати електроф1зичш властивосп можна i в рамках макроскошчно! модель

Виходячи з уявлення про паралельне з'еднання ша-piB шивкового зразка, були одержан! вирази для ТКО шивки з довшьною (п) шльшстю niapiB. Вивод вказаних стввщношень заснований на логарифмуванш та послщуючому диференцюванн1 по температур! слщуючого сшвввдношення:

Р P2-p3-...-Pn-di+PrP3--'Pn'rf2+Pl-P2-----Pn'd3

Для ТКО одержуемо:

п п

D di-oLj X di-<*i-Pk-Pm...

п 1 Ф " г=1__i,k,m..M _

+ -—¡-ñ- (4)

г H di - Ц, dj-pk-pm...

г=1 i,k,m...=1

2) df(p*+pM+...4f>«)pÉ-pM...

i,k,m...=í . -

----(i ф k ф m ф ...)

\ S di-pk-pm...

i,k,m...=1

На рисунку 6 представлен! узагальнеш як1ст роззупрш залежноси у вигляд1 д1аграми в координатах "ТКО-товщина".

Рисунок 6 - Узагальнена д1аграма "ТКО - товщина" для багатошарово! шивково! структури типу

...Ме^Мвз/Мез/П , де < рд2 < р^з

Таблиця 1 дае уявлення про корелящю експеримен-гальних та розрахункових значень ТКО багатошарових ал1вок.

Проведен! дослщження дозволяють зробити таш зисновки . По-перше, характер залежност! ввд говщини ТКО мае осцилюючий характер : величина

ГКО в межах фрагменту буде збшьшуватись (якщо Р1 !

*>д\<Р^2<Р^з), зменшуватись (при оберненш нер!вност!)

7а осцилювати (якщо Р1 ! $д\< Р^2> а Р2 ! Р^2 > Р^з або

р! ! р^ > р^2 , а р2 ! Р^2 < Р^з ), виходячи на 1симптотичне значения при збшыиенш товщини »кремого шару. По-друге, згщно теоретичних >озрахунк!в, значения ТКО не залежить вщ шлькост! эрагменпв багатошарово! перюдично! структури ! тонотонно зменшуеться з ростом !х товщини.

В четвертому параграф! дано! глави приведена мето-;ика прогнозу ф!зичних властивостей шивок на осно-1 вштрювання електричного опору. Суть нашого

Таблица 1 - Експериментальш та p03paxyiiK0Bi значения ТКО

ГШвка (товщина, им) Рексп. Ррозр.ПО ( 2 ) Ррозр.ПО (4)

Co(50)/Ci(50)/Co(55)/n 0.88 1.22 0.95

Co(20)/Ci<40)/Co(20)/n 1.29 1.46 1.63

Ni(50)/Co(20)/Ni(20)/n 1.86 2.38 3.36

Co(20)/Ni(40)/Со(20)/П 2.05 2.43 2.94

Ci(20)/Co(20)/Ni(20)/n 1.80 2.32 2.34

CK30)/Co(30)/Ni(30)/n 1.02 0.48 0.81

Ni(75)/Co(75)/Q{65)/ri 1.25 2.09 2.83

0{150)/Co(10)/Ci<80)/ 0.42 1.04 1.10

/Со(10)/П

Co(10)/a(150)/Co(10)/ 0.90 0.87 1.25

/СК80)/Со(10)/П

Q<80)/Co(10)/Q(150)/ 0.32 1.05 1.09

/Co(10)/Ci<80)/Cb(10)/n

Co(10)/Q(80)/Co(10)/ 1.15 0.93 1.23

Ci(150)//Co(10)/Ci<80)/

/Со(10)/П

Q<150)/Go(10)/Q<80)/ 0.91 1.12 1.12

Co(10)/Q<150)//Co(10)/

Ci(80)/Co(10)/n

Co(12)/Ni(20)/Co(12)/ 1.90 2.72 2.84

/Ni(20)/Co(12)/Ni(20)/

/ Co(12)/Ni(20)/Co(12)/

Ni(20)/n

Co(30)/Q(30)/Ni(30)/ 2.47 1.49 1.79

Со(30)/П

Ni(30)/Co(30)/Q{30)/ 2.45 1.20 2.27

№(30)/Со(30)/П

методу ощнки коеф1щент1в теплопровщност1 та термо-електрорушшно! сили для сильнодисперсних або велико! товщини металевих пл1вок заснований на розра-хунку макроскошчних транспортних коеф1щент1в К0-К2 через питому провщшсть шпвки та потенщал Д1рака Проведено розрахунок вищевказаних коефнц-ент1в для масивних конденсат1в Со, №, Бс, Zr, Рс1.

Четверта глава "Тензочутлив1сть одно- та багато-шарових пл1вок на основ1 хрому, кобальту, шкелю та германпо" складаеться з двох параграф1в. Перший присвячений дослщженню тензочуливост1 аморфних та м1лкокристал1чних шпвок гермашя товщиною 5-160 нм в област1 малих деформащй методом на згин при

стисненш (-£/) та розтягуванш (+8/) зразка. Одержано, що особливост1 та аномалп тензочутливоси тонких пл1вок германпо частково можна пояснити залежшстю енерги активацп електропровщност! вщ ступеню

деформацп (АЕ зростае вщ 0.67 до 1.90 еВ при змшю-

вант 8/ вщ 0 до 3.8'10"4%, а пот1м зменшуеться до

0.67 еВ при змшюванш в/ вщ 3.8-10 4 до 4.7-10 4%).

В другому параграф! четверто! глави розглянуто питания тензочутливост1 багатошарових шпвок. Розрахунки коефнцент1в тензочутливост1

здшснювались з використанням макроскотчно! модель На випадок довольно! кшькосп шар1в сшввщношення для коефпценту повздовжньо! тензочутливост1 можна записати:

п

2 ^-(т/А+У 1т-Рр)-Р1г-Рт... Ё Ц/Г^,'

V Ы_ ¿=1_

У /=. -п----, (5)

г' - 2 ^г'Рй'Рт... 2

г=1 г=1

Результа^и, яш представлен! в таблищ 2 дозволяють судити про стушнь вщповщност1 експериментальних та

розрахункових величин коефнценту тензочутливост! багатошарових пл1вок 1 сввдчать про те, що розрахун-ков1 даш дуже добре вщповадають експериментальним та частково дозволяють вияснити, яку тенденщю мае розм1рна залежшсть. Ввдповщшсть результат1в можна пояснити незначним вкладом меж1 роздшу м1ж шарами в явище тензоефекту, що пов'язано з ди-фузшними процесами, ЯК1 приводять до !х розмиття.

Таблиця 2 - Експерименталып та розрахунков1 значения коеф1щенту у;

Плавка (товщина, нм) експер. ilp03pax.no (5) Метод деформаци

Сг(20)/Со(20)/№(20)/П 22.7 24.3 згин '

Сг(20)/Со(20)/№(20)/П 23.1 24.3 розтяг

№(75)/Со(75)/Сг(65)/П 24.4 - згин

Со(50)/Сг(50)/Со(55)/П 19.8 21.2 згин

Со(50)/Сг(50)/Со(55)/П 21.0 21.2 розтяг

Сг(60)/Со(30)/Сг(40)/П 21.6 22.1 згин

Сг(40)/Со(30)/Сг(40)/П 19.9 28.3 згин

Сг(40)/Со(30) / Сг(40)/П 22.3 28.3 розтяг

Со(20)/Сг(30)/Со(40)/П 19.0 25.2 згин

Со(20)/Сг(30)/Со(40)/П 19.2 25.2 розтяг

Со(40)/Сг(90)/Со(55)/П 7.9 10.6 розтяг

№(50)/Сг(10)/№(50)/Сг

(10)/П 20.1 22.2 згин

№(50)/Сг(10)/№(50)/Сг

(10)/П 20.7 22.2 розтяг

№(30)/Со(30)/Сг(30)/№

(30)/Со(30)/Сг(30)/П 46.6 52.5 згин

Ш(30)/Со(30)/Сг(30)/№

(30)/Со(30)/Сг(30)/П 50.1 52.5 розтяг

Ш(50)/Сг(10)/№(50)/

Сг(10)/№(50)/Сг(10)/ 22.7 22.9 розтяг

№(50)/Сг(10)/П

*) приведен! дат тшьки для розтягуючо! деформацп при згит

Але не дивлячись на це, сшввщношення (5) дозволяе побудувати узагальнену д1аграму в коорди- натах "коефшДент тензочутливост1 - товщина", як 1 в випадку ТКО (на рисунку 7 як приклад приведена розрахункова д1аграма для багатошарово! пл1вково!

О 200 им 400

Рисунок 7 - Розрахункова " д1аграма "коефщ1ент повздовжньо! тензочутливост1 - товщина" для багатошарово! пл1вково1 структури ...Сг/Со/П

В заключенш дисертацшно! роботи обговорено одне з фундаментальних питань ф1зики тонких пл1вок, по-в'язане з розснованням носив електричного струму на

меж1 зерен . Анал1зуються залежност1 (3 та у/ в1д тов-щини 1 пор1внюються з под1бними результатами других автор1в.

Висновки дисертащйно! роботи формулюються таким чином:

1. Методом електронно! мшроскопп та вторинно! юнно! мас-спектрометрп вивчеш процеси взаемно! дифузп елемент1в в пл1вкових системах Сг/Со/Сг/П, Со/Сг/Со/П, №/Со/№/П, Со/№/Со/П 1 Сг/Ое/Сг/П. Встановлено, що в зразках на основ1 № 1 Со, Сг 1 ве йдуть бшьш штенсивш процеси взаемно! дифузп пор1вняно 1з зразками на основ1 Сг 1 Со, хоча шдивщуальшсть шар1в в обох випадках збер1гаеться.

2. На температурних залежностях опору, ТКО та ТК ТКО 1 коефшденту стаб1льност1 для двох- та трьох-компонентних трьохшарових пл1вок спостер1гаються особливост1 в точках Нееля для Сг (0нСг = 270 - 300 К), Кюр1 для № (0С№ = 550 - 580 К), 1 Дебая для Сг

(©р01" = 565 - 5,85 К) та Со (®сСо = 430 - 450 К), а також розмит1сть концентрацшних еффект1в (А0мСг= =20 - 30 К; А 0С№ = 30 - 35 К ; А ©^ = 20 - 25 К; А 0оСо = 20 - 30 К ) в цих точках.

3. Вперше одержано, що збшьшення шлькостх ша-р1в (до десяти) двох- або трьохкомпонентних пл1вкових систем приводить до все в меншш м!р1 залежних вщ температури значень ТКО (порядка 103-10 4 К'1 для металевих шпвок та 10'4-10"5 К'1 для шпвок на основ1 металу та нашвпровщника) 1 коефщ1енту стабшьносп (порядку 1 та 10'3, вщповщно).

4. Вперше вивчено особливост1 та аномалп тензо-чутливост1 тонких пл1вок германпо, яш частково можна пояснити залежшстю енерги активацп електропро-

вщност1 вщ ступеню деформацп ( АЕ зростае вщ 0.67

до 1.90 еВ при змшюванш в/ вщ 0 до 3.8-10"4%, а по-

т1м зменшуеться до 0.67 еВ при змшюванш в/ вщ 3.8-10 4 до 4.7«10'4%).

5. Вивчено розмгрний ефект в повздовжнш тензочут-ливосп одношарових пл1вок Се та багатошарових на основ1 ве 1. Сг . Одержано, що величина коес]лщенту тензочутливоси шпвок йе сильно залежить вщ товщи-

ни (зменшуеться вщ у/=-15 до у/ = -80 при змшюванш товщини вщ 10 до 160 нм) та не залежить вщ матер1а-ла пщкладки (слюда, штал, склотекстоли'). В багатошарових шпвках Сг/йе/Сг 1 Се/Сг/Ое/Сг величина у/ не перевищуе -10, що пояснюеться шунтуючою д1ею шпвки хрому.

6. Проведено пор1вняння експериментальних результат з тензочутливост1 багатошарових пл1вок на основ1 Сг 1 Со, Сг 1 № та № 1 Со, розрахованих за мак-роскошчною моделлю. Хорошу вщповщшсть розрахун-кових та експериментальних результат1в можна пояс-нити слабою чутливштю меж роздшу м1ж шарами до деформацп в зв'язку з 1х дифузшним розмиттям.

7. Вперше показано, що характер залежноси вщ товщини ТКО та у1 мае осцилюючий характер:

величина ТКО в межах фрагменту буде збшыпуватись (якщо рг i Pgl < pg2 < (Зг3), зменшуватись ( в протилежному випадку) або осцилювати (якщо Рг i Pgl <Pg2, а р2 i pg2 > Pg3 або pj i pgl > Pg2V a p2 i pg2 < Pg 3 ), виходячи на асимптотичне значения при збЬгыпенш товщини окремого шару. Згщно ' теоретичних. розрахуншв з використанням макроскошчно! модел1 одержано, что значения терм1чного коефщ1енту опору та коёф1щенту повздовжньо1 тензочутливост1 практично не залежать в1д KÙibKocTi фрагмент1в багатошарово! перюдичноГ структури та монотонно зменшуютьея з ростом товщини фрагменту. Але в межах фрагменту спостер1гаеться осцилююча залежшсть Р та у,, причому розмах осциляцш при збшыпенш к1льк0ст1 фрагмент1в зменшуеться.

Лггература

1. Dimmich R. // Thin Solid Films. - 1988. - V.158, № 1. - P. 13 - 24.

2. Кузьменко А.И., Петренко C.B., Проценко И.E.// ВАНТ. - 1990. - № 2(10). - С. 87 - 89.

OciiOBiii результати дисертаци опублшоваш в таких роботах:

1. Проценко 1.Ю., Однодворець JI.B. Прогноз електроф1зичних властивостей металевих конденсатьв/. HayKOBi пращ. Сер1я: Ф1зика твердого тша. - Суми: СумДУ, 1993. - С. 20 - 25

2. Проценко 1.Ю.,Чорноус A.M., Однодворець Л.В., Шамоня В.Г. Залежшсть вщ температури опору багатошарових металевих пл1вок/ HayKOBi пращ. Сер1я: Ф1зика твердого тша. - Суми: СумДУ, 1993. -С. 35 - 44

3.Однодворец Л.В., Проценко И.Е., Салтыкова А.И. Размерный эффект электропроводности в трехслойных пленочных системах на основе хрома и кобальта и

никеля и кобальта //ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. - 1994. - №1 (27). - С. 85 - 87

4. Проценко И.Е., Петренко С.В., Черноус А.Н., Однодворец JI.B. Элементный состав и диффузионные процессы в многослойных пленочных системах // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. -

1994. - №1 (27). - С. 88 - 90

5. Проценко 1.Ю., Однодворець JI.B., Шамоня В.Г. Електроф1зичн1 властивоси багатошарових шивок на основ1 перехщних метал1в // Вшник Сумського державного ушверситету. - 1994, № 1. - С. 25 - 29

6. Protsenko I., Odnodvoretz L., Chornous A., Petrenko S. Size effect and processes of interdiffusion in multilayer films // Crystal Reseach and Technology. -

1995. - V. 30, № 8. - P. 1077 - 1081

7. Проценко 1.Ю., Однодворець JI.B. Методичш вка-з1вки до практичних та семшарських занять з курсу "Технолойя та ф1зика тонких шивок" для студенпв спещальноси 7.090804 денно! форми навчання. -Суми: СумДУ, 1995. - 38 с.

8. Protsenko I., Chornous A., Odnodvoretz L. Tenzo-sensibility double-layer films of metallic and semiconductor layer / Materials of Simposia Polycrystalline Thin Films II - Structure, Texture, Properties and Application, V.403, MRS Fall Meeting, Boston: MA, 1995.-Abstract 1084.

9. Проценко И.E., Однодворец JI.B., Черноус А.Н. Тензочувствительность многослойных металлических пленок /Межотраслевой научно-практический семинар с участием зарубежных специалистов «Вакуумная металлизация»: Харьков. - 1996. - С. 114

10. Chornous A., Odnodvoretz L., Protzenko I.Size effect in temperature coefficient of resistance in multilayer film's structure of general type / Book of Abstract Second International Conference MPSL'96: Sumy. - 1996. - P. 75-76

АННОТАЦИЯ Однодворец Л.В. Кинетические явления в многослойных плепочпых конденсатах на основе хрома, кобальта, никеля и германия

Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специаль-еюсти 01.04.07 - физика твердого тела, Сумский государственный университет, Сумы, 1996. К защите представлены результаты исследований, изложенные в шести научных статьях по физике многослойных пленочных конденсатов на основе Cr, Со, Ni и Ge. Изучена размерная и температурная зависимость сопротивления, коэффициентов тензочувствительности. Проведена аппробация теоретической модели Р.Димми-ха и макроскопической модели для электропроводности и теории тензочувствительности многослойных пленок.

Ключов1 слова: багатошаров1 структури, розм1рш явища, межа розд1лу HiapiB, процеси взаемно! дифузп, електропровщшсть, тензочутлив1сть.

ABSTRAKT

Larysa V.Odnodvoretz. Kinetic Phenomena in Multilayer Films on Basic of Chromium, Cobalt, Nikel and Germaniun.

The dissertation (manuscript) for the obtaining of the scientific degree of the candidate of science in the mathematics and physics corresponding to the speciality 01.04.07 - solid state physics, Sumy State University, Sumy, 1996.

There 6 scientific papers on physics of multilayer films in basic Cr, Co, Ni and Ge represented on defense. Temperature and size dependence of the resistance, temperature coefficient of resistance, coefficients of tenzosensibility were investigatied. Theoretical model of R.Dimmich and macroscopical model for condictivity and theory tenzosensibility in multilayer films were checked.

Ця робота була частково шдтримана ]Шжнародною Сорос1вською програмою шдтримки освищи в гaлyзi гочних наук (ISSEP), грант № PSU062076.

Однодворець Лариса Валентишвна

К1НЕТИЧН1 ЯВИЩА В БАГАТОШАРОВИХ ПЛ1ВКОВИХ КОНДЕНСАТАХ НА ОСНОВ1 ХРОМУ, КОБАЛЬТУ, Н1КЕЛЮ ТА ГЕРМАНПО

Ввдповщальний за випуск: Проценко 1ван Юхимович

Шдп. до друку 09.12.97 Форм.60х74/16 Обл.-вид.арк. 1.1 Тираж 80 прим. Замовл. Безкоштовно

СумДУ, 244007, м.Суми, вул. Римського-Корсакова, 2

"Р1зоцентр" СумДУ, 244007, м.Суми, вул. Римського-Корсакова, 2