Главная arrow Публикации arrow Тонкие пленки оксидов переходных металлов (ОПМ) arrow Применение тонких пленок переходных металлов
Main Menu
 Главная
 Новости
 Публикации
 Литографические процессы
 Базовые основы наноэлектроники и Одноэлектроника
 Тонкие пленки оксидов переходных металлов (ОПМ)
 Другие статьи
 Нано-элементы для обработки оптической информации
 FAQ
 Ссылки
 Контакты

Who's Online
На сайте:
3 гостей

Hit Counter
702466 посетителей

Наш баннер:
Мы будем рады, если вы разместите на своем сайте нашу кнопочку
NANO_Technologies


Newsflash
Идея, так называемых нано-компьютеров не является фантастикой! Многие производители сейчас ведут разработки процессоров на уровне молекул, или даже атомов. Скорость в таких компьютерах будет колоссально высокой, т.к. расстояние между деталями практически отсутствует. Да и деталей как таковых там не будет.

 20 May 2018
Применение тонких пленок переходных металлов   Версия для печати  Отправить на E-mail 
Опубликовал Irina Bolshakova  
04 December 2004

Применение материалов с переходом металл-изолятор в электронной технике

При ПМИ наблюдаются резкие, обратимые и значительные изменения электрических и оптических свойств материала, что дает уникальную возможность для разработки электронных и оптоэлектронных устройств. Резкое изменение электропроводности при ПМИ используется при разработке критических терморезисторов. Освоен промышленный выпуск критических терморезисторов на основе VO2 и V2O3 (для последнего Тt=150 К). Подобные терморезисторы можно создавать на основе других материалов с ПМИ на другие критические температуры. Такие терморезисторы могут применяться в схемах тепловой защиты, стабилизации температуры, термических реле, ограничителей тока.

Рис.6 Схема анодного окисления. 1. Блок питания . 2. Амперметр ). 3. Вольтметр . 4. Двухкоординатный самописец (компьютер) . 5. Электрохимическая ячейка. 6. Анод (окисляемый металл). 7. Катод (никель, нержавеющая сталь). 8. Противоэлектрод (Pt проволока в стеклянном капилляре).

Наличие на ВАХ материалов с ПМИ участка отрицательного дифференциального сопротивления обуславливает широкие возможности применения переключающих элементов на основе материалов с ПМИ в микроэлектронике. Для VO2, например, показана возможность создания управляемой током индуктивности. Очевидна возможность использования переключательных элементов в схемах защиты микроэлектронной аппаратуры и компонентов от перенапряжений.

В ряде работ показана возможность использования VO2 для создания различных устройств управления и преобразования микроволнового излучения.

Таким образом, можно выделить три основных направления использования оксидов ванадия в электронной технике: микро- и оптоэлектроника и микроволновая техника. Однако возможности и преимущества использования материалов с ПМИ будут очевидны в том случае, если появится возможность перейти от теплового к электронному способу управления ПМИ.

 

Структуры с электронным управлением фазовым переходом металл-изолятор

Подчеркнем следующий важный аспект проблемы ПМИ. Если межэлектронные корреляции дают существенный вклад в развитие перехода, т.е. диэлектрическая щель в электронном спектре низкотемпературной фазы в значительной степени определяется корреляционными эффектами, то это должно проявляться в прямых экспериментах, например, при реализации ПМИ в электрическом поле. Следует отметить, что непосредственно влияния поля на ПМИ трудно ожидать: речь может идти о перераспределении носителей под действием поля или об их инжекции (экстракции).

В пионерских работах по электронному возбуждению ПМИ использовались различные формы реализации в диоксиде ванадия эффекта поля. Однако эффекты были слабые и не поддавались однозначной интерпретации в рамках влияния перераспределения электронов под действием электрического поля на переход.

Отметим, что эксперименты в МДП структурах с VO2 в качестве полупроводника в условиях статического эффекта поля могут оказаться малоэффективными, если для создания поверхностного потенциала, обеспечивающего значительное увеличение концентрации в слое достаточной глубины, потребуется приложить затворные напряжения VG больше напряжения пробоя диэлектрика. Кроме того, распределение неравновесной плотности заряда при обогащении будет в диоксиде ванадия быстро спадать по глубине по причине опять же относительно высокой проводимости (малой дебаевской длины экранирования). Более перспективным может оказаться подход, основанный не на эффекте поля, а на инжекции носителей заряда извне.

В ряде работ было показано, что ПМИ в VO2 может быть инициирован импульсами лазерного излучения длительностью 1 пс с hv=1.17 эВ ~Еg VO2. Малые времена (10-12 с) развития перехода позволяют утверждать, что эффективного обмена энергией между неравновесными электронами и решёткой за счёт безызлучательной рекомбинации не происходит и, следовательно, можно пренебречь в этом случае эффектами термического разогрева. Действительно, времена диффузии фононов не могут быть меньше /vзв = 10-10с (=10-5см - толщина плёнки, Vзв = 105 см/с - скорость звука). Эти результаты объясняются фотогенерацией электрон-дырочной плазмы и усилением экранирова-ния, приводящего к схлопыванию мотт-хаббардовской корреляционной щели. Позже фотонное возбуждение ПМИ было получено в фемтосекундном диапазоне лазерных импульсов (~500 фс).

В ряде наших работ показано, что в многослойных структурах Si- SiO2-VO2 возможно эффективное инжекционное управление ПМИ за счет инжекции горячих электронов из кремния через слой SiO2 в VO2. При этом время переключения меньше 10-10с. Подобные планарные VO2-переключатели на Si представляют собой трёхэлектродные устройства, в которых могут быть реализованы эффекты тиристорного или транзисторного типа.

Кроме того, изменение оптических свойств двуокиси ванадия при ПМИ позволяет использовать структуры Si- SiO2-VO2 в качестве электрически управляемых оптических транспорантов: при подаче управляющего напряжения на затвор, канал VO2 переходит в металлическую фазу и происходит изменение его коэффициента отражения. Пространственное разрешение таких транспорантов будет определяться размерами каналов VO2 и теми минимальными размерами "рисунка", которые могут быть достигнуты при помощи литографических процессов. Оба эти критерия позволяют обеспечить пространственную разрешающую способность на уровне микронных и субмикронных размеров.

 

Пленки ОПМ - среды для записи, хранения и отображения оптической литографии

Тонкие пленки VO2, нанесенные на различные подложки применяются при разработке реверсивных оптических сред для записи, хранения и отображения оптической информации, оптических элементов для лазерной техники (управляемые зеркала, оптические модуляторы). Эти приложения основаны на резком и обратимом изменении оптических свойств материала. При ПМИ резко меняются показатель преломления и коэффициент поглощения, и наблюдатель, рассматривающий пленку в белом свете, видит резкую смену цвета пленки. Понять природу изменения цвета легко, если обратиться к спектральной зависимости R в видимой области спектра до и после ПМИ (рис. 7).



Рис.7 Изменение оптических свойств пленки VO2 с ПМИ.

Исходный цвет (до ПМИ) определяется широким, размытым по всему видимому диапазону, интерференционным минимумом, т.е. длины волн, которые соответствуют этому минимуму, не доходят до глаза наблюдателя. После перехода минимум смещается в сторону коротких длин волн - теперь из спектра длин волн, пришедших от нагретого образца, вычитается более коротковолновая часть спектра.

Такое изменение оптических свойств позволяет использовать пленки VO2 в виде реверсивной среды для записи информации (в том числе голографической). Обычно пленка термостабилизируется внутри температурного гистерезиса вблизи температуры ПМИ. Импульсное оптическое излучение нагревает локальные участки пленки до температуры выше Tt, что приводит к их переходу в металлическую фазу и изменению отражательной способности. Оптическая информация сохраняется до тех пор пока температура пленки не уменьшится ниже температуры перехода в изоляторную фазу.

Предлагаются различные конструкции термохромных индикаторов на пленках ди-оксида ванадия. Необходимость нагрева материала до температур ПМИ делает энергетические характеристики малогабаритного индикатора неконкурентноспособными по отношению, например, к ЖК индикаторам. Но для крупных индикаторных устройств энергетические характеристики вполне удовлетворительны.

 

Электрохромные индикаторы

Электрохромный эффект в ОПМ перспективен для разработки индикатор. На рисунке 8 представлена типичная схема процесса окрашивания и обесцвечивания для прибора с сэндвич-структурой. Когда на электроде отрицательный потенциал, из него в пленку WO3 инжектируются электроны, а из электролита - катионы. При этом цвет пленки меняется от бледно-серого до голубого или синего Это продолжается до тех пор, пока WO3 не превратится в вольфрамовую бронзу HxWO3. Изменение полярности на противоположную по знаку приводит окисел к первоначальному неокрашенному состоянию и объясняется обратной реакцией удаления из материала протонов и электронов.

Образование водородовольфрамовой бронзы представляют ЭХЭ как окислительно-восстановительную реакцию, в ходе которой образуются низковалентные ионы W.5+. Однако образование КxWO3 подобно легированию вещества, тогда как в окислительно-восстановительной реакции на аноде или катоде происходит выделение вещества, объем которого зависит от длительности процесса.
Изменение оптических свойств при ЭХЭ в WO3 характеризуется появлением широкой полосы поглощения с максимумом между 0,9 и 1,46 эВ в зависимости от свойств пленки (рис.9). Предполагается, что механизм поглощения света в окрашенных аморфных пленках WO3 - интервалентный оптически индуцированный перенос 5d1-электрона иона W.5+(А) на соседнюю пустую 5d0 -орбиталь другого иона W.6+(В): W.5+(А) + W.6+(В) <-> W.6+(А) + W.5+(В).

 

Рис.8 Конструкция электрохромной ячейки.

 

Рис.9 Кривые оптической плотности (D) для аморфного окисла вольфрама:1 - неокрашенная WO3, 2 - окрашенная WO3.

Последнее обновление ( 10 December 2004 )

Most Read
Методы получения тонкопленочных структур
Квантовые ямы, нити, точки
Физические основы наноэлектроники
Получение нанокристаллических пленок ванадия, исследование их свойств
Сайт Нано Технологии

Shout It!

Имя:

Сообщение:


 
Go to top of page  Главная | Новости | Публикации | FAQ | Ссылки | Контакты |
Mambo 
Copyright © 2002-2005 Stefanovich G.B. & Bolshakova I.P.

НОЦ Плазма Петрозаводский государственный университет