Материал: Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов
УДК 538.953
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК (Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х и Coх(MgF)100-х
В.В. Кирпан, студент группы КМ-121, Т.В.Трегубова, аспирант, О.В. Стогней
Кафедра физики твердого тела
Методом ионно-лучевого распыления составных мишеней получены тонкопленочные образцы в системах (Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х и Coх(MgF)100-х. В качестве подложек использовались ситалловые пластины СТ-50. Элементный состав образцов контролировался рентге-
|
102 |
|
|
|
а) |
|
новским электронно-зондовым микроанализом, ко- |
|||||
|
101 |
|
|
|
|
торый показал, что в полученных образцах концен- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
kOm*mm |
100 |
|
|
|
|
|
трация металлической фазы изменяется в широком |
|||||
10-1 |
|
|
|
|
|
|||||||
10-2 |
|
|
|
|
|
диапазоне |
(15< x, ат.% <53 |
и 15< x, ат.% <62, соот- |
||||
10-3 |
|
|
|
|
|
ветственно). Толщина полученных покрытий меня- |
||||||
|
10-4 |
|
|
|
|
|
ется от 1 до 3 мкм в зависимости от содержания ме- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
10-5 |
|
|
|
|
|
таллической фазы. |
|
|
|
||
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
|
|
|||
|
|
|
ат. % Me |
|
|
Исследованы электрические свойства полу- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
104 |
|
|
|
|
|
ченных образцов - построены концентрационные за- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
103 |
|
|
|
б) |
|
висимости удельного электросопротивления во всем |
|||||
|
102 |
|
|
|
|
|||||||
kOm*mm |
101 |
|
|
|
|
|
интервале концентраций металлической фазы (рис. |
|||||
100 |
|
|
|
|
|
1). |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
10-1 |
|
|
|
|
|
Полученные зависимости типичны для композитных |
||||||
10-2 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
10-3 |
|
|
|
|
|
систем металл-диэлектрик. |
Наблюдается |
характер- |
|||
|
10 |
20 |
30 |
40 50 |
60 |
70 |
ный интервал составов с резким уменьшением со- |
|||||
|
10-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ат. % Me |
|
|
противления, который может быть отнесен к перко- |
||||||
Рис. 1. Концентрационная зависимость |
ляционному переходу. Оценка концентрации порога |
|||||||||||
протекания по виду зависимости (х) дает значение |
||||||||||||
удельногоэлектросопротивления: |
||||||||||||
27 ат.% |
металлической |
фазы |
для |
системы |
||||||||
а) - (Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х; б) - Coх(MgF)100- |
||||||||||||
х(Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х и 36 ат.% металлической фа-
|
6 |
|
|
|
|
а) |
|
зы для системы Coх(MgF)100-х. Эти значения меньше, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
5 |
|
|
|
|
|
чем характерные величины |
концентрации порога |
|||
|
4 |
|
|
|
|
|
|||||
% |
|
|
|
|
|
|
перколяции в композитах на основе оксидных мат- |
||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
риц (45 – 55 ат.% металлической фазы). По всей ви- |
|||||
MR,- |
|
|
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
димости, этот факт является проявлением особенно- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
стей фторидной диэлектрической матрицы. |
|
|||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
10 |
20 |
|
30 |
40 |
50 |
|
Исследовано поведение электрического со- |
|||
|
|
|
ат. % Me |
|
|
противления образцов под влиянием магнитного по- |
|||||
|
|
|
|
|
|
б) |
|
ля (магниторезистивный эффект – MR). Концентра- |
|||
|
6 |
|
|
|
|
|
ционная зависимость магниторезистивного эффекта |
||||
|
5 |
|
|
|
|
|
|||||
% |
|
|
|
|
|
|
в исследованных системах приведена на рис. 2. Зави- |
||||
4 |
|
|
|
|
|
|
|||||
-MR, |
|
|
|
|
|
|
симости |
типичны для |
композитов |
металл- |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|
|
|
|
|
диэлектрик: с максимумом вблизи порога перколя- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
ции и уменьшением эффекта до нуля при переходе к |
|||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
образцам с металлическим типом проводимости за |
|||
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
||||
|
порогом |
перколяции. В |
образцах |
системы |
|||||||
|
|
|
ат. %Me |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Coх(MgF)100-х величина MR достигает 6%, в то время |
|||
Рис. 2. Концентрационная зависимость маг- |
как в композитах (Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х - не пре- |
||||||||||
нитрезистивногоэффекта: а) - |
вышает 2 %. По всей видимости, это связано с тем, |
||||||||||
(Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х; б) - Coх(MgF)100-х |
что в этих композитах диэлектрическая матрица со- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
держит большое количество растворенных атомов Zr, снижающих долю туннельной спинзависимой проводимости в общем электропереносе через композит.
11
УДК 538.953
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ЭЛЕКТРОПЕРЕНОСА В КОМПОЗИТАХ Feх(Nb2On)100-x
А.Д. Аль-Малики, аспирант, К. И. Семененко, аспирант, А.Н. Смирнов, студент гр. ТФ-121, О.В. Стогней
Кафедра физики твердого тела
Исследованы механизмы электропереноса в доперколяционных наногранулированных композитах Feх(Nb2On)100-x, сформированных на основе полупроводниковой матрицы Nb2On. Тип проводимости в композитных образцах определялся на основе анализа температурной зависимости электросопротивления, измеренной в интервале 77 - 270 К (рис.1). Для анализа использовалась модель «прыжковой проводимости» в рамках которой предполагается, что электроперенос через матрицу композитов осуществляется посредством
термоактивированных прыжков по структурным де-
|
|
|
|
|
фектам (с энергетической точки зрения это означает, |
|
105 |
|
|
|
что электроны туннелируют по локализованным со- |
Ом |
|
|
|
|
стояниям в запрещенной зоне диэлектрика или полу- |
104 |
|
|
7 |
проводника). Использовался формализм, описанный в |
|
|
|
|
|||
R, |
|
|
|
8 |
работе Н. Мотта и Э. Дэвиса: прыжковая проводи- |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
10 |
|
|
103 |
|
|
мость по локализованным состояниям может быть за- |
|
|
|
|
12 |
||
|
|
|
|
14 |
писана в виде: |
|
100 |
150 |
200 |
250 |
|
|
|
||||
|
|
|
T, K |
|
|
Рис. 1. Температурные зависимости |
, |
||||
электрического сопротивления компо- |
где, e - заряд электрона, r - длина прыжка, vph - фактор |
||||
зитов. Концентрация железа в образцах |
спектра фононного взаимодействия, g(EF) - плотность |
||||
показана цифрами (ат. %).
электронных состояний на уровне Ферми, α - радиус локализации волновой функции электрона.
Экспериментальные зависимости (рис. 1) перестраиваются в «модельных координатах», то есть в координатах ln( 0/ ) и Т-1/4 (рис.2). Угол наклона зависимостей дает численное значение параметра «В», зная который можно вычислить g(EF). На рис. 3 приведены полученные значения. Очевидно, что, во-первых, несмотря на полупроводниковую матрицу в композитах Feх(Nb2On)100-x реализуется прыжковая проводимость как и в классических композитах металл-диэлеткрик. В-вторых, в композитах Feх(Nb2On)100-x при чрезвычайно низкой концентрации металлической фазы (12-15 ат. %) происходит электрическая перколяция, поскольку значения g(EF) становятся соизмеримы с величинами, характерными для металлических материалов (1020 - 1022 (эВ*см3)-1.
|
5 |
|
|
|
Fe-NbO |
|
|
7 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
3 |
12 |
|
|
|
/ |
|
14 |
|
|
|
0 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ln |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0,26 |
0,28 |
0,30 |
0,32 |
|
|
|
T-1/4, K-1/4 |
|
|
Рис.2. Температурные зависимости электросопротивления, в координатах, соответствующие модели «прыжковой проводимости». Цифры у графиков показывают концентрацию Fe в ат.%.
|
1022 |
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
см |
1021 |
|
|
|
|
|
|
|
(эВ* |
|
|
|
|
|
|
|
|
), |
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
g(E |
1020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
Концентрация металлической фазы, ат.% Fe
Рис. 3. Концентрационные зависимости плотности электронных состояний на уровне Ферми в композитах Feх(Nb2On)100-x
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 15-02-05920/2).
12
УДК 538.953
ДИФРАКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИТОВ
(Co47Fe42Zr11)х(MgF2)100-х и Coх(MgF2)100-х
Т.В. Трегубова, аспирант, В.А. Макагонов, О.В. Стогней
Кафедра физики твердого тела
Методом ионно-лучевого распыления составных мишеней получены образцы в системах (Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х и Coх(MgF)100-х. Совместное осаждение компонент материала производилось на ситалловые (СТ-50) и стеклянные подложки, на поверхности которых в результате процессов самоорганизации происходило формирование гетерогенной структуры.
Химический состав образцов контролировался рентгеновским электронно-зондовым микроанализом, концентрация металлической фазы в полученных образцах меняется в широком интервале. Для измерения толщины покрытий использовался интерференционный метод. Толщина полученных покрытий составляла от 1 до 3 мкм, в зависимости от фазового состава. Исследование структуры композитов производился на дифрактометре BRUKER D2 Phaser.
В результате напыления была сформирована гетерогенная двухфазная структура. Анализ дифрактограмм подтверждает наличие двухфазной (композитной) структуры во всех исследованных образцах (см. рис.). Интенсивность и набор пиков на полученных рентгенограммах системы (Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х меняются в зависимости от содержания металлической фазы. При малом содержании металла на рентгенограммах присутствуют пики, соответствующие химическому соединению MgF2, причем, наблюдается ростовая анизотропия (пики получены преимущественно от плоскостей семейства (110)). На дифрактограммах с большим содержанием металла присутствуют пики, относящиеся к кристаллической фазе сплава CoFe с кубической решеткой, это косвенно свидетельствует о протекании химической реакции в процессе напыления между цирконием, являющимся аморфизатором при образовании фазы Co47Fe42Zr11 , и фтором, входящим в состав матрицы. Действительно, формирование фазы фторида циркония (IV) ZrF4 является энергетически более выгодным, чем MgF2 ввиду большой энтальпии образования (ΔHZrF°= 1911кДж/моль, ΔHMgF°= 1113кДж/моль).
Рентгеноструктурный анализ системы Coх(MgF)100-х показывает, что при напылении, в образцах этой системы при малом содержании металла также формируется фаза MgF2,а при росте концентрации металла– фаза гексагонального Co.
а) б)
Дифрактограммы полученных систем: а- дифрактограмма системы(Co47Fe42Zr11)х(MgF)100-х; б – дифрактограмма системы Coх(MgF)100-х
13
УДК 538.956
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ СО СТРУКТУРОЙ АУРИВИЛЛИУСА
И.Ю. Кобяков, студент гр. ТФ-121, А.И. Бочаров, Н.А. Толстых
Кафедра физики твердого тела
По двухстадийной керамической технологии получены образцы новых слоистых сегнетоэлектриков со структурой фаз Ауривиллиуса Ba4Bi2Ti3Nb2O18, Sr4Bi2Ti3Nb2O18, Ca4Bi2Ti3Nb2O18. Рентгеноструктурный анализ (CuКα - излучение) керамических материалов состава Ba4Bi2Ti3Nb2O18 (BBTN), Sr4Bi2Ti3Nb2O18 (SBTN), Ca4Bi2Ti3Nb2O18 (CBTN) показал, что исследуемые соединения представляют собой в основном двухфазные системы с преобладанием фаз со структурой характерной для слоистых перовскитов. Исследования методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) свидетельствуют о том, что все полученные составы являются двухфазными с преобладанием фаз со слоистой структурой, что в свою очередь хорошо соотносится с данными рентгеноструктурного анализа. Был оценен средний размер зерна, составивший порядка 3 ~ 7 µm при толщине 0.5 ~ 0.9 µm Такая форма зерен обусловлена анизотропией кристаллической структуры ФА. Проведенные измерения диэлектрических свойств данных материалов в интервале температур 50 - 400°С при различных частотах выявили пики диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь при температурах ~ 260 °С для BBTN, ~ 285°С для CBTN и ~ 300°С для SBTN, слабо зависящие от частоты измерительного поля что позволяет сделать предположение о существовании при данных температурах структурных фазовых переходов.
Как было показано в ряде работ, на диэлектрические свойства ФА существенное влияние могут оказывать не только элементный и фазовый состав, но и микроструктурные характеристики образцов, такие как плотность, размеры зерен и пористость керамики. Таким образом, диэлектрические характеристики образцов могут быть существенно улучшены путем оптимизации условий синтеза для каждого состава.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, проект №391 в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности по Заданию № 2014/21
14
УДК 537.621: 311.5
ОСОБЕННОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
В МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОМПОЗИТЕ 0,85 BiFeO3-0,15 MgFe2O4
А.С. Шпортенко, студент гр. ТФ-131, П.В. Кулаков, студент гр. ТФ-131, М.В. Хахленков, студент гр. ПФм-141, С.А. Гриднев, А.А. Камынин
Кафедра физики твердого тела
|
Феррит висмута BiFeO3 (BF) является одним из |
|||
|
наиболее изучаемых мультиферроиков. В нем особое вни- |
|||
|
мание уделяется разрушению спиновой циклоиды, приво- |
|||
|
дящей к нулевому объемному магнитному моменту, для |
|||
|
чего BF легируют различными примесями. Поскольку ди- |
|||
|
электрическая спектроскопия является структурно чувстви- |
|||
|
тельным методом, то целью данной работы являлось изуче- |
|||
|
ние диэлектрических потерь |
в |
композите 0,85 BiFeO3- |
|
|
0,15 MgFe2O4. Зависимость мнимой части диэлектрической |
|||
Рис. 1. Температурные зависи- |
проницаемости от температуры ε''(T), представлена на рис. |
|||
мости ε'' для различных частот: |
1. На ней наблюдается максимум при температуре 205 0С, |
|||
1-200 Гц; 2-500 Гц; |
положение которого не зависит от частоты. Известно, что в |
|||
3-1 кГц; 4-5кГц. |
данном температурном диапазоне, как у BiFeO3, так и у |
|||
|
||||
|
MgFe2O4 отсутствуют структурные фазовые переходы. По- |
|||
|
этому для анализа наблюдаемого максимума потерь вос- |
|||
|
пользуемся формулой: |
|
|
|
|
// |
1 |
, |
(1) |
|
0 |
|||
|
|
|
|
|
|
где ω – циклическая частота, ρ - удельное сопротивление на |
|||
|
этой частоте, а ε0 – электрическая постоянная. Из (1) видно, |
|||
Рис. 2. Зависимость удельного |
что вклад в диэлектрические потери может давать транс- |
|||
порт носителей, характеризуемый зависимостью ρ(T). Для |
||||
сопротивления ρ от температу- |
проверки этого предположения, используя выражение (1), |
|||
ры. На вставке зависимость ln(ρ) |
была построена зависимость ρ(T), показанная на рис. 2. |
|||
от обратной температуры 1/Т. |
Видно, что при температуре ~205 0С наблюдается |
|||
|
||||
излом кривой. Предполагая, что подобное поведение ρ(T) обусловлено изменением высоты потенциального барьера, преодолеваемого носителями заряда, была построена зависимость ln(ρ) от 1/T. По углу наклона прямой (вставка на рис. 2) рассчитана энергия активации проводимости U1 ≈ 0,18 эВ до излома и U2 ≈ 0,96 эВ после излома. Сравнив эти данные с энергетическими параметрами позисторного эффекта (U1 ≈ 0,2 эВ, U2 ≈ 0,98 эВ), и, приняв во внимание, что аномалии на рис. 1 и 2 имеют место в той же температурной области, что и позисторный эффект, можно сделать вывод о том, что наблюдаемое поведение диэлектрическая потерь в изучаемом композите связано с особенностями транспорта носителей заряда, обусловленными термоактивированным опустошением ловушек на границе зерен, которыми являются вакансии по кислороду.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по гранту № 16-32-00697.
15