V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Диоксид ванадия – материал, который обладает большим многообразием физических свойств, представляющих интерес для исследователей ввиду способности совершать при температуре T_c=67^oC фазовый переход первого рода полупроводник-металл (ФПМП). А именно, при температуре выше температуры ФПМП диоксид ванадия является металлом с тетрагональной симметрией кристаллической решетки. При температурах ниже Тс фазового перехода он становится полупроводником с моноклинной симметрией решетки [1]. При переходе через T_c – температуру фазового перехода – многие физические параметры диоксида ванадия, такие как оптические константы, проводимость, магнитная восприимчивость, термо-ЭДС и т.п., испытывают резкие изменения с характерным температурным гистерезисом [1].

Область прикладного использования диоксида ванадия весьма обширна. Окислы ванадия VO₂ используются для изготовления терморезисторов с резким изменением сопротивления, которые находят свое применение в электронных и электрических аварийных устройствах в авиастроении, космической и нефтеперерабатывающей промышленности в качестве прерывателей (стоп-реле) и защитных ограничителей пусковых токов. Изделия из этих соединений применяются также для изготовления датчиков автоматического контроля температурных параметров электронной аппаратуры. Термисторы на базе диоксида ванадия используются в криогенной технике в качестве датчиков температуры, нагревателей для саморегулирующихся термостатов, бесконтактных реле. Пленки диоксиды ванадия используются также в качестве газовых сенсоров, измерителей важности, систем сканирования конфигурации СВЧ-полей, высокочувствительных приемников ИК-излучения.

Для оптимизации физических свойств пленок VO₂ под конкретные прикладные задачи принципиально важной является возможность управления такими параметрами фазового перехода «полупроводник-металл», как температура фазового перехода, величина скачка физических параметров при переходе, ширина и форма петли термического гистерезиса.

Одним из самых эффективных и одновременно самых простых способов такого управления является гидрирование поликристаллической пленки VO₂ [2], то есть легирование ее атомами водорода.

Настоящая работа посвящена исследованию частотной зависимости особенностей петель термического гистерезиса сопротивления поликристаллических пленок диоксида ванадия при различных степенях.

Измерение электропроводности тонкой (толщиной около 800 А) поликристаллической пленки диоксида ванадия, синтезированной методом лазерной абляции, проводилось на установке, блок-схема которой изображена на рисунке 1.

 

Рис. 1 Схема измерительной установки по исследованию частотной зависимости петель термического гистерезиса сопротивления пленок VO₂

 

Установка состоит из генератора низкочастотных сигналов, переменного балластного сопротивления R_x, исследуемого образца R_э, нагревательного элемента, выпрямителя ВС-24, самопишущего потенциометра, датчика температуры в виде термопары и милливольтметра. С генератора на измерительную ячейку подается напряжение заданной частоты. Напряжение на генераторе, использованное для измерений, составляло 4 Вольта, рабочие частоты были равны 100 Гц и 500 Гц соответственно, балластное сопротивление Rх было равно 20 кОм.

 

Рис. 2. Петли термического гистерезиса напряжения на негидрированном образце пленки VO₂ при различных частотах регистации: 100 Гц и 500 Гц.

 

На рис. 2 представлены типичные петли термического гистерезиса напряжения на образце при двух различных частотах регистрации: 100 Гц и 500 Гц. Строго говоря, петли

термического гистерезиса напряжения совпадают с петлями термического гистерезиса сопротивления образца лишь в режиме стабилизации тока через измерительную ячейку. Однако с целью упрощения конструкции установки применялся метод, при котором балластное сопротивление R_x было в несколько раз больше сопротивления образца при различных температурах, что с погрешностью не более 10 % обеспечивало совпадение петли гистерезиса напряжения и петли гистерезиса сопротивления образца пленки VO₂.

Г

Рисунок 3. Петли термического гистерезиса напряжения гидрированной пленки диоксида ванадия при частоте 100 Гц

идрирование пленки диоксида ванадия проводилось следующим образом. Между серебряными электродами, напыленными на пленку VO₂ в планарной геометрии при комнатной температуре наносился тонкого слой глицерина, после чего образец накрывался покровным стеклом для предотвращения ускоренного испарения глицерина при нагреве.

 

Затем на каждой частоте регистрации снималось несколько циклов зависимости напряжения на образце от температуры. Время записи каждого цикла был равен 2 минутам, временной интервал между циклами практически отсутствовал. При этом проводилось несколько термоциклов, т.е. последовательных нагревов и охлаждений образца. Поскольку диффузия водорода в пленку VO₂ в металлическом состоянии на порядки выше, чем в полупроводниковом, а время пребывания пленки в горячем состоянии во всех циклах была одинакова, то при каждом термоцикле пленка получала одну и ту же дополнительную дозу гидрирования. Все дозы суммировались между собой, поскольку в процессе записи всех термоциклов пленка непрерывно находилась в глицерине – водородосодержацей жидкости. На рис. 3 и 4 приведены зависимости изменения напряжения на образце для частот 100 Гц и 500 Гц. Обращают на себя внимание следующие особенности петель термического гистерезиса сопротивления пленок диоксида ванадия.

В

Рисунок 4. Петли термического гистерезиса напряжения гидрированной пленки диоксида ванадия при частоте 500 Гц

о-первых, наблюдается частотная зависимость проводимости как для гидрированных, так и для негидрированных пленок VO₂, во-вторых, гидрирование приводит к понижению температуры старта петли гистерезиса, в-третьих, обнаруживается зависимость формы петли термического гистерезиса от частоты регистрации, в-четвертых, имеет место уменьшение скачка сопротивления при фазовом переходе.

 

Указанные особенности могут быть объяснены следующим образом. Гидрирование пленок VO₂ является эффективным методом легирования электронами, так как атомы водорода играют роль доноров, и, соответственно, способны понижать температуру ФПМП [1], что и наблюдается на эксперименте в виде сдвига петли гистерезиса в сторону низких температур. Уменьшение скачка сопротивления при ФПМП связано с частичным насыщением образца донорами электронов, то есть частичным повышением проводимости полупроводниковой фазы, которая приближается в проводимости металлической фазы. Форма петли гистерезиса изменяется в связи с изменением при гидрировании функции плотности состояний в π*-зоне диоксида ванадия, что с необходимостью меняет функцию температурной зависимости ширины запрещенной зоны диоксида ванадия – материала с сильными электрон-электронными корреляциями.

Зависимость напряжения на образце от частоты связана с тем, что образец представляет собой электрическую емкость (конденсатор), реактивное сопротивление которого обратно пропорционально как величине емкости, так и частоте регистрации. С ростом частоты регистрации сопротивление образца падает, с ростом величины емкости из-за легирования водородом или совершения фазового перехода сопротивление тоже падает. Поэтому во всех случаях напряжение на образце будет падать, перераспределяясь в пользу напряжения на балластном сопротивлении, если только напряжение генератора остается постоянным, что и подтверждается экспериментальными данными.

Таким образом, в работе показано, что термогидрирование пленки диоксида ванадия является эффективным способом управления параметрами фазового перехода «полупроводник-металл».

Литература

1. Ильинский А. В., Ханин С. Д., Шадрин Е. Б. Электронные процессы при фазовом переходе диэлектрик-металл в гидрированных пленках диоксида ванадия / Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена 2009, вып.79, с 61-76

2. Ильинский А.В, Квашенкина О.Е, Шадрин Е.Б. Металлизация гидрированием моноклинной фазы в пленках VO₂ / Физика и техника полупроводников 2011, том 45, вып.9, с. 1197-1202

Код для цитирования: Скопировать