Тонкие пленки Y3Fe5O12/ Ba0,8Sr0,2TiO3: синтез и перспективы интеграции

Работа посвящена получению композитной системы, состоящей из тонких ферромагнитных пленок Y3Fe5O12 и сегнетоэлектрических Ba0,8Sr0,2TiO3 на кремниевых подложках. Пленки получены методом ионно-лучевого осаждения и высокочастотного   распыления. Для согласования параметров кристаллических решеток и коэффициентов теплового расширения, а также предотвращения химического взаимодействия материалов пленки и подложки в работе используется буферный слой диоксида титана TiO2 (один из оксидов исходного состава мишени), параметры которого хорошо согласуются с решеткой титаната бария стронция. Исследуются состав, структура и микроструктурные свойства пленок. Показана возможность применения не только в микроэлектронике, но более всего - в микроэлектромеханике, особенно для получения сегнетоэлектрических мембран на кремнии, интегрированных в состав устройств микросистемной техники

Синтез тонкопленочных магнитных структур для спин-орбитроники

Методом магнетронного распыления получены металлические тонкопленочные наноструктуры типа ферромагнетик/тяжелый металл: Ru(10 нм)/Co(0,8)/Ru(2), Ru(10)/Co(0,8)/Ru(2)/W(4), Pt(5)/Co(0,8)/MgO(2)/Pt(2),  Pt(15)/Co(0,8)/MgO(2)/Pt(2). На полученных образцах c помощью электронно-лучевой и фотолитографии изготовлены электрические контакты и холловские структуры с разной шириной токопроводящего мостика. На основе экспериментальных данных, полученных с вибрационного магнетометра рассчитаны магнитные параметры каждого образца: намагниченность насыщения, энергия и поле магнитной анизотропии, коэрцитивная сила – в зависимости от типа ферромагнитного слоя и слоя тяжелого металла. Из данных Керр-микроскопии определена доменная структура образцов. Проведено моделирование электросопротивления и сделаны оценки критической величины тока и максимальной плотности тока в наноструктурах. Показано, что все полученные образцы пленок обладают перпендикулярной магнитной анизотропией и могут быть использованы для изучения токоиндуцированных явлений и процессов переноса спинового момента в наноструктурах.

Металлорганические каркасные структуры и композиты на их основе: особенности строения, методы синтеза, электрохимические свойства и перспективы

В работе представлен обзор различных видов металлорганических каркасов (МОК), рассмотрены их особенности структуры, представлена классификация. Рассмотрены основные методы и подходы к синтезу как самих МОК, так и композиционных материалов на их основе.Структура МОК представляет собой регулярную трехмерную решетку, образованную органическими линкерами и металлическими кластерами. На примере анализа литературных данных по синтезу и изучению структуры показано, что характер взаимосвязей и типы металлов могут существенным образом влиять на пространственное построение и размер кристаллов МОК. МОК могут быть нано-, микро- и мезоразмерными, плотными и пористыми, объемными и слоистыми. Это все определяет их широкий спектр свойств и возможности применения.Отдельное внимание уделяется перспективам и способам управления и контроля формы кристаллов, их размера и пространственным взаимосвязям между органическими компонентами с ионами металлов.В данном обзоре основное внимание уделено цеолитоподобным каркасам (ZIF), как наиболее интересным с точки зрения строения, синтеза и применения в области материалов для электрохимических источников тока. Рассмотрены возможности модификации и контроля свойств данных МОК и композиционных материалов на их основе за счет управления составом, создания пористых структур и внедрения в них примесей, в том числе и с магнитными свойствами. Рассмотрены различные варианты синтеза сложных композиционных материалов путем контролируемого пиролиза МОК как простого и масштабируемого процесса. Продемонстрировано влияние условий термообработки на конечные свойства, а также перспективы использования таких материалов в приложении электрохимии.В качестве одного из вариантов изменения свойств МОК и композиционных материалов на их основе представлен подход, основанный на допировании МОК со структурой ZIF-67 другим металлом. В частности научным коллективом авторов реализован синтез кобальтовых МОК, в которых Co частично замещен марганцем на стадии синтеза. Помимо этого использована простая методика синтеза путем соосаждения в водном растворе, но модифицированная ультразвуковым воздействием, которое сокращает продолжительность синтеза. Электрохимические исследования показали, что удельная электрохимическая емкость электродов из пиролизованных МОК с частичным замещением кобальта на марганец значительно выше, чем у материалов без марганца. С увеличением содержания марганца в МОК возрастает как удельная емкость, так и плотность энергии. Допирование МОК Mn позволяет значительно (от 100 до 298 Ф/г при плотности тока 0,25 А/г) улучшить электрохимические характеристики материалов электродов для гибридных суперконденсаторов на их основе. Полученные авторами результаты свидетельствуют о том, что замещение кобальта марганцем является эффективным способом повышения электрохимических характеристик МОК.Таким образом, в статье на примере обзора литературных источников и практическом эксперименте продемонстрировано, что разработка новых подходов к дизайну композитных материалов на основе МОК, а также исследование физико-химических закономерностей взаимодействия данных материалов с различного рода носителями является весьма актуальной задачей

Применение пленки Al2O3 для стабилизации зарядовых свойств границы раздела SiO2/p-Si

The influence of aluminum oxide films obtained by high-frequency cathode sputtering of an Al2O3 target in argon atmosphere on charging properties of the SiO2/p-Si interface was investigated. High-frequency C-V characteristics for MIS-structure with one-layer dielectric films: SiO2 (0,10 µm and 0,36 µm), Al2O3 (0,14 µm) – and its double-layers compositions were measured. Experiment was carried out with a KDB-4.5 and a KDB-5000 substrates. Some electrophysical parameters of the obtained films such as UFB and Qss were calculated. Based on experimental results it was confirmed that the embedded negative charge of Al2O3 film prevented the formation of the inversive layer on p-Si surface by compensation of the embedded positive charge of SiO2 film and enhancement of semiconductor surface with majority charge carriers and, thus, allowed stabilization of charge properties of the SiO2/p-Si interface. The applicability of Al2O3 film as additional dielectric covering for manufacture technology of photodiodes on high-resistance p-Si was confirmed by applying on a multi-element p-i-n photosensitive element (PE) as an example. It was established that passivation of silicon dioxide on periphery and between the elements of PE by Al2O3 film improved I-V characteristics and insulation resistance, which lead to increased yield rate of photodiodes.Исследовано влияние пленок оксида алюминия, полученных методом ВЧ-катодного распыления мишени Al2O3 в среде аргона, на зарядовые свойства границы раздела SiO2/p-Si. Проведены измерения высокочастотных C—V-характеристик МДП-структур с однослойными диэлектрическими пленками: SiO2 толщиной 0,10 и 0,36 мкм, Al2O3 толщиной 0,14 мкм и двухслойными композициями на их основе. В качестве исходного материала были выбраны пластины марок КДБ-4,5 и КДБ-5000. Рассчитаны электрофизические параметры пленок, такие как UFB и Qss. Экспериментальные результаты подтвердили, что отрицательный встроенный заряд в пленке Al2O3 способен предотвратить образование инверсионного слоя на поверхности кремния р-типа проводимости, компенсируя положительный встроенный заряд в пленке SiO2 и обогащая поверхность полупроводника основными носителями, и таким образом позволяет стабилизировать зарядовые свойства границы раздела SiO2/p-Si. На примере многоплощадочного p—i—n-фоточувствительного элемента (ФЧЭ) подтверждена применимость пленки Al2O3 в качестве дополнительного диэлектрического покрытия в технологиях изготовления фотодиодов на основе высокоомного кремния p-типа проводимости. Установлено, что пассивация диоксида кремния пленкой Al2O3 на периферии и между элементами ФЧЭ позволяет улучшить вольт-амперные характеристики и сопротивление изоляции Rиз, что ведет к повышению процента выхода годных фотодиодов

Процессы образования дефектов, формирующих глубоких уровни в структурах SiON/AlGaN/GaN

Исследовано влияние на электрические параметры структур SiON/AlGaN/GaN обработки разной продолжительности низкоэнергетической азотной плазмой. Обработки плазмой подвергалась поверхность AlGaN в рабочей камере установки плазмохимического осаждения перед запуском моносилана для формирования пленки SiОN. Изучено изменение транспортных свойств (проводимости и подвижности) слоя двумерного электронного газа и емкостных свойств структур. Экспериментально показано, что такая обработки приводит к изменению величины поляризационных зарядов как на границе «изолятор—AlGaN», так и на границе AlGaN/GaN. С помощью С—V-измерений в режиме гистерезиса установлено, что при управляющем напряжении (U > +4 ÷ +5 В) происходит захват части канальных электронов на глубоких центрах границы SiON/AlGaN, причем с увеличением продолжительности воздействия плазмой наблюдается резкий рост заряда, формируемого электронными граничными состояниями. Использование дополнительной обработки азотной плазмой переводит для нитридных структур работу из D-режима (Vth = –4 В) в Е-режим (Vth = +0,9 В).С помощью Оже-измерений показано, что обработка плазмой приводит к изменению количества кислорода в слое SiON и в нанообластях барьерного слоя, причем с увеличением продолжительности воздействия плазмой наблюдается резкое уменьшение количества кислорода в этих слоях. Обнаружено также, что при обработке азотной плазмой происходит перераспределение Ga и Al на границе AlGaN/GaN т. е. в области слоя двумерного электронного газа. С помощью Оже-измерений вблизи границы SiON/AlGaN со стороны изолятора обнаружена локализация атомов азота, химически связанных с кремнием N(Si), с образованием на границе раздела пика, размер которого растет с увеличением продолжительности воздействия плазмой.

Список статей, опубликованных в 2022 году

Editorial articleРедакционная стать

Сравнение результатов оптических и электрофизических измерений концентрации дырок в образцах p-GaAs, легированных цинком

Optical and electrophysical properties of Cz-grown zinc doped p-GaAs samples have been investigated. Middle-infrared reflection spectra of ten p-GaAs samples have been obtained. Galvanomagnetic Van der Pau measurements have been made on these samples also, and the values of resistivity and Hall coefficient have been calculated. All experiments have been carried out at room temperature.Reflection spectra have been processed by Kramers–Kronig relations. The spectral dependences of real and imaginary parts of complex dielectric permittivity have been obtained and loss function has been calculated. The value of characteristic wave number corresponding to high-frequency plasmon-phonon mode has been determined by loss function maximum position.The theoretical calculations have been made, and the dependence has been obtained which gave the possibility to determine heavy hole concentration value at T = 295K by the value of characteristic wave number. Then by comparison of optical and Hall data the values of light hole mobility to heavy hole mobility ratio have been determined. This mobility ratio has been shown to be equal to (1.9–2.8) which is considerably less, than predicted theoretical value based on assumption that both light and heavy holes are scattered by optical phonons. It has been suggested that scattering mechanisms of light and heavy holes might be quite different.Исследованы оптические и электрофизические свойства образцов p-GaAs, выращенных методом Чохральского и легированных цинком. Измерены спектры отражения десяти образцов p-GaAs в средней ИК-области. На этих же образцах проведены гальваномагнитные измерения по методу Ван-дер-Пау и определены значения удельного электрического сопротивления и коэффициента Холла (все измерения проведены при комнатной температуре). Спектры отражения обработаны с использованием соотношений Крамерса—Кронига; вычислены спектральные зависимости действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости и построены функции потерь. По положению максимума функции потерь определено значение характеристического волнового числа, отвечающего частоте высокочастотной плазмон-фононной моды. Проведены теоретические расчеты и построена градуировочная зависимость, позволяющая по известному значению характеристического волнового числа определить концентрацию тяжелых дырок в p-GaAs при Т = 295 К. Далее путем сопоставления оптических и холловских данных определены значения отношения подвижностей легких и тяжелых дырок. Показано, что оно лежит в пределах 1,9—2,8, что значительно меньше значений, предсказываемых теорией в предположении, что и легкие, и тяжелые дырки рассеиваются одинаково (на оптических фононах). Высказано предположение, что механизмы рассеяния легких и тяжелых дырок различны

Кристаллическая структура твердых растворов 0,65BiFeO3—0,35Ba1-xSrxTiO3 в области морфотропной фазовой границы

Solid solutions 0.65BiFeO3–0.35Ba1-xSrxTiO3 (0 ≤ x ≤ 1) with the compositions in the vicinity of the morphotropic phase boundary “rhombohedral-cubic” were synthesized by the Solid-state reaction method. The crystal structure and morphology of the ceramics 0.65BiFeO3–0.35Ba1-xSrxTiO3 were studied based on the data obtained by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, as well as energy-dispersive X-ray spectroscopy methods. It was determined that the chemical substitution of barium ions with strontium ions leads to a decrease in the magnitude of rhombohedral distortions, while the unit cell parameters decrease in the whole substitution concentration range. The solid solutions with x ≥ 0.25 are characterized by a single-phase structural state with a cubic unit cell; the average crystallite size decreases with increase of the dopant ions. The results of the structural studies carried out using Raman spectroscopy indicate the presence of rhombohedral distortions in the structure of all studied compounds, which is caused by the presence of nanosized clusters with rhombohedral symmetry. The obtained results made it possible to determine the sequence of the changes occurred in the phase state and the unit cell parameters in the region of the morphotropic phase boundary “rhombohedral -pseudocubic”; the concentration intervals corresponding to the single-phase and two-phase structural states of the compounds were determined. The region of concentration stability of the polar rhombohedral phase was clarified using the structural data obtained by local and microscopic research methods.Сложные оксиды переходных металлов характеризуются тесной взаимосвязью между типом кристаллической структуры, электрическими и магнитными свойствами, что обуславливает их практическую значимость. В твердых растворах на основе феррита висмута присутствует одновременно дипольный электрический и магнитный порядок, что расширяет возможности их практического использования в качестве датчиков внешних воздействий, при этом структурное состояние таких составов в значительной степени обуславливает их восприимчивость к внешним полям. Твердые растворы 0,65BiFeO3—0,35Ba1-xSrxTiO3 (0 ≤ x ≤ 1) c составами в области морфотропной фазовой границы «ромбоэдр—куб» обладают метастабильной структурой, что делает их перспективными функциональными материалами. На основании данных, полученных методами дифракции рентгеновского излучения, сканирующей электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния, а также энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии исследована кристаллическая структура и морфология твердых растворов 0,65BiFeO3—0,35Ba1-xSrxTiO3. Установлено, что химическое замещение ионов бария ионами стронция приводит к уменьшению величины ромбоэдрических искажений, при этом происходит уменьшение параметров элементарной ячейки для всех замещенных составов. Твердые растворы с x ≥ 0,25 характеризуются однофазным структурным состоянием с кубической элементарной ячейкой, средний размер кристаллитов уменьшается с увеличением концентрации ионов-заместителей. Результаты структурных исследований, проведенных методом спектроскопии комбинационного рассеяния, указывают на присутствие ромбоэдрических искажений в структуре всех исследуемых составов. Полученные результаты структурных исследований позволили определить последовательность изменения фазового состояния и параметров кристаллической структуры составов в области морфотропной фазовой границы «ромбоэдр-куб», определены концентрационные интервалы, соответствующие однофазному и двухфазному структурному состоянию составов; с использованием структурных данных, полученных локальными и микроскопическими методами исследования, уточнена область концентрационной стабильности полярной ромбоэдрической фазы

Расчет механического напряжения под действием силы теплового расширения в трехмерных твердотельных конструкциях с помощью математического моделирования

At the end of the 20th century, the demand for more efficient methods for solving large sparse unstructured linear systems of equations increased dramatically. Classical single-level methods had already reached their limits, and new hierarchical algorithms had to be developed to provide efficient solutions to even larger problems. Efficient numerical solution of large systems of discrete elliptic PDEs requires hierarchical algorithms that provide a fast reduction of both shortwave and longwave components in the error vector expansion. The breakthrough, and certainly one of the most important advances of the last three decades, was due to the multigrid principle. Any appropriate method works with a grid hierarchy specified a priori by coarsening a given sampling grid in a geometrically natural way (a "geometric" multigrid method). However, defining a natural hierarchy can become very difficult for very complex, unstructured meshes, if possible at all. The article proposes an algorithm for calculating the deformation that occurs under the action of a thermal expansion force in three-dimensional solid models based on a grid approximation of the problem by hexagonal 8-node cells. The operation of the algorithm is illustrated by solving three problems.В конце XX в. резко возрос спрос на более эффективные методы решения больших разреженных неструктурированных линейных систем уравнений. Классические одноуровневые методы уже достигли своих пределов, и необходимо было разработать новые иерархические алгоритмы, чтобы обеспечить эффективное решение еще более сложных задач. Эффективное численное решение больших систем дискретных эллиптических уравнений в частных производных требует иерархических алгоритмов, которые обеспечивают быстрое уменьшение как коротковолновых, так и длинноволновых компонент в разложении вектора ошибки. Прорыв в решении данных задач, был обусловлен многосеточным принципом — одним из самых важных достижений за последние три десятилетия. Любой соответствующий метод работает с иерархией сеток, заданной априори путем огрубления данной сетки дискретизации геометрически естественным образом («геометрический» многосеточный метод). Тем не менее определение естественной иерархии может стать трудным для очень сложных, неструктурированных сеток, если возможно вообще. Предложен алгоритм расчета деформации, возникающей под действием силы теплового расширения, в трехмерных твердотельных моделях на основе сеточной аппроксимации задачи гексагональными 8-узловыми ячейками. Работа алгоритма иллюстрируется при решении трех задач

Активационные процессы при работе ионного мемристора Ag/SnSe/Ge2Se3/W с самоформирующимся токопроводящим каналом

In an Ag/SnSe/Ge2Se3/W ionic type memristor, the activation energy of two main processes responsible for its operation has been determined, namely: the activation energy for the formation of a conductive channel and the activation energy for memristor degradation. By measuring the current-voltage characteristics, the electrical conductivity of the memristor in low- and high-resistance operating modes was assessed. To determine the activation energy, the Arrhenius law and the provisions of the thermodynamics of irreversible processes were used, in particular the second postulate of Onsager, according to which the growth rate of the irreversible part of the entropy of a system tending to equilibrium is proportional to the sum of the products of the flows occurring in the system and the generalized thermodynamic force corresponding to each flow. The equilibrium state of the memristor was taken to be the state in which the memristor lost the ability to function as a resistive memory cell. The flow of Ag+ ions – electromigration was used as a substance flow. For the first process, the activation energy was 0.24 eV, and for the second, 1.16 eV. The different values of activation energy reflect the difference between the agglomeration mechanism of formation of a current-conducting channel, typical of an Ag/SnSe/Ge2Se3/W memristor, and the “standard” mechanism of substance transfer based on a group of point defects, which accompanies the process of memristor degradation.В мемристоре ионного типа Ag/SnSe/Ge2Se3/W определена энергия активации двух основных процессов, ответственных за его работу, а именно: энергия активации образования токопроводяшего канала и энергия активации деградации мемристора. С помощью измерения вольт-амперных характеристик оценена электропроводность мемристора в низко- и высокоомном режимах работы. Для определения энергии активации использованы закон Аррениуса и положения термодинамики необратимых процессов, в частности второй постулат Онзагера, согласно которому скорость роста необратимой части энтропии стремящейся к равновесию системы пропорциональна сумме произведений протекающих в системе потоков на соответствующую каждому потоку обобщенную термодинамическую силу. За равновесное состояние мемристора принимали состояние, в котором мемристор терял способность функционировать как ячейка резистивной памяти. В качестве потока вещества использовали поток ионов Ag+ — электромиграцию. Для первого процесса энергия активации составляла 0,24 эВ, а для второго — 1,16 эВ. Разные значения энергии активации отражают различие между агломерационным механизмом формирования токопроводящего канала, типичным для мемристора Ag/SnSe/Ge2Se3/W, и «стандартным» механизмом переноса вещества на основе группы точечных дефектов, сопровождающим процесс деградации мемристора