Nonlinearity of current-voltage characterustics of diamond-like carbon thin films with nikel impurity

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The current-voltage characteristics for Pt/DLC/Pt structures based on thin (40 nm) diamond-like carbon (DLC) films with Ni impurity have been studied at room temperature. The films were synthesized in the hallow Ni-cathode discharge from the mixture of argon and propane at simultaneous deposition of the DLC and Ni. The Ni concentration (10, 20 and 40 at. %) was controlled by variation of the propane portion (reactive gas) in plasma forming gas (argon) in the range of C3H8: Ar ~ 1:(1000…7000). Nonlinearity of the conductance G dependence on transverse voltage V agrees with Frenkel–Paul model: G ∝ exp(AV1/2). Observed decrease of the ln(G) - V1/2 dependence slope with increase of the Ni content was connected with increase of the DLC(Ni) dielectric permeability. Percolation threshold corresponds to Ni concentration of ~ 20 at.%.

Full Text

Пленки алмазоподобного углерода (DLC) представляют интерес в связи с их уникальными механическими и физическими свойствами [1–7]. По своей структуре пленки представляют смесь наноразмерных графито- и алмазоподобных кластеров углерода в sp2- и sp3-состояниях [6, 7]. Введение атомов различных элементов позволяет изменять свойства пленок. Например, примеси фтора, кремния [8], азота [9, 10], меди, титана [11, 12], тантала и вольфрама [13] снижают коэффициент трения; примеси бора, фтора [14] и кремния [15] повышают твердость; вольфрам и хром [16] изменяют оптические свойства пленок; проводимостью пленок можно управлять введением тантала, вольфрама, титана, ниобия [17], серебра, меди [18, 20] и кобальта [19]. Диэлектрические свойства пленок с примесью никеля исследованы в работах [21–23]. Механизмы неомического поведения проводимости нелегированных пленок DLC были рассмотрены нами ранее [24–26]. В частности, отмечено, что такое поведение может быть обусловлено проявлением эффектов Френкеля–Пула [27, 28], Шоттки (Фаулера–Нордгейма) [29], резистивного переключения из высокоомного в низкоомное состояние вследствие электромиграции катионов или изменения типа гибридизации углерода (sp3 → sp2) под действием электрического поля [30–32], протекания носителей заряда в случайном кулоновском потенциале [33, 34] и др. В условиях прыжкового транспорта нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) может быть также связана с тем, что поперечная проводимость тонких пленок во многом определяется мезоскопическими эффектами – формированием перколяционных цепочек из центров с наиболее узкими межцентровыми (или межкластерными) потенциальными барьерами [35, 36], в которых достигается максимальная величина электрического поля.

Цель данной работы – изучение поперечной проводимости структур Pt/DLC(Ni)/Pt на основе тонких (40 нм) исходно высокоомных пленок DLC с примесью никеля, полученных в разряде с полым катодом (РПК).

Синтез алмазоподобных пленок осуществляли в плазмохимическом реакторе (ПХР) [37]. Вакуумный стенд ПХР объемом 5 л откачивали до остаточного давления 10–3 Па пластинчато-роторным форвакуумным и диффузионным насосами. Электродная система ПХР состоит из катода в виде полого цилиндра диаметром 18 мм, длиной 35 мм с толщиной стенки 1 мм, установленного на подвижном вводе Вильсона, и анода – стенка вакуумной камеры. Подложка, на которую осаждали углеродную пленку, располагали напротив катода РПК на неподвижном вводе, позволяющем подавать электрический потенциал, измерять температуру, а также осуществлять нагрев/отжиг до 700 °С. Температура подложки не превышала 130 °С, расстояние между катодом РПК и подложкой составляло 40 мм. В качестве подложки использовали предметное стекло толщиной 2 мм, покрытое слоем платины толщиной 200 нм.

При нанесении пленок DLC(Ni) соотношение между плазмообразующим (аргон) и реакционным (пропан) газами задавали двумя регуляторами расхода РРГ-10. РПК зажигали высоковольтным блоком питания (напряжение ≤ 1.5 кВ, мощность ≤ 500 Вт).

При фиксированных параметрах РПК (ток разряда 100 мА, напряжение разряда 500…600 В) и общем рабочем давлении смеси 0.8 Торр измерена скорость роста пленки DLC(Ni) и процентное содержание никеля для разного соотношения плазмообразующего и реакционного газов. Полученные калибровочные кривые представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Зависимость процентного содержания никеля в DLC(Ni) и скорости роста пленки от соотношения парциальных давлений аргона и пропана.

 

Скорость роста пленок DLC(Ni) измеряли с использованием профилометра Dektak 150 (Veeco, Tucson, AZ). Процентное содержание никеля оценивали методом энергодисперсионной спектроскопии (детектор INCA X-act Energy Dispersive X-Ray Spectroscope (Oxford Instruments) в составе сканирующего электронного микроскопа Tescan Vega). Кристаллическую структуру пленок DLC(Ni) исследовали с помощью модернизированного двухкристального рентгеновского дифрактометра ДРОН-3, работающего по схеме Брегга–Брентано (длина волны излучения 0.15405 нм) [38]. Как установлено, размер областей когерентного рассеяния, характеризующий размер включений (нанокластеров) Ni в DLC, не превышает 0.5 нм, что согласуется с результатами исследования пленок DLC(Ni) методом сканирующей электронной микроскопии [23].

При измерении вольт-амперных характеристик (ВАХ) пленок DLC(Ni) в качестве нижнего электрода использовали платиновый подслой образцов, в качестве верхнего электрода использовали прижимной платиновый зонд. Развертку напряжения осуществляли с использованием генератора Tektronix AFG3252, силу тока в цепи и падение напряжения на пленке измеряли с помощью цифрового осциллографа Tektronix TPS2024.

В процессе измерений на генераторе задавался пилообразный сигнал частотой 100 Гц с амплитудным значением напряжения Va = 5 В. Ток в цепи рассчитывали по падению напряжения на эталонном резисторе 10 кОм. Зависимости силы тока I от поперечного напряжения V были измерены при комнатной температуре.

Типичные зависимости I от V (ВАХ) структур Pt/DLC(Ni)/Pt с концентрацией Ni 10, 20 и 40 ат.% приведены на рис. 2. Они имеют нелинейный вид, характерный для структур на основе DLC (см. [25, 26]). Увеличение напряжения, |V| > Va, приводит к переключению структур из высокоомного в низкоомное состояние, которое сохраняется длительное время.

 

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики структур Pt/DLC(Ni)/Pt с различной концентрацией никеля: 10 (1), 20 (2), 40 ат.% (3).

 

Исходя из малого размера включения Ni в DLC будем полагать, что нелинейность ВАХ может быть связана с проявлением эффекта Френкеля–Пула [27, 28], для которого зависимость кондактанса G = I/V от электрического поля E ∝ V имеет вид

G ∝ ln(AE1/2), (1)

где коэффициент A = 2(e3/κ)1/2/kT, e – элементарный заряд ϰ – диэлектрическая проницаемость DLC, k – постоянная Больцмана, T – температура. Обращаясь к данным рис. 1 отметим, что в соответствии с формулой (1) полевые зависимости кондактанса G линеаризуются в координатах ln(G) – V 1/2 (рис. 3).

 

Рис. 3. Зависимость кондактанса G от |V |1/2 при различной концентрации никеля: 10 (1), 20 (2), 40 ат. % (3).

 

При этом кондактанс структур G возрастает с увеличением концентрации никеля, тогда как наклон зависимостей ln(G) от V 1/2 уменьшается, что не согласуется с формулой (1). Действительно, в модели Френкеля–Пула [27, 28] коэффициент A в (1) не зависит от содержания Ni в DLC. Причина отмеченного противоречия может быть связана с ростом диэлектрической проницаемости DLC(Ni) при увеличении концентрации примеси Ni [23].

Отметим также, что одной из основных характеристик композитных систем, в том числе структур на основе DLC, является порог протекания – значение концентрации металла, при которой образуется бесконечный проводящий кластер [34]. На рис. 4 приведена зависимость сопротивления R = 1/G структур Pt/DLC(Ni)/Pt от содержания Ni. Концентрация Ni, соответствующая порогу протекания, составляет ~ 20 aт.%, что согласуется с результатами работы [23].

 

Рис. 4. Зависимость сопротивления структур Pt/DLC(Ni)/Pt от содержания Ni.

 

Таким образом, обнаруженная нелинейность ВАХ структур Pt/DLC(Ni)/Pt с концентрацией Ni 10, 20 и 40 ат.% согласуется с моделью Френкеля–Пула. При увеличении содержания никеля в DLC кондактанс структур G возрастает, тогда как наклон зависимостей ln(G) от V1/2 уменьшается, что может быть связано с ростом диэлектрической проницаемости DLC(Ni) при увеличении концентрации Ni. Определенный порог протекания соответствует концентрации Ni ~ 20 aт.%.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-29-00276). Изготовление и характеризация объектов исследования проведены в рамках государственного задания ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.

×

About the authors

A. S. Vedeneev

Kotelnikov Institute Radioengineering and Electronics RAS

Author for correspondence.
Email: asv335@fireras.su

Fryazino Branch

Russian Federation, Vvedenskogo Squar. 1, Fryazino, Moscow region, 141190

A. M. Kozlov

Kotelnikov Institute Radioengineering and Electronics RAS

Email: asv335@fireras.su

Fryazino Branch

Russian Federation, Vvedenskogo Squar. 1, Fryazino, Moscow region, 141190

D. V. Kolodko

Kotelnikov Institute Radioengineering and Electronics RAS

Email: asv335@fireras.su

Fryazino Branch

Russian Federation, Vvedenskogo Squar. 1, Fryazino, Moscow region, 141190

V. A. Luzanov

Kotelnikov Institute Radioengineering and Electronics RAS

Email: asv335@fireras.su

Fryazino Branch

Russian Federation, Vvedenskogo Squar. 1, Fryazino, Moscow region, 141190

I. A. Sorokin

Kotelnikov Institute Radioengineering and Electronics RAS

Email: asv335@fireras.su

Fryazino Branch

Russian Federation, Vvedenskogo Squar. 1, Fryazino, Moscow region, 141190

A. S. Bugaev

Kotelnikov Institute Radioengineering and Electronics RAS; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: asv335@fireras.su

Fryazino Branch

Russian Federation, Vvedenskogo Squar. 1, Fryazino, Moscow region, 141190; Institutskii Lane, 9, Dolgoprudny, Moscow region, 141700

References

  1. Robertson J. // Mater. Sci. Engineer. R: Rep. 2002. V. 4. № . 37. P. 129.
  2. Koidl P., Wild C., Dischler B. et al. // Mater. Sci. Forum. 1990. V. 52–53. P. 41.
  3. Zou J. W., Reichelt K., Schmidt K., Dischler B. // J. Appl. Phys. 1989. V. 65. № 10. P. 3914.
  4. Kaplan S., Jansen F., Machonkin M. // Appl. Phys. Lett. 1985. V. 47. № 7. P. 750.
  5. Grill A., Meyerson B. S., Patel V. V. et al. // J. Appl. Phys. 1987. V. 61. № 8. P. 2874.
  6. Иванов-Омский В.И., Толмачев А. В., Ястребов С. Г. // ФТП. 2001. Т. 35. № 2. С. 227.
  7. Jager C., Gottwald J., Spiess H. W., Newport R. J. // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. № 2. P. 846.
  8. Dimigen H., Klages C. P. // Surf. Coat. Technol. 1991. V. 49. № 1–3. P. 543.
  9. Khurshudov A., Kato K., Daisuke S. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1996. V. 14. № 5. P. 2935.
  10. He X. M., Hakovirta M., Nastasi M. // Mater. Lett. 2005. V. 59. № 11. P. 1417.
  11. Wei Q., Narayan R. J., Sharma A. K. et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. № 6. P. 3406.
  12. Damasceno J. C., Camargo S. S., Freire F. L., Carius R. // Surf. Coat. Technol. 2000. V. 133–134. P. 247.
  13. Gampp R., Gantenbein P., Kuster Y. et al. // Proc. SPIE. 1994. V. 2255. P. 92.
  14. Donnet C., Fontaine J., Grill A. et al. // Surf. Coat. Technol. 1997. V. 94–95. P. 531.
  15. Grischke M., Bewilogua K., Trojan K., Dimigen H. // Surf. Coat. Technol. 1996. V. 74–75. Pt.2. P. 739.
  16. Wei Q., Sankar J., Narayan J. // Surf. Coat. Technol. 2001. V. 146–147. P. 250.
  17. Луцев Л. В., Яковлев С. В., Сиклицкий В. И. // ФТТ. 2000. Т. 42. № . 6. С. 1105.
  18. Луцев Л. В., Звонарева Т. К., Лебедев В. М. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. № 15. С. 84.
  19. Мороз О. Ю., Наквасина Е. Ю. // Сб. трудов XII Всерос. школы-семинара “Волновые явления в неоднородных средах”. Звенигород. 24–29 мая 2010. М.: Физфак МГУ, 2010. Т. 7. С. 57.
  20. Nikolaychuk G. A., Yakovlev S. V., Moroz O. Y., Nakvasina E. Y. //13th Int. Conf. on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components (ICEEE – 2010). Alushta 19–25 Sept. M: MPEI, 2010. V. 4. P. 46.
  21. Николайчук Г. А., Мороз О. Ю., Дунаевский С. М. // ЖТФ. 2018. Т. 88. № 11. С. 1672.
  22. Веденеев А. С., Лузанов В. А., Рыльков В. В. // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 109. № 3. С. 170.
  23. Vedeneev A. S., Luzanov V. A., Rylkov V. V. // Semiconductors. 2019. V. 53. № 14. P. 1970.
  24. Николаев С. Н., Веденеев А. С., Лузанов В. А. и др. // РЭ. 2021. Т. 66. № 10. С. 1024.
  25. Frenkel J. // Phys. Rev. 1938. V. 54. № 8. P. 647.
  26. Френкель Я. И. // ЖЭТФ. 1938. Т. 8. № 12. С. 1292.
  27. Насыров К. А., Гриценко В. А. // Успехи физ. наук. 2013. Т. 183. № 10. С. 99.
  28. Peng P., Xie D., Yang Y. et al. // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. № 8. P. 084501.
  29. Zhuge F., Dai W., He C. L. et al. // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. № 16. P. 163505.
  30. Takabayasi S., Yang M., Ogawa Sh. et al. // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. № 9. P. 093507.
  31. Шкловский Б. И. // ФТП. 1979. Т. 13. № 1. С. 93.
  32. Шкловский Б. И., Эфрос А. Л. // Успехи физ. наук. 1975. Т. 117. № 3. С. 401.
  33. Pollak M., Hauser J. J. // Phys. Rev. Lett. 1973. V. 31. № 21. P. 1304.
  34. Райх М. Э., Рузин И. М. // Письма в ЖЭТФ. 1986. Т. 43. № 9. С. 437.
  35. Сорокин И. А., Колодко Д. В., Краснобаев К. И. //РЭ. 2020. Т. 65. № 3. С. 288.
  36. Лузанов В. А., Веденеев А. С. // РЭ. 2018. Т. 63. № 9. С. 1007.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependence of the percentage content of nickel in DLC(Ni) and the film growth rate on the ratio of partial pressures of argon and propane.

Download (15KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Volt-ampere characteristics of Pt/DLC(Ni)/Pt structures with different nickel concentrations: 10 (1), 20 (2), 40 at.% (3).

Download (12KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of conductance G on |V |1/2 at different nickel concentrations: 10 (1), 20 (2), 40 at.% (3).

Download (15KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of resistance of Pt/DLC(Ni)/Pt structures on Ni content.

Download (9KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».