авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование тонкопленочных нанокомпозитов сегнетоэлектрик - полупроводник для оптоэлектронных применений

На правах рукописи

Федоров Константин Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИМЕНЕНИЙ Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Афанасьев Валентин Петрович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Вендик Орест Генрихович, профессор кафедры физической электроники и технологии Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) Кандидат физико-математических наук Григорьев Леонид Владимирович, ведущий научный сотрудник ОАО «ГОИ им. С.И.Вавилова».

Ведущая организация – Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН

Защита состоится «_» _ 2013 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д212.238.04 при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф.

Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.238.04, д.ф.-м.н., профессор Мошников В.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование композиционных материалов в приборах микро- и наноэлектроники позволяет не только изменять электрофизические и фотоэлектрические свойства уже существующих приборов, но и создавать устройства с новыми функциональными возможностями. Применение композитных наноразмерных пленок сегнетоэлектрик-полупроводник вместо однофазных сегнетоэлектрических пленок в существующих устройствах может расширить сферы применения последних.

Исследование фотоэлектрических свойств тонкопленочных композиционных материалов сегнетоэлектрик-полупроводник позволит реализовать новый класс фотоэлектрических приборов, например, создать фотоэлектрические преобразователи или обеспечить оптическое считывание в устройствах сегнетоэлектрической памяти, что позитивно скажется на их технических и эксплуатационных параметрах.

Целью работы являлось комплексное исследование тонкопленочных гетерофазных сегнетоэлектрических структур на основе пленок цирконата-титаната свинца, полученных по различным технологиям с варьированием соотношение долей фаз ЦТС/PbO, для создания на их основе устройств памяти с неразрушающим оптическим считыванием, а также фотоэлектрических преобразователей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка методики измерения электрофизических и фотоэлектрических параметров тонкопленочных конденсаторных структур с использованием современных методов автоматизации эксперимента.

2. Проведение комплексных исследований, включая механизмы старения, гетерофазных пленок ЦТС, сформированных по разной технологии в составе конденсаторных структур с различными электродами.

3. Исследование механизмов электронного транспорта, а также фототока короткого замыкания конденсаторных структур, его спектральных зависимостей, стабильности, и воспроизводимости от условий формирования гетерофазных пленок ЦТС и их поляризации.

4. Развитие модельных представлений, описывающих электрофизические и фотоэлектрические свойства конденсаторных структур с тонкими гетерофазными пленками ЦТС при различной концентрацией избыточного свинца.

5. Анализ возможности использования исследованных конденсаторных структур с гетерофазными наноразмерными пленками ЦТС для создания элементов памяти с неразрушающим оптическим считыванием и солнечных элементов.

Научная новизна:

1. Показано доминирующее влияние межзеренных границ на величину и направление фототока короткого замыкания.

2. Предложен способ управления величиной фототока короткого замыкания в гетерофазной системе ЦТС/PbO за счет варьирования соотношения фаз ЦТС/PbO, изменения размеров кристаллитов и, соответственно, изменения плотности границ ЦТС c PbO.

3. Показано, что в самополяризованных гетерофазных пленках ЦТС наблюдается протекание фототока короткого замыкания без предварительной поляризации, что открывает возможность создания фотоэлектрических преобразователей на их основе.

4. Использование различных материалов верхнего электрода подтверждает модель процесса старения, связанную с сорбцией кислорода на поверхности гетерофазных границ, приводящей к появлению заряда и, как следствие, к изменению электрофизических свойств пленки.

5. Длительные исследования электрофизических параметров конденсаторных структур с пленками ЦТС показали, что по истечении пяти лет не происходит полной стабилизации их параметров, причем процедура искусственного старения пленок ЦТС не приводит к желаемому результату.

Практическая значимость работы:



1. Предложена методика измерения токов утечки и токов переполяризации гетерофазной тонкопленочной конденсаторной структуры путем варьирования скорости изменения напряжения U/t.

2. Разработано программное обеспечение для исследования вольт-амперных характеристик. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610582 «Измерение характеристик сегнетоэлектриков «Measurement of Ferroelectrics»» от 10.01.2012.

3. Впервые получены спектральные зависимости фототока короткого замыкания для гетерофазных наноразмерных пленок ЦТС с избытком оксида свинца, изготовленных по технологии MOCVD.

4. Показана возможность управления величиной фототока короткого замыкания в гетерофазных наноразмерных пленках ЦТС путем варьирования соотношения долей фаз ЦТС и PbO.

5. Предложен новый тип солнечного элемента, в котором фотопреобразующий слой выполнен из сегнетоэлектрического материала в полупроводниковой матрице.

Получен патент на полезную модель №116689 «Солнечный элемент» от 27 мая 2012 г.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Управление величиной фототока короткого замыкания в конденсаторных структурах на основе гетерофазных пленок ЦТС осуществляется за счет варьирования условий зародышеобразования и роста кристаллитов, приводящих к изменению соотношения фаз ЦТС/PbO.

2. Использование подслоя титаната свинца приводит к улучшению условий зародышеобразования кристаллитов ЦТС на интерфейсе, увеличению их размеров и, как следствие, уменьшению плотности каналов PbO и величины фототока короткого замыкания.

3. Использование 15 мол. % избытка свинца в исходном пленкообразующем растворе при изготовлении пленок по золь-гель технологии обеспечивает максимальную величину фототока короткого замыкания за счет высокой плотности каналов PbO при сохраняющейся столбчатой структуры кристаллитов ЦТС в гетерофазной пленке, а наличие самополяризованного состояния обеспечивает протекание фототока короткого замыкания без предварительной поляризации пленок.

4. Термообработка пленок ЦТС, полученных по технологии MOCVD, не обеспечивает стабилизацию электрофизических параметров конденсаторных структур на их основе следствие продолжающейся межзеренной диффузии кислорода, что приводит к увеличению плотности отрицательного заряда на интерфейсах, уменьшению величины диэлектрической проницаемости пленок и возрастанию токов утечки.





Внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы в учебном процессе при чтении дисциплины «Функциональная СВЧ электроника» и «Фотоэлектрические тонкопленочные преобразователи солнечной энергии».

Результаты работы использованы в 3-х НИР, выполненных в течение 2009 2011 годов: проект № 2.1.1/2711 «Исследование влияния гетерофазных границ на электронный транспорт и релаксационные процессы в наноразмерных тонкопленочных сегнетоэлектрических структурах» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)»;

проект № 2.1.1/11106 «Исследование влияния гетерофазных границ на электронный транспорт и релаксационные процессы в наноразмерных тонкопленочных сегнетоэлектрических структурах» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)»;

проект № 2.1.2/2696 «Исследование наноструктурированных континуальных систем сегнетоэлектрик-полупроводник (диэлектрик) для нового поколения устройств функциональной электроники» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», а также при выполнении НИР в рамках государственного задания Минобрнауки России 2012 года.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и школах: The Second Nanotechnology International Forum «Rusnanotech-09» (Москва, 2009 г.);

Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 23-27 ноября 2010 г.);

VII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2010 г.);

The Third International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researches. - Nanotechnology International Forum (Mosсow, November 1-3, Rusnanotech 2010);

XIX Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (Москва, 2011 г.), 11-я и 12-я Всероссийские молодежные конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.);

65-я Научно-техническая конференция, посвященная дню радио (Санкт-Петербург, 2010 г.);

13-я научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наносистем» (г. Зеленогорск, 2010 г);

Научно-технические конференции профессорско преподавательского состава СПбГЭТУ (Санкт-Петербург, 2009-2013 гг.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах, среди которых 3 статьи – в изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 3 работы – в материалах и трудах международных и всероссийских научно-технических конференций, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 121 наименование, и трех приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает рисунка и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к работе обоснована актуальность диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу литературы по теме диссертации. В главе дается обзор применения сегнетоэлектрических пленок в устройствах хранения информации и в качестве сенсоров, их достоинства и недостатки, а также обсуждаются основные проблемы использования тонких пленок сегнетоэлектриков: технология тонких пленок с заданными параметрами, временная нестабильность электрофизических характеристик полученных образцов, сильное влияние интерфейсных границ на свойства полученных пленок, влияние токов утечки на эксплуатационные характеристики полученных пленок и т.п. Обсуждаются основные механизмы электронного транспорта в тонких сегнетоэлектрических пленках, а также способы их обнаружения и классификации. В главе показано, что в настоящее время распространение получила идея о доминирующем влиянии интерфейса сегнетоэлектрик-металл на электрофизические и фотоэлектрические свойства тонкопленочных наноразмерных конденсаторных структур. На основании проведенного анализа литературы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена технологии наноразмерных сегнетоэлектрических пленок ЦТС и методам исследованиям конденсаторных структур на их основе.

Сегнетоэлектрические пленки синтезировались методами золь-гель и химического осаждения из газовой фазы (CVD). Золь-гель технология позволяет получать композиционные материалы с высокой степенью гомогенности и с различной концентрацией вводимых элементов. Технология химического осаждения пленки ЦТС позволяет обеспечить высокое качество выращиваемых слоев. При выборе технологии основное внимание уделялось возможности варьирования соотношения долей фаз ЦТС/PbO в изготовляемой пленке. При использовании золь-гель технологии это достигалось путем варьирования концентрации свинца в исходном пленкообразующем растворе, а при использовании технологии MOCVD – использованием подслоя PbTiO3, который оказывал влияние на средний размер кристаллитов ЦТС.

При использовании технологии MOCVD пленки ЦТС стехиометрического состава толщиной 80-100 нм осаждались при температуре подложки 545оС. Термический отжиг проводился в атмосфере кислорода при температуре 600оС. Полученные пленки ЦТС имели преимущественную ориентацию кристаллитов в направлении (111). При изготовлении некоторых образцов на нижний электрод наносился тонкий слой титаната свинца PbTiO3 (РТО). В качестве материала нижнего электрода использовался иридий, а в качестве материала верхнего – платина или иридий. По результатам растровой электронной микроскопии было установлено, что полученные пленки обладают характерной столбчатой структурой, при которой кристаллиты сегнетоэлектрика прорастают на всю толщину пленки. Количество исследованных конденсаторных структур превышало 250. Сводные данные по параметрам конденсаторных структур приведены в таблице 1.

При использовании золь-гель технологии пленкообразующий раствор ЦТС наносился на нижний электрод методом послойного (6 слоев) центрифугирования ( об/мин) с промежуточной сушкой при температуре 400°C. Термический отжиг производился при температуре 600 о С в течение 15 минут. В качестве материалов электродов использовалась платина. При получении пленок ЦТС использовалась возможность варьирования концентрации избыточного оксида свинца в пленке для исследования влияния последнего на электрофизические и фотоэлектрические свойства пленок. Концентрация избыточного свинца составляла 0, 5, 15 и 30 мол. %. В результате исследования методами просвечивающей электронной микроскопии, микродифракции и рентгеноструктурного анализа образцов было показано, что в сегнетоэлектрических пленках изменение концентрации Pb в исходном пленкообразующем растворе от 5 до мол. % приводит к уменьшению среднего размера зерна перовскита с 300 нм (при 5 мол.

% избытка свинца в исходном пленкообразующем растворе) до 100 нм (при 30 мол. % избытка свинца в исходном пленкообразующем растворе) и уменьшению доли кристаллитов с текстурой (111) и увеличению доли кристаллитов с текстурой (100).

Количество исследованных конденсаторных структур превышало 150.

Таблица 1.

Параметры конденсаторных структур, полученных по MOCVD технологии Серия Нижний Верхний Слой Толщина образцов электрод электрод титаната свинца пленки ЦТС (100 нм) (100 нм) (PbTiO3) (нм) ХО1 (Ir/ЦТС/Pt) Ir Pt нет ХО2 (Ir/ЦТС/Ir) Ir Ir нет ХО3 (Ir/ТС/ЦТС/Pt) Ir Pt есть ХО4 (Ir/ТС/ЦТС/Ir) Ir Ir есть ХО5 (Ir/ТС/ЦТС/Ir) Ir Ir есть Исследование электрофизических параметров конденсаторных структур производилось путем измерения петель сегнетоэлектрического гистерезиса, вольт амперных и вольт-фарадных характеристик. Измерения токов проводились с использованием программы «Измерение характеристик сегнетоэлектриков «Measurement of Ferroelectrics»». Перед измерениями образцы возвращались в исходное состояние с помощью деполяризации переменным электрическим полем с частотой Гц и уменьшающейся до нуля амплитудой. Для измерения вольт-амперных характеристик использовался цифровой амперметр Keithley 6487. Для различения токов утечки и токов деполяризации при снятии вольт-амперных характеристик предложена методика измерения токов с варьированием скорости изменения напряжения U/t.

Для измерения фотоэлектрических характеристик тонкопленочных сегнетоэлектриков использовался набор поверенных светодиодов с различной длиной волны. Образцы помещались в темный металлический контейнер, а доставка излучения к образцу производилась с помощью стеклянного волоконно-оптического световода длиной 1.5 м и диаметром 3 мм, торец которого закреплялся на расстоянии 7 мм от поверхности образца. В работе использовались диоды с длинами волн в диапазоне 310 630 нм.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям наноразмерных пленок цирконата-титаната свинца.

Типичный вид вольт-амперной характеристики приведен на рис. 1. Анализ вольт амперных характеристик пленок, полученных по технологии MOCVD, показал, что доминирующим механизмом электропроводности в данных пленках является механизм токов, ограниченных пространственным зарядом. В случае экспоненциального распределения ловушечных уровней выражения для тока, ограниченного пространственным зарядом, описывается выражением:

l +1 l U l+ 2l + 1 l 1l J = q µ p N V, l + 1 l + 1 H d 2l+ где d – толщина пленки, U – приложенное напряжение, – диэлектрическая постоянная, µp – подвижность носителей заряда l = Tc/T = [d(lnI)/d(lnU) – 1], H – плотность распределения ловушечных уровней.

В работах, проведенных ранее в ЛЭТИ, была предложена модель, в которой токи утечки связаны с формированием каналов проводимости на основе оксида свинца (рис. 2).

Формирование гетерофазной границы может привести к сорбции кислорода на поверхности гетерофазных Рис. 1 – ВАХ структур, полученных по MOCVD границ, что приводит к технологии, в двойном логарифмическом появлению заряда в данных масштабе;

1 – измерения, проведенные в 2004 году, областях и, как следствие, к 2 – в 2009 году. ухудшению электрофизических свойств пленки в процессе старения. Было показано, что у образцов с платиновым верхним электродом (ХО1 и ХО3) с течением времени на порядок возрастает величина токов утечки, так как диффузия кислорода в пленку из атмосферы через Pt верхний электрод значительно выше, чем через верхний Ir электрод, который Рис. 2 – Структура гетерофазной пленки ЦТС обладает лучшими буферными свойствами.

Исследования стационарности фототока короткого замыкания показали, что наблюдаемый фототок наблюдается в течение как минимум 8000 с и не является током деполяризации СЭ-пленки, а появляется в результате фотогальванического эффекта (рис. 3). Наличие Рис. 3 – Фототок короткого замыкания (ХО5) при фотогальванического эффекта в освещении галогенной лампой после пленках подтверждается предварительной поляризации практически линейной зависимостью между величиной фототока короткого замыкания и интенсивностью облучения для всего диапазона исследованных длин волн (рис. 4).

Отсутствие рекомбинации неравновесных носителей показывает, что неравновесные носители заряда успешно разделяются встроенным полем при данной интенсивности освещения.

Рис. 4 – Зависимость величины фототока короткого замыкания от интенсивности падающего излучения с различной длиной волны для образцов ХО4 и ХО Установлено, что направление фототока короткого замыкания противоположно направлению предварительной поляризации (рис. 5).

Рис. 5 – Зависимость P и I от величины приложенного напряжения при предварительной поляризации для образца ХО5 толщиной 80 нм Гетерофазный характер пленок подтверждается в сдвиге края собственного поглощения спектральной характеристики с 400 нм, характерного для пленок ЦТС с шириной запрещенной зоны 3,2 эВ, в длинноволновую область, характерную для оксида свинца (рис. 6). Спектральная характеристика демонстрирует ожидаемый спад фототока в длинноволновой области, что обусловлено уменьшением поглощения. Малая толщина пленки объясняет отсутствие ожидаемого для толстых слоев спада в коротковолновой области, так как толщина пленки существенно меньше чем глубина поглощения для использованного диапазона длин волн, а фотогенерированные носители заряда успешно разделяются встроенным полем и выводятся во внешнюю цепь.

Исследованные образцы, полученные по золь-гель технологии с концентрацией свинца 5-15 мол. %, характеризовались ярко выраженной униполярностью фототока короткого замыкания, что связано с наличием встроенного поля в пленке и подтверждается асимметричным характером петель сегнетоэлектрического гистерезиса.

Наличие встроенного поля в пленке позволяет изготавливать самополяризованные пленки, не требующие предварительной поляризации для наблюдения фототока.

Рис. 6 – Спектральная характеристика для образца ХО при мощности излучения 0.1 мВт/см Фототок короткого замыкания в образцах с концентрацией избыточного свинца в растворе 30 мол. % был на порядок меньше, чем в образцах с концентрацией свинца 5 – 15 мол. %. Было установлено, при увеличении концентрации до 30% уменьшается характерный размер кристаллитов ЦТС, что и приводит к уменьшению величины наблюдаемого фототока. Интересным может представляться следующий экспериментальный факт: максимальный фототок наблюдается в образцах с 15 мол. %, в то время как максимальная величина остаточной поляризации наблюдается у образца c 5 мол. % (рис. 7), что еще раз подчеркивает гетерофазную структуру пленки ЦТС.

а) б) Рис. 7 – Зависимость величины остаточной поляризации (а) и величины фототока короткого замыкания (б) от концентрации свинца в исходном пленкообразующем растворе для пленок, полученных по технологии золь-гель В четвертой главе уточняется модель гетерофазной наноразмерной пленки ЦТС и анализируется возможность оптоэлектронных применений гетерофазных наноразмерных пленок ЦТС. В модели сегнетоэлектрическая пленка рассматривается как гетерофазная структура, состоящая из сегнетоэлектрических кристаллитов в матрице из оксида свинца (рис. 8). Нескомпенсированный заряд сегнетоэлектрической поляризации, который не экранируется свободными носителями заряда в металлическом электроде, создает внутреннее поле, которое оказывает воздействие на фотогенерированные носители заряда в каналах оксида свинца. Неравновесные носители заряда, разделяемые внутренним полем, выводятся из пленки по встроенным каналам оксида свинца, что позволяет наблюдать фототок короткого замыкания в сегнетоэлектрической пленке.

а) б) Рис. 8 – Схематичное изображение кристаллической структуры пленок, полученных по золь-гель технологии с различным содержанием свинца в пленкообразующем растворе (a – избыток 5 мол. %, б – избыток 30 мол. %) Как было показано экспериментально, соотношения долей фаз ЦТС/PbO, а также структура полученной пленки, оказывают влияние на амплитуду фототока короткого замыкания. Для пленок, полученных по золь-гель технологии, было установлено, что увеличение избытка свинца в исходном пленкообразующем растворе от 5 до 30 мол. % приводило к снижению среднего размера кристаллита с 200 до 100 нм, после чего пленка уже не имела столбчатую структуру с прямыми проводящими каналами, а представляла собой беспорядочную структуру с кристаллитами различного размера и текстуры, хаотично распределенными по толщине пленки, что приводило к уменьшению величины фототока короткого замыкания.

Управление соотношением долей фаз ЦТС/PbO в пленках, полученных по технологии MOCVD, осуществлялось с помощью подслоя титаната свинца.

Использование подслоя титаната свинца позволяет получать пленки ЦТС с большим размером кристаллитов и с меньшим количеством проводящих каналов, что приводит к уменьшению величины фототока короткого замыкания (рис. 9).

Рис. 9 – Зависимость величины фототока короткого замыкания от интенсивности падающего излучения с длиной волны 400 нм (а) при отсутствии и наличии подслоя титаната свинца (ТС);

изображение поверхности пленки без подслоя ТС (б);

изображение поверхности пленки с подслоем ТС (в).

Наличие фототока короткого замыкания, зависящего от величины и направления предварительной поляризации в пленках, изготовленных по технологии MOCVD, позволяет предложить использование конденсаторных структур с данными пленками для создания устройств энергонезависимой памяти с неразрушающим оптическим считыванием информации (рис. 10), из которого следует, что после поляризации разнополярными импульсами ±2В изменяется направление тока короткого замыкания, обеспечивающего считывание двоичной информации.

Возможность изготовления пленок с монополярным фотооткликом может быть использована при конструировании преобразователей солнечной энергии (рис. 11). В качестве поглощающего слоя предполагается использование сегнетоэлектрической гетерофазной пленки ЦТС, полученной по технологии золь-гель, с концентрацией избыточного свинца порядка 15%. По результатам исследований получен патент на полезную модель «Солнечный элемент».

Рис. 10 – Электрическая запись и оптическое считывание информации в ячейке памяти с конденсаторной структурой с пленкой ЦТС Рис. 11 – Конструкция солнечного элемента с тонкими гетерофазными сегнетоэлектрическими пленками;

1 – стеклянная подложка;

2 – фотопреобразующий слой;

3, 4 – электроды;

5 – нагрузка;

6, 7 – выводы для подключения к внешней цепи ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Показано влияние подслоя титаната свинца на зародышеобразование и размер кристаллитов ЦТС и, как следствие, на величину фототока короткого замыкания.

2. Экспериментально наблюдается больший рост величины токи утечки в конденсаторных структурах с верхним платиновым электродом по сравнению с конденсаторными структурами с верхним иридиевым электродом.

3. Установлено, что процедура искусственного старения, заключавшаяся в термообработке в кислородсодержащей среде при температуре 120С в течение часов, не приводит к стабилизации электрофизических параметров пленки ЦТС в процессе длительного использования.

4. Показано, что в тонких наноразмерных сегнетоэлектрических пленках ЦТС величина фототока короткого замыкания возрастает с уменьшением длины волны вследствие того, что толщина пленки во всем исследованном диапазоне длин волн существенно меньше глубины поглощения.

5. Использование золь-гель технологии с концентрацией избыточного свинца 5- мол. % в пленкообразующем растворе позволяет получить униполярно поляризованные пленки ЦТС, что позволяет исключить операцию поляризации при использовании структур в качестве фотоэлектрических преобразователей энергии. В этом случае направление фототока короткого замыкания не удается изменить даже при переполяризации образца в сильном электрическом поле.

6. Предложен способ управления величиной фототока короткого замыкания конденсаторных структур с пленками ЦТС путем изменения соотношения долей фаз ЦТС/PbO.

7. Предложен новый тип солнечного элемента, в котором фотопреобразующий слой выполнен из сегнетоэлектрического материала в полупроводниковой матрице.

Получен патент на полезную модель №116689 «Солнечный элемент» от 27 мая 2012 г.

8. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610582 «Измерение характеристик сегнетоэлектриков «Measurement of Ferroelectrics»» от 10.01.2012.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи из перечня изданий, рекомендованных ВАК:

1. Тонкопленочный конденсатор M/Pb(ZrTi)O3/M как поляризационно чувствительный фотоэлемент / Л.А. Делимова, В.С. Юферев, И.В. Грехов, А.А. Петров, К.А.Федоров, В.П. Афанасьев // Физика твердого тела. 2009. Т.51, вып.6. С.1149-1153.

2. Фотоэлектрические свойства гетерофазных наноструктурированнных пленок на основе цирконата-титаната свинца / В.П. Афанасьев, П.В. Афанасьев, А.А. Петров, К.А.Федоров // Приложение к журналу «Вестник РГРТУ». № 4. Рязань, 2009. C. 87-92.

3. Исследование фототока короткого замыкания в конденсаторных структурах на основе гетерофазных пленок цирконата-титаната свинца/ К.А.Федоров, В.П. Афанасьев, П.В. Афанасьев, А.А. Петров // Журнал «Вестник РГРТУ». № 4 (выпуск №42). Часть 2. Рязань, 2012.

Свидетельство об интеллектуальной собственности:

4. «Измерения характеристик сегнетоэлектриков «Measurement of Ferroelectrics»:

свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ: Афанасьев В.П., Федоров К.А.;

заявитель и патентообладатель СПбГЭТУ. - № 2012610582;

заявл.

18.11.2011;

выд. 10.01.2012.

5. Патент № 116689 на полезную модель «Солнечный элемент» [Текст]: пат. Рос.

Федерация: МПК H01L31/0392 Афанасьев В.П., Афанасьев П.В., Федоров К.А.;

заявитель и патентообладатель СПбГЭТУ. - № 2011154742;

заявл. 30.12.2011;

выд.

27.05.2012.

Статьи в других изданиях:

6. Федоров К.А., Мухин Н.В., Афанасьев В.П. Неразрушающее оптическое считывание информации в конденсаторной структуре сегнетоэлектрик полупроводник// Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», часть 2. Москва, 23-27 ноября 2010 г. - М.: Энергоатомиздат, 2010. - С. 46-50.

7. Петров А.А., Федоров К.А., Воротилов К.А., Афанасьев П.В. Исследование влияния поляризации на фотоэлектрические характеристики наноструктурированных пленок ЦТС, сформированных по различной технологии // Физика диэлектриков (Диэлектрики – 2011): Материалы XII межд. конфер., Т. 1, Санкт-Петербург, 23-26 мая 2011 г. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена. - С. 456-459.

8. Федоров К.А., Афанасьев В.П. Фотоэлектрические свойства гетерофазных тонкопленочных систем Pb(TixZr1-x)O3 – PbO // 64-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ: Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых. 28-29 января 2011 г., Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. - С.81-85.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.