| |
-
1). Развита методика и выявлены условия синтеза пленок алмазоподобного углерода (DLC) методом высокочастотного диодного распыления углеродной мишени при повышенной (~2 кэВ) энергии ионов Ar. Показано, что пленки имеют аморфную структуру и, представляя собой нанокомпозиты, демонстрируют присутствие фаз углерода с sp2 и sp3 гибридизацией, соотношение между которыми можно контролировать путем изменения энергии ионов Ar в процессе осаждения пленок.
2). Исследованы вольтамперные характеристики (ВАХ) структур Pt/DLC/Pt на базе тонких (20 нм) пленок DLC. При комнатной температуре, безотносительно к полярности напряжения V, структуры демонстрируют нелинейные ВАХ и эффекты резистивного переключения (РП) из исходно высокоомного состояния (HRS) с сопротивлением ~ 100 кОм в низкоомное состояние (LRS) с сопротивлением ~ 1 кОм при V ~ 2-3 В и обратное РП при V → 0. Эффекты обратимого РП объясняются изменением типа гибридизации локальных областей DLC, обусловливающим переключение HRS → LRS в сильных (~ 106 В/см) полях за счет переходов sp3 → sp2 в алмазоподобных промежутках, разделяющих низкоомные sp2 области, и обратное LRS → HRS переключение в слабых полях < 105 В/см. Особенности ВАХ в режиме HRS, обычно связываемые с токами, ограниченными пространственным зарядом (ТОПЗ) при наличие в DLC ловушек и/или низкоомных sp2 кластеров, преимущественно обусловлены полевыми эффектами в условиях перколяции при прыжковом транспорте носителей заряда между кластерами. При этом изменение типа гибридизации в sp3 промежутках в сильном электрическом поле, инициируя переключение HRS → LRS, наблюдательно проявляется как эффект предельного заполнения ловушек.
Отношение сопротивлений в HRS и LRS (~ 50) подтверждает перспективы создания элементов энергонезависимой многоуровневой памяти при развитии технологии НК на базе DLC, в том числе, путем внедрения в DLC включений (кластеров) ФМ в процессе роста.
3). Исследованы механизмы резистивного переключения (РП) в мемристивных сандвич-структурах Cu/PPX/ITO на гибкой подложке из полиэтиленнафталата (PEN), состоящих из слоев меди (верхний электрод), полипараксилилена (PPX) и оксида индий-олово (ITO, нижний электрод). Структуры демонстрируют стабильные РП и обладают устойчивостью к изгибам вплоть до 30 град. (соответствует радиусу изгиба 10 мм). Эффект РП связан с образованием/разрушением (в зависимости от знака напряжения) проводящих металлических мостиков (conductive bridges) в изначально высокоомном слое PPX. Предполагается, что катионы металла (Cu) верхнего электрода под действием положительного напряжения мигрируют в слой PPX к нижнему электроду, где восстанавливаются и образуют проводящий мостик, замыкающий верхний и нижний электроды
Полученные результаты открывают возможность использования мемристивных структур на основе слоев полипараксилилена для нейроморфных вычислительных систем и биосовместимой электроники.
4). Разработана методика получения металл-содержащих пленок алмазо-подобного углерода (DLC) и нанокомпозитов (НК) типа DLC(М) путем распыления поверхности мишени ионами аргона в тлеющем разряде с полым катодом при одновременном химическом осаждении на его поверхность пленок DLC в условиях присутствия в рабочем газе (Ar) примеси пропана (PC3H8 = 3x10^-4 Тор, PAr = 0.3 Тор). Показано, что малая (до 1:1000) примесь пропана в плазмообразующем газе (Ar) не влияет на параметры плазмы и позволяет варьировать относительное содержание примеси металла в пленке DLC. Методика перспективна для синтеза НК на базе DLC с примесью металла М = Cu, Al, Ni, Fe и др. Плавная регулировка парциального давления пропана и напряжения разряда (энергии ионов) позволит подбирать необходимые режимы внедрения требуемого металла в соответствии с коэффициентом распыления. Исследования пленок НК DLC(Cu) толщиной ~ 80 нм методами атомно-силовой (AFM) и электро-силовой (EFM) микроскопии показали, что пленки имеют гранулированную структуру с размером гранул 30-100 нм. Данные EFM демонстрируют присутствие в матрице высокоомного DLC низкоомной (Cu) фазы с размером включений того же порядка, а сегрегация низкоомной фазы на поверхности DLC не обнаружена.
5). Исследованы вольтамперные характеристики структур Pt/DLC(Cu)/Mo. Обнаружены эффекты резистивного переключения (РП) из исходно высокоомного состояния (HRS) в низкоомное (LRS) при напряжении V ~ +3 В и обратное (LRS → HRS) переключение при V → 0. При отрицательной полярности напряжения структура находится в HRS с сопротивлением ~ 108 Ом, при V ~ -2 В она переключается в LRS с сопротивлением ~ 105 Ом и при V → 0 обратно переключается в HRS с близкими значениями сопротивления. Высокие значения сопротивления структур в HRS указывают на то, что в НК преобладает прыжковый механизм проводимости, между включениями Cu в высокоомной матрице DLC. При этом на начальной стадии видимо происходит формовка структуры, сопровождающаяся образованием металлизированных мостиков (conductive bridges) за счет электромиграции атомов металла (меди). Предполагается, что усиление поля (до ~ 106 В/см) в алмазоподобных областях DLC, разделяющих Cu-гранулы в мостиках, вызывает локальное изменение типа гибридизации sp3 → sp2, сопровождающееся переключением структуры из HRS в LRS, а в слабых полях (< 105 В/см) происходит обратное переключение структуры из LRS в HRS за счет переходов sp2 → sp3.
Методика перспективна для получения нанокомпозитов на базе DLC с содержанием не только меди, но и других металлов. Плавная регулировка парциального давления пропана и напряжения разряда (энергии распыляющих ионов) позволит подобрать необходимые режимы нанесения в соответствии с коэффициентом распыления необходимого металла.
6). В «вертикальной» геометрии исследованы полевые зависимости проводимости G структур Pt/DLC/Pt на базе тонких (20 нм) высокоомных слоев алмазоподобного углерода (DLC), полученных методом высокочастотного диодного распыления С-мишени при повышенной (до 2 кэВ) энергии ионов Ar. Показано, что зависимость G от электрического поля E имеет пороговый характер и линеаризуется в координатах ln(G) vs. E1/2. Проведен сопоставительный анализ механизмов, ответственных за неомическое поведение G. Обнаруженные особенности объясняются в рамках модели Шкловского о неомических свойствах неупорядоченных систем со случайным кулоновским потенциалом, который формируется в слоях DLC флуктуациями их состава, связанными с наличием низкоомных sp2 нанокластерав в алмазоподобной sp3 матрице. Размер sp2 нанокластеров по оценке составляет ~ 4 нм.
7). На примере пленок НК (Co40Fe40B20)x(LiNbO3)100-x (x = 6-55 at.%) выполнены сравнительные исследования свойств гранулированных систем с высоким (~10^22 cm-3) и низким (≤10^21 cm-3) содержанием диспергированных атомов Fe, Cо в изолирующей нестехиометрической матрице. Пленки НК были получены методом ионно-лучевого распыления составной мишени на подложке ситалла при различных температурах роста (40 и 80 C). Показано, что диспергированные магнитные ионы играют решающую роль как в ферромагнитном обмене между гранулами, так в магнитных, транспортных и мемристивных свойствах систем ниже порога перколяции xp ≈ 50-55 at.%. Показано, что диспергированные магнитные ионы усиливают межгранульное взаимодействие, снижают критическую концентрацию перехода металл-диэлектрик xc (от 48 до 43 at.%). Высокая концентрация магнитных ионов приводит к усилению межгранульного взаимодействия, стимулирует положительное магнетосопротивление в сильных полях вблизи xp, супер-ферромагнитное упорядочение и магнитный гистерезис ниже xc (до 33 at.%) и стабилизирует эффекты резистивного переключения (отношение сопротивлений ROFF/RON > 100 при x ≈ 10 at.%).
8). В структурах М/НК/М на базе НК (Co40Fe40B20)x(LiNbO3)100 – x с х ≈ 8-20 ат. % изучены эффекты емкостного и резистивного (РП) переключения. Структуры синтезированы методом ионно-лучевого распыления при повышенном содержании кислорода (≈2×10–5 Торр) на начальном этапе роста НК. Наряду с металлическими наногранулами (3-6 нм) слои НК содержали до ~ 1022 см-3 диспергированных атомов Co, Fe. При переключении структур из высокоомного (ROFF) в низкоомное (RON) состояние обнаружено сильное (8 раз при х 15 ат.%) увеличение емкости при отношении сопротивлений ROFF/RON ~ 40. Эффект объясняется синергетическим сочетанием многофиламентного характера РП и структурных особенностей образцов, в частности связанных с образованием сильно поляризуемого высокоомного слоя LiNbO3 у нижнего электрода структур. Возникновение многожественных проводящих каналов на стадии "легкой" электроформовки подтверждается результатами исследования РП в структурах M/НК/LiNbO3/M со слоями НК нанометровой толщины.
9). При исследовании характеристик РП в мемристивных структурах на основе поли-п-ксилилена (ППК) с Cu-электродами определено время переключения структур - сотни наносекунд при напряжении переключения < 2 В (расчетное энергопотребление ≤ 3 нДж). Мемристоры на основе ППК эффективны для разработки нейроморфных вычислительных систем (НВС), в том числе с возможностью обучения по биоподобным правилам типа STDP (spike-timing-dependent plasticity). Отмечена возможность снижения энергий РП до пикоджоулей при уменьшении размеров мемристоров до 50х50 мкм2. Биосовместимость и масштабируемость устройств открывает перспективы их использования при создании энергоэффективных «носимых» и имплантируемых устройств на основе ППК-НВС.
10). Предложена методика осаждения пленок алмазоподобного углерода (DLC) из газовой фазы в тлеющем разряде с полым катодом при использовании в качестве рабочего газа аргона с добавкой (менее 10%) пропан-бутановой смеси. Проведены исследования полученных пленок методами растровой электронной и атомно силовой микроскопии, рентгеноструктуного анализа и анализа спектроскопией комбинационного рассеяния. Показано существенное содержание в пленках фазы с sp3 гибридизацией.
11). Оптимизирована методика выращивания тонких графитовых пленок на диэлектрической подложке путем отжига cтруктур Al2O3 (0001 )/Ni (111 )/ta-C. Метод основан на каталитическом разложении углеводородов на поверхности металлической пленки монокристаллического катализатора на диэлектрической подложке и последующей диффузии и кристаллизации углерода между металлической пленкой и подложкой. Тонкая графитовая пленка с низкой плотностью дефектов кристаллической структуры получается на диэлектрической подложке после химического травления металлической пленки.
Исследована возможность использования пленок оксида магния в качестве подслоя для осаждения бездефектных графеновык слов. Эпитаксиальные (111) пленки MgO на сапфире с ориентацией (0001) были выращены методом высокочастотного магнетронного реактивного распыления. Предложена оригинальная методика исследования изменения структурных параметров по объему. Рентгеноструктурный анализ в сочетании с послойным плазменным травлением, показал наличие тонкого переходного слоя с параметрами решетки, соответствующими кубической структуре MgO, с признаками ромбоэдрической деформации.
Публикации:
- Vedeneev A. S., Luzanov V. A., Rylkov V. V. Effects of Monopolar Resistive Switching in Thin Diamond-Like Carbon .Layers. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters (JETP Letters), 2019, V.109 (3), 171-174
- A.S.Vedeneev, V.A.Luzanov, V.V.Rylkov. Monopolar Resistive Switching in Diamond-Like Carbon Films. Semiconductors, 2019, Vol. 53, No. 14, 1970–1973, Q4. DOI: 10.1134/S1063782619140252
- Б.С.Швецов, А.Н.Мацукатова, А.А.Миннеханов, А.А.Несмелов, Б.В.Гончаров, Д.А.Лапкин, М.Н.Мартышов, П.А.Форш, В.В.Рыльков, В.А.Демин, А.В.Емельянов. Мемристоры на основе полипараксилилена на гибких подложках. Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып. 21, 40-43
- S. N. Nikolaev, A. S. Vedeneev, V. A. Luzanov, A. V. Emel’yanov, A. M. Kozlov, A. S. Bugaev, V. V. Ryl’kov. Non-Ohmic Conductivity of High-Resistance Layers of Diamond-Like Carbon. Journal of Communications Technology and Electronics, 2021, Vol. 66, No. 10, pp. 1196–1200
- V. Rylkov, A. Sitnikov, S. Nikolaev, A. Emelyanov, K. Chernohlazov, K. Nikiruy, A. Drovosekov, M. Blinov, E. Fadeev, A. Taldenkov, V. Demin, A. Vedeneev, A. Bugaev, A. Granovsky. Properties of Nanocomposites With Different Concentrations of Magnetic Ions in an Insulating Matrix. IEEE MAGNETICS LETTERS, 2019, Volume 10, 2509504
- A.N. Matsukatova, A.A. Minnekhanov, V.V. Rylkov, V.A. Demin, A.V. Emelyanov. Resistive switching kinetics of parylene-based memristive devices with Cu active electrodes. Journal of Physics: Conference Series, 2021, V.1758, P.012025
|
