ВПЛИВ ПОВЕРХНЕВИХ НЕОДНОРІДНОСТЕЙ НА БАЛІСТИЧНЕ ПЕРЕНЕСЕННЯ ЗАРЯДУ В НАНОРОЗМІРНИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛІВКАХ

Roman Bihun, M. Buchkovska, B. Penyukh, O. Koplak, V. Apopii, A. Fareniuk

Анотація


Проблема кількісного опису розмірних залежностей кінетичних коефіцієнтів металевих плівок нанометрової товщини актуальна при виготовленні нонорозмірних, металевих шарів з наперед заданими структурою та електричними параметрами. Якість узгодження експериментальних даних з результатами теоретичних розрахунків досягається лише при коректному виборі модельного підходу при описі явищ перенесення заряду в нанорозмірному металевому зразку. Модельний підхід повинен в достатньому обсязі, враховувати особливості поверхневої будови плівки металу та його електронної будови. В більшості сучасних модельних підходів при описі явищ перенесення заряду в металевих шарах проводять для плівки Зоммерфельдівського металу. При цьому вважається, що плівка металу є однорідною та ізотропною з атомно-гладкими зовнішніми поверхнями (модель плоскопаралельного шару) або шаром, на поверхні якого існують неоднорідності макроскопічних розмірів, параметри яких можна описати з допомогою гармонічних чи степеневих функцій.

Квазікласичне перенесення заряду описується моделями класичного розмірного ефекту, оскільки зонна енергетична структура металевої плівки залишається аналогічною зонній енергетичні структурі масивного металевого зразку. Коли довжина вільного пробігу електрона lambda стає більшою від товщини плівки металу d, квазікласичне перенесення заряду переходить в режим балістичного електронного транспорту. Особливістю цього перенесення заряду, є переважаючий вплив поверхневого розсіювання. Про особливості впливу макроскопічних поверхневих неоднорідностей на балістичне перенесення заряду в нанорозмірних плівках металі існує мало інформації. В режимі квазікласичного та класичного перенесення заряду залишкова провість лінійно зростає і з ростом товщини плівки металу sigma_res ~ d, в той час як в режимі балістичного перенесення заряду sigma_res ~ d^alfa, де alfa змінюється в інтервалі 2,1-6.

Запропоновано модельний підхід, що дозволяє оцінити вплив параметрів середньої амплітуди h  та кореляційної довжини ξ поверхневих неоднорідностей на розмірну концентрацію електронних станів n(d)  та питомої провідності sigma(d) нанорозмірних плівок металів. Згідно Фішмана-Цалецького [6-9], проаналізовано вплив поверхневих неоднорідностей на режим балістичного перенесення заряду в нанорозмірних плівках срібла, золота та міді. Мінімальна товщина плівки металу d_c для якої застосування підходу можливе, здійснене в рамках перколяційного підходу.

Ключові слова: тонка плівка металу, поверхневі неоднорідності, перенесення заряду в нанорозмірній плівці металу, балістичне перенесення заряду.


Повний текст:

PDF (English)

Посилання


  1. Stasyuk Z. V., Lopatinsky А. І. Size kinetic phenomenon in thin metal films. Physics and chemistry of solid state. 2001. V.2, №4. p.521–541. (in ukr.)
  2. Shpak A.P., Bihun R.I., Stasyuk Z.V., Kunitskyi Yu.A. Structure and electrical conductivity of ultrathin films copper, gold and silver films. Nanosystems, nanomaterials and nanotechnologies. 2010. Vol. 8, No. 2. p. 339-388. (in ukr.)
  3. Tesanovic Z., Jaric M. Vol., Maekawa S.Quantum transport and surface scattering. Phys. Rev. B. 1986. Vol.57, №21. P. 2760–2763.
  4. Tesanovic Z. Surface scattering effects in quantum transport. Solid State Phys. 1987. V.20, №6. P. L829–L834.
  5. Trivedi N., Ashcroft N.W. Quantume size effect in transport properties of metallic films. Phys. Rev. B38. 1988. Vol.4, №17. Р.12298–12309.
  6. Fishman G. D. Calecki D. Surface-induced resistivity of ultrathin metallic films: A limit law. Phys. Rev.Lett. 1989. Vol.62, №11. Р. 1302–1305.
  7. Calecki D. Galvanomagnetic phenomena and surface roughness in thin metallic films. Phys. Rev. B. 1990. Vol.42, №11. P.6906–6915.
  8. Calecki D., Fishman G. Surface-limited resisitivity in 2D-semiconductors and 2D-metals: Influence of roughness modeling. Surf. Sci. V. 220. P.110–112 (1990).
  9. Fishman G., Calecki D. Influence of surface roughness on the conductivity of metallic and semiconducting quasi-two-dimensional structures. Phys. Rev. B. 1991. V.43, №14. Р. 11581–11585.
  10. Bihun R. I., Kunitsky Yu. A., Stasyuk Z. V. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2010. Vol. 8, № 1. c. 129-137. (in ukr.)
  11. Pogrebnyak V.A. Electronic resonances in a quantum well with a periodically uneven boundary. Solid state physics. 1999. vol. 41, issu. 10, pp. 1867-1870.
  12. Hensel J.C., Tung R.T., Poate J.M., Unterwald F.C. Specular Boundary Scattering and Electrical Transport in Single-Crystal Thin Films of CoSi2. Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 54, № 16. P. 1840-1843.
  13. J. Kyoung. Direct in site observation of the percolation transition in VO2 thin films by peak-shift spectroscopy. Optical Materials Express. 2022. Vol. 12, Issue 3. pp. 1065-1073.
  14. M. Walther, D. Cooke, C. Sherstan, M. Hajar, M. Freeman, F. Hegmann. Terahertz conductivity of thin gold films at the metal-insulator percolation transition. Phys. Rev. B. 2007. Vol. 76. p. 125408(1-9).




DOI: http://dx.doi.org/10.30970/eli.22.2

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.