بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، خواص الکتریکی ساختارهای فلز-عایق - فلز که بهصورت لایههای نازک روی یک زیر لایه تهیه شدهاند، بررسی شده است. مشخصههای جریان - ولتاژ اثرهای فرم شدن و گسیل الکترون به خلاء برای ساختار Au/Ta2O5/Auمشاهده شد .همچنین، اثرهای فرمشدن و جریان گسیلی ساختار ذکر شده پس از بررسی، با ساختارهای - Au-SiO-Au - مقایسه شده است.
-1 مقدمه
احتمالا اولین لایه نازک در سال 1838 به روش الکترولیز بدست آمده است. یونسن و گروو توانستند لایه های نازک فلزی را به ترتیب با روش واکنش شیمیایی و پراکنش تخلیه نورانی بدست آورند. فارادی در سال 1875 توانست با استفاده از تبخیر حرارتی سیمی را که از آن جریان زیادی می گذرد، لایه نازک فلزی بدست آورد. شایان ذکر است که لایه های نازک با ضخامتی از 100 تا 2000 آنگستروم دارای خواص الکتریکی جالبی می باشند .[2,1] یکی از این ویژگی ها، فورمینگ می باشد که با اعمال میدان الکتریکی تغییر می یابد. پس از فورمینگ مقاومت منفی دیفرانسیلی همراه با دو اثر حافظه ای و سوئیچینگ رخ می دهد. الکترولومینسانس و گسیل الکترونی از دیگر پدیده های جالب توجهی می باشد که به وقوع می پیوندند.
البته این پدیده ها اغلب توسط عایق های میکروکریستالی یا آموروف با ضخامت های مشخصی رخ می دهند، ولی به طور مشخص بیشتر توسط اکسیدهایی مثل Ta2O5، Al2O3 وSiO بوجود می آید .[4,3] بنابراین مفید بودن خصوصیات لایه های نازک و جالب توجه بودن مطالعه بر روی رفتار جامدهای دو بعدی باعث شده است که چه از نظر علمی و چه از نظر تکنولوژی به لایه های نازک توجه ویژه ای شود. امروزه بسیاری از قطعات مدرن و پیچیده نوری - الکتریکی و الکترونیکی به صورت لایه های نازک ساخته می شود که نشان از اهمیت بالای این موضوع در صنایع الکترونیک دارد .[5] لایه های عایق نازکی که بین دو الکترود فلزی ساندویچ می شوند و به عنوان خازن مطرح می شوند،خواص جالبی را از خود نشان می دهند.
وقتی یک میدان الکتریکی مناسب در عرض نمونه ها برقرار می شود مقاوت آنها چندین مرتبه مقداری کاهش پیدا می کند .[6] این فرآیند به فرم شدگی الکتریکی موسوم است . نمونه های به اصطلاح فرم شده که در آنها ضخامت دی الکتریک کوچکتر از 2 میکرون است، یک ناحیه مقاومت منفی در مشخصه جریان- ولتاژ و همچنین پدیده هایی نظیر گسیل الکترون به خلاء ، الکترلومینسانس از خود نشان می دهند. مکانیزم انتقال الکترون از فیلم های نازک عایقی که بین دو الکترود فلزی ساندویچ شده اند با استفاده از مدلها و تئوری های مختلفی که توسط محققین ارائه شده است ، توصیف می شود ، اما هیچکدام از تئوری ها به تنهایی کاملاً موفق به توصیف همه پدیده ها نیستند.
درنالی و همکارانش در سال 1969 مدل خود را ارائه کردند [7]این. مدل اساساً بر مبنای تولید تعداد زیادی فیلمان های هادی که از یک الکترود به الکترود دیگر در طول فرآیند فرم شدن گسترش می یابند، پایه گذاری شده است که در سال 2002 نیز تروستانس و اوکسلی ، مدل خود را که پدیده الکتروفرمینگ و گسیل الکترون به خلاء توسط ساختارهای فلز - عایق- فلز را توجیه می کرد، ارائه دادند. این مدل نیز اساسا بر مبنای تشکیل فیلمانهایی در عرض نمونه عایق ، پدیده تونل زنی و پدیده های مربوطه را مورد بررسی و مطالعه قرار می دهد.[8] از اینرو در این مقاله، نمونه فلز-عایق-فلز Au/Ta2O5/Au در آزمایشگاه ساخته شده خواص الکتریکی مورد بررسی و مطالعه قرار می گیرند. دراین تحقیق بیشتر پدیده ها با مدل درنالی توجیه شده است .
-2 مواد و روش تحقیق
برای تهیه ساختارهای - Au/Ta2O5/Au - از روش تبخیر حرارتی در خلاء استفاده شده است. دستگاه تبخیر مورد استفاده ساخت شرکت بالزر می باشد. با این دستگاه می توان به فشار 10 6 میلیمتر جیوه - با خنک سازی آب - و 10 7 میلیمتر جیوه - با خنک سازی ازت مایع - دست یافت. در نمونه های تهیه شده از شیشه بوروسیلیکات به عنوان زیر لایه استفاده شده است که برای تمیز کردن زیر لایه ها ، ابتدا آنها را به مدت چند دقیقه در آب صابون جوشانده و بعد از شست وشو با آب مقطر، در داخل الکل قرار داده و پس از بیرون آوردن از الکل زیر لایه عاری از هر گونه لکه های چربی و گردوخاک خواهد بود. برای تبخیر طلا از بوته تنگستن با پوشش اکسید آلومنیوم استفاده شده است ، چراکه اکسید آلومنیوم مانع از چسبیدن طلا به تنگستن و هدر رفتن آن می شود. برای تبخیر Ta2O5 از بوته تانتالیوم با سرپوش مخصوصی که روی آن چند سوراخ ریز تعبیه شده بود، استفاده گردید.
لذا برای بالا بردن آهنگ لایه نشانی، جلوگیری از به هدر رفتن ماده و بدست آوردن لایه ای با نهشت یکنواخت تر استفاده از سر پوش ضروری بود. دمای زیر لایه برای لایه نشانیTa2O5 در ایجاد ساختار بلوری آن بسیار مؤثر است. برای تهیه لایه های فلزی و عایق بدون شکستن خلاء از یک سیستم ماسک چهار مرحله ای چرخنده که از بیرون به وسیله یک عامل چرخنده کنترل می شد، استفاده گردید. با این ماسک ها می توان چهار لایه مختلف را بدون شکستن خلاء در روی زیر لایه تهیه نمود .
برای تغییر دادن ضخامت الکترودهای بالایی و لایه های عایق از یک میله فلزی کاملاً صاف متصل به یک صفحه فلزی بزرگ تر از خود زیر لایه که قادر بود به طور افقی در زیر ماسک به طرف جلو و عقب حرکت کند، استفاده شد. با استفاده از این سیستم می توان شش نمونه با ضخامت های مختلف را در روی زیر لایه به ابعاد 1 3 تهیه نمود. برای کنترل میزان لایه نشانی و ضخامت لایه ها از دو عدد بلور نوسان کننده کوارتز که در بالای منابع تبخیر و همتراز با زیر لایه نصب شده بود، استفاده گردید.
تمام اندازه گیری ها بر روی نمونه ها در داخل یک سیستم خلاء ساخت شرکت ادواردز انگلستان مجهز به تجهیزات تغییر دما که قادر بود فشار هایی در حدود 5 10 6 میلی متر جیوه را ایجاد نماید، صورت گرفت. نمونه ها در روی یک سیستم نگهدارنده از جنس شیشه پلاستیکی نصب شدند و توسط نوارهای نازک مسی که فنریت خاصی را دارا بودند به سیم های اتصال وصل شدند . مدار های به کار رفته برای اندازه گیری جریان های چرخشی و گسیل الکترون در شکل - 1 - نشان داده شده است.
