Анотація до роботи:

Бігун Р. І. Розмірні ефекти в електронних властивостях тонких плівок металів, нанесених на діелектричні та слабопровідні підкладки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. – Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника. Міністерство освіти і науки України, Івано-Франківськ, 2008 рік.

На захист виносяться результати досліджень, опублікованих в 15 наукових працях, присвячених дослідженню структури та електрофізичних властивостей ультратонких плівок Cu, Au та Ag. Експеримент проведено в умовах надвисокого вакууму при тиску залишкових газів, нижчому за 10^-7 Па. Вивчено вплив поверхневого та зерномежового розсіювання носіїв струму на перенесення заряду в плівках Cu, Au та Ag. Досліджено вплив сурфактантних підшарів Sb, Ge та Si на структуру та кінетичні коефіцієнти у тонких плівках Cu, Au та Ag. Залежності від товщини шару питомого опору с, температурного коефіцієнта опору в в широкому діапазоні товщин (d = 2-70 нм) плівок пояснено на основі існуючих теоретичних моделей квазікласичних та квантових кінетичних явищ в зразках обмежених розмірів. Здійснено розрахунок зонної структури ультратонких плівок Cu, Au та Ag. Виявлено, що для плівок досліджуваних металів товщиною більшою 5-6 атомних шарів зонна енергетична структура близька до зонної енергетичної структури масивного зразка металу. Розмірні залежності кінетичних коефіцієнтів тонких плівок досліджуваних металів пояснено з допомогою квантових теорій балістичного перененесення заряду в ультратонких плівках металів. Параметри перенесення заряду в плівках металів розраховано в рамках моделей класичного на внутрішнього розмірних ефектів.

У роботі подано результати дослідження впливу сурфактантних підшарів Ge, Sb або Si різної товщини, попередньо нанесених на діелектричні підкладки, на структуру, морфологію поверхні та електричні властивості сформованих на них плівок Cu, Au та Ag. Зміною товщини сурфактантних підшарів Ge, Sb або Si можна варіювати середніми лінійними розмірами кристалітів D та мінімальною товщиною, яка відповідає порогу протікання струму через плівку металу. Показано, що використання сурфактантних підшарів дозволяє сформувати на аморфній скляній підкладці електрично-суцільні (в > 0) плівки Cu, Au та Ag товщиною 2-3 нм. Розрахунок зонної енергетичної структури вільних плівок досліджуваних металів показав, що у плівках Cu, Au та Ag товщиною більшою 5-6 атомних шарів зонна енергетичні структура плівки близька до зонної енергетичної будови масивних зразків металів. Особливості перенесення заряду у плівках металів згаданої товщини пояснено з допомогою модельних уявлень про балістичне перенесення заряду в рамках квантової теорії Фішмана-Цалецкого.

На підставі аналізу проведених досліджень та узагальнення їх результатів можна сформулювати такі основні висновки роботи:

1. Дослідження структури плівок Cu, Au та Ag, нанесених на сурфактантні підшари Ge, Sb та Si, методами електронної мікроскопії та електроногорафії показали, що отримані плівки є полікристалічними, дрібнодисперсними та ізотропними у площині плівки. Кристалічна ґратка конденсатів аналогічна ґратці масивних металів. У досліджуваних плівках металів не виявлено продуктів реакції основного металу з сурфактантом.

2. Сурфактантні підшари Ge, Sb або Si товщиною меншою за 6 нм суттєво послаблюють коагуляцію зародків росту плівки металу, результатом цього є зменшення середніх лінійних розмірів кристалітів D в плівках металів. Зміною товщини попередньо нанесеного підшару сурфактанту можна керувати середніми лінійними розмірами кристалітів в плівках металів.

3. Показано, що наявність підшару сурфактанту призводить до зменшення товщини плівки металу, яка відповідає порогові протікання струму в шарі конденсату. Попереднє нанесення сурфактантних підшарів товщиною d_c = 5-6 нм дозволяє отримати електрично-суцільні металеві плівки товщиною 2-3 нм.

4. Показано, що в дрібнокристалічних плівках Cu, Au та Ag (середні лінійні розміри кристалітів D = 8 – 32 нм) імовірність міжзеренного тунелювання t не залежить від середнього розміру кристалітів D та температури плівки в інтервалі Т = 78-370 К. Отриманий висновок добре узгоджується з предбаченями теорії внутрішнього розмірного ефекту Тельє-Тосе-Пішара.

5. Величина середньої амплітуди макроскопічних неоднорідностей товщини плівки, розрахована з розмірних залежностей питомого опору плівок металів, осаджених на сурфактантні підшари, зменшується із ростом товщини сурфактанту. Отримані дані узгоджуються з результатами СТМ дослідження морфології поверхні плівок, проведених іншими авторами. Це підтверджує придатність моделі полікристалічного шару неоднорідної товщини для опису електричних властивостей плівок металів.

6. Вивчення особливостей зонної електронної структури вільних металевих плівок товщиною 1 - 6 атомних шарів в рамках теорії функціоналу густини дозволило показати, що в плівках міді, золота і срібла кількість каналів провідності в згаданому діапазоні товщин лінійно залежить від товщини плівки. Із завершенням формування шостого атомного шару електронна будова плівки достатньо близька до зонної структури масивного металу.

7. В інтервалі товщин плівок, що відповідає умовам балістичного перенесення заряду (л d) існують дві ділянки розмірних залежностей питомої провідності, які можна описати на основі квазікласичних (моделі Намба та полікристалічного шару неоднорідної товщини) та квантових (теорія Фішмана-Цалецкого) моделей балістичного перенесення заряду.

Список використаних джерел

1. Чопра Л. К. Электрические явления в тонких пленках.- М.: Мир, 1972.–435 с.

2. Mayadas A. F., Shatzkes М. Electrical model for polycrystalline films: the case of

arbitrary reflection at external surfaces // Phys. Rev. В.: Solid State.–1970.– Vol. 6l, № 4.– P. 1382–1389.

3. Pichard С R., Tellier C. R. and Tosser A. J. A three-dimensional model for grain boundary resistivity in thin metal films // Thin Solid Films.– 1979.– Vot. 69, № 2.– P.189–194.

4. Stasyuk Z. V. Quasiclassical models of electron transport phenomena in thin metal films //Journ. Phys. Stud.– 1999.–Vol. 3, № l.– P. 102–106.

5. Namba Y. Resistivity and its temperature coefficient of thin metal films with rough surface // Jap.J.Appl.Phys.- 1970.–Vol. 9.– P.1326–1329.

6. Blugel S, Bihlmayer G. Full-potential linearized augumented planewave method // Computational Nanoscience.- 2006.– Vol. 31.– Р. 85–129.

7. Fishman G, Calecki D. Surface-indused resistivity of ultrathin metallic films: a limit law // Phys. Rev. В.- 1989.– Vol. 62, № l.– P. 1302–1305.

8. Munoz R, Vida G, Kremer G, Moraga L, Arenas C. Surface induсed resistivity of gold films on mica: Comparison between the classical and the quantum theory // J. Phys.: Condens Matter.– 1999.– Vol. 11.– L299–307.

9. Meyerovich A., Stepaniants S. Topological Phase Transitions in Periodically Modulated Quantized Metal Films // Phys. Rev. B.– 2002.– Vol. 66.– P.235306(1–5).

Публікації автора:

1. Стасюк З.В. Вплив алюмінієвих та германієвих субатомних шарів на перенос заряду в тонких паладієвих плівках / З.В. Стасюк, М.М. Козак, Б.Р. Пенюх, Р.І. Бігун // Фізика і хімія твердого тіла. – 2002. – Т. 3, № 3. – С. 418–422.

(Особистий внесок: участь у розробці методики експерименту).

2. Stasyuk Z.V. The Transition from Quantum to Classical Electron Transport in Palladium Films of Nanometer Thickness / Z.V. Stasyuk, M.M. Kozak, B.R. Penyukh, R.I. Bihun // Journal of Physical Studies. – 2003. – Vol. 7, № 2. – P. 365–2367.

(Особистий внесок: участь у розробці методики експерименту).

3. Бігун Р.І. Перехід від квантового до класичного переносу заряду в тонких плівках міді / Р.І. Бігун, З.В.Стасюк // Фізика і хімія твердого тіла. – 2005. – Т. 6, № 3. – С. 414–417.

(Особистий внесок: проведення експерименту, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках міді, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків).

4. Бігун Р.І. Вплив сурфактантних субатомних шарів сурми на структуру та електропровідність плівок міді нанометрової товщини / Р.І. Бігун, З.В. Стасюк // Фізика і хімія твердого тіла. – 2005. – Т. 6, № 4. – С. 572–578.

(Особистий внесок: постановка експерименту, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків).

5. Бігун Р.І. Вплив субмоношарових сурфактантних підшарів германію на перенос заряду в тонких полікристалічних плівках золота / Р.І. Бігун // Фізика і хімія

твердого тіла. – 2006. – Т. 7, № 3. – С. 446–449.

(Особистий внесок: постановка експерименту, отримання розмірних залежностей

питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків).

6. Стасюк З.В. Балістичний перенос заряду в ультратонких плівках міді / З.В Стасюк, Р.І. Бігун // Металофізика і новітні технології. – 2007. – Т. 29, № 6. – С.781–785.

(Особистий внесок: постановка експерименту, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків).

7. Стасюк З.В. Вплив сурфактантних підшарів германію на структуру та електропровідність тонких полікристалічних плівок міді нанометрової товщини / З.В. Стасюк, Р.І. Бігун // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2008. – Т.6, № 1. – С.17–24.

(Особистий внесок: постановка експерименту, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків).

8. Бігун Р.І. Вплив сурфактантних підшарів германію на електропровідність свіжонанесених плівок срібла нанометрової товщини / Р.І. Бігун, Я.А. Пастирський, Б.Р. Пенюх, З.В. Стасюк // Фізика і хімія твердого тіла. – 2008. – Т. 9, № 2. – С. 353–356.

(Особистий внесок: постановка експерименту, отримання розмірних залежностей питомого опору, розрахунок параметрів переносу заряду в плівках, участь в обговоренні результатів та формулюванні висновків).

9. Бігун Р.І. Вплив германієвих підшарів на перенос заряду в тонких плівках міді / Р.І. Бігун, О.Є. Кравченко // “Євріка-2004”: Всеукраїнська наук. конф. студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики, 21-23 травня 2004 р.: тези доп. – Львів, 2004. – C. 135.

10. Стасюк З.В. Розмірні ефекти в явищах переносу заряду в тонких плівках металів / З.В. Стасюк, Р.І. Бігун // Матеріали Ювілейної Х Міжнародна конф. з фізики і технології тонких плівок та наносистем, 16-21 травня 2005 р.: тези доп. – Івано-Франківськ, 2005. – С. 81–82.

11. Бігун Р.І. Вплив сурфактантних підшарів на транспортні явища в тонких плівках благородних металів / Р.І. Бігун, М.М. Волосацький // “Євріка-2006”: Всеукраїнська наук. конф. студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики, 24-27 травня 2006 р.: тези доп. – Львів, 2006. – C. А29.

12. Бігун Р.І. Явища переносу заряду в “свіжозаморожених” тонких плівках золота та міді / Р.І. Бігун // “Євріка-2007”: всеукраїнська наук. конф. студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики, 24-27 травня 2007 р.: тези доп. – Львів, 2007. – C. D78.

13. Стасюк З.В. Особливості явищ переносу заряду в тонких плівках міді / З.В. Стасюк, Р.І. Бігун // Матеріали ХII міжнародного семінару з фізики та хімії твердого тіла, 24-27 травня 2006 р.: тези доп. – Львів, 2006. – С. 91.

14. Стасюк З.В. Особливості переносу заряду в ультратонких електросуцільних плівках міді / З.В. Стасюк, Р.І. Бігун // Матеріали ХI міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок, 24-27 травня 2007 р.: тези доп. – Івано-Франківськ, 2007. – С. 128.

15. Стасюк З.В. Вплив сурфактантних підшарів германію на балістичний перенос заряду в плівках міді / З.В. Стасюк, Р.І. Бігун. // “Сучасні проблеми електроніки”: матеріали міжрегіонального наукового семінару у Львівському національному університеті імені Івана Франка, 24-27 травня 2008 р.: тези доп. – Львів. – 2008. – С. 56–57.