Прыжковый транспорт в наногранулированных композиционных пленках из наночастиц сплава FeCoZr, осажденных в диэлектрические матрицы Al2O3 и PZT

Аннотация

Представлены результаты изучения характеристик прыжкового переноса электронов в наногранулированных композиционных пленках (Fe_0,45Cо_0,45 Zr_0,10 )_x(Al₂O₃)_{1 – x} и (Fe_0,45Cо_0,45Zr_0,10)_x(PZT)_{1 – x} с концентрацией металлосодержащих гранул в диапазоне 0,3 < х < 0,8. Пленки толщиной 2–7 мкм получены методом ионно-лучевого распыления составных мишеней в среде чистого аргона или в смеси Ar – O₂, после чего они подвергались ступенчатому отжигу на воздухе в диапазоне температур 398 – 873 К с шагом 25 К в течение 15 мин. Осаждение композитов в смеси аргон – кислород либо отжиг на воздухе приводили к формированию наночастиц со структурой «ядро – оболочка», где оболочка состояла из собственных оксидов железа и кобальта (FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃, CoO). С точки зрения поведения адмиттанса в зависимости от концентрации, частоты и температуры σ (x, ω, T) в таких нанокомпозитах обнаружены два критических значения концентрации металлических элементов (х) – порог касания (х_с1) наночастиц оболочками и порог формирования сплошного проводящего кластера (х_с2) из ядер наночастиц (в отличие от понятия «порог перколяции» (х_с ) в теории бинарных металлодиэлектрических композитов). Значения х_с1 показывают концентрацию металлических элементов, при которой наночастицы внутри диэлектрической матрицы начинают соприкасаться друг с другом оболочками и образуют сплошной кластер «ядро – оболочка» с высокой электрической проводимостью между электродами в композитном образце. Поскольку проводимость такого кластера всегда меньше, чем проводимость только металлических наночастиц (как в бинарных нанокомпозитах), то необходимо ввести другую пороговую концентрацию (х_с2 ), при которой металлические ядра наночастиц начинают соприкасаться друг с другом. Определено, что по мере приближения к порогу касания x_c1 характерное время жизни электронов τ на наночастицах с оболочками полупроводникового типа (FeO, Fe₃O₄ ) увеличивается с 0,1 до 400,0 мкс. Это приводит к положительному фазовому сдвигу θ между приложенным напряжением и током в пленках, называемому эффектом отрицательной емкости. При этом энергетические характеристики ∆E₁ и ∆E₂, определяемые из температурных зависимостей σ(T), снижаются до значений, меньших энергии фонона kT, – от 300 до 1 мэВ. В случае преобладания вокруг наночастиц собственных оксидов железа диэлектрического типа (Fe₂O₃) возрастания τ и снижения ∆E_i не происходит, что приводит к обычному емкостному поведению нанокомпозитов с отрицательным сдвигом фазы θ между током и напряжением.