Измерение электропроводности триоксида вольфрама

Цель работы: Исследование электрофизических свойств тонких пленок триоксида вольфрама (WO3).

Задачи работы:

  1. Установить возможность получения пленок WO3 с одинаковыми электрофизическими свойствами.
  2. Установить наличие пост – процессов в пленках WO3.
  3. Исследовать влияние материала подложки на электропроводность пленок WO3.
  4. Исследовать влияние паров аммиака на электропроводность пленок WO3.
  5. Установить влияние света на электропроводность пленок WO3.

Исследования проводились на программно-аппаратном экспериментальном комплексе «Электрофизика». Исследуемые образцы были получены на установке вакуумный универсальный пост «ВУП‑5М» методом термического испарения в вакууме 2•10‑3Па. Образцы для исследования, в настоящей работе, изготавливались двух типов, имеющих поперечную геометрию (рис. 1.).

На рис. 2 представлен пример кинетической кривой темнового тока, характерного для исследуемых образцов. Видно, что они имеют начальный максимум и стационарный участок. Именно по величинам тока на стационарных участках кинетических кривых для каждого напряжения строились вольт-амперные характеристики (ВАХ).

Триоксид вольфрама
Триоксид вольфрама

Характерно, что при замыкании источника напряжения (выключении напряжения) происходит т.н. «переполюсовка» — максимум тока обратной полярности, постепенно спадающий до нуля.

В первую очередь необходимо было доказать, что для пленок одинаковой толщины электропроводность так же одинакова.

На рис. 3. представлены ВАХ двух образцов Cu–WO3–Cu с пленками WO3 одинаковой толщины, но полученные в разное время. Видно, что значения темнового тока этих образцов одинаковы (в пределах погрешности весового метода определения толщины). Это свидетельствует о возможности получения образцов с заданными электрофизическими свойствами, и о том, что фактором, определяющим эти свойства, является толщина. Следует отметить, что ВАХ всех исследуемых образцов имеют линейный вид в измеряемом интервале подаваемого внешнего напряжения [-10; 10] B, т.е. сопротивление образцов не зависит от внешнего напряжения.

На рис. 4. представлены кинетические кривые темнового тока образцов Cu – WO3 – Cu II-типа на стеклянных подложках с разными по толщине (d) пленками WO3.

Видно, что образцы с меньшей толщиной пленок WO3 обладают проводимостью более высокой по сравнению с проводимостью образцов с большей толщиной пленок WO3. При этом, говорить об определенной закономерности, наблюдающегося аномального эффекта на данный момент сложно.

На рис. 5. представлены кинетические кривые темнового тока образцов с временем хранения их до 48 часов. Как и исходные кривые этих же образцов (рис. 4.), выявить какую-либо определенную зависимость происходящею в пленках WO3 по истечении 48 часов достаточно сложно.

На рис. 6. представлены кинетические кривые темнового тока образцов Cu – WO3 – Cu I и II-типа на стеклянных подложках с одинаковыми по толщине пленками WO3. Из рисунка видно, что при времени хранении образцов до двух часов, после их приготовления, проводимость образца II-типа выше, чем I-типа, что, возможно, связано с технологией получения образцов. А также вероятно, что проводимость образца II-типа увеличена за счет сорбции на поверхности WO3 некоторого количества газов из атмосферы. Однако при времени хранения этих же образцов до 48 часов значения темнового тока их отличаются уже незначительно.

Таким образом, в пленках WO3 (либо в переходах Cu–WO3) действительно имеют место пост – процессы, происходящие в течение определенного времени после нанесения, но заканчиваются ли они по истечении 48 часов после приготовления образцов утвердительно говорить нельзя, т.к. релаксационные процессы за это время протекают до какой-то определенной величины темнового тока независимо от толщины пленок WO3, а также независимо от типа образцов (I или II).

Важной задачей являлось установить влияние материала подложек, используемых для приготовления образцов, на элетрофизические свойства исследуемой тонкой диэлектрической пленки WO3, т.к. решение задачи описанной выше свелось к неопределенному мнению, касающегося времени протекания пост – процессов в пленках WO3.

На рис. 7, 8. представлены кинетические кривые темнового тока образцов на стеклянных подложках обоих типов в сравнение с образцом Cu – стекло – Cu с временем хранения их до 2-х и 48 часов, соответственно.

Как видно из рис. 8. через 48 часов проводимость образцов Cu – WO3 – Cu уменьшилась, практически, до проводимости стекла. При этом стоит отметить, что проводимость самого стекла с течением времени практически не изменялась.

Что касается образцов на стеклянных подложках с разными по толщине пленками WO3, то их проводимость через 48 часов после их приготовления также уменьшается в среднем до проводимости стекла.

С целью исключения влияния проводимости стекла на проводимость исследуемой тонкой диэлектрической пленки WO3, были приготовлены образцы Cu – WO3 – Cu I и II-типа на фторопластовх подложкх. Как известно, фторопласт является одним из лучших диэлектриков на сегодняшний день, т.е обладает очень высоким сопротивлением.

На рис. 9. представлены кинетические кривые образцов Cu – WO3 – Cu на фторопластовой (кривая 2) и на стеклянной (кривая 4) подложках с временем хранения до двух часов. Видно, что проводимость образца Cu – WO3 – Cu на фторопластовой подложке меньше не только проводимости образца Cu – WO3 – Cu на стеклянной подложке, но и меньше проводимости образца Cu –стекло – Cu (кривая 3), т.е. значения темного тока проводимости для образца на стеклянной подложке выше более, чем на порядок по сравнению с образцом на фторопластовой подложке.

Через 48 часов значения тока для образца на стеклянной подложке уменьшились в среднем в два раза по отношению к исходным значениям, т.е. его проводимость уменьшилась до проводимости стекла. Тогда как значения темнового тока для образца на фторопластовой подложке уменьшились в среднем в пять раз по отношению к исходным значениям.

На рис. 10. представлены кинетические кривые образца Cu – WO3 – Cu I-типа на фторопластовой подложке при разных временах его хранения. Видно, что релаксационные процессы в этом образце продолжаются также и по истечении 48 часов, после его приготовления в отличие от образцов на стеклянных подложках.

Что касается образца Cu – WO3 – Cu II-типа на фторопластовой подложке при разных временах его хранения, то как и в предыдущем случае, релаксационные процессы в этом образце продолжаются также и по истечении 48 часов, после его приготовления.

С научно-практической точки зрения актуальной является задача установления наличия чувствительности у тонких пленок WO3 к различным газам, в частности к парам аммиака. Для решения этой задачи были проведены эксперименты с целью получения данных, подтверждающих предполагаемую чувствительность. При измерении темнового тока образцов, полученных по вышеописанной методике, измерительную ячейку наполняли парами аммиака, причем наполнение проводили только после установления стационарных значений темнового тока. В момент наполнения ячейки аммиаком наблюдалось резкое увеличение тока и такая же резкая релаксация его до стационарных значений темнового тока. На рис. 11. представлен пример кинетической кривой, характерной для наблюдавшегося эффекта.

Стоит отметить, что на фоне резкой релаксации, в целом, наблюдается увеличение темнового тока на всем временном интервале введения паров аммиака по сравнению со стационарными значениями темнового тока, установившиеся до момента подачи газа в ячейку. После прекращения подачи аммиака наблюдается медленная релаксация увеличивавшегося тока до первоначальных стационарных значений темнового тока, по мере самопроизвольного удаления паров аммиака из измерительной ячейки, т.е. по мере уменьшения концентрации введенного парообразного аммиака.

Установление влияния света на электропроводность WO3 позволит открыть весьма перспективные пути в исследовании электрофизических свойств этого объекта.

На рис. 12. представлены кинетические кривые образцов Cu – WO3 – Cu на фторопластовой и на стеклянной подложках при фотовоздействии полного спектра света лампы ДКсШ-1000. Видно, что световой ток появляется сразу после открытия фотозатвора на измерительной ячейки, т.е. с момента начала экспонирования образца. Следует отметить, что из-за ограничения по времени возможности измерительной системы записывать измеряемый сигнал, эксперимент не был доведен до конца. То есть, не были зафиксированы стационарные значения светового тока.

Судя по внешнему виду этих кривых, характер изменения проводимости этих образцов при экспонировании одинаков. То есть можно предположить, что природа фотопроцессов происходящих в них не зависит от материала подложки, и значит, фоточувствительна именно тонкая пленка WO3.

Выводы:

  1. Установлена возможность получения пленок WO3 с одинаковыми электрофизическими свойствами.
  2. Установлено наличие пост – процессов в пленках WO3.
  3. Исследовано влияние материала подложки на электропроводность пленок WO3.
  4. Впервые установлено влияние паров аммиака на электропроводность пленок WO3.
  5. Установлено влияние света на электропроводность пленок WO3.
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector