Появление понятия «фрактал» позволило сформировать новое направление в науке. Использование фрактальных структур позволяет решить ряд задач, решение которых невозможно было достичь обычными структурами. Это, несомненно, привлекает научное сообщество проявлять все больше внимания к изучению и расширять применение таких структур.
В работе [1] было обнаружено, что при определенных условиях на проводящем покрытии могут образовываться фрактальные структуры. В данной работе приводится анализ формирования таких структур методом измерения электрических временных характеристик.
Для исследования процессов пробоя была собрана установка, схема которой представлена на рис. 1, позволяющая за счет использования индий-галлиевого жидкообразного зонда создавать высокие локальные напряженности поля и обеспечивался диаметр пятна контакта электрода с пленкой 30–50 мкм. На зонд подавалось ступенчатое напряжение положительной полярности. В качестве второго электрода использовалось проводящее покрытие на основе In2O3-SnO2 (ITO). Сопротивление резистора, ограничивающего ток, также менялось. Последовательно с образцом включалось измерительное сопротивление величиной 0,02–0,1 Ом, измерение падения напряжения на котором позволяло определять величину протекающего тока. Изменение со временем напряжения на измерительном сопротивлении фиксировалось цифровым осциллографом.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — источник напряжения; 2 — ограничительное сопротивление; 3 — зонд; 4 — пленка ITO; 5 — измерительное сопротивление; 6 — двухканальный осциллограф; 7 — компьютер
При контакте зонда с поверхностью полимерной пленки в области контакта образуется барьер Шоттки. Положительное напряжение на барьере соответствует обедняющему смещению барьера. В обедняющей области контакта из-за ударной ионизации происходит лавинное умножение носителей заряда. Этот процесс сопровождается электролюминесценцией и идет при высокой плотности тока в локальных областях его протекания (в межзеренных границах пленки). Протекание тока высокой плотности порядка 109 А/см2 приводит к образованию локального самоограничивающего шнура тока (нанопинча) и заканчивается разрушением области протекания тока. В последующие моменты времени возникает новая обедненная область, в которой повторяется ранее описанный процесс пробоя и разрушения пленки, который, таким образом, идет дискретно-непрерывно. Реализуется процесс самодвижущегося пошагового перемещения точки пробоя со скоростью примерно 1 нм/нс. В результате такого перемещения получаются протяженные фрактальные структуры, расположенные в плоскости пленки. Размеры структур достигают 2–5 мм в диаметре и зависят от величины напряжения, приложенного к начальной точке пробоя. Фрактальные структуры имеют спиралевидную форму, дополняемую многочисленными ответвлениями (рис. 2.).
Рис. 2. Оптическое изображение трека, полученного в результате разрушения пленки ITO
В результате эксперимента были получены временные зависимости тока и напряжения. Многократное повторение эксперимента вместе с анализом полученных характеристик позволили разбить их на три группы, каждую из которых характеризует свой определяющий фактор разрушения пленки. Было выяснено, что разные факторы проявляются преимущественно на пленках определенной толщины: для пленок толщиной 0,1–0,15 мкм характерен тепловой пробой, для пленок толщиной 0,2–0,3 мкм — пробой с пинч-эффектом, а для пленок толщиной 0,3–0,6 мкм после изучения трека пробоя была выдвинута гипотеза о разрушении, основанном на кулоновском взрыве.
Рис. 3. Временная характеристика тока для теплового пробоя
Характеристика на рисунке 3 является типичной для теплового разрушения пленки, в ней отсутствуют мощные пики тока и переколебания.
Рис. 4. Временная характеристика тока для пробоя с влиянием пинч-эффекта
Ярко выраженный пик тока в этой зависимости свидетельствуют о влиянии пинч-эффекта.
Рис. 5. Временная характеристика тока для пробоя с кулоновским взрывом
На рисунке 5 изображена зависимость с чрезвычайно высокими пиками тока, дополненными сильными переколебаниями в отрицательную область. Согласно гипотезе, выдвинутой в ходе работы, это объясняется тем, что структура пленки была разрушена в результате кулоновского взрыва. Кулоновский взрыв [2] сам по себе не характерен для достаточно низких напряжений и токов, задействованных в эксперименте, однако чрезвычайно высокая локальность прохождения тока (диаметр токового канала может достигать единиц нанометров), вызванная пинч-эффектом, может спровоцировать кулоновский взрыв. В дальнейшем планируется проверить наличие кулоновского взрыва во время эксперимента посредством наблюдения мягкого рентгеновского излучения, наличие которого однозначно подтвердит наличие взрыва.
В результате проделанной работы было установлено, что процессы лавинного пробоя и разрушения в пленке ITO оставляют на пленке треки, имеющие фрактальную структуру, которые могут быть использованы в разработке новых классов приборов. Например, треки от лавинного пробоя обладают довольно высокой холодной эмиссией электронов в вакуум, и в перспективе могут быть использованы для создания холодных катодов [5].
Можно предположить, что образование подобных фрактальных структур будет наблюдаться и в других поликристаллических пленках высоколегированных полупроводников [3, 4]. Дальнейшая работа будет вестись именно в направлении поиска и подбора других материалов, в которых наблюдался бы схожий эффект. Кроме того, некоторые полученные данные, к примеру, временные характеристики тока во время пробоев, представляют научный интерес для создания новых оптоэлектронных приборов [6].
Литература:
- Формирование тонкопленочных фрактальных микро- и наноструктур методом электрического разряда / Тарасов С. А, Бородзюля В. Ф. и др. // Наука и образование: технология успеха. Международная научная конференция. Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2016, С. 84–92
- Кулоновский взрыв «горячей точки» микропинчей / Орешкин В. И., Орешкин Е. В. // Журнал технической физики. 2017, том 87, вып. 1. С. 33–37.
- Основы золь-гель технологии нанокомпозитов / Максимов А. И., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Шилова О. А. Санкт-Петербург, 2008. (2-е издание).
- Золь-гель технология микро- и нанокомпозитов / Мошников В. А., Таиров Ю. М., Хамова Т. В., Шилова О. А. Санкт-Петербург, 2013.
- Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / под ред. В. В. Лучинина и Ю. М. Таирова // 120-ти летию ЭТИ, ЛЭТИ, СПбГЭТУ / М: Физматлит, 2006.
- Физика и химия материалов оптоэлектроники и наноэлектроники / Александрова О. А., Мошников В. А. // Санкт-Петербург, 2007.
