Влияние одноосного сжатия на параметры переключения в структурах на основе анодных пленок оксида ванадия

Исследования влияния давления и механических напряжений на фазовый переход металл – изолятор (ПМИ) в диоксиде ванадия являются весьма информативными с точки зрения определения механизма перехода [2], [8], [10], [12], [14]. С другой стороны, возможность управлять свойствами материала с ПМИ (например, изменяя температуру фазового перехода Tt под действием давления) представляет интерес для возможных технических приложений, в частности в микро-электромеханических системах (МЭМС). Необходимо отметить, что имеющиеся в литературе [2], [8], [14] данные о зависимости параметров ПМИ в VO2 от P достаточно противоречивы. Величина и даже знак ∂Tt существенным образом ∂P зависят от качества образцов (пленки, монокри- сталлы) и способа измерения (всестороннее или одноосное сжатие) [8], [14]. Кроме того, исследование зависимости Tt от P является важным для понимания механизмов изоструктурных кристаллографических переходов в полупроводниковой моноклинной (М1–М2) фазе VO2 [11].

В сэндвич-структурах V–VO₂-металл на основе анодных пленок оксида ванадия наблюдается эффект переключения с S-образной вольт-амперной характеристикой [6], [13], характеризующейся пороговыми напряжениями включения U_th и выключения U_off (рис. 1). Эффект отрицательного дифференциального сопротивления также потенциально перспективен для создания различных электронных устройств: переключателей, генераторов, чувствительных

Рис. 1. ВАХ исследуемой структуры металл / анодная окисная пленка ванадия / металл

элементов сенсорных систем и т. д. [5], [6], [7], [12]. Во многих случаях для технических приложений более перспективными оказываются именно не планарные, а сэндвич-структуры типа металл – диэлектрик – металл, что объясняется общей тенденцией к миниатюризации.

Пороговое напряжение U_th зависит от температуры, уменьшаясь с ростом Г [6]. В сэндвич-структурах на основе VO 2 зависимость U h (r) удовлетворительно описывается моделью критической температуры ( U h ~ 4T - T ) [2] при комнатных температурах, тогда как при низких температурах переключение имеет более сложную природу [9]. Так как T _t зависит от Р, то можно предположить, что U_th будет также зависеть от давления.

В настоящей работе мы исследовали влияние одноосного сжатия на параметры переключения в структурах на основе анодных пленок оксида ванадия. Исследуемые образцы изготавливались по методике, описанной в [13]. Давление на образец создавалось приложением нагрузки к прижимному контакту с помощью специальной электромагнитной системы [3]. Была найдена зависимость прикладываемой нагрузки (F) от постоянного тока, проходящего через электромагнит. Такая система позволяла реализовать прецизионное изменение и измерение давления по величине тока после соответствующей калибровки. Полная площадь контакта прижимного электрода (позолоченная проволока диаметром 0,5 мм, закругленная на конце) с поверхностью пленки была оценена по диаметру следа с помощью микроскопа [7] и составляла S ~ 3 · 10^–10 м². Эффективное значение давления рассчитыва-

F лось как P = —

S

.

Измеренные зависимости U _h и U_o ff при T = 293 K показаны на рис. 2; при P = P_c ≈ 100 МПа переключение исчезает (ввиду разных масштабов осей ординат для U h и U off соответствующая точка пересечения кривых 1 и 2 не указана). Зависимость U_th (P) (рис. 2, кривая 1) качественно подобна аналогичной зависимости для сэндвич-переключателя на основе V₂O₅-геля [7], в котором переключение также обусловлено развитием ПМИ в VO₂-канале [7]. Однако количественные характеристики в этих двух случаях резко различны: в [7] P_c ≈ 1500 МПа, то есть почти на порядок больше. По нашему мнению, это может быть связано с тем, что поверхность прижимного контакта (и в меньшей степени самой пленки) не является идеально плоской. В случае анодной пленки эффективная площадь физического контакта будет при этом несколько меньше вышеприведенной оценки S и реальное давление, соответственно, больше (в нашем случае в 10 раз) расчетной величины P. В отличие от плотного анодного оксида, ксерогель V₂O₅ × nH₂O, являясь полимероподобным пористым материалом [1], более пластичен, что обеспечивает сплошной контакт даже со слегка шероховатой поверхностью электрода.

Рис. 2. Зависимость пороговых параметров ВАХ ( U_th – 1, U_off – 2) от давления P

Важно подчеркнуть, что с точки зрения технических приложений (например, в качестве датчиков и преобразователей механических величин в МЭМС) структуры на основе анодных пленок оксида ванадия могут оказаться в некоторых случаях более эффективными по сравнению со структурами на основе геля [7]. Дело в том, что толщина анодной пленки составляет ~ 100 нм, в отличие от типичной толщины пленки ксерогеля (1–10 мкм), что значительно увеличивает возможную плотность размещения элементов. Кроме того, отмеченная выше разница в эффективных величинах давлений имеет положительную сторону в том смысле, что эти два типа датчиков, работающие по сути

А. А. Величко, А. Б. Черемисин, В. А. Куроптев, Г. Б. Стефанович на одном и том же материале (VO2) и на одном эффекте (ПМИ), дополняют друг друга по охватываемому диапазону рабочих усилий (давлений). При этом максимальная относительная чувствительность датчика на основе анодного

оксида будет выше:

1 ⋅∂Uth ≈-7⋅10-3МПа-Uth ∂P

(при P = 70 МПа, см. рис. 2), тогда как для струк-

туры на основе гидратированного пентаоксида ванадия [7] соответствующий показатель составляет ~ –9 × 10–4 МПа–1 при том же давлении.

Отметим, что проблема расширения диапазона измеряемых механических напряжений (или увеличение чувствительности) путем простейшего на первый взгляд технического решения – уменьшения площади прижимного контакта и тем самым увеличения P – не является тривиальной. Дело в том, что уменьшение S ниже определенного предела приведет, очевидно, просто к прокалыванию пленки. В нашем же случае, несмотря на отмеченную выше неоднородность рельефа металлического электрода в зоне контакта, этого не происходит. Это подтверждается полной обратимостью кривых на рис. 2 и воспроизводимостью результатов для каждого образца.

В заключение отметим, что полученный ре-д U „ зультат —h < 0 подтверждает данные работы [7] дP и свидетельствует о том, что в данных условиях д T „ для VO — < 0 (температура ПМИ уменьшается 2 дP с ростом P), что согласуется с результатами [14]. Что касается возможных технических приложений данного эффекта, то здесь следует еще раз подчеркнуть, что проблема поиска новых материалов для создания микросенсоров весьма актуальна в последнее время [5]. Зависимость пороговых характеристик сэндвич-переключателей от Т и P указывает на возможность их использования в качестве тонкопленочных микросенсоров температуры и механических напряжений. Кроме того, генерация релаксационных колебаний в схемах, содержащих такие элементы, позволяет реализовать датчики с частотным выходом [5], [6], обладающие целым рядом преимуществ по сравнению с преобразователями типа «измеряемая величина → напряжение». При этом важно подчеркнуть, что разработанные методы литографии по оксидам ванадия [4] предоставляют возможность формирования сенсорных систем на основе VO2 в микро- и наномасштабах.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012–2016 годы, Минобрнауки РФ, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009–2013)» (государственные контракты № 14.740.11.0895, № 14.740.11.0137, № 16.740.11.0562, № 14.740.11.1157, № 14.B37.21.0755, № 14.B37.21.0747, № 14.B37.21.1066), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (государственные контракты № 2.3282.2011, № 2.2774.2011).