eng
Выпуск #6/2025
С.В.Сидорова, С.В.Кирьянов, А.М.Наумова, Е.С.Щербак
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСТРУКТУР
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСТРУКТУР
Просмотры: 929
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.380.390
Представлены результаты физического моделирования функциональных характеристик датчиков полей и сред на основе островковых наноструктур в зависимости от их размеров. Показаны преимущества применения кобальта и никеля для датчиков слабых магнитных полей и алюминия с поверхностным слоем оксида алюминия – для датчика газовой среды. Приведены результаты зависимостей физических параметров магнитного поля и туннельной проводимости в островковых слоях кобальта и алюминия, соответственно, от расстояний между островковыми наноструктурами.
Представлены результаты физического моделирования функциональных характеристик датчиков полей и сред на основе островковых наноструктур в зависимости от их размеров. Показаны преимущества применения кобальта и никеля для датчиков слабых магнитных полей и алюминия с поверхностным слоем оксида алюминия – для датчика газовой среды. Приведены результаты зависимостей физических параметров магнитного поля и туннельной проводимости в островковых слоях кобальта и алюминия, соответственно, от расстояний между островковыми наноструктурами.
Теги: gas sensors nanostructures physical modelling weak magnetic fields sensors газовые датчики датчики слабых магнитных полей наноструктуры физическое моделирование
Получено: 8.09.2025 г. | Принято: 15.09.2025 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.380.390
Научная статья
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСТРУКТУР
С.В.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
С.В.Кирьянов1, асп., ORCID: 0009-0004-7627-2675
А.М.Наумова1, студ., ORCID: 0009-0008-1215-4855
Е.С.Щербак1, студ., ORCID: 0009-0007-2452-3999
Аннотация. Представлены результаты физического моделирования функциональных характеристик датчиков полей и сред на основе островковых наноструктур в зависимости от их размеров. Показаны преимущества применения кобальта и никеля для датчиков слабых магнитных полей и алюминия с поверхностным слоем оксида алюминия – для датчика газовой среды. Приведены результаты зависимостей физических параметров магнитного поля и туннельной проводимости в островковых слоях кобальта и алюминия, соответственно, от расстояний между островковыми наноструктурами.
Ключевые слова: наноструктуры, датчики слабых магнитных полей, газовые датчики, физическое моделирование
Для цитирования: С.В. Сидорова, С.В. Кирьянов, А.М. Наумова, Е.С. Щербак. Моделирование физических характеристик металлических островковых наноструктур. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 380–390. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.380.390.
ВВЕДЕНИЕ
Островковые тонкие пленки (ОТП) представляют собой особый тип структур, обладающих рядом свойств, востребованных в современных технологиях [1]. Благодаря своей чувствительности к внешним воздействиям и возможностям управления проводимостью на наноуровне, такие пленки находят применение в различных типах сенсорных устройств [2–4].
Благодаря своим уникальным свойствам – спин-зависимой туннельной проводимости и высокой чувствительности к внешним воздействиям – ОТП находят применение в составе спин-туннельных магниторезистивных (СТМР) датчиков и газочувствительных сенсоров [2, 5–7].
Современные сенсорные технологии стремительно развиваются в направлении миниатюризации, повышения чувствительности и энергоэффективности. Особое внимание при этом уделяется разработке новых функциональных материалов, способных обеспечивать высокую селективность и стабильность при воздействии внешних полей и химических веществ. Одним из таких решений являются островковые тонкие пленки, обладающие уникальными свойствами, обусловленными их наноразмерной структурой и туннельным характером проводимости [8–10].
ОТП находят применение в чувствительных слоях датчиков полей и сред. Например, в СТМР датчиках, чувствительных к слабым магнитным полям, а также в газочувствительных сенсорах, реагирующих на присутствие молекул таких веществ, как аммиак. Морфология и структура ОТП напрямую влияют на чувствительные свойства устройств, что требует тщательной отработки режимов их формирования и понимания механизмов взаимодействия с внешними воздействиями (полями и средами) [11, 12].
Газочувствительные сенсоры находят широкое применение в экологии, промышленной безопасности, медицине, сельском хозяйстве и в системах мониторинга окружающей среды [5–7]. Они необходимы для своевременного обнаружения утечек газов, оценки загрязнений, а также контроля технологических процессов, где присутствие или концентрация определенных газов критически важны.
Современные задачи требуют от таких сенсоров высокой чувствительности, быстрого отклика, миниатюризации и экономичности, особенно в условиях низких концентраций газов. В этом контексте перспективным направлением является использование островковой тонкой пленки в качестве активного чувствительного слоя.
Благодаря развитой поверхности, межостровковым зазорам и высокой чувствительности туннельной проводимости к поверхностным явлениям, ОТП позволяет значительно повысить время отклика сенсора на молекулы газа, даже при их низкой концентрации, сохраняя при этом относительную простоту технологии изготовления.
Магнитные датчики играют ключевую роль в различных отраслях – от промышленной автоматики и транспорта до медицины и аэрокосмической техники. Они используются для измерения, контроля и регистрации магнитных полей и перемещений объектов [2–4]. Современные требования к таким сенсорам включают высокую чувствительность, стабильность характеристик, миниатюризацию и экономическую эффективность.
Одним из перспективных решений для повышения чувствительности и снижения себестоимости является использование островковой тонкой пленки в качестве основного чувствительного элемента. Такие структуры, благодаря своим уникальным морфологическим и магнитным свойствам, позволяют реализовать СТМР датчики, сочетающие высокую чувствительность с технологичностью и возможностью масштабного производства [13, 14].
Целью работы является моделирование физических характеристик островковых наноструктур в зависимости от их размеров.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Выбор материалов для моделирования обоснован задачами, которые решаются в лаборатории "Нано- и микротехнологии" кафедры "Электронные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Так, для датчиков полей и сред актуальными являются функциональные материалы, такие как кобальт, никель, алюминий, из которых требуется формирование островковых слоев нанометрового размера. Для диэлектрических слоев, которые выступают в роли изоляционных и защитных покрытий, применяются оксиды металлов, например оксид алюминия и оксид титана. Основой для формирования требуемых структур для датчиков газовых сенсоров могут являться диэлектрические подложки из стекла, керамики, даже полимеров. Требования к изоляционным свойствам подложки датчиков газа обусловлены необходимостью активации проводящих свойств островковых наноструктур, а не проводимости подложки. Основой для датчиков магнитного поля могут выступать как диэлектрические подложки, так и полупроводниковые. В работе моделирование проводили для кремниевых подложек.
Моделирование в среде физического моделирования включает в себя следующие этапы: построение модели, выбор материалов функциональных слоев, задание условий реализации физических явлений, построение сетки, расчет (рис.1).
В качестве варьируемых параметров для массивов островковых наноструктур будет выступать расстояние между островками и количество слоев датчиков магнитных полей. Для датчика газа будет сформирован только монослой островковых структур (рис.2).
Разрабатываемые модели для проводимости основаны на том, что, если два электрода разделены тонким изолирующим слоем, и слой достаточно тонкий (нанометрового размера), между ними может протекать ток благодаря туннельному эффекту. Первые теоретические исследования этого явления для низких и высоких напряжений провели Зоммерфельд и Бете. Позже Хольм расширил теорию для промежуточных напряжений. Однако эти исследования охватывали разные диапазоны напряжений и использовали различные подходы, что привело к необходимости создания единой теории.
Зоммерфельд и Бете первыми вывели уравнения для плотности тока, проходящего через прямоугольный барьер. Чтобы получить аналитическое решение, Зоммерфельд и Бете аппроксимировали барьер симметричной параболой. Позже Холм и Киршштейн, используя тот же метод, улучшили результаты Зоммерфельда и Бете, используя симметричную параболу, которая лучше соответствовала потенциальному барьеру. Диапазон и применимость этого типа аппроксимации ограничены. Холм упростил задачу о потенциале изображения для диапазона промежуточных напряжений, скорректировав вычисления на основе прямоугольного барьера, используя результаты, полученные Холмом и Кирштейном для случая низкого напряжения. Когда два металлических электрода разделены изолирующей пленкой, условия равновесия требуют, чтобы верхняя граница запрещенной зоны изолятора находилась выше уровня Ферми электродов. Таким образом, изолирующая пленка создает потенциальный барьер между электродами, препятствующий туннелированию электронов [15].
Для оценки проводящих характеристик островковых тонких пленок были выполнены численные модели распределения туннельного тока между металлическими островками. В качестве основополагающего взаимодействия использовалась модель проводимости Сименса, которая накладывалась переменной на диэлектрическую прослойку. Для всех остальных проводимость была постоянной. С учетом приближений для потенциальных барьеров в системе "металл – диэлектрик – металл" процесс электронного транспорта в системе (между двумя проводниками, разделенными туннельными барьерами) определяют длина туннельного барьера, работа выхода электронов из электродов φ– и приложенное напряжение V. В такой системе, в зависимости от величины V, возможна реализация двух основных механизмов туннельного электронного транспорта. В случае его малого значения (eV < φ–) происходит прямое туннелирование электронов с одного электрода на другой (рис.3а), в случае же (eV > φ–) происходит холодная (полевая) эмиссия электронов с одного из электродов (рис.3b).
Среда моделирования позволяет параметризировать геометрические параметры, поэтому для исследования датчика с определенным количеством слоев использовалась одна модель, в которой возможно задавать диапазон расстояний между островками.
При создании расчетных моделей учитываются следующие требования к датчикам магнитных полей: латеральный размер островков кобальта – 140 нм, высота – 70 нм; латеральный размер и высота островков никеля – 60 нм, высота – 30 нм; расстояние между островками – 1…10 нм; толщина оксидного слоя над ОТП никеля и кобальта – 5 нм. Медные электроды имеют толщину 500 нм, кремниевая подложка – 20 нм (берем поверхностный слой подложки для оптимизации времени моделирования). К датчикам газовой среды: латеральный размер островков алюминия – 60 нм, высота – 30 нм; расстояние между островками – 2…10 нм; толщина оксидного слоя – от 0,5 до 5 нм. Медные электроды имеют толщину 500 нм, керамическая подложка – 20 нм (берем поверхностный слой подложки для оптимизации времени моделирования).
После проведения расчета для анализа представляется карта моделирования электрических и магнитных полей и физических характеристик ОТП.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При проведении моделирования проводимости в слое островковых наноструктур из алюминия результат представлен в виде 2D-модели, демонстрирующей самые напряженные (высокие по значениям проводимости) участки – это места соприкосновения островковых наноструктур (рис.4).
Видно, что концентрация плотности тока находится в месте, где островки находятся ближе всего к друг другу, так как именно там происходит туннелирование электронов через диэлектрический слой оксида алюминия.
Для обеспечения туннелирования необходима наибольшая толщина оксидного слоя, при котором происходит туннелирование. Ведь при взаимодействии с газом-аналитом в оксидном слое возникают вакансии, то есть толщина уменьшается, а, следовательно, увеличиваются концентрация кислородных вакансий и вероятность туннелирования.
Для расстояния между островками до 10 нм при наличии оксидного слоя плотность тока составляет 5,00 ∙ 106 А/м2, в сравнении с плотностью тока при отсутствии оксидного слоя для того же расстояния между островками – 1,55 ∙ 106 А/м2. Результаты моделирования проводимости показали, что плотность распределения при наличии оксидного слоя выше, что говорит о возможности увеличения допуска на расстояние между островками и облегчает процесс получения островковой структуры.
Проводимость островкового слоя в газовой среде изменяется, что также подтверждено результатами моделирования. При воздействии аммиака на поверхность алюминиевых покрытий происходит замещение оксидного слоя на алюминат аммония, толщина которого может достигать ~3 нм. Этот процесс снижает работу выхода электронов и изменяет барьерную структуру на поверхности, что приводит к изменению проводимости покрытия.
Полученные модели (рис.5) подтвердили, что замещение оксида на алюминат аммония снижает потенциальный барьер и приводит к возрастанию тока через пленку. Для островковых структур эффект выражен сильнее за счет экспоненциальной зависимости туннельного тока от барьерных параметров.
Для островковых пленок экспериментально зафиксирован рост туннельного тока в процессе контакта с газом. Это объясняется тем, что адсорбция NH₃ снижает высоту туннельных барьеров между островками, что вызывает увеличение тока. Количественная оценка изменения тока пока не моделировалась, однако наблюдаемый отклик подтверждает высокую чувствительность ОТП к газовой среде. Моделирование показывает, что даже в сплошных покрытиях эффект от NH₃ выражен. Однако именно островковые пленки демонстрируют наибольший потенциал для применения в чувствительных газовых сенсорах, благодаря ярко выраженному туннельному механизму проводимости, чувствительному к поверхностным химическим модификациям.
Изменение проводимости под воздействием магнитного поля лежит в основе работы СТМР-датчиков, чувствительных к относительной ориентации магнитных моментов в многослойных структурах. Для оценки поведения материалов в магнитном поле были проведены численные моделирования для островковых и сплошных пленок кобальта и никеля (рис.6).
Согласно расчетам, никель полностью перемагничивается в выбранном диапазоне, в то время как кобальт остается в исходном состоянии, сохраняя направление намагниченности. Это ключевое условие для появления эффекта спин-зависимого туннелирования.
Моделирование демонстрирует широкий отклик даже в слабых магнитных полях (единицы десятков мкТл) и максимальное изменение сопротивления достигает −45%. Следует отметить, что кривая имеет четкий симметричный вид с пиком при B = 0. Это свидетельствует о высокой чувствительности туннельной проводимости к относительной ориентации спинов в материалах с разной коэрцитивностью. Показано, что островковые тонкие пленки обладают существенно более высоким магниточувствительным откликом, чем сплошные пленки. Это связано с туннельным характером проводимости, который остро реагирует на перемагничивание магнитомягкого слоя. Такие свойства делают ОТП идеальным кандидатом для применения в составе высокочувствительных СТМР-датчиков, способных работать в слабых магнитных полях.
Для оценки магнитных свойств островковых пленок было проведено численное моделирование перемагничивания отдельных островков кобальта и никеля во внешнем магнитном поле. Расчеты выполнены в трехмерной постановке с учетом реальной геометрии островков и распределения магнитной индукции в пространстве (рис.7).
Моделирование показало принципиальное различие в поведении кобальтовых и никелевых островков: кобальт сохраняет устойчивую намагниченность, тогда как никель легко перемагничивается. Такая комбинация материалов позволяет реализовать спин-зависимое туннелирование в магниточувствительных структурах с высокой контрастностью отклика.
Проводимость в магнитном поле слоев ферромагнитных островковых тонких пленок при многослойном их формировании обусловлена в том числе и изменением напряженности магнитного поля в островке по его высоте (рис.8).
Моделирование показало, что напряженность магнитного поля распределяется в островке неравномерно, имея максимальные значения в нижней точке островка. Значение напряженности изменяется по закону близкому к затухающей синусоиде.
заключение
Проведено физическое моделирование для исследования магнитных свойств островков кобальта от расстояния между островками и количества слоев в датчике. Выявлено, что магнитный скалярный потенциал принимает наибольшие значения в слоях, расположенных к магниту наиболее близко. Для равномерного распределения напряженности магнитного поля необходимо формировать датчик с четным количеством слоев. При моделировании влияния магнитного поля на проводимость островковой структуры получено изменение сопротивления до –45% при ±20 мкТл. Для сплошных структур сопротивление меняется слабее – до –4% по модели и ~–3% по эксперименту при ±1000 мкТл.
Построена модель газового сенсора в программе мультифизического моделирования, используя формулу туннельной проводимости по модели Сименса, которая показывает плотность распределения тока в островковых наноструктурах при толщине оксидного слоя от 0,5 до 5 нм: при увеличении оксидного слоя – плотность тока уменьшается. Проведено сравнение распределения плотности тока от расстояния между островками с оксидным слоем и без него. Полученная зависимость показывает, что наилучшими характеристиками обладает газовый сенсор на островковых наноструктурах с оксидным слоем. Таким образом, при наличии оксида алюминия допуск на расстояние между островками можно расширить, что позволит упростить технологию формирования островкового слоя. В ОТП алюминия увеличение толщины замещенного слоя на поверхности приводит к резкому росту туннельного тока, за счет экспоненциальной зависимости от барьера.
В результате проведения моделирования установлено, что правильный подбор геометрии, материалов и структуры островков позволяет обеспечить как магниточувствительность ферромагнитных островковых наноструктур, так и газочувствительность алюминиевых островковых тонких пленок.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кирьянов С.В., Юркин Н.О, Журавлева В.С., Гуляева П.С., Сидорова С.В. Исследования свойств металлических островковых тонких пленок для применения в изделиях наноэлектроники. 2022. XXIX Научно-техническая конференция "Вакуумная наука и техника". С. 239–251.
Шерстнев И.А. Электронный транспорт и магнитная структура систем наноостровов из ферромагнитных материалов. 2014. Дисс., 112 c.
Баранова В.Е. Измерение слабого магнитного поля на основе феррозондового датчика. 2015. Дисс., 134 c.
Томилин С.В., Бержанский В.Н., Милюкова Е.Т., Томилина О.А., Яновский А.С. Особенности электрической проводимости наноостровковых металлических пленок. Физика твердого тела. 2018. Т. 60. Вып. 7. С. 1251–1259.
Добровольский Ю.А., Леонова Л.С., Укше А.Е., Левченко А.В., Баранов А.М., Васильев А.А. Портативные сенсоры для анализа водорода. Российский химический журнал. Проблемы водородной энергетики. 2006. № 6. Т. 50. С. 120–126.
Гаман В.И. Физика полупроводниковых газовых сенсоров: монография. Томск: Изд-во НТЛ, 2012.
Лагутин А.С., Васильев А.А. Твердотельные газовые сенсоры. Журнал аналитической химии. 2022. T. 77. № 2. С. 100–116.
Сидорова С.В., Юрченко П.И. Формирование островковых наноструктур в вакууме. Электронное научно-техническое издание "Наука и образование", 2011. С. 1–9.
Болтаев А.П., Пенин Н.А., Погосов А.О., Пудонин Ф.А. Активационная проводимость в островковых металлических пленках. ЖЭТФ. 2004. Т. 126. № 4. С. 954.
Болтаев А.П., Пудонин Ф.А., Шерстнев И.А. Особенности магнитосопротивления многослойных систем магнитных наноостровков в слабых магнитных полях. ФТ. Т. 2011. Т. 53. № 5. С. 892.
Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Данилюк А.Л., Уткина Е.А. Наноэлектроника: теория и практика: учебник. М.: Лаборатория знаний, 2020. 369 c.
Рембеза С.И. и др. Низкоразмерные структуры для микро- и наноэлектроники: учеб. пособие Электрон. текстовые и граф. данные. [Электронный ресурс]. Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2015.
Савич В.А. Наноструктурированные защитные покрытия с гидрофобными свойствами. 2016. автореф. дисс. магистра технических наук, Минск. С. 1–41.
Морозов А.И., Сигов А.С. Однонаправленная анизотропия в системе ферромагнетик-антиферромагнетик. ФТ. Т. 2002. Т. 44. № 11. С. 2004.
Simmons J.G. Generalized Formula for the Electric Tunnel Effect between Similar Electrodes Separated by a Thin Insulating Film. Journal of applied physics. 1963. Vol. 34. No. 6. PP. 1793–1803.
Научная статья
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСТРУКТУР
С.В.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
С.В.Кирьянов1, асп., ORCID: 0009-0004-7627-2675
А.М.Наумова1, студ., ORCID: 0009-0008-1215-4855
Е.С.Щербак1, студ., ORCID: 0009-0007-2452-3999
Аннотация. Представлены результаты физического моделирования функциональных характеристик датчиков полей и сред на основе островковых наноструктур в зависимости от их размеров. Показаны преимущества применения кобальта и никеля для датчиков слабых магнитных полей и алюминия с поверхностным слоем оксида алюминия – для датчика газовой среды. Приведены результаты зависимостей физических параметров магнитного поля и туннельной проводимости в островковых слоях кобальта и алюминия, соответственно, от расстояний между островковыми наноструктурами.
Ключевые слова: наноструктуры, датчики слабых магнитных полей, газовые датчики, физическое моделирование
Для цитирования: С.В. Сидорова, С.В. Кирьянов, А.М. Наумова, Е.С. Щербак. Моделирование физических характеристик металлических островковых наноструктур. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 380–390. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.380.390.
ВВЕДЕНИЕ
Островковые тонкие пленки (ОТП) представляют собой особый тип структур, обладающих рядом свойств, востребованных в современных технологиях [1]. Благодаря своей чувствительности к внешним воздействиям и возможностям управления проводимостью на наноуровне, такие пленки находят применение в различных типах сенсорных устройств [2–4].
Благодаря своим уникальным свойствам – спин-зависимой туннельной проводимости и высокой чувствительности к внешним воздействиям – ОТП находят применение в составе спин-туннельных магниторезистивных (СТМР) датчиков и газочувствительных сенсоров [2, 5–7].
Современные сенсорные технологии стремительно развиваются в направлении миниатюризации, повышения чувствительности и энергоэффективности. Особое внимание при этом уделяется разработке новых функциональных материалов, способных обеспечивать высокую селективность и стабильность при воздействии внешних полей и химических веществ. Одним из таких решений являются островковые тонкие пленки, обладающие уникальными свойствами, обусловленными их наноразмерной структурой и туннельным характером проводимости [8–10].
ОТП находят применение в чувствительных слоях датчиков полей и сред. Например, в СТМР датчиках, чувствительных к слабым магнитным полям, а также в газочувствительных сенсорах, реагирующих на присутствие молекул таких веществ, как аммиак. Морфология и структура ОТП напрямую влияют на чувствительные свойства устройств, что требует тщательной отработки режимов их формирования и понимания механизмов взаимодействия с внешними воздействиями (полями и средами) [11, 12].
Газочувствительные сенсоры находят широкое применение в экологии, промышленной безопасности, медицине, сельском хозяйстве и в системах мониторинга окружающей среды [5–7]. Они необходимы для своевременного обнаружения утечек газов, оценки загрязнений, а также контроля технологических процессов, где присутствие или концентрация определенных газов критически важны.
Современные задачи требуют от таких сенсоров высокой чувствительности, быстрого отклика, миниатюризации и экономичности, особенно в условиях низких концентраций газов. В этом контексте перспективным направлением является использование островковой тонкой пленки в качестве активного чувствительного слоя.
Благодаря развитой поверхности, межостровковым зазорам и высокой чувствительности туннельной проводимости к поверхностным явлениям, ОТП позволяет значительно повысить время отклика сенсора на молекулы газа, даже при их низкой концентрации, сохраняя при этом относительную простоту технологии изготовления.
Магнитные датчики играют ключевую роль в различных отраслях – от промышленной автоматики и транспорта до медицины и аэрокосмической техники. Они используются для измерения, контроля и регистрации магнитных полей и перемещений объектов [2–4]. Современные требования к таким сенсорам включают высокую чувствительность, стабильность характеристик, миниатюризацию и экономическую эффективность.
Одним из перспективных решений для повышения чувствительности и снижения себестоимости является использование островковой тонкой пленки в качестве основного чувствительного элемента. Такие структуры, благодаря своим уникальным морфологическим и магнитным свойствам, позволяют реализовать СТМР датчики, сочетающие высокую чувствительность с технологичностью и возможностью масштабного производства [13, 14].
Целью работы является моделирование физических характеристик островковых наноструктур в зависимости от их размеров.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Выбор материалов для моделирования обоснован задачами, которые решаются в лаборатории "Нано- и микротехнологии" кафедры "Электронные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Так, для датчиков полей и сред актуальными являются функциональные материалы, такие как кобальт, никель, алюминий, из которых требуется формирование островковых слоев нанометрового размера. Для диэлектрических слоев, которые выступают в роли изоляционных и защитных покрытий, применяются оксиды металлов, например оксид алюминия и оксид титана. Основой для формирования требуемых структур для датчиков газовых сенсоров могут являться диэлектрические подложки из стекла, керамики, даже полимеров. Требования к изоляционным свойствам подложки датчиков газа обусловлены необходимостью активации проводящих свойств островковых наноструктур, а не проводимости подложки. Основой для датчиков магнитного поля могут выступать как диэлектрические подложки, так и полупроводниковые. В работе моделирование проводили для кремниевых подложек.
Моделирование в среде физического моделирования включает в себя следующие этапы: построение модели, выбор материалов функциональных слоев, задание условий реализации физических явлений, построение сетки, расчет (рис.1).
В качестве варьируемых параметров для массивов островковых наноструктур будет выступать расстояние между островками и количество слоев датчиков магнитных полей. Для датчика газа будет сформирован только монослой островковых структур (рис.2).
Разрабатываемые модели для проводимости основаны на том, что, если два электрода разделены тонким изолирующим слоем, и слой достаточно тонкий (нанометрового размера), между ними может протекать ток благодаря туннельному эффекту. Первые теоретические исследования этого явления для низких и высоких напряжений провели Зоммерфельд и Бете. Позже Хольм расширил теорию для промежуточных напряжений. Однако эти исследования охватывали разные диапазоны напряжений и использовали различные подходы, что привело к необходимости создания единой теории.
Зоммерфельд и Бете первыми вывели уравнения для плотности тока, проходящего через прямоугольный барьер. Чтобы получить аналитическое решение, Зоммерфельд и Бете аппроксимировали барьер симметричной параболой. Позже Холм и Киршштейн, используя тот же метод, улучшили результаты Зоммерфельда и Бете, используя симметричную параболу, которая лучше соответствовала потенциальному барьеру. Диапазон и применимость этого типа аппроксимации ограничены. Холм упростил задачу о потенциале изображения для диапазона промежуточных напряжений, скорректировав вычисления на основе прямоугольного барьера, используя результаты, полученные Холмом и Кирштейном для случая низкого напряжения. Когда два металлических электрода разделены изолирующей пленкой, условия равновесия требуют, чтобы верхняя граница запрещенной зоны изолятора находилась выше уровня Ферми электродов. Таким образом, изолирующая пленка создает потенциальный барьер между электродами, препятствующий туннелированию электронов [15].
Для оценки проводящих характеристик островковых тонких пленок были выполнены численные модели распределения туннельного тока между металлическими островками. В качестве основополагающего взаимодействия использовалась модель проводимости Сименса, которая накладывалась переменной на диэлектрическую прослойку. Для всех остальных проводимость была постоянной. С учетом приближений для потенциальных барьеров в системе "металл – диэлектрик – металл" процесс электронного транспорта в системе (между двумя проводниками, разделенными туннельными барьерами) определяют длина туннельного барьера, работа выхода электронов из электродов φ– и приложенное напряжение V. В такой системе, в зависимости от величины V, возможна реализация двух основных механизмов туннельного электронного транспорта. В случае его малого значения (eV < φ–) происходит прямое туннелирование электронов с одного электрода на другой (рис.3а), в случае же (eV > φ–) происходит холодная (полевая) эмиссия электронов с одного из электродов (рис.3b).
Среда моделирования позволяет параметризировать геометрические параметры, поэтому для исследования датчика с определенным количеством слоев использовалась одна модель, в которой возможно задавать диапазон расстояний между островками.
При создании расчетных моделей учитываются следующие требования к датчикам магнитных полей: латеральный размер островков кобальта – 140 нм, высота – 70 нм; латеральный размер и высота островков никеля – 60 нм, высота – 30 нм; расстояние между островками – 1…10 нм; толщина оксидного слоя над ОТП никеля и кобальта – 5 нм. Медные электроды имеют толщину 500 нм, кремниевая подложка – 20 нм (берем поверхностный слой подложки для оптимизации времени моделирования). К датчикам газовой среды: латеральный размер островков алюминия – 60 нм, высота – 30 нм; расстояние между островками – 2…10 нм; толщина оксидного слоя – от 0,5 до 5 нм. Медные электроды имеют толщину 500 нм, керамическая подложка – 20 нм (берем поверхностный слой подложки для оптимизации времени моделирования).
После проведения расчета для анализа представляется карта моделирования электрических и магнитных полей и физических характеристик ОТП.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При проведении моделирования проводимости в слое островковых наноструктур из алюминия результат представлен в виде 2D-модели, демонстрирующей самые напряженные (высокие по значениям проводимости) участки – это места соприкосновения островковых наноструктур (рис.4).
Видно, что концентрация плотности тока находится в месте, где островки находятся ближе всего к друг другу, так как именно там происходит туннелирование электронов через диэлектрический слой оксида алюминия.
Для обеспечения туннелирования необходима наибольшая толщина оксидного слоя, при котором происходит туннелирование. Ведь при взаимодействии с газом-аналитом в оксидном слое возникают вакансии, то есть толщина уменьшается, а, следовательно, увеличиваются концентрация кислородных вакансий и вероятность туннелирования.
Для расстояния между островками до 10 нм при наличии оксидного слоя плотность тока составляет 5,00 ∙ 106 А/м2, в сравнении с плотностью тока при отсутствии оксидного слоя для того же расстояния между островками – 1,55 ∙ 106 А/м2. Результаты моделирования проводимости показали, что плотность распределения при наличии оксидного слоя выше, что говорит о возможности увеличения допуска на расстояние между островками и облегчает процесс получения островковой структуры.
Проводимость островкового слоя в газовой среде изменяется, что также подтверждено результатами моделирования. При воздействии аммиака на поверхность алюминиевых покрытий происходит замещение оксидного слоя на алюминат аммония, толщина которого может достигать ~3 нм. Этот процесс снижает работу выхода электронов и изменяет барьерную структуру на поверхности, что приводит к изменению проводимости покрытия.
Полученные модели (рис.5) подтвердили, что замещение оксида на алюминат аммония снижает потенциальный барьер и приводит к возрастанию тока через пленку. Для островковых структур эффект выражен сильнее за счет экспоненциальной зависимости туннельного тока от барьерных параметров.
Для островковых пленок экспериментально зафиксирован рост туннельного тока в процессе контакта с газом. Это объясняется тем, что адсорбция NH₃ снижает высоту туннельных барьеров между островками, что вызывает увеличение тока. Количественная оценка изменения тока пока не моделировалась, однако наблюдаемый отклик подтверждает высокую чувствительность ОТП к газовой среде. Моделирование показывает, что даже в сплошных покрытиях эффект от NH₃ выражен. Однако именно островковые пленки демонстрируют наибольший потенциал для применения в чувствительных газовых сенсорах, благодаря ярко выраженному туннельному механизму проводимости, чувствительному к поверхностным химическим модификациям.
Изменение проводимости под воздействием магнитного поля лежит в основе работы СТМР-датчиков, чувствительных к относительной ориентации магнитных моментов в многослойных структурах. Для оценки поведения материалов в магнитном поле были проведены численные моделирования для островковых и сплошных пленок кобальта и никеля (рис.6).
Согласно расчетам, никель полностью перемагничивается в выбранном диапазоне, в то время как кобальт остается в исходном состоянии, сохраняя направление намагниченности. Это ключевое условие для появления эффекта спин-зависимого туннелирования.
Моделирование демонстрирует широкий отклик даже в слабых магнитных полях (единицы десятков мкТл) и максимальное изменение сопротивления достигает −45%. Следует отметить, что кривая имеет четкий симметричный вид с пиком при B = 0. Это свидетельствует о высокой чувствительности туннельной проводимости к относительной ориентации спинов в материалах с разной коэрцитивностью. Показано, что островковые тонкие пленки обладают существенно более высоким магниточувствительным откликом, чем сплошные пленки. Это связано с туннельным характером проводимости, который остро реагирует на перемагничивание магнитомягкого слоя. Такие свойства делают ОТП идеальным кандидатом для применения в составе высокочувствительных СТМР-датчиков, способных работать в слабых магнитных полях.
Для оценки магнитных свойств островковых пленок было проведено численное моделирование перемагничивания отдельных островков кобальта и никеля во внешнем магнитном поле. Расчеты выполнены в трехмерной постановке с учетом реальной геометрии островков и распределения магнитной индукции в пространстве (рис.7).
Моделирование показало принципиальное различие в поведении кобальтовых и никелевых островков: кобальт сохраняет устойчивую намагниченность, тогда как никель легко перемагничивается. Такая комбинация материалов позволяет реализовать спин-зависимое туннелирование в магниточувствительных структурах с высокой контрастностью отклика.
Проводимость в магнитном поле слоев ферромагнитных островковых тонких пленок при многослойном их формировании обусловлена в том числе и изменением напряженности магнитного поля в островке по его высоте (рис.8).
Моделирование показало, что напряженность магнитного поля распределяется в островке неравномерно, имея максимальные значения в нижней точке островка. Значение напряженности изменяется по закону близкому к затухающей синусоиде.
заключение
Проведено физическое моделирование для исследования магнитных свойств островков кобальта от расстояния между островками и количества слоев в датчике. Выявлено, что магнитный скалярный потенциал принимает наибольшие значения в слоях, расположенных к магниту наиболее близко. Для равномерного распределения напряженности магнитного поля необходимо формировать датчик с четным количеством слоев. При моделировании влияния магнитного поля на проводимость островковой структуры получено изменение сопротивления до –45% при ±20 мкТл. Для сплошных структур сопротивление меняется слабее – до –4% по модели и ~–3% по эксперименту при ±1000 мкТл.
Построена модель газового сенсора в программе мультифизического моделирования, используя формулу туннельной проводимости по модели Сименса, которая показывает плотность распределения тока в островковых наноструктурах при толщине оксидного слоя от 0,5 до 5 нм: при увеличении оксидного слоя – плотность тока уменьшается. Проведено сравнение распределения плотности тока от расстояния между островками с оксидным слоем и без него. Полученная зависимость показывает, что наилучшими характеристиками обладает газовый сенсор на островковых наноструктурах с оксидным слоем. Таким образом, при наличии оксида алюминия допуск на расстояние между островками можно расширить, что позволит упростить технологию формирования островкового слоя. В ОТП алюминия увеличение толщины замещенного слоя на поверхности приводит к резкому росту туннельного тока, за счет экспоненциальной зависимости от барьера.
В результате проведения моделирования установлено, что правильный подбор геометрии, материалов и структуры островков позволяет обеспечить как магниточувствительность ферромагнитных островковых наноструктур, так и газочувствительность алюминиевых островковых тонких пленок.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кирьянов С.В., Юркин Н.О, Журавлева В.С., Гуляева П.С., Сидорова С.В. Исследования свойств металлических островковых тонких пленок для применения в изделиях наноэлектроники. 2022. XXIX Научно-техническая конференция "Вакуумная наука и техника". С. 239–251.
Шерстнев И.А. Электронный транспорт и магнитная структура систем наноостровов из ферромагнитных материалов. 2014. Дисс., 112 c.
Баранова В.Е. Измерение слабого магнитного поля на основе феррозондового датчика. 2015. Дисс., 134 c.
Томилин С.В., Бержанский В.Н., Милюкова Е.Т., Томилина О.А., Яновский А.С. Особенности электрической проводимости наноостровковых металлических пленок. Физика твердого тела. 2018. Т. 60. Вып. 7. С. 1251–1259.
Добровольский Ю.А., Леонова Л.С., Укше А.Е., Левченко А.В., Баранов А.М., Васильев А.А. Портативные сенсоры для анализа водорода. Российский химический журнал. Проблемы водородной энергетики. 2006. № 6. Т. 50. С. 120–126.
Гаман В.И. Физика полупроводниковых газовых сенсоров: монография. Томск: Изд-во НТЛ, 2012.
Лагутин А.С., Васильев А.А. Твердотельные газовые сенсоры. Журнал аналитической химии. 2022. T. 77. № 2. С. 100–116.
Сидорова С.В., Юрченко П.И. Формирование островковых наноструктур в вакууме. Электронное научно-техническое издание "Наука и образование", 2011. С. 1–9.
Болтаев А.П., Пенин Н.А., Погосов А.О., Пудонин Ф.А. Активационная проводимость в островковых металлических пленках. ЖЭТФ. 2004. Т. 126. № 4. С. 954.
Болтаев А.П., Пудонин Ф.А., Шерстнев И.А. Особенности магнитосопротивления многослойных систем магнитных наноостровков в слабых магнитных полях. ФТ. Т. 2011. Т. 53. № 5. С. 892.
Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Данилюк А.Л., Уткина Е.А. Наноэлектроника: теория и практика: учебник. М.: Лаборатория знаний, 2020. 369 c.
Рембеза С.И. и др. Низкоразмерные структуры для микро- и наноэлектроники: учеб. пособие Электрон. текстовые и граф. данные. [Электронный ресурс]. Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2015.
Савич В.А. Наноструктурированные защитные покрытия с гидрофобными свойствами. 2016. автореф. дисс. магистра технических наук, Минск. С. 1–41.
Морозов А.И., Сигов А.С. Однонаправленная анизотропия в системе ферромагнетик-антиферромагнетик. ФТ. Т. 2002. Т. 44. № 11. С. 2004.
Simmons J.G. Generalized Formula for the Electric Tunnel Effect between Similar Electrodes Separated by a Thin Insulating Film. Journal of applied physics. 1963. Vol. 34. No. 6. PP. 1793–1803.
Отзывы читателей
