氮化钽薄膜的结构和电输运性质研究-材料物理与化学专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 摘要 面心立方结构的?-TaNx 材料因其优越的物理、化学及机械性能（如高硬度、 耐磨、化学惰性、热稳定性以及低的电阻温度系数），现已在耐磨涂层、薄膜电 阻以及集成电路中的扩散势垒等领域得到了广泛应用。另外，?-TaNx 薄膜又具有 较高的超导转变温度（6-10.5 K）、较小的超导带隙（~1.24 meV）及低的费米面 态密度等特点，因而在下一代超导纳米线单光子探测器、金属-绝缘体-超导体隧 道结器件等领域有着潜在的应用前景。 本论文通过射频磁控溅射的方法，采用 TaN 靶，在石英玻璃基底上成功制 备了系列面心立方结构的多晶?-TaNx 薄膜，对薄膜的晶体结构、微观形貌、电学 性质进行了系统研究，分析了溅射条件对薄膜结构和电输运性质的影响，并对 ?-TaNx 薄膜在不同温区的导电机制进行了探讨。 在石英玻璃上通过改变基底温度生长了系列面心立方结构的?-TaNx多晶薄 膜，X射线衍射及扫描电镜形貌结果显示，薄膜的平均晶粒尺寸随基底温度的升 高逐渐增大。电输运测量结果表明，?-TaNx薄膜在~5 K以下表现出类似超导体- 绝缘体颗粒膜的电输运性质；随着温度的升高，薄膜在10-30 K表现出类似金属- 绝缘体颗粒膜的性质；在70 K以上，热涨落诱导的遂穿 (FIT) 导电机制主导着 电阻率的温度行为。因此，多晶?-TaNx薄膜的类颗粒膜属性使其具有较高的电阻 率和负的电阻温度系数。 在石英玻璃上通过改变氮分压生长了系列?-TaNx薄膜，X射线衍射结果显示 薄膜为面心立方结构。扫描电镜形貌表征显示?-TaNx薄膜具有类颗粒膜属性，并 且随氮分压的增加，薄膜的结晶质量逐渐变差，平均颗粒尺寸逐渐减小。电输运 测量结果表明：在~5 K以下温区，随着氮分压的增加，薄膜的绝缘体-超导转变 现象逐渐消失。在~10以上温区，薄膜的电阻率与温度的关系存在明显差异。对 于在0.2%、0.4%、0.94%氮分压下制备的?-TaNx 薄膜，在10-350 K整个温区的电 输运行为由FIT导电机制主导；而对于5.39%和7.50%氮分压下制备的?- TaNx薄膜， 在50 K以下的导电行为可用Mott的变程跳跃模型描述，而在50 K以上，FIT导电 机制仍主导样品的导电行为。 关键词：电输运性质，颗粒薄膜，跳跃导电 I ABSTRACT ?-TaN has received particular interest in recent years owing to their physical, chemical and mechanical properties, such as high hardness, wear resistance, chemical inertness, thermal stability and low temperature coefficient of resistance. Due to this superior properties, it is widely used as hard and wear-resistant coatings on tools, thin-films resistors and diffusion barriers in integrated circuits. In addition, ?-TaN thin films has high superconducting transition temperature (6~10.5 K), small superconducting gap (~1.24 meV) and low density of states at the Fermi energy, it has a potential application prospect in the single photon detector and normal metal-insulator-superconductor (NIS) tunnel junction devices. In this work, we systematically studied the structures, surface morphology and electrical properties of a series of polycrystalline ?-TaNx thin films, deposited on quartz glass substrates by rf sputtering method. The influence of deposition parameters on the properties of thin films were caref