К.ф.-м.н. Рыбина Н.В.

Рязанский государственный радиотехнический университет, Россия

Исследование информационно-корреляционных характеристик пленок a-Si:H

В качестве альтернативных материалов для будущей элементной базы электроники настоящее время перспективными являются самоорганизующиеся материалы. К самоорганизующимся могут быть отнесены неупорядоченные материалы, структуры, представляющие собой нанокристаллические включения в матрице другого материала, и др. В свою очередь, наряду с созданием развитием самоорганизующихся материалов необходимо разрабатывать для них методы исследования, позволяющие осуществлять поиск структурных корреляций. В данной работе представлен комплексный подход к исследованию корреляций в структуре рельефа поверхности самоорганизующихся материалов – методы двухмерного флуктуационного анализа с исключенным трендом (2D detrended fluctuation analysis, 2D DFA) и средней взаимной информации (СВИ) [1].

Рельеф материалов отражает объемную структуру, полученную в процессе роста. В этой связи в качестве исходных данных для обоих методов используется массив высот, полученный средствами зондовой микроскопии. В методе СВИ для каждой пары точек производится расчет взаимной информации (в основе лежит теория информации). Взаимная информация определяется как количество информации, которое становится известным о значении случайной функции в точке А, когда становится известным ее значение в точке В. Допустимые значения взаимной информации лежат в интервале от 0 до 1. Соответственно, чем более упорядоченная структура, тем больше значение ВИ стремится к 1. Этот метод позволяет определить хаотическую, слабоорганизованную или упорядоченную структуру поверхности материала в зависимости от величины взаимной информации, но не позволяет численно определить модуль вектора корреляций. В работе [1] было выявлено, что физический смысл максимальной взаимной информации (МВИ) заключается в том, что она характеризует информационную емкость системы.

Метод 2D DFA позволяет изучать корреляционные свойства на различных масштабах исследуемого процесса. Вначале исходный массив данных (скан АСМ, РЭМ) разбивается на сегменты различного масштаба и на каждом исследуются флуктуации. В результате получается график зависимости флуктуационной функции F от масштаба s. Если функция F линейно возрастает с увеличением масштаба (без перегибов), то это означает, что в структуре присутствует шумовая или фрактальная составляющая в зависимости от тангенса угла наклона (скейлинговый показатель). Если же на графике имеются перегибы, то в структуре присутствует гармоническая составляющая и ее период (корреляционный вектор) можно определить непосредственно по этому перегибу.

В данной работе качестве экспериментальных образцов были использованы пленки a-Si:H, полученные в лаборатории Университета Прикладных Наук (Hochschule Mittweida, Германия) методом импульсного лазерного напыления (в англоязычной литературе pulsed laser deposition, PLD). При этом использовался фемтосекундный KrF лазер с длиной волны 248 нм. Сфокусированный лазерный пучок попадал на мишень из чистого кремния, далее испаряемый материал осаждался на подложку, температура T_sub которой могла варьироваться с помощью нагревательного элемента. Воздух из рабочей камеры откачивался до уровня вакуума 10^-3-10^-4 Па, далее подавался водород, давление P_H2 которого поддерживалось на уровне 10 Па.

Изображения поверхности образцов a-Si:H были получены с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6600F в режиме высокого вакуума. В таблице 1 представлены технологические параметры получения образцов a-Si:H и характеристики структуры их поверхности, рассчитанные с помощью методов 2D DFA и СВИ.

Таблица 1 – Технологические параметры получения пленок a-Si:H методом PLD и характеристики структуры их поверхности

№ образца	Тип подложки	Tsub, °С	f, Гц	PH2, Па	H, Дж/см^2	Tdep	R, мкм	МВИ	СВИ
1	Si*	200	20	10	7.5	20 мин	55,7, 75,2	0,116	0,001
2	Si	200	20	10	7.7	31 мин	56,8	0,441	0,002

Примечание

* – Si, легированный P, f – частота повторения импульсов, H – плотность энергии лазерного излучения, T_dep – время осаждения, R – корреляционный вектор

По перегибам на графиках 2D DFA были определены корреляционные векторы. Для образца №1 выявлено 2 корреляционных вектора (55,7 и 75,2 мкм), а для образца №2 – только один (56,8 мкм). Значения 55,7 и 56,8 мкм практически совпадают, что свидетельствует о схожих корреляционных свойствах образца №1 и №2. Вероятно, это связано с технологическими режимами их получения: различалось только время осаждения пленки a-Si:H, остальные параметры были одинаковыми.

Значения СВИ были низкими (0,001-0,002), что говорит в целом о низкой упорядоченности структуры поверхности исследованных образцов. Значение МВИ для образца №1 оказалось также низким (0,116), что свидетельствует о низкой энтропии и, соответственно, малой информационной емкости поверхности. Для образца №2 значение МВИ было выше (0,441). Это указывает на больший разброс высот рельефа поверхности.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, с использованием оборудования Регионального центра зондовой микроскопии коллективного пользования (РЗЦМкп) при Рязанском государственном радиотехническом университете.

Литература:

1. Алпатов А.В., Вихров С.П., Вишняков Н.В., Мурсалов С.М., Рыбин Н.Б., Рыбина Н.В. Комплексный метод исследования корреляционных параметров самоорганизованных структур // ФТП, т. 50, вып. 1, 2016 г. С. 23-29.