Авачёв А.П., Воробьев Ю.В., Воробьева Ю.В., Звягинцев А.С., Митрофанов К.В.

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Рязанский государственный радиотехнический университет»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗОНДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СОСТАВА Ge₂Sb₂Te₅

Введение. В настоящее время уделяется большое внимание поиску способов улучшения параметров запоминающих устройств, одним из перспективных видов которых является память на основе изменения фазового состояния плёнок халькогенидного соединения состава Ge₂Sb₂Te₅. При приложении к ним внешнего воздействия с определенными параметрами, в них могут происходить процессы, приводящие к изменениям их фазового состояния. Электрическое сопротивление получаемых при этом областей отличается от начального на несколько порядков. В случае использования в качестве управляющих сигналов электрических импульсов важными параметрами, влияющими на размер получаемых областей с измененным фазовым состоянием, являются характеристики электрода: материал, электрическое сопротивление и форма острия.

Целью настоящей работы являлось определение параметров электрических зондов, соответствующих минимальным размерам областей с измененным фазовым состоянием, получаемых в результате осуществления фазовых переходов. В ходе экспериментальных исследований использовались зонды (в том числе кантилеверы, используемые в методиках атомно-силовой микроскопии). Схематическое изображение зонда представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схематическое изображение зонда

В общем случае суммарное сопротивление зонда R_p⅀ складывается из последовательно включенных сопротивлений балки R_pб и острия R_pо:

Часть балки, лежащая между основанием и острием, представляет собой прямоугольный параллелепипед, состоящий из основания и металлического слоя. При этом удельное сопротивление материала основания на 8÷9 порядков больше сопротивления материалов проводящих покрытий, поэтому в расчете общего сопротивления им можно пренебречь. Тогда сопротивление балки R_б будет равно:

Острие, в случае использования кантилевера атомно-силового микроскопа, состоит из основания и металлического покрытия. Тогда, так как сопротивление основания было принято за бесконечно большое, сопротивление острия R_pо принимается равным сопротивлению проводящего покрытия. Расчет сопротивления сводится к интегрированию по высоте:

где h₁ и h₂ – пределы высот, в рамках которых находится искомая фигура, ρ_M – сопротивление проводящего слоя, S(h) – площадь сечения, соответствующая высоте h. Вид функции S(h) определяется для каждой формы острия и зависит от геометрических параметров последней.

Расчет сопротивления зонда, полученного с помощью травления вольфрамовой проволоки, проводится аналогичным образом, за тем исключением, что отсутствует слабо проводящая «сердцевина».

Результаты. Принято считать, что в сопротивление зонда атомно-силового микроскопа наибольший вклад вносит сопротивление полусферического острия, ввиду его малых размеров. Однако проведенные расчеты показывают, что это не так: наибольшее сопротивление имеет балка, так как толщина проводящего слоя на ней такая же, как на острие, а длина много больше. Это справедливо для всех видов рассматриваемых кантилеверов. Также большое значение имеет коническая/цилиндрическая часть зонда. Сопротивление же острия вносит самый маленький вклад в общее сопротивление. Необходимо отметить, что такая ситуация справедлива только для зондов с проводящим покрытием, в то время как для кантилеверов, не имеющих его, наиболее значительный вклад, по всей видимости, будет оказывать острие и цилиндрическая/коническая части зонда, как и в случае с зондами, полученными из вольфрамовой проволоки.

В результате расчетов также стало ясно, что наименьшим сопротивлением обладают и, как следствие, являются наиболее подходящими для осуществления фазовой модификации зонды, полученные с помощью травления из вольфрамовой проволоки. При этом диаметр таких зондов может быть меньше, чем у используемых кантилеверов, что приводит к уменьшению диаметра получаемых модифицированных областей. Наиболее близкими к вольфрамовым зондам по сопротивлению являются кантилеверы с проводящим слоем из золота, однако, даже их сопротивление, в среднем, в 6 раза больше. Кроме того, для данного вида кантилеверов максимальное прикладываемое напряжение, не приводящее к разрушению образца ограничено 10 В (на практике используется еще меньшее напряжение), чего недостаточно для осуществления процесса фазовой модификации.

Экспериментальные результаты по осуществлению фазовых переходов с использованием данных зондов подтверждают тот факт, что зонды, полученные из вольфрамовой проволоки, являются наиболее подходящими для осуществления фазовых переходов, при наименьших размерах получаемых областей с измененным фазовым состоянием.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ.