發(fā)布時(shí)間：2020-11-04 14:28

　　 TaN材料具有十分優(yōu)越的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。因其硬度高、耐磨性好、化學(xué)惰性、高溫?zé)岱�(wěn)定性、電阻率低,在耐磨涂層、薄膜電阻和擴(kuò)散勢(shì)壘等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因其具有超導(dǎo)特性和較高的載流子濃度,可在實(shí)驗(yàn)中觀察到超導(dǎo)-絕緣體轉(zhuǎn)變,超導(dǎo)漲落和反常金屬相等輸運(yùn)現(xiàn)象,這些現(xiàn)象是凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)。首先,本文研究了六角結(jié)構(gòu)TaN塊體(ε-TaN)的微觀結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),ε-TaN的室溫電阻率很低(10~(-5)?cm),甚至可以與金屬材料相媲美。電輸運(yùn)的測(cè)量結(jié)果表明其電阻溫度系數(shù)低,具有金屬導(dǎo)電特性,而當(dāng)測(cè)量溫度從6 K降到1 K時(shí),其電阻率迅速下降了40%。同時(shí),磁性測(cè)量的結(jié)果表明ε-TaN具有完全抗磁性,說(shuō)明ε-TaN具有超導(dǎo)特性。此外,在973 K的高溫下退火之后,其物相、結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和電輸運(yùn)性質(zhì)基本不變。其次,本文研究了巖鹽結(jié)構(gòu)TaN_x薄膜(rs-TaN_x)的微觀結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性質(zhì)。利用射頻磁控濺射儀,選擇ε-TaN靶,分別在石英玻璃和Al_2O_3(001)單晶基底上制備了TaN樣品,對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究。對(duì)于在石英玻璃基底上制備的不同氮含量的多晶TaN_x薄膜來(lái)說(shuō),我們研究了其在2-300 K溫度區(qū)間內(nèi)的電輸運(yùn)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在6-30 K的溫度區(qū)間內(nèi),其電導(dǎo)率與溫度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系,起源于顆粒與顆粒之間的電子-電子相互作用。而在溫度高于60 K時(shí),熱漲落誘導(dǎo)的隧穿(FIT)導(dǎo)電機(jī)制主導(dǎo)了電阻率隨溫度的變化行為。當(dāng)x?1.04時(shí),TaN_x薄膜在低溫處發(fā)生了正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變,且9 T的磁場(chǎng)仍沒(méi)有完全破壞超導(dǎo)。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近,其上臨界磁場(chǎng)隨溫度的降低線性增加,與顆粒超導(dǎo)體和無(wú)序的第二類超導(dǎo)體的性質(zhì)類似。根據(jù)其電輸運(yùn)性質(zhì)和透射電鏡獲得的微觀結(jié)構(gòu),可知TaN_x薄膜具有類“導(dǎo)體-絕緣體”顆粒系統(tǒng)的屬性,在TaN_x晶粒之間存在著非晶區(qū)域。對(duì)于單晶Al_2O_3(001)基底上制備的TaN_x薄膜,電輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果表明,TaN_x薄膜具有半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,且低溫處不會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo),這可能與界面處的應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)測(cè)量溫度高于50 K時(shí),FIT導(dǎo)電機(jī)制主導(dǎo)了電阻率隨溫度變化的行為。因此,Al_2O_3(001)基底上制備的TaN_x薄膜具有類“導(dǎo)體-絕緣體”顆粒系統(tǒng)的電輸運(yùn)性質(zhì)。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O614.513
【部分圖文】：

圖 1-1 (a) Ta2N；(b) -TaN；(c) Ta5N6的結(jié)構(gòu)示意圖；(d) Ta5N6的結(jié)構(gòu)示意圖[22]TaN 材料的性質(zhì) TaN 的高溫?zé)岱�(wěn)定性TaN 材料具有很好的高溫?zé)岱�(wěn)定性，它可以作為器件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的保護(hù)層被于磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器，金屬-氧化物-半導(dǎo)體器件的柵電極，薄膜晶體管等。例如在硅基集成電路中，將 Cu 線的表面鍍一層 TaN，當(dāng)溫度達(dá)到 700TaN 的物相結(jié)構(gòu)和微觀形貌并沒(méi)有明顯的變化[24,25]；Kwon 等人[13]制備/HfO2/SiO2/Si 的高介電常數(shù)柵堆疊，并在沉積 TaNx薄膜之后對(duì)器件進(jìn)行理，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)退火溫度升高到 700-800 ℃時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn) Ta-O 化學(xué)鍵

圖 1-2 不同退火溫度下 HfO2/TaN 的吸收光譜[13]ayeli等人[12]對(duì)50-100 nm厚的TaN薄膜的熱導(dǎo)率 (TaN ) 進(jìn)ann-Franz-Lorenz 定律和最小熱導(dǎo)率理論，TaN 可表示為： 1'TaN ,min1 1 13p e fed C vd 子比熱容，fv 是費(fèi)米波矢，e 是電子的平均自由程。計(jì)算熱導(dǎo)率1 1~ 4.0 4.3 Wm K 。之后對(duì)薄膜進(jìn)行皮秒熱反應(yīng) 700 K 的條件下退火之后，薄膜的熱導(dǎo)率基本保持不變，具有熱穩(wěn)定性。的高硬度

天津大學(xué)碩士學(xué)位論文Pa[27]。因此，TaN 材料具有高硬度，是制備耐磨涂層的良好材料過(guò)第一性原理計(jì)算得到六角結(jié)構(gòu)的 Ta2N (P63/mmc-TaN) 具有 T構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得 Ta-N 之間產(chǎn)生極強(qiáng)的化合鍵，從而使 P63/mm量達(dá)到 336 GPa，剪切模量達(dá)到 214 GPa，成為硬度最高的 TaN 材于輪船、航空航天、石油開(kāi)采等領(lǐng)域。
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本文編號(hào)：2870210