【摘要】：面心立方結(jié)構的δ-TaNx材料因其優(yōu)越的物理、化學及機械性能(如高硬度、耐磨、化學惰性、熱穩(wěn)定性以及低的電阻溫度系數(shù)),現(xiàn)已在耐磨涂層、薄膜電阻以及集成電路中的擴散勢壘等領域得到了廣泛應用。另外,δ-TaNx薄膜又具有較高的超導轉(zhuǎn)變溫度(6-10.5 K)、較小的超導帶隙(~1.24 meV)及低的費米面態(tài)密度等特點,因而在下一代超導納米線單光子探測器、金屬-絕緣體-超導體隧道結(jié)器件等領域有著潛在的應用前景。本論文通過射頻磁控濺射的方法,采用TaN靶,在石英玻璃基底上成功制備了系列面心立方結(jié)構的多晶δ-TaNx薄膜,對薄膜的晶體結(jié)構、微觀形貌、電學性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究,分析了濺射條件對薄膜結(jié)構和電輸運性質(zhì)的影響,并對δ-TaNx薄膜在不同溫區(qū)的導電機制進行了探討。在石英玻璃上通過改變基底溫度生長了系列面心立方結(jié)構的δ-TaNx多晶薄膜,X射線衍射及掃描電鏡形貌結(jié)果顯示,薄膜的平均晶粒尺寸隨基底溫度的升高逐漸增大。電輸運測量結(jié)果表明,δ-TaNx薄膜在~5 K以下表現(xiàn)出類似超導體-絕緣體顆粒膜的電輸運性質(zhì);隨著溫度的升高,薄膜在10-30 K表現(xiàn)出類似金屬-絕緣體顆粒膜的性質(zhì);在70 K以上,熱漲落誘導的遂穿(FIT)導電機制主導著電阻率的溫度行為。因此,多晶δ-TaNx薄膜的類顆粒膜屬性使其具有較高的電阻率和負的電阻溫度系數(shù)。在石英玻璃上通過改變氮分壓生長了系列δ-TaNx薄膜,X射線衍射結(jié)果顯示薄膜為面心立方結(jié)構。掃描電鏡形貌表征顯示δ-TaNx薄膜具有類顆粒膜屬性,并且隨氮分壓的增加,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量逐漸變差,平均顆粒尺寸逐漸減小。電輸運測量結(jié)果表明:在~5 K以下溫區(qū),隨著氮分壓的增加,薄膜的絕緣體-超導轉(zhuǎn)變現(xiàn)象逐漸消失。在~10以上溫區(qū),薄膜的電阻率與溫度的關系存在明顯差異。對于在0.2%、0.4%、0.94%氮分壓下制備的δ-TaNx薄膜,在10-350 K整個溫區(qū)的電輸運行為由FIT導電機制主導;而對于5.39%和7.50%氮分壓下制備的δ-TaNx薄膜,在50 K以下的導電行為可用Mott的變程跳躍模型描述,而在50 K以上,FIT導電機制仍主導樣品的導電行為。
[Abstract]:Due to its superior physical, chemical and mechanical properties (such as high hardness, wear resistance, chemical inertia, thermal stability and low resistance temperature coefficient), 未 -TaNx materials with face-centered cubic structure are now being used in wear-resistant coatings. Thin film resistors and diffusion barriers in integrated circuits have been widely used. In addition, 未 -TaNx thin films have the characteristics of high superconducting transition temperature (6-10.5 K), small superconducting band-gap (1.24 meV) and low Fermi surface state density, so they are used in the next generation superconducting nanowire single-photon detectors. Metal-insulator-superconductor tunneling devices have potential applications. In this paper, a series of polycrystalline 未 -TaNx thin films with face-centered cubic structure have been successfully prepared on quartz glass substrate by RF magnetron sputtering and TaN target. The crystal structure, microstructure and electrical properties of the films have been systematically studied. The effects of sputtering conditions on the structure and electrical transport properties of 未 -TaNx thin films were analyzed, and the conduction mechanism of 未 -TaNx films at different temperatures was discussed. A series of 未 -TaNx polycrystalline films with FCC structure were grown on quartz glass by changing substrate temperature. The results of X-ray diffraction and SEM show that the average grain size of the films increases with the increase of substrate temperature. The results of electrical transport measurements show that 未 -TaNx films exhibit the same electrical transport properties as superconductor-insulator granular films below 5 K, and at 10-30 K, the films exhibit the properties similar to those of metal-insulator granular films at 10-30 K, and above 70 K, the films exhibit the properties similar to those of metal-insulator granular films at 10 ~ (-30) K. The thermal fluctuation induced tunneling (FIT) conduction mechanism dominates the temperature behavior of resistivity. Therefore, the particle like properties of polycrystalline 未 -TaNx film make it have high resistivity and negative resistance temperature coefficient. A series of 未 -TaNx thin films have been grown on quartz glass by changing the nitrogen partial pressure. The X-ray diffraction results show that the films are of face-centered cubic structure. The SEM results show that 未 -TaNx films have the properties of granular films. With the increase of nitrogen partial pressure, the crystalline quality of 未 -TaNx films becomes worse and the average particle size decreases. The results of electrical transport measurements show that the insulator-superconducting transition of the films disappears with the increase of nitrogen partial voltage in the temperature range below 5 K. In the temperature range above 10, the relationship between the resistivity and the temperature of the film is obviously different. For 未 -TaNx films prepared at 0.2and 0.94% nitrogen partial pressure, the electrical transport behavior in the whole temperature region of 10-350K is dominated by the conduction mechanism of FIT, while for 未 -TaNx films prepared at 5.39% and 7.50% nitrogen partial pressure, the conduction behavior below 50 K can be described by the variable path jump model of Mott. However, the conduction mechanism of fit still dominates the conduction behavior of the sample at 50 K or above.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ135.13;TB383.2

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本文編號：2206411