|
2.2.2 Зародышевые слои, модифицированные в электрическом разряде
Эта часть экспериментальной работы связана с обнаруженным эффектом
образования фрактальных микроструктур при воздействии на исходные слои
электрического разряда. При этом в качестве исходных слоев использовали не
только оксид цинка, но прозрачные проводящие электроды ITO (SnO
2
–In
2
O
3
).
Также анализировались возможности создания фрактальных рельефов на
непроводящих слоях (полиметилмктакрилата, поликарбоната) [75].
Интерес к таким модифицированным зародышевым слоям обусловлен
перспективой новых применений таких структур из-за высоких значений удельной
поверхности и фрактальности. Такие структуры совместимы с требованиями
гибкой электроники, особенно эпидермальной электроники.
Для исследования процессов протекания тока высокой плотности была
создана специализированная установка (рисунок 2.3), позволяющая за счет
использования микроэлектрода на основе эвтектической композиции Ga/In
создавать высокие локальные напряженности поля и обеспечивался диаметр пятна
контакта электрода с пленкой ~60 мкм [76].
51
Рисунок 2.3 Схема лабораторной установки
На электрод подавали ступенчатое напряжение положительной полярности
амплитудой от 20 до 300 В. В качестве второго электрода выступал слой оксидной
композиции, подвергаемый модификации электрическим разрядом. Для
ограничения тока использовался набор без индуктивных токоограничивающих
сопротивлений со значениями от 1 до 20 кОм, и их изменение проводилось путём
замены одного на другое. Последовательно с образцом включалось измерительное
сопротивление величиной 100 мОм, позволяющее контролировать величину
протекающего
тока.
Временные
зависимости
падения
напряжения
регистрировались цифровым осциллографом. Так как данный процесс может быть
самоограничивающимся, длительность импульса зависит от параметров: заданного
напряжения и толщины слоя ITO и изменялась от нескольких нс до нескольким
мкс.
При этом было показано, что в тонких слоях с толщинами от 100 до 300 нм,
модифицированных электрическим разрядом возникают разрушения коротких
треков длиной 200 - 400 мкм. С увеличением толщины разрушения имеют форму
многовитковой спирали диметром ~1 мм. Особенности процессов протекания тока
SiO
2
ITO
Ga/In
V
100 мОм
1-20 кОм
20-300 В
спектрометр
52
в исследованных структурах во многом определяются тем, что в качестве
подводящего электрода использовалась жидкая галлий-индиевая эвтектика. Такой
жидкий контакт при пропускании через него электрического тока совершает
автоколебательные движения вдоль спиралеобразной траектории. В отличие от
обычных электродов, жидкоконтактный электрод не сгорает, а точка контакта
перемещается из области испаренного или окисленного материала в соседнюю
область практически по круговой траектории из-за стремления вытянутого
электрода вернуться в наиболее выгодное вертикальное положение. Размер шага
витка определяется амплитудой импульса напряжения, подаваемого на структуру.
У большинства структур спиралевидная траектория пробоя дополняется
многочисленными ветвями, в свою очередь имеющими дополнительные отростки
на следующем уровне фрактальной иерархии (рисунок 2.4)
53
Рисунок 2.4. Микрофотографии полученных фрактальных структур
Анализ спектров излучения, возникающих при формировании спиральных
фрактальных структур, показывает, что возникает линейчатая спектральная
характеристика с доминантными пиками, положение которых определяется
параметрами оксидного слоя.
Морфология полученных структур исследовалась методами атомно-силовой
микроскопии и металлографического компьютерного анализа (рисунок 2.5). Это
позволило произвести расчёт фрактальных размерностей по трем методикам [77]
(подсчёта кубов, триангуляции¸ спектра мощности), данные которых
представленные в таблице 2.1. Увеличение N в таблице соответствует возрастанию
диаметра спирали фрактальной структуры. Из приведенных данных видно, что
расчет фрактальной размерности по методу кубов и методу триангуляции дает
зависимости, близкие друг к другу.
Рисунок 2.5. – АСМ-изображение участка спиралевидной фрактальной структуры.
54
Таблица 2.1. Расчет фрактальных размерностей модифицированных слоев в
электрическом поле
N
Подсчет кубов
Триангуляция
Спектр
мощности
1
2,46
2,51
--
2
2,42
2,485
2,325
3
2,485
2,56
2,375
4
2,48
2,555
2,395
5
2,46
2,52
2,505
6
2,425
2,435
2,55
7
2,45
2,525
2,51
8
2,435
2,485
2,415
9
2,445
2,525
2,53
10
2,55
2,62
2,505
11
2,54
2,61
2,49
12
2,38
2,425
2,52
13
2,525
2,59
2,5
14
2,56
2,64
2,435
15
2,545
2,63
2,575
16
2,49
2,535
2,575
17
2,435
2,49
2,605
Зависимость фрактальной размерности, рассчитанной по методике спектра
мощности, для некоторых образцов заметно отличается. Причина отличия
результатов расчета фрактальной размерности в случае метода спектра мощности
связана с тем, что данный метод применим для анализа фрактальных поверхностей,
которые можно аппроксимировать суперпозицией синусоидальных отношений.
Реально полученные поверхности в электрическом пробое имеют отклонения от
«идеального» случая и дают больший разброс значений, нежели подсчет кубов и
метод триангуляции.
На некоторых поверхностях все три метода дают близкие результаты. Среднее
значение фрактальной размерности пробитых областей слабо зависит от размера
спиралей и соответствует следующим значениям в зависимости от метода: 1) для
метода подсчета кубов d
f
= 2,4756 ± 0,0271;2) для метода триангуляции d
f
= 2,5376
± 0,0333; 3) для метода спектра мощности d
f
= 2,4881 ± 0,0419.
Результаты анализа показывают, что у большинства структур спиралевидная
траектория пробоя дополняется многочисленными ветвями, в свою очередь
имеющими дополнительные отростки на следующем уровне иерархии. Показано,
55
что ширина токовой траектории составляла 2 – 5 мкм, глубина – 500 нм. Важным
результатом являлось обнаружение по краям углублений выступов высотой
порядка 300 нм, обусловленных возникающим вследствие термоудара сдвигом
массы на края токового шнура
Дополнительные результаты наших исследований по фрактализации слоев
электрическим разрядом приведены в [78].
Do'stlaringiz bilan baham: | 
