ИСТИНА

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА И ПРОВОДИМОСТЬ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ В ПЛАЗМЕННЫХ РАЗРЯДАХ ТОКАМАКА Т-10 Соколина Г.А.1, Архипов И.И.1, Свечников Н.Ю.2, Грашин С.А.2 1Институт Физической Химии и Электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва 2НИЦ «Курчатовский Институт», г. Москва e-mail: gasokolina@gmail.com При эксплуатации отечественных и зарубежных токамаков - термоядерных установок, в которых высокотемпературная водородная (Н, D или Т) плазма удерживается с помощью сильного магнитного поля и пространственно ограничена графитовыми диафрагмами, происходит образование аморфных углеводородных пленок [1, 2]. Механизм формирования пленок связан с соосаждением продуктов распыления графита в водородной плазме (в основном, это атомы углерода и углеводородных радикалов) и атомов водорода на поверхности внутренних стенок вакуумной камеры токамака. Образование различных типов углеводородных пленок может приводить к возникновению нежелательных эффектов при работе токамака. Например, осаждение проводящих пленок вызывает короткое замыкание между элементами конструкции камеры, а покрытие металлических поверхностей диэлектрическими пленками способствует накоплению статического заряда, и, как следствие, дугообразованию и срыву плазменного разряда. Несмотря на то, что состав, структура и большинство физико-химических свойств углеводородных пленок, извлеченных из токамаков, подробно изучены, данных по электрофизическим свойствам пленок, которые связаны с электронной структурой, наличием примесей и дефектов не достаточно [1, 3]. При этом следует отметить, что изотопный состав водорода (H, D или Т) в пленках не влияет на параметры электронной структуры. В настоящей работе представлены данные по электропроводности углеводородных пленок, полученных на подложках монокристаллического кремния Si(100) в двух различных режимах работы токамака Т-10 (НИЦ «Курчатовский институт»). Первый (рабочий) режим относится к серии импульсных (примерно, 1 секунда) индукционных высокоэнергетичных разрядов в дейтерии с омическим нагревом в сильном магнитном поле. Второй режим, который служит для очистки стенок камеры токамака от примесей, представляет собой индукционный низкочастотный низкоэнергетичный разряд в дейтерии длительностью несколько часов [4]. В обоих случаях происходит образование углеводородных пленок. В рабочем разряде источником углерода являются в основном графитовые диафрагмы, а в чистящем разряде к ним добавляется распыление углеводородных пленок, уже имеющихся на внутренних элементах вакуумной камеры токамака. С помощью методов спектрофотометрии и эллипсометрии были определены значения коэффициентов преломления (n) пленок на кремниевых подложках. По величине показателя преломления, пленки, полученные в первом режиме, относятся к так называемым «твердым» (n=2.31±0.02), а во втором режиме к «мягким» (n=1.58±0.02) углеводородным пленкам [5]. Для изучения электрических свойств полученных пленок использовался метод измерения температурной зависимости статической проводимости G(Т). Зависимость G(Т) была измерена в диапазоне температур 300–500 К по двухэлектродной схеме для образцов с электродами из аквадага в сэндвич структуре: пленка - кремниевая подложка. В работе использовался электрометрический усилитель с пределами измерения по току 10-4-10-15 А. Для устранения тока утечек эксперименты проводились в вакууме 10-3 Тор. На основании анализа зависимости G(Т), были определены значения величин энергии активации проводимости Еа в различных диапазонах температур и получена информация о возможном механизме транспорта носителей заряда в исследуемом материале. Кроме того, в работе представлены важные для интерпретации G(Т) данные о зонной структуре пленок, полученные с помощью методов рентгеновской фотоэлектронной (РФЭС) и оже-спектроскопии. Эти данные позволили оценить ширину запрещенной зоны Еg и соотношение sp2/sp3 углеродных состояний в пленках. На основании проведенных экспериментов установлено, что вольтамперные характеристики (ВАХ) пленок имеют вид типичный для токов ограниченных пространственным зарядом при инжекции носителей заряда в диэлектрик с ловушками, когда линейная зависимость тока от напряжения (омический участок) сменяется степенной зависимостью [6]. Показано, что в исследованном интервале температур, G(Т), измеренная на омическом участке ВАХ, определяется двумя значениями энергий активации Еа1 и Еа2. В диапазоне 293–400 К, Еа1 имеют примерно одинаковые значения для твердых и мягких пленок, а в диапазоне 400–550 К, Еа2 существенно различаются. Обнаружено, что величина удельного сопротивления твердых пленок на 2–3 порядка больше, чем у мягких пленок. При этом величина Еg и доля sp2 – состояний углерода (sp2+sp3=100%) составляют Eg=3,12±0,04 эВ, sp2=14±1% и Eg=2,40±0,05 эВ, sp2=38±1% для твердых и мягких пленок, соответственно. Таким образом, чем больше величина Eg, тем меньше доля sp2 - состояний и ниже проводимость, что подтверждается данными других работ [7, 8]. РФЭС спектры валентной зоны исследуемых пленок показали присутствие плотности электронных состояний в хвостах валентной зоны и внутризонных состояний, то есть, наличие дефектных и примесных состояний расположенных внутри Eg и вблизи уровня Ферми, которые участвуют в осуществлении проводимости пленок. Кроме того, в твердой пленке обнаружено небольшое количество (менее 0,1 ат.%) оксидов d-металлов (Cr и Mn), которые могли появиться в результате воздействия рабочих разрядов на стенки камеры. Полученные данные по проводимости G(Т) рассматриваются в рамках представлений о зонной структуре разупорядоченных веществ, развитых Робертсоном и Моттом [5, 9]. В них разрешенные зоны с делокализованными состояниями (валентная зона Еv и зона проводимости Ес), как и в кристаллических материалах, разделены запрещенной зоной Еg, в которой из-за разупорядоченности системы возникают локализованные состояния у границ разрешенных зон (хвосты плотности состояний) и локализованные состояния возле уровня Ферми. Поэтому, при обсуждении результатов работы в рамках этих моделей, рассматривается проводимость по разрешенным зонам G1, в хвостах плотности состояний G2 и по состояниям возле уровня Ферми G3. Кроме того, проводится сопоставление экспериментальных данных по энергиям активации проводимости Еа и проводимости пленок, измеренных в различных диапазонах температур, с вариантами возможных электронных переходов в рассматриваемых моделях. Из сравнения полученных величин Еа1 и Еа2 пленок со значениями Еg этих же пленок, делается вывод о том, что определяющие проводимость энергетические уровни находятся внутри запрещенной зоны Еg. Обычно в качестве критерия при выборе реализуемого механизма транспорта носителей заряда используют данные по частотной зависимости проводимости Gac(f), измеренной на переменном напряжении. При этом исходят из того, что величина G1 не зависит от частоты (вплоть до f>108 Гц), тогда как G2 и G3, происходящие за счет прыжков между локализованными состояниями, меняются с частотой по степенному закону Gac~fs, где s≈0,8 [6]. В данной работе, при комнатной температуре, для твердой пленки наряду со статической проводимостью Gs была измерена динамическая проводимость Gac на переменном напряжении в диапазоне частот f> 102–105 Гц. Полученный степенной характер частотной зависимости проводимости Gac~f0,75 со значением s, близким к 0,8, свидетельствует в пользу представлений о механизме прыжковой проводимости, реализуемому вблизи комнатной температуры. На основании того, что для активации носителей в хвостах плотности локализованных состояний (расположенных вблизи разрешенных зон), необходима энергия, соизмеримая с найденной величиной Еg ~2–3 эВ, которая значительно больше определенной экспериментально Еа1, делается вывод о том, что вблизи комнатной температуры происходит перенос носителей по состояниям вблизи уровня Ферми. ЛИТЕРАТУРА 1. Arkhipov I., Klimov N., Svechnikov N. et al. // J. Nucl. Mater. 438. 2013. P. S1160-S1163. 2. De Temmerman G., Pitts R. // Fusion Eng. Des. 83. 2008. P. 30-35. 3. Свечников Н.Ю., Станкевич В.Г., Архипов И.И. и др. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2012. Вып. 3. С. 3-18. 4. Vershkov V.A., Andreev V.F., Grashin S.A. et al. // Nucl. Fusion. 51. 2011. 094019. P. 1-14. 5. Robertson J.J. // Mat.Sci. and Engineering. R 37. 2002. P. 129-281. 6. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М.: «МИР». 1973. 416 с. 7. Свечников Н.Ю., Станкевич В.Г., Колбасов Б.Н. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. № 12. С. 3–11. 8. Свечников Н.Ю., Станкевич В.Г., Меньшиков К.А. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 12. С. 14–24. 9. Мотт Н, Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: «МИР». 1982. 664 с.