氮化钽薄膜的结构和电输运性质研究

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1、＠矣东乂麥ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５＾ＩＩｍＩＩ＾±学位论文Ｊ＇■１．材料物理与化学学科专业：－化作者姓名：同驾—￣￣—＾指导教师；李志胃教授＾天津大学研究生院ＭｉｌＩ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研巧成果，除了文中特别加臥标注和致谢之化外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书一而使用

2、过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。：学位论文作者签名：签字日期兴／／年／月？日／学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可＾文将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行捡索，并、汇编ｉＵ共查阅和借阅。同意学校向国家采用影印、缩印或扫描等复制手段保存ｔ有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名；导师签名：签字日期：；Ｗ年立月名日签

3、字Ｂ期月書日／Ｉ氮化钽薄膜的结构和电输运性质研究Structureandelectricaltransportpropertiesof-TaNthinfilms学科专业：材料物理与化学研究生：周定邦指导教师：李志青教授天津大学理学院二零一五年五月摘要面心立方结构的-TaNx材料因其优越的物理、化学及机械性能（如高硬度、耐磨、化学惰性、热稳定性以及低的电阻温度系数），现已在耐磨涂层、薄膜电阻以及集成电路中的扩散势垒等领域得到了广泛应用。另外，-TaNx薄膜又具有较高的超导转变温度（6-10.5K）、较小的超导带隙（~1.

4、24meV）及低的费米面态密度等特点，因而在下一代超导纳米线单光子探测器、金属-绝缘体-超导体隧道结器件等领域有着潜在的应用前景。本论文通过射频磁控溅射的方法，采用TaN靶，在石英玻璃基底上成功制备了系列面心立方结构的多晶-TaNx薄膜，对薄膜的晶体结构、微观形貌、电学性质进行了系统研究，分析了溅射条件对薄膜结构和电输运性质的影响，并对-TaNx薄膜在不同温区的导电机制进行了探讨。在石英玻璃上通过改变基底温度生长了系列面心立方结构的-TaNx多晶薄膜，X射线衍射及扫描电镜形貌结果显示，薄膜的平均晶粒尺寸随基底温度的升高逐渐增

5、大。电输运测量结果表明，-TaNx薄膜在~5K以下表现出类似超导体-绝缘体颗粒膜的电输运性质；随着温度的升高，薄膜在10-30K表现出类似金属-绝缘体颗粒膜的性质；在70K以上，热涨落诱导的遂穿(FIT)导电机制主导着电阻率的温度行为。因此，多晶-TaNx薄膜的类颗粒膜属性使其具有较高的电阻率和负的电阻温度系数。在石英玻璃上通过改变氮分压生长了系列-TaNx薄膜，X射线衍射结果显示薄膜为面心立方结构。扫描电镜形貌表征显示-TaNx薄膜具有类颗粒膜属性，并且随氮分压的增加，薄膜的结晶质量逐渐变差，平均颗粒尺寸逐渐减小。电输运

6、测量结果表明：在~5K以下温区，随着氮分压的增加，薄膜的绝缘体-超导转变现象逐渐消失。在~10以上温区，薄膜的电阻率与温度的关系存在明显差异。对于在0.2%、0.4%、0.94%氮分压下制备的-TaNx薄膜，在10-350K整个温区的电输运行为由FIT导电机制主导；而对于5.39%和7.50%氮分压下制备的-TaNx薄膜，在50K以下的导电行为可用Mott的变程跳跃模型描述，而在50K以上，FIT导电机制仍主导样品的导电行为。关键词：电输运性质，颗粒薄膜，跳跃导电IABSTRACT-TaNhasreceivedparticu

7、larinterestinrecentyearsowingtotheirphysical,chemicalandmechanicalproperties,suchashighhardness,wearresistance,chemicalinertness,thermalstabilityandlowtemperaturecoefficientofresistance.Duetothissuperiorproperties,itiswidelyusedashardandwear-resistantcoatingsontools,t

8、hin-filmsresistorsanddiffusionbarriersinintegratedcircuits.Inaddition,-TaNthinfilmshashighsuperconductingtransitiontemperat