Красноярские ученые получили новые перспективные тонкие пленки из кислорода, меди и нитрида титана. Их электрическое сопротивление в тысячу раз меньше, чем у обычного нитрида титана. На основе полученного материала физики открыли новые свойства меди, позволяющие ей накапливаться на поверхности пленок и совершать фазовые переходы. Полученные результаты могут стать технологическим прорывом в разработке резисторов и транзисторов нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Тонкие пленки на основе нитрида титана широко используются в различных промышленных и технологических областях, например, в производстве кремниевых микропроцессоров и других больших интегральных микросхем, фотокатализаторах, преобразователях солнечной и тепловой энергии в электрическую, в стоматологии и даже при изготовлении куполов церквей. Благодаря высокому электромагнитному сопротивлению и его слабой температурной зависимости, химической инертности, а также способности выдерживать высокие мощности и температуры, аналогов для их замены на настоящий момент нет.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», СФУ и СибГУ им. М.Ф. Решетнева получили новый материал для тонких пленок из оксинитрида титана, легированного медью. Он обладает электрическим сопротивлением в тысячу раз меньше, чем у обычного нитрида титана. Изучая полученное соединение, физики открыли новое явление сегрегации меди, которая не распределялась, как принято по всей пленке, а скапливалась на ее поверхности.

К открытиям красноярских физиков привела цепь случайных технических ошибок и исследование их последствий. Первоначально исследователи планировали получить чистый нитрид титана, чтобы его использовать для изготовления резисторов в интегральных микросхемах. Однако все пошло «не по плану». В камере для роста пленок оказались примеси кислорода. Поэтому вместо запланированного чистого вещества, на выходе ученые получили оксинитрид титана. Более того, он обладал нехарактерными свойствами. Сопротивление получившегося вещества оказалось в тысячу раз ниже, чем у чистого оксинитрида титана.

Подозреваемым в необычных свойствах материала стал кислород, попавший в камеру. Чтобы проверить его причастность, ученые попытались нейтрализовать его. Для этого перед ростом пленки в камеру был внесен водород. Он должен был вступить в реакцию с кислородом и, образовав водяной пар, вынести его из камеры. Однако это не принесло ожидаемого эффекта. Сопротивление пленок оставалось низким.

Ученые продолжали «расследование» этого феномена, пока не обнаружили в составе пленок примеси меди. Как оказалось, медь попала в пленки из-за ошибочно скомпонованного оборудования. Газовый баллон, использующийся в установке, пришел к ученым с латунным вентилем вместо нержавеющей стали. С него-то и летели частицы меди, выбиваемые газом прямо в камеру роста. Между тем удивительные открытия не закончились. Медь принесла с собой еще парочку сюрпризов. Ее поведение оказалось нетипичным: она не распределялась по всей пленке, а собиралась на ее поверхности и образовывала дополнительный слой. В результате красноярские ученые не только получили новый материал, но и открыли новое явление – сегрегацию меди. И сделали это сравнительно дешевым, по меркам современных индустрий, методом.

«Мы складывали этот пазл три года. Когда измерили сопротивление получившегося оксинитрида титана, оно оказалось очень низким по сравнению с чистым материалом. Мы были сбиты с толку. Стали исследовать пленки, и оказалось, что в них есть примесь меди. Это поменяло все наше представление, ведь медь очень хорошо проводит электричество. Дальнейшее исследование показало, что медь вместо того, чтобы равномерно распределяться по пленке, стала всплывать на поверхность и накапливаться там узким слоем в 5-10 нанометров. В результате мы открыли новое явление сегрегации меди. То, что она не размешивается, а выталкивается наружу – очень хорошее подспорье для технологов. Более того, мы случайно поймали фазовый переход между состоянием сильно легированной меди и слаболигированной. Переход получился достаточно интересным с точки зрения физики. Меняя степени легирования, можно получать разные типы проводимости. При этом, в случае сильного легирования, из меди получался полуметалл со свойствами как металлов, так и неметаллов. В результате мы получили возможность создавать проводящие слои. Это может пригодиться в приборостроении, например, для устройств, которые работают на высоких частотах. Поэтому данная разработка в перспективе может пригодиться для приборов, которым необходимо низкое сопротивление, например, транзисторов, резисторов, конденсаторов, фотокатализаторов и солнечно-селективных поглощающих покрытий», – рассказал Филипп Барон, PhD, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН.

Исследование проведено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Красноярского краевого фонда науки (№ 20-42-240013) и Мегагранта Правительства РФ на создание лабораторий мирового уровня (№ 075-15-2019-1886).