Исследование хаотических колебаний в пленках диоксида ванадия

Величко Андрей Александрович
Петрозаводский государственный университет

Научный руководитель: Стефанович Генрих Болеславович, д. ф.-м.н

В настоящей работе представлены результаты исследования хаотических колебаний в планарном VO2-переключателе. Особый интерес, на наш взгляд представляет тот факт, что механизм переключения в VO2 обусловлен фазовым переходом металл-полупроводник (ФПМП) [1], поэтому, изучение хаотической динамики при переключении может дать дополнительную информацию о самом физическом явлении ФПМП. Явление переключения, связанное с развитием токовых неустойчивостей в сильных электрических полях, приводит к появлению участков отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) в результате чего ВАХ структуры имеет S-образный вид. В системах, содержащих ОДП, хаос может возникать различными путями: либо из-за реактивности во внешней цепи, либо в силу собственной неустойчивости ОДП-элемента [2].

Рис.1. Спектр шума на участке положительной дифференциальной проводимости переключателя (а), внешний вид и спектр шума на начальном участке ОДП (б).

 

В качестве исследуемого образца использовалась пленка VO2, полученная методом реактивного магнетронного распыления ванадия на сапфировую подложку. Скачок сопротивления при термическом фазовом переходе составлял 103 при 68° С.

Для измерения флуктуаций на различных участках вольт-амперной характеристики использовался четырехзондовый метод. Сигнал вводился в ЭВМ через линейный вход звуковой карты с частотой дискретизации 44100Гц.

Полученные данные обрабатывались численными методами с использованием программы составленной на языке Delphi. Эта программа позволяла легко и удобно вычислять спектр сигнала, проводить его фильтрацию, используя прямое и обратные преобразования Фурье, вычислять корреляционные функции С для различных пространств вложения Р [2].

Рис.2. Ln C как функция Ln e при различных Р для шумогвого сигнала на участке положительной дифференциальной проводимости (а), на начальном участке ОДП (б).

Основные результаты работы можно суммировать следующим образом.

  1. В области положительной дифференциальной проводимости детерминированного шума не обнаружено. Из (рис.2.а) можно найти, что фрактальная размерность имеет большую величину d >5 что является показателем стохастического характера шума.
  2. Сравнение спектров (рис.1.а и 1.б) показывает, что в области ОДП низкочастотная составляющая шумов выше. Этот факт можно предположительно объяснить тем, что на участке ОДП происходит возникновение канала с доменной структурой [3], который вызывает появление низкочастотной составляющей шума.
  3. Шумовые колебания, снятые на начальной ветви ОДП (рис.1.б) проявляют детерминированный характер. При токе через образец 1ма зависимость Ln(C) от Ln(e) показана на (рис.2.б). По рисунку можно определить, что тангенс угла наклона прямолинейного участка выходит на насыщение после P=5 со значением d=2.3, что согласуется с теоремой Такенса. Значение d=2.3 означает, что данные колебания "живут" в трехмерном фазовом пространстве, и описываются как минимум 3-мя дифференциальными уравнениями.
  4. Для значений тока через пленку 1.5 ма, когда рабочая точка находится на ОДП фрактальная размерность 2<d<3, что говорит о вероятной принадлежности этих колебаний к детерминированному шуму, который маскируется стохастической компонентой.

Список литературы:

[1] Бугаев А.А, Захарченя Б.П, Чудновский Ф.А Фазовый переход металл-полупроводник и его применение: Ленинград. Наука. 1979.

[2] Э.Шелль Самоорганизация в полупроводниках: Мир 1991.

[3] B. Fisher "Moving boundaris and travelling domains during switching of VO2 single crystals. J.Phys.C:Solid State Phys., Vol.8, 1975.

(c) АСФ России, 2001