Growth, structure and electronic properties of ternary transition metal nitrides thin films

Abstract

The unique combination of electrical conductivity, chemical and metallurgical stability, refractory character and lattice constants close to those of III-nitrides, make the transition metal nitrides (TMNs) of groups IVb-VIb promising candidates for electronics and device applications. In this thesis, we extensively studied the structure, stability and microstructure of binary and ternary transition metal nitrides in thin films. This study includes many binary systems and the widest range of ternary nitrides reported ever. Additionally, we examined also the electronic structure, the optical properties and the mechanical behavior of these materials in order to accomplish a complete study about these materials. This joined PhD thesis, is the result of a close collaboration between two institutes, the University of Poitiers and the University of Ioannina in the field of growth, structure and functional properties of complex transition metal nitrides. The growth of samples and the analysis has been performed at both institutes, and the combination of knowledge and the transfer of know-how, strengthen the results and raises the quality of this work. Three different deposition techniques, pulsed laser deposition (PLD), magnetron sputtering (MS) and ion beam sputtering were used to deposit the samples. X-ray diffraction (XRD), optical reflectance spectroscopy (ORS), in situ and real time stress measurements, hardness and computational data are some techniques, among others, used to cover this wide study of transition metal nitrides. Special emphasis has been given to the acquisition of accurate experimental data of various structural and functional properties of a wide variety of binary and ternary TMNs, in an effort to establish a database for these materials.

Ο σπάνιος συνδυασμός της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, της χημικής και μεταλλουργικής σταθερότητας, ο πυρίμαχος χαρακτήρας και η τιμή της κρυσταλλική σταθεράς, που είναι κοντά στα νιτρίδια της ομάδας ΙΙΙ, έχουν καθιερώσει τα νιτρίδια μεταβατικών μετάλλων των ομάδων IVb-VIb σαν υποψήφια υλικά για εφαρμογές στην ηλεκτρονική και σε διατάξεις. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετήσαμε εκτενώς την δομή, την σταθερότητα και την μικροδομή υμενίων δυαδικών και τριαδικών νιτριδίων μεταβατικών μετάλλων. Η μελέτη αυτή περιλαμβάνει πολλά δυαδικά συστήματα καθώς και την εκτενέστερη συλλογή από τριαδικά που έχουν αναφερθεί ποτέ. Επιπρόσθετα, μελετήσαμε την ηλεκτρονική δομή, τις οπτικές ιδιότητες και την μηχανική συμπεριφορά αυτών των υλικών έτσι ώστε να φέρουμε εις πέρας μια ολοκληρωμένη μελέτη από κάθε άποψη σχετικά με αυτά τα υλικά. Η παρούσα κοινή διδακτορική διατριβή, είναι το αποτέλεσμα μια στενής συνεργασίας μεταξύ δύο ιδρυμάτων, του Πανεπιστημίου του Πουατιέ (University of Poitiers) και του πανεπιστημίου Ιωαννίνων, στον τομέα της ανάπτυξης, των δομικών και λειτουργικών ιδιοτήτων περίπλοκων νιτριδίων μεταβατικών μετάλλων. Η ανάπτυξη και η μελέτη των δειγμάτων έγιναν και στα δύο ιδρύματα, και ο συνδυασμός γνώσης και η μεταφορά τεχνογνωσίας ενίσχυσαν τα αποτελέσματα και ανέβασαν το επίπεδο της παρούσας μελέτης. Τρεις διαφορετικές τεχνικές εναπόθεσης υμενίων, εναπόθεση με παλμικό λέηζερ (Pulsed Laser Deposition, PLD), μαγνητική ιοντοβολή (magnetron sputtering, MS) και ιοντοβολή με δέσμη ιόντων (ion beam sputtering) χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των δειγμάτων. Περίθλαση ακτίνων Χ, οπτική ανακλαστικότητα, μετρήσεις τάσεων σε πραγματικό χρόνο και in situ και υπολογιστικά δεδομένα, μεταξύ άλλων, χρησιμοποιήθηκαν για να καλύψουν την παρούσα ευρεία μελέτη των νιτριδίων μεταβατικών μετάλλων. Ειδική έμφαση δόθηκε στην συγκέντρωση με ακρίβεια, πειραματικών δεδομένων διαφόρων δομικών και λειτουργικών ιδιοτήτων σε μια μεγάλη ποικιλία δυαδικών και τριαδικών νιτριδίων μεταβατικών μετάλλων, σε μια προσπάθεια να θεμελιωθεί μια βάση δεδομένων για αυτά τα υλικά.