Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2018, № 5 · ELECTRODYNAMICS

Динамическая проводимость наногранулированных пленок "металл-диэлектрик" в диапазоне сверхвысоких частот

I.V. Antonets1, L.N. Kotov1, E.A. Golubev2, V.G. Shavrov3, V.I. Shcheglov3

1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, 167001, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, 55, Russia
2 Институт геологии Коми НЦ Уро РАН, 167982, Сыктывкар, ул. Первомайская, 54, Russia
3 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2018.5.2 UDC 537.874; 537.624 EDN XRLCST

Abstract

The dynamic conductivity of nanogranulated “metal-dielectric” films is investigated. This conductivity is determined from the electromagnetic microwave coefficient of reflection. It is paid attention to the fact of large (to several orders) excess of dynamic conductivity above static conductivity which is determined on the direct current. As s way of physical mechanism which is the foundation of dynamic conductivity it is established the inside-granulated currents model. The film is presented as a plane slide having configuration in the form of square symmetry lattice. In the junctions of these lattice lines there are cubic granules having good conductivity. There granules are separated by dielectric gaps. The first electromagnetic wave following on the film creates reflecting and passing waves which are the second waves. For the interpretation of currents which are excited inside of granule it is proposed two models: closed and opened electric circuit. In connection with both models it is found the magnetic field of second wave for the case of infinite length film in both its coordinates in plane. On the basis of determined magnetic field it is found the reflection coefficient for primary wave from the film. For each of these models it is found the formulas which determine the specific conductivity of granule material through the reflection coefficient. It is shown that in the case of small size of gaps and large size of granules both models bring the same results. It is established that closed circuit model is applicable only in the case when gaps sixes are more less then granules sizes. It is established that open circuit model is applicable by arbitrary correlation between gaps and granules dimensions. It is made some recommendations for the experiments which may be the criterion of enough correct election between both models application.

  • thin films
  • metamaterials
  • nanocomposit metal-dielectric
  • electromagnetic wave reflection
  • dynamic conductivity
Аннотация (на русском)

Динамическая проводимость наногранулированных пленок "металл-диэлектрик" в диапазоне сверхвысоких частот

Рассмотрена динамическая проводимость наногранулированных пленок «металл-диэлектрик», измеряемая по коэффициенту отражения электромагнитной волны СВЧ диапазона от пленки. Отмечен факт значительного (на несколько порядков) превышения динамической проводимости над статической, измеренной на постоянном токе. В качестве физического механизма, лежащего в основе формирования динамической проводимости, принята модель внутригранулярных токов. Пленка представлена в виде планарного слоя, имеющего симметрию квадратной решетки, в узлах которой находятся кубические хорошо проводящие гранулы, отделенные друг от друга диэлектрическими промежутками. Падающая на пленку первичная электромагнитная волна создает отраженную и проходящую волны, которые являются вторичными. Для представления токов внутри гранул рассмотрены две модели: замкнутой и разомкнутой цепи. В соответствии с обеими моделями определено магнитное поле вторичной волны для случая бесконечно протяженной пленки по обеим координатам в ее плоскости. На основе полученного магнитного поля определен коэффициент отражения первичной волны от пленки. Для каждой модели получены формулы, определяющие удельную проводимость материала гранул через коэффициент отражения. Показано, что при малом размере промежутков по сравнению с размером гранул обе модели дают близкие результаты. Отмечено, что модель замкнутой цепи применима только в случае, когда размер промежутков значительно меньше размера гранул. Показано, что модель разомкнутой цепи сохраняет применимость при любом соотношении размеров гранул и промежутков. Приведены рекомендации для проведения экспериментов, на основе которых можно сделать достаточно корректный выбор между условиями применимости моделей замкнутой и разомкнутой цепи.

For citation

Antonets I.V., Kotov L.N., Golubev E.A., Shavrov V.G., Shcheglov V.I. Динамическая проводимость наногранулированных пленок "металл-диэлектрик" в диапазоне сверхвысоких частот // Journal of Radio Electronics. – 2018. – No. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.5.2

References

  1. Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига. 2006.
  2. Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. Москва-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика". 2005.
  3. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот. // ЖТФ. 2013. Т.83. №1. С.3.
  4. Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов. М.: УРСС. 2001.
  5. Виноградов А.П., Дорофеенко А.В., Зухди С. К вопросу об эффективных параметрах метаматериалов. // УФН. 2008. Т.178. №5. С.511.
  6. Веселаго В.Г. Волны в метаматериалах: их роль в современной физике. // УФН. 2011. Т.181. №11. С.1201.
  7. Макеева Г.С., Голованов О.С., Ринкевич А.Б. Вероятностная модель и электродинамический анализ резонансного взаимодействия электромагнитных волн с 3D-магнитными нанокомпозитами. // РЭ. 2014. Т.59. №2. С.152.
  8. Голованов О.С., Макеева Г.С., Ринкевич А.Б. Взаимодействие электромагнитных волн с периодическими решетками микро- и нанолент графена в терагерцовом диапазоне. // ЖТФ. 2016. Т.86. №2. С.119.
  9. Макеева Г.С., Голованов О.А. Математическое моделирование электронноуправляемых устройств терагерцового диапазона на основе графена и углеродных нанотрубок. Пенза: Изд. ПГУ. 2018.
  10. Parimi P.V., Lu W.T., Vodo P., Sokoloff J., Derov J.S., Sridhar S. Negative refraction and left-handed electromagnetism in microwave photonic crystals. // Phys. Rev. Lett. 2004. V.92. №12. P.127401(4).
  11. Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Животовский Л.В., Климов А.А., Тайад Ф., Пресманес Л., Бонин К., Цай Ч.С, Высоцкий С.Л., Филимонов Ю.А. Ферромагнитные пленки с периодическими структурами с магнонной запрещенной зоной - магнонные кристаллы. // Письма в ЖЭТФ. 2003. T.77. №10. C.670.
  12. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями и. // УФН. 1968. Т.92. №3. С.517.
  13. Агранович В.М., Гартштейн Ю.Н. Пространственная дисперсия и отрицательное преломление света. // УФН. 2006. Т.176. №10. С.1052.
  14. Калинин Ю.Е., Ремизов А.Н., Ситников А.В. Электрические свойства аморфных нанокомпозитов. // ФТТ. 2004. Т.46. №11. С.2076
  15. Иванов А.В., Калинин Ю.Е., Нечаев А.В., Ситников А.В. Электрические и магнитные свойства мультислойных структур. // ФТТ. 2009. Т.51. №12. С.2331.
  16. Ситников А.В. Электрические и магнитные свойства наногетерогенных систем металл-диэлектрик. // Диссертация на соискание ученой степени докт. физ.-мат. наук. Воронеж: ВГТУ. 2010.
  17. Gerber A., Milner A., Groisman B. et al. Magnetoresistance of granular ferromagnets. // Phys.Rev.B. 1997. V.55. №10. P.6446.
  18. Казанцева Н.Е., Пономаренко А.Т., Шевченко В.Г., Чмутин И.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В. Свойства и перспективы применения гранулированных ферромагнетиков в области СВЧ. // Физика и химия обработки материалов. 2002. №1. С.5.
  19. Луцев Л.В., Звонарева Т.К., Лебедев В.М. Электронный транспорт в гранулированных пленках аморфного углерода с наночастицами кобальта. // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. №15. С.84.
  20. Луцев Л.В. Спиновые возбуждения в гранулированных структурах с ферромагнитными наночастицами. // ФТТ. 2002. Т.44. №1. С.97.
  21. Антонец И.В., Котов Л.Н., Некипелов С.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Электродинамические свойства тонких металлических пленок с различной толщиной и морфологией поверхности. // РЭ. 2004. Т.49. №10. 1243.
  22. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Проводящие и отражающие свойства пленок нанометровых толщин из различных металлов. // РЭ. 2006. Т.51. №12. С.1481.
  23. Власов В.С., Гущин Н.Н., Котов Л.Н., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Отражение электромагнитных волн от композиционной структуры, одержащей наногранулы металла в диэлектрической матрице. // Сб. тр. XIX Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». 2011. М.: НИУ МЭИ. С.194.
  24. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Особенности формирования статической и динамической проводимости композиционной пленки, содержащей наногранулы металла в диэлектрической матрице. // РЭ. 2014. Т.59. №9. С.882.
  25. Калинин Ю.Е., Котов Л.Н., Петрунёв С.Н., Ситников А.В. Особенности отражения СВЧ-волн от гранулированных пленок. // Изв.РАН. Сер.физич. 2005. Т.69. №8. С.1195.
  26. Антонец И.В., Котов Л.Н., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость аморфных наногранулированных пленок в диапазоне сверхвысоких частот. // ПЖТФ. 2014. Т.40. №14. С.1.
  27. Rinkevich A.B., Perov D.V., Vaskovsky V.O., Gorkovenko A.N., Kuznetsov E.A. Microwave resistance of metal-dielectric film nanocomposites Cox(SiO2)1-x. // Proceedings of the 40th European Microwave Conference. 2010. Paris. France. P.894-897.
  28. Rinkevich A.B., Perov D.V., Vaskovsky V.O., Gorkovenko A.N., Kuznetsov E.A.Millimeter wave resistance of metal-dielectric Cox(SiO2)1-x and Cox(Al2O3)1-x films. // IEEE Transactions on Nanotechnology. 2017. V.16. №6. P.1067-1072.
  29. Антонец И.В., Котов Л.Н., Кирпичёва О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Статическая и динамическая проводимость аморфных наногранулированных композитов «металл-диэлектрик». // РЭ. 2015. Т.60. №8. С.839.
  30. Антонец И.В., Власов В.С., Котов Л.Н., Кирпичёва О.А., Голубев А.Е., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Статическая и динамическая проводимость наногранулированных пленок «металл-диэлектрик». // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2016. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may16/10/text.pdf.
  31. Антонец И.В., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Статическая и динамическая проводимость наногранулированных пленок «металл-диэлектрик». // Материалы XXIII Всероссийской конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва: ИНФРА-М. 2015. С.159.
  32. Антонец И.В., Котов Л.Н., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Структура, проводимость и СВЧ отражающие свойства аморфных гранулированных композитных пленок. // Сборник трудов конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Институт физики Дагестанского научного центра РАН. Махачкала. 2017. С.444.
  33. Антонец И.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Механизм формирования отраженной и проходящей волн при падении электромагнитной волны на наногранулированную пленку «металл-диэлектрик». // Сборник трудов XXII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва: МЭИ. Издательство «НИУ МЭИ». 2014. С.111.
  34. Антонец И.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Механизм внутригранулярных токов как условие формирования динамической СВЧ проводимости аморфных наногранулированных пленок «металл-диэлектрик». // Материалы школы-конференции «XVI Международная зимняя школа-семинар по радиофизике и электронике сверхвысоких частот». Саратов: ООО «Издательский центр «Наука». 2015. С.31.
  35. Антонец И.В., Котов Л.Н., Кирпичёва О.А., Голубев А.Е., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Механизм динамической проводимости аморфных наногранулированных пленок «металл-диэлектрик» в диапазоне сверхвысоких частот. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2014. №4. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/apr14/12/text.pdf.
  36. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Исследование проводимости графеносодержащего шунгита волноводным методом. // Сборник трудов Международного симпозиума «Перспективные материалы и технологи». Витебск: Беларусь. 2017. С.6.
  37. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость графеносодержащего шунгита в диапазоне сверхвысоких частот. // Сборник трудов конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Институт физики Дагестанского научного центра РАН. Махачкала. 2017. С.432.
  38. Антонец И.В., Голубев Е.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамическая проводимость графеносодержащего шунгита в диапазоне сверхвысоких частот. // Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». М.: НИУ МЭИ. 2017. С.135.
  39. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Сов. радио. 1957.
  40. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука. 1964.
  41. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество. М.: Наука. 1977.
  42. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука. 1973.