Niskotemperaturowe właściwości rezystorów RuO2-szkło

Przedmiotem badań były rezystory grubowarstwowe RuO2-szkło o znanym składzie, wykonane w warunkach laboratoryjnych. Przeprowadzono pomiary rezystancji i szumów nadmiarowych typu 1/f w funkcji temperatury, w zakresie 30 mK -300 K oraz w funkcji pola magnetycznego do 5 T. Rezystory RuO2-szkło dobrze nadają się do wykorzystania w roli kriogenicznych czujników temperatury ze względu na dużą czułość i małą magnetorezystancję. Porównanie tych parametrów z parametrami czujników komercyjnych pozwala stwierdzić, że są to przyrządu tej samej klasy. Badane rezystory charakteryzuje duży wzrost poziomu szumów nadmiarowych w zakresie temperatur kriogenicznych, przez co ograniczeniu ulega rozdzielczość pomiaru temperatury. Na podstawie pomiarów tych szumów określono rzeczywistą rozdzielczość pomiaru rezystancyjnych czujników temperatury. Dokonano także krytycznej analizy mechanizmów przewodnictwa najczęściej stosowanych do opisu rezystorów wykonanych na bazie RuO2. Pomiary temperaturowej zależności rezystancji pozwalają odrzucić model przewodnictwa skokowego zmiennozakresowego dla tego typu rezystorów. Z kolei pomiary szumów dają dobrą zgodność z jedną z teorii w ramach tego modelu przewodnictwa. Dla próbek badanych w pracy określono krytyczną koncentrację składnika metalicznego w warstwie rezystywnej, przy której następuje przejście metal-izolator.

Pełny tekst (pdf)

[1] Affronte M., Campani M., Piccinini S., Tamborin M., Morten B., Prudenziati M., Laborde O.: Low temperature electronic transport in RuO2-based cermet resistors, J. Low Temp. Phys., vol. 109, 1997, pp. 461-475.
[2] Bat’ko I., Flachbart K., Somora M., Vanický D., Design of RuO2-based thermometers for the millikelvin temperature range, Cryogenics, vol. 35, 1995, pp. 105-108.
[3] Bobran K., Kusy A., Stadler A.W., Wilczyński G.: Conduction in RuO2-based thick films, Int. J. Electronics, vol. 78, 1995, pp. 113-119.
[4] Cohen O., Ovadyahu Z.: Resistance noise near the Anderson transition, Phys. Rev. B, vol. 50, 1994, pp. 10442-10449.
[5] Collins D.G., Arshak K.I.: A study of composite Bi2O3, In2O3 and RuO2 planar thick film
piezoresistive gauges, Microelectronics J., vol. 27, 1996, pp. 59-65.
[6] Dziedzic A., Golonka L., Licznerski B., Morten B., Prudenziati M.: Technika grubowarstwowa i jej zastosowania, skrypt napisany w ramach programu TEMPUS JEP 3298 i JEN 3298, Wrocław, 1998.
[7] Flachbart K., Pavlík V., Tomašovičová N., Adkins C.J., Somora M., Leib J., Eska G.: Conduction mechanism in RuO2-based thick films, Phys. Stat. Sol. (B), vol. 205, 1998, pp. 399-404.
[8] Grimaldi G., Maeder T., Ryser P., Strässler S.: Model of transport nonuniversality in thick-film resistors, Appl. Phys. Lett., vol 83, 2003, pp.189-191.
[9] Holmes D.S., Courts S.S.: Resolution and accuracy of cryogenic temperature measurements, Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, J.F. Schooley A/P, New York, vol. 6, 1992, pp. 1225-1230.
[10] Hrovat M., Belavic D., Samardžija Z.: Characterisation of thick film resistor series for strain sensors, J. Eur. Ceram. Soc., vol. 21, 2001, pp. 2001-2004.
[11] Imry Y.: Introduction to mesoscopic physics, Oxford University Press, 1996.
[12] Imry Y.: Possible role of incipient Anderson localization in the resistivities of highly disordered metals, Phys. Rev. Lett., vol. 44, 1980, pp. 469-471.
[13] Kalita W., Mleczko K., Zając K., Żak D.: Thick-film starting system with changeable Q-factor circuit for sodium discharge lamps, Proc. 17th Conference of ISHM Poland, Rzeszów-Solina, September 15-18, 1993, pp. 93-96.
[14] Kogan Sh.: Electron glass: Intervalley transitions and the hopping conduction noise, Phys. Rev. B, 57, 1998, pp. 9736-9744.
[15] Koncki R., Mascini M.: Screen-printed ruthenium dioxide electrodes for pH measurements, Anal. Chem. Acta, vol. 351, 1997, pp. 143-149.
[16] Kozub V.I.: Low-frequency noise due to site energy fluctuations in hopping conductivity, Solid State Commun., 97, 1996, pp. 843-846.
[17] Kusy A., Classical percolation threshold and resistance versus temperature behaviour of
RuO2-glass films, Physica B, vol. 240, 1997, pp. 226-241.
[18] Kusy A., Stadler A.W., Mleczko K., Żak D., Pawłowski S., Szałański P., Zawiślak Z., Grabecki G., Plesiewicz W., Dietl T.: Metal-insulator transition in nanocomposities of glass and RuO2, Ann. Phys., vol. 8, 1999 pp. 589-592.
[19] Kusy A., Stadler A.W., Mleczko K., Żak D., Wilczyński G., Szałański P., Zawiślak Z., Grabecki G., Dietl T., Plesiewicz W.: Metal-insulator transition in RuO2-glass films: low-temperature studies, Proc. Int. Conf. on Localization in Solids, Localization’96, Jaszowiec, Poland, August 3-6, 1996, pp. 256-257.
[20] Kusy A.: Struktura, mechanizm przewodnictwa oraz szumy typu 1/f rezystywnych warstw grubych, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Rzeszowskiej, Rozprawy 22, Rzeszów, 1979.
[21] Lake Shore Model 370 AC Resistance Bridge, Instrukcja użytkownika, v. 1.1, 2001.
[22] Li Q., Watson C.H., Goodrich R.G., Haase D.G., Lukefahr H.: Thick film chip resistors for use as low temperature thermometers, Cryogenics, vol. 26, 1986, pp. 467-470.
[23] Manjakkal L., Cvejin K., Kulawik J.: Zaraska K., Szwagierczak D.: A low-cost pH sensor based on RuO2 resistor material, Nano Hybrids, vol. 5, 2013, pp.1-15.
[24] Massey J.G., Lee M.: Low-frequency noise probe of interacting charge dynamics in variable-range hopping boron-doped silicon, Phys. Rev. Lett., 79, 1997, pp. 3986-3989.
[25] Mleczko K. Identyfikacja przejścia metal-izolator w rezystorach grubowarstwowych RuO2+szkło, rozprawa doktorska, Politechnika Rzeszowska, Rzeszów, 2003.
[26] Mleczko K., Żak. D., Kolek A., Stadler A.W., Szałański P., Zawiślak Z.: Rezystory grubowarstwowe RuO2 + szkło jako kriogeniczne czujniki temperatury, Elektronika, vol. XLVI, nr 2-3, 2005, pp. 54-55.
[27] Möbius A.: The metal-semiconductor transition in amorphous Si1-xCrx films: T 0.19-contribution to the metallic conductivity, Z. Phys. B, vol. 79, 1990, pp. 265-273.
[28] Mott N.F.: Conduction in non-crystalline materials. III. Localized states in a pseudogap and near extremities of conduction and valence bands, Phil. Mag., 19, 1969, pp. 835-852.
[29] Nicoloso N., LeCorre-Frisch A., Maier J., Brook R. J.: Conduction mechanisms in RuO2-glass composites, Solid State Ionics, 75, 1995, pp. 211-216.
[30] Ogawa T., Fujii M., Asai T., Ikegami A., Kobayashi T.: Application of copper conductor and ruthenium containing oxides-glass resistor to high-frequency hybrid IC’s for a portable cellular radio, IEEE Trans. CHMT, vol. 11, 1988, pp. 211-217.
[31] Paszczyński S., Element grubowarstwowy jako czujnik parametryczny, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 58, Rzeszów, 1989.
[32] Pike G.E., Seager C.H.: Electrical properties and conduction mechanisms of Ru-based thick-film (cermet) resistors, J. Appl. Phys., vol. 48, 1977, pp. 5152-5169.
[33] Pokrovskii V.Ya., Savchenko A.K., Tribe W.R., Linfield E.H.: Modulation origin of 1/f noise in two-dimensional hopping, Phys. Rev. B, vol. 64, 2001, s. 201318-1-4.
[34] Prudenziati, M.: Electrical transport in thick film (cermet) resistors, Electrocomp. Sci. Technol., vol. 10, 1983, pp. 285-293.
[35] Ptak P., Kolek A., Zawiślak Z., Mleczko K., Stadler A.W.: 1/f noise versus magnetic field in RuO2 based thick film resistors, Proc. 26th Int. Spring Seminar on Electronics Technology, ISSE 2003, Stara Leśna, Słowacja, 2003, pp. 196-201.
[36] Ptak P., Kolek A., Zawislak Z., Stadler A.W., Mleczko K.: 1/f noise of the RoxTM sensor, Sens. Actuators A: Physical, 2007.
[37] Ptak P., Kolek A., Zawislak Z., Stadler A.W., Mleczko K.: Noise resolution of RuO2 based resistance thermometers, Rev. Sci. Instr., 76, 2005, pp. 014901-1-6.
[38] Ptak P.: Rozdzielczość szumowa rezystancyjnych czujników temperatury typu RuO2+szkło, rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław, 2007.
[39] Roman J., Pavlík V., Flachbart K., Adkins C.J., Leib J.: Electronic transport in RuO2-based thick film resistors at low temperature, J. Low Temp. Phys., vol. 108, 1997, pp. 373-382.
[40] Rosenbaum R.L., Slutzky M., Möbius A., McLachlan D.: Various methods for determining the critical metallic volume fraction ?c at the metal-insulator transition, J. Phys.: Condens. Matter, vol. 6, 1994, pp. 7977-7992.
[41] Sahul R., Tasovski V., Sudarshan T.S.: Ruthenium oxide cryogenic temperature sensors, Sens. and Actuators A, vol. 125, 2006, pp. 358-362.
[42] Scofield J.H.: ac method for measuring low-frequency resistance fluctuation spectra, Rev. Sci. Instrum., vol. 58, 1987, pp. 985-993.
[43] Shklovskii B.I.: 1/f noise in variable range hopping conduction, Phys. Rev. B, vol. 67, 2003, pp. 045201-1-6.
[44] Shtengel K., Yu C.C.: 1/f noise in electron glasses, Phys. Rev. B, vol. 67, 2003, pp. 165106-1-8.
[45] Stanford Research Systems SIM921 AC Resistance Bridge, Instrukcja użytkownika, v.1.41, 2003.
[46] Temperature Measurement and Control – katalog firmy Lake Shore
[47] Watanabe M., Morishita M., Ootuka Y.: Magnetoresistance of RuO2-based resistance thermometers below 0.3 K, Cryogenics, vol. 41, 2001, pp. 143-148.
[48] Willekers R.W., Mathu F., Meijer H.C., Postma H.: Thick film thermometers with predictable R-T characteristics and very low magnetoresistance below 1 K, Cryogenics, vol. 30, 1990, pp. 351-355.
[49] Żak D., Dziedzic A., Kolek A., Stadler A.W., Mleczko K., Szałański P., Zawiślak Z.,: Implementation of RuO2-glass based thick film resistors in cryogenic thermometry, Meas. Sci. Technol., vol. 17, 2006, pp. 22-27.