Hopping Conduction in NiF2 Thin Films as a Function of Their Crystallization Degree and Composition

The electrical charge transfer through AuNiF2Au thin film structures is investigated as a function of the crystallization degree of the insulating layers. For a constant growth rate, the texture of the samples, prepared by sublimation under vacuum, depends essentially on the substrate temperature during the condensation of the vapours (Ts). Above Ts = 300 K the NiF2 thin films are constituted by crystallized grains embedded in an amorphous matter. The average diameter of the grains and the crystallization degree of the layers increase with Ts. Under these conditions, the electrical behaviour of the structures greatly depends on the preparation parmeter Ts. However, whatever the substrate temperature may be the charge transfer in NiF2 thin films is due, in a very large temperature range, to a hopping of electrons between localized states situated in their band gap. These states correspond to an atomic disorder and to a weak lack of fluorine. The last ones, which can be represented by Coulombic wells, are situated at 1.75 eV below the conduction energy. Their density, which is about 1019 cm−3, weakly increases with Ts but greatly depends on an annealing of the structures. So, for well-crystallized samples a phonon-assisted tunneling process between first neighbouring localized states is observed, while in the case of quasi-amorphous layers a variable range hopping predominates. At last, an annealing of the structure, leading to a partial dissociation of the insulating thin films, has for consequence a general increase of the leakage current but does not change the charge transfer mechanism. Der elektrische Ladungstransfer durch dünne AuNiF2Au-Schichtstrukturen wird in Abhängigkeit vom Kristallisationsgrad der isolierenden Schicht untersucht. Für eine konstante Wachstumsrate hängt die Textur der im Vakuum sublimierten Proben wesentlich von der Substrattemperatur während der Dampfkondensation (Ts) ab. Oberhalb Ts = 300 K sind die dünnen NiF2-Schichten aus Kristallkörnern zusammengesetzt, die in einer amorphen Matrix eingebettet sind. Der mittlere Durchmesser der Körner und der Kristallisationsgrad der Schichten nimmt mit Ts zu. Unter diesen Bedingungen hängt das elektrische Verhalten der Struktur stark vom Präparationsparameter Ts ab. Jedoch unabhängig von der Substrattemperatur rührt der Ladungstransfer in dünnen NiF2-Schichten in einem sehr großen Temperaturbereich von einem Hoppingprozeß von Elektronen zwischen lokalisierten Zuständen in ihrer Bandlücke her. Die Zustände korrespondieren mit einer atomaren Fehlordnung und mit einem geringen Unterschuß von Fluor. Die letzteren, die sich als Coulombtöpfe darstellen lassen, befinden sich bei 1,75 eV unterhalb der Energie des Leitungsbandes. Ihre Dichte, die etwa 1019 cm−3 beträgt, nimmt schwach mit Ts zu, hängt jedoch stark von der Temperung der Strukturen ab. Für gut-kristallierte Proben wird ein phononunterstützter Tunnelprozeß zwischen nächstbenachbarten lokalisierten Zuständen beobachtet, während im Falle von quasi-amorphen Schichten „variable range”︁-Hopping vorherrscht. Schließlich hat eine Ausheilung der Struktur, die zu einem partiellen Zerfall der isolierenden dünnen Schichten führt, einen allgemeinen Anstieg des Leckstromes zur Folge, ändert jedoch den Ladungstransfer-mechanismus nicht.