Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Кочкуров Л. А. Моделирование кинетики деградации проводимости в наноструктурированных низкоразмерных полупроводниковых слоях при длительном воздействии постоянного тока // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2026. Т. 26, вып. 1. С. 62-71. DOI: 10.18500/1817-3020-2026-26-1-62-71, EDN: LNCIOR

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.03.2026
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 12)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.311.322
DOI: 
10.18500/1817-3020-2026-26-1-62-71
EDN: 
LNCIOR

Моделирование кинетики деградации проводимости в наноструктурированных низкоразмерных полупроводниковых слоях при длительном воздействии постоянного тока

Авторы: 
Кочкуров Леонид Алексеевич, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.
Аннотация: 

Представлена дискретная сетевая модель для исследования кинетики деградации омической проводимости в низкоразмерных наноструктурированных полупроводниковых слоях (на примере нанодисперсных слоёв In₂O₃) при длительном воздействии постоянного тока. Модель объясняет экспериментально наблюдаемый переход в диэлектрическое состояние через механизм захвата подвижных носителей дефектами-ловушками, приводящий к разрушению проводящих мостиков. В основе методологии лежит трёхмерная перколяционная система на кубической решётке размером 300×300×15 узлов, реализующая перколяцию по связям с логнормальным распределением проводимостей рёбер. Начальное количество непрерывных проводящих путей между электродами соответствует экспериментальным данным и определяет критическую конфигурацию системы. Динамика деградации формализована через эволюцию проводимости рёбер, зависящую от локальной плотности тока, рассчитываемой решением системы уравнений Кирхгофа для узловых потенциалов. Результаты демонстрируют количественное согласие с экспериментальной кинетикой перехода «полупроводник– диэлектрик», устанавливая корреляцию между разрушением перколяционных кластеров и макроскопической деградацией проводимости.

Ключевые слова: 
кинетика деградации
наноструктурированные полупроводники
перколяционная модель
захват носителей
оксид индия
Благодарности: 
Автор выражает особую благодарность доктор физико-математических наук, профессору Зимнякову Дмитрию Александровичу за ценные советы и замечания, высказанные в процессе написания статьи. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24-22-00333, https://rscf.ru/project/24-22-00333/).
Список источников: 
  1. Singh S., Das S., Ray S. K. Progress in group-IV semiconductor nanowires based photonic devices. App. Phys. A, 2023, vol. 129, art. 216. https://doi.org/10.1007/s00339-023-06483-7
  2. Sohail M. T., Wang M., Shareef M., Yan P. A review of ultrafast photonics enabled by metal-based nanomaterials: Fabrication, integration, applications and future perspective. Infrared Phys. Technol., 2024, vol. 137, art. 105127. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2024.105127
  3. Chao J., Wang G., Qiu P., Sun H., Wang Y., Duan X., Zhang J., Lyu Y., Ahmad I., Fu B. Optical properties and applications of metal nanomaterials in ultrafast photonics: A review. J. Mater. Sci., 2024, vol. 59, iss. 29, pp. 13433–13461. https://doi.org/10.1007/s10853-024-09993-8
  4. Raha S., Ahmaruzzaman M. ZnO nanostructured materials and their potential applications: Progress, challenges and perspectives. Nanoscale Advances, 2022, vol. 4, iss. 8, pp. 1868–1925. https://doi.org/10.1039/D1NA00880C
  5. Noreen S., Tahir M. B., Hussain A., Nawaz T., Rehman J. U., Dahshan A., Alrobei H. Emerging 2D-Nanostructured materials for electrochemical and sensing Application-A review. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, vol. 47, iss. 2, pp. 1371–1389. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.10.044
  6. Ansari A., Ahmed S., Siddiqui M. A., Khan A., Tailor S., Kumar P., Negi D. S. PEDOT: PSS, TiO2 nanoparticles and carbon quantum dot composites as ultraviolet sensors. ACS Applied Nano Materials, 2024, vol. 7, iss. 8, pp. 9789–9799. https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01897
  7. Ren X., Xu Z., Liu D., Li Y., Zhang Z., Tang Z. Conductometric NO2 gas sensors based on MOF-derived porous ZnO nanoparticles. Sensors and Actuators B: Chemical, 2022, vol. 357, art. 131384. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131384
  8. de Lima B. S., Komorizono A. A., Ndiaye A. L., Bernardi M. I. B., Brunet J., Mastelaro V. R. Tunning the gas sensing properties of rGO with In2O3 nanoparticles. Surfaces, 2022, vol. 5, iss. 1, pp. 127–142. https://doi.org/10.3390/surfaces5010006
  9. Kumar N., Patel M., Nguyen T. T., Kim S., Kim J. Effect of TiO2 layer thickness of TiO2/NiO transparent photovoltaics. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2021, vol. 29, iss. 8, pp. 943–952. https://doi.org/10.1002/pip.3419
  10. Tran M. H., Bae J. S., Hur J. Self-powered, transparent, flexible and solar-blind deep-UV detector based on surface-modified TiO2 nanoparticles. Applied Surface Science, 2022, vol. 604, art. 154528. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154528
  11. Ge S., Sang D., Zou L., Yao Y., Zhou C., Fu H., Wang C. A review on the progress of optoelectronic devices based on TiO2 thin films and nanomaterials. Nanomaterials, 2023, vol. 13, iss. 7, art. 1141. https://doi.org/10.3390/nano13071141
  12. Sun S., Zhang M., Bian J., Xu T., Su J. In2O3/ZnO heterojunction thin film transistor for high recognition accuracy neuromorphic computing and optoelectronic artificial synapses. Nanotechnology, 2024, vol. 35, no. 36, art. 365602. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ad5685
  13. Coetzee D., Venkataraman M., Militky J., Petru M. Influence of nanoparticles on thermal and electrical conductivity of composites. Polymers, 2020, vol. 12, iss. 4, art. 742. https://doi.org/10.3390/polym12040742
  14. Khelifa H., Beroual A., Vagnon E. Effect of conducting and semiconducting nanoparticles on the AC breakdown voltage and electrostatic charging tendency of synthetic ester. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2023, vol. 30, iss. 4, pp. 1414–1421. https://doi.org/10.1109/TDEI.2023.3261825
  15. Lund P. D., Hashmi G., Ma Y., Patakangas J., Jing Y. Degradation and stability of nanostructured energy devices. Microelectronic Engineering, 2014, vol. 126, pp. 49–53. https://doi.org/10.1016/j.mee.2014.05.002
  16. Zimnyakov D., Volchkov S., Vasilkov M., Plugin I., Varezhnikov A., Gorshkov N., Ushakov A., Tokarev A., Tsypin D., Vereshagin D. Semiconductor-to-insulator transition in inter-electrode bridge-like ensembles of anatase nanoparticles under a long-term action of the direct current. Nanomaterials, 2023, vol. 13, iss. 9, pp. 1490–1506. https://doi.org/10.3390/nano13091490
  17. Kochkurov L. A., Volchkov S. S., Vasilkov M. Y., Plugin I. A., Klimova A. A., Zimnyakov D. A. Degradation of conductivity of low-dimensional nanostructured semiconductor layers under long-term dc current flow. Izvestiya of Saratov University. Physics, 2024, vol. 24, iss. 1, pp. 41–51 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-1-41-51, EDN: AUQNBD
  18. Kochkurov L. A., Tsypin D. V., Volchkov S. S., Zimnyakov D. A. Specific features of charge transfer fluctuations in disperse structures based on anatase nanoparticles near the percolation threshold. Izvestiya of Saratov University. Physics, 2024, vol. 24, iss. 3, pp. 262–270 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-3-262-270, EDN: RHDYLS
  19. Sze S. M., Li Y., Ng K. K. Physics of Semiconductor Devices. John Wilee & Sons, Inc., 2021. 944 p. (Russ. ed: Moscow, Mir, 1984, vol. 1. 455 p.)
  20. Chatratin I., Sabino F. P., Reunchan P., Limpijumnong S., Varley J. B., Van de Walle C. G., Janotti A. Role of point defects in the electrical and optical properties of In2O3. Phys. Rev. Mater, 2019, vol. 3, iss. 7, art. 074604. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.074604
  21. Kozhushner M. A., Lidskii B. V., Oleynik I. I., Posvyanskii V. S., Trakhtenberg L. I. Inhomogeneous charge distribution in semiconductor nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C, 2015, vol. 119, iss. 28, pp. 16286–16292. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b01410
  22. Malagu C., Guidi V., Stefancich M., Carotta M. C., Martinelli G. Model for Schottky barrier and surface states in nanostructured n-type semiconductors. Journal of Applied Physics, 2002, vol. 91, iss. 2, pp. 808–814. https://doi.org/10.1063/1.1425434
  23. Šuvakov M., Tadić B. Modeling collective charge transport in nanoparticle assemblies. Journal of Physics Condensed Matter, 2010, vol. 22, iss. 16, art. 163201. https://doi.org/10.1088/0953-8984/22/16/163201
  24. Cho I., Song Y., Cheong S., Kim Y., Cho, J. Layer-bylayer assembled oxide nanoparticle electrodes with high transparency, electrical conductivity and electrochemical activity by reducing organic linker-induced oxygen vacancies. Small, 2020, vol. 16, iss. 8, art. 1906768. https://doi.org/10.1002/smll.201906768
  25. Spencer M. P., Alsaati A. A., Park J. E., Nogueira Branco R. B., Marconnet A., Yamamoto N. Tuning interparticle contacts and transport properties of Maghemite–Thermoset nanocomposites by applying oscillating magnetic fields. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, vol. 14, iss. 14, pp. 16601–16610. https://doi.org/10.1021/acsami.2c00331
  26. Shklovskii B. I., Efros A. L. Electronic properties of doped semiconductors. Springer Series in Solid-State Sciences, vol. 45. Berlin, Springer, 1984. xii+388 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-02403-4 (Russ. ed: Moscow, Nauka, 1979. P. 126–128, 133–139, 159–165).
Поступила в редакцию: 
11.09.2025
Принята к публикации: 
10.10.2025
Опубликована: 
31.03.2026
  • 38 просмотров