Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Дисертаційні роботи України
Фізико-математичні науки
Фізика твердого тіла

Диссертационная работа:

7. Богатиренко Сергій Іванович. Плавлення-кристалізація та дифузійна активність в шаруватих плівкових системах Al/M/Al та Ge/M/Ge (M=In, Sn, Pb, Bi): дис... канд. фіз.-мат. наук: 01.04.07 / Харківський національний ун-т ім. В.Н.Каразіна. - Х., 2005.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальність теми. Інтерес дослідників до нанооб’єктів зумовлений у першу чергу особливостями їх фазового і структурного станів, а також унікальними фізико-хімічними якостями, що не властиві для макроскопічних об'єктів. Так, встановлено зниження температур плавлення, випару і поліморфних перетворень у малих частинках, зміну параметра ґратки, механічних, електричних і магнітних властивостей, відомі їх підвищена каталітична активність тощо. Варто також згадати про квантові розмірні ефекти (наприклад, резонансний ефект тунелювання електронів, квантовий ефект Джозефсона, магнітні квантові ефекти тощо), які проявляються у малих частинках тоді, коли їхні розміри стають сумірними з такими параметрами електронів провідності, як довжина хвилі де Бройля електронів на поверхні Фермі, довжина вільного пробігу, довжина когерентності тощо. Усі ці властивості можуть бути використані при створенні нових матеріалів і пристроїв на основі нанооб’єктів. Використовуючи методи зонної інженерії та інженерії хвильових функцій можна конструювати квантоворозмірні структури (квантові ями, квантові дроти і точки, структури з тунельно-прозорими бар'єрами, фотонні кристали тощо) із заданим електронним спектром і необхідними оптичними, електричними та іншими властивостями. Тому такі структури є дуже привабливими для використання у приладобудуванні, зокрема для створення транзисторів нового типу з розмірами близько 1 нм (одноелектронний транзистор на нанокластері), лазерів на квантових ямах, зчитуючих магнітних пристроїв, дія яких ґрунтується на ефекті гігантського магнітоопору, що виникає в шаруватих металевих магнітовпорядкованих середовищах із товщиною шарів у кілька нанометрів.

Однак через надзвичайну чутливість нанооб’єктів до умов препарування при їхньому одержанні доводиться контролювати велику кількість фізико-технологічних параметрів, зокрема структуру і матеріал підкладки, її температуру, робочий тиск і склад залишкових газів, швидкість осадження тощо. Для одержання плівок заданого складу і стану ці параметри найчастіше добирають емпірично. Природньо, що подальший розвиток досліджень у напрямку створення або використання матеріалів на основі нанооб’єктів неможливий без чіткого розуміння процесів і явищ, які відбуваються в таких структурах. Одним із важливих явищ, безпосередньо пов'язаних із процесами конденсації, є залежність від розміру температури фазового переходу кристал – рідина.

Експериментальні дані, накопичені протягом останніх кількох десятиліть для острівцевих і частково суцільних плівок, як вільних так і на нейтральних аморфних підкладках, свідчать про зниження температури плавлення зі зменшенням їх характерного розміру. Також встановлено, що величина переохолодження, яка спостерігається при кристалізації плівок, отриманих у досить чистих умовах, залежить від характеру їх взаємодії з підкладкою. У випадку слабкої взаємодії острівців з підкладкою, мірою якої може бути кут змочування острівцями підкладки, при крайових кутах, більших 130, величина переохолодження наближається до 0,4Тs (Тs – температура плавлення масивних зразків).

Інтенсивний розвиток наноелектроніки і нанотехнологій, що спостерігається останнім часом, стимулював до постановки якісно нових задач, на перший погляд несумісних між собою, зокрема поєднання нанорозмірів частинок із довговічністю та стабільністю відтворюваності властивостей частинок при контакті з іншими матеріалами і за умов роботи при високих температурах. Так, зокрема, особлива увага дослідників і технологів сьогодні прикута до поведінки нанооб’єктів у твердотільних матрицях. Це викликано у першу чергу перспективністю практичного застосування таких матеріалів (алюмінієві композити, зміцнені нанорозмірними включеннями іншого компоненту, аморфні матеріали, тонкоплівкові і гетероструктурні компоненти мікроелектроніки й оптотроніки наступного покоління, магнітом’які і магнітотверді матеріали, інтегровані мікроелектромеханічні пристрої, електричні акумулятори й інші перетворювачі енергії). Для таких систем важливим є їх температурна стабільність. З літературних джерел відомі лише окремі і часто суперечливі дані про розмірну зміну температури плавлення малих часток у матриці. За такої неоднозначності експериментальних даних важко визначити, коли зміна температури плавлення зумовлена малістю характерного розміру, а коли іншими причинами, наприклад, процесами на границі частинка - матриця, що визначають ступінь взаємодії компонентів. Важливо також відзначити, що запропонований у свій час П.І. Павловим (1909), термодинамічний підхід, який базується на врахуванні зростаючої ролі поверхневої енергії при зменшенні розміру і який, зазвичай, використовується для пояснення зміни температури плавлення вільних частинок для випадку, коли наночастинки знаходяться у твердотільній матриці, зустрічається з протиріччями. Усе це вказує на необхідність подальшого пошуку нових підходів для з'ясування закономірностей, що визначають особливості властивостей нанооб’єктів, впроваджених у твердотільну матрицю. Таким чином, актуальними є питання про характер і величину, а також про природу розмірної зміни температури фазового переходу кристал – рідина в системах, коли більш легкоплавкий компонент впроваджений у матрицю з більш тугоплавкого компоненту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота пов'язана з виконанням науково-дослідних тематичних робіт, проведених на кафедрі фізичних технологій фізико-технічного факультету Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, Наукового фізико-технологічного центру МОН та НАН України відповідно до плану фундаментальних досліджень з фізики Міністерства освіти і науки України, а також у межах проекту під патронатом фонду Леонарда Ейлера (Німеччина), а саме: "Поверхневі явища, фазові перетворення і структура в конденсованих плівках" (номер держреєстрації 0197U002487); "Особливості фазового і структурного стану нанодисперсних плівок" (номер держреєстрації 0100U003286); "Зміна температури плавлення в бінарних шаруватих плівкових системах" (номер держреєстрації 0102U000440); "Фазові перетворення і дифузійна активність у шаруватих плівкових наносистемах" (номер держреєстрації 0103U004204); "Фазові перетворення рідина – кристал у шаруватих системах на основі вісмуту, кремнію і германію" (номер держреєстрації 0103U005740); проекти під патронатом фонду Леонарда Ейлера (DAAD) (номер А02/02846 та А03/17556).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи – встановити закономірності розмірної зміни температур фазових переходів плавлення – кристалізація і дифузійної активності в шаруватих плівкових системах Al/M/Al і Ge/M/Ge (M = In, Sn, Pb, Bi), компоненти яких мають фазову діаграму евтектичного типу при практично повній нерозчинності компонентів у твердому стані.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі основні задачі:

провести комплексні експериментальні дослідження, спрямовані на визначення температур плавлення та величини переохолодження при кристалізації рідкої фази та дифузійної активності в шаруватих плівкових системах Al/M/Al і Ge/M/Ge (M = In, Sn, Pb, Bi);

з'ясувати характер зміни температури плавлення, зумовлений малістю характерного розміру, і узгодити його з еволюцією фазової діаграми для випадку, коли один із компонентів є тонкою нанорозмірною плівкою;

обґрунтувати отримані закономірності розмірної залежності температури плавлення нанооб’єктів, впроваджених у твердотільну матрицю, а також дифузійних процесів, які відбуваються при контакті нанодисперсних плівкових систем. Проаналізувати можливість їх використання для пояснення ефектів, що спостерігаються у досліджених наносистемах.

Об'єкт досліджень: двошарові плівки Al/M, Ge/M (M = In, Sn, Pb, Bi) при товщинах шарів ~ 100 нм. Шаруваті плівкові системи Al/M/Al і Ge/M/Ge з різною товщиною плівки легкоплавкого компонента M (10–100 нм) і товщиною плівок Al і Ge ~ 100 нм. Багатошарові плівкові системи Au–Cu з товщиною шарів Au та Cu від ~ 2 нм кожний при загальній товщині плівкової системи до 200 нм.

Предмет досліджень: температура плавлення, величина переохолодження при кристалізації і дифузійна активність у шаруватих плівкових системах, компоненти яких утворюють фазові діаграми двох типів: а) компоненти цілком нерозчинні у твердому стані і необмежено розчинні в рідкому; б) при необмеженій розчинності компонентів у твердому і рідкому станах.

Методи досліджень: для одержання багатошарових плівок у роботі використаний метод термічного випаровування компонентів із незалежних джерел у вакуумі до 510-7 мм рт. ст. Для надійної реєстрації незначних змін температури плавлення (~0,2 K) легкоплавкого компонента в шаруватих плівкових системах був розроблений диференціальний метод. Гранична температура визначалася як температура зміни механізму конденсації пара-рідина – пара-кристал при конденсації легкоплавкого компоненту на підкладку з градієнтом температури. Величина переохолодження в шаруватих плівкових системах визначалася за методом виміру електричного опору. Структуру і фазовий склад зразків досліджували методами просвічуючої (ПЕМ) і растрової (РЕМ) електронної мікроскопії, а також електронографії і рентгенівської дифрактометрії. Елементний аналіз складу плівок проводили за допомогою Оже-спектроскопії.

Наукова новизна отриманих результатів.

Встановлено, що температура плавлення тонких (~ 10–100 нм) плівок металів In, Sn, Bi, Pb, які знаходяться між товстими (> 100 нм) плівками Al чи Ge, знижується зі зменшенням їх товщини. У рамках геометричної термодинаміки цьому зниженню температури плавлення співставлена еволюція фазової діаграми компонентів контактуючих шарів за умови що один із компонентів знаходиться в нанодисперсному стані.

Експериментально показана ефективність застосування шаруватих плівкових систем, на прикладі системи Al/Bi/Al для визначення граничних переохолоджень при кристалізації рідкої фази на основі легкоплавкого компоненту, що знаходиться в контакті з тугоплавким компонентом, за умови коли зазначені компоненти утворюють фазову діаграму евтектичного типу, і відповідність цих переохолоджень величинам, отриманим при послідовній конденсації легкоплавкого компонента на підкладці із більш тугоплавкого компонента з градієнтом температури.

Виявлено, що в нанодисперсних шаруватих плівкових системах Cu-Au, які отримані шляхом послідовної конденсації, незалежно від порядку конденсації компонентів при таких масових товщинах плівок, коли основна частина речовини плівки припадає на поверхневі і приповерхні атоми, уже при кімнатній температурі підкладки відбувається формування гомогенного сплаву. При цьому ефективний коефіцієнт дифузії перевищує відомі значення для масивних зразків системи Cu-Au на 10–12 порядків.

На основі аналізу відомих із літератури даних стосовно розмірного зниження температури плавлення та зменшення параметру ґратки показано, що суттєве збільшення дифузійної активності в наночастинках, у тому числі і в шаруватих нанодисперсних плівкових системах, зумовлене, головним чином, поверхневими та приповерхневими вакансіями.

Практичне значення отриманих результатів. Дані стосовно характеру і природи зміни температури плавлення нанооб’єктів, впроваджених у твердотільну матрицю, про температурний гістерезис плавлення – кристалізація в наносистемах, а також про дифузійну активність у таких системах можуть бути використані у сучасному матеріалознавстві, наноелектроніці та в інших галузях науки й техніки, наприклад, для розуміння та пояснення надпластичності нанокристалічних матеріалів за участю рідкої фази нижче температури солідусу. Отримані результати важливі для створення нових матеріалів із незвичайними властивостями (фулерени, нанотрубки, нанокераміка) і конструкційних наноматериалів із підвищеними експлуатаційними характеристиками; для розробки приладів і пристроїв на основі квантових наноструктур (лазери на квантових точках, надшвидкодіючі транзистори, запам'ятовуючі пристрої на основі ефекту гігантського магнітоопору); а також для розробки нових технологічних прийомів і методів, які базуються на принципах самоорганізації. Отримані дані істотно розширюють знання про процеси, що протікають у нанодисперсних системах при зменшенні характерного розміру частинок, впроваджених у твердотільну матрицю.

Дані про розмірну залежність температури плавлення важливі для розуміння характеру взаємодії нанооб’єктів із речовиною матриці і прогнозування властивостей різних наносистем.

На підставі даних про температурний гістерезис плавлення – кристалізація показана ефективність використання шаруватих плівкових систем для визначення переохолодження при кристалізації. При цьому в таких шаруватих плівкових системах спостерігається стабільність величини переохолодження при повторних циклах нагрівання – охолодження для випадку, коли компоненти цілком нерозчинні у твердому стані і мають область розшарування в рідкому. Ці властивості можуть бути використані для виготовлення нанорозмірних терморегулюючих пристроїв на основі вказаних шаруватих плівкових систем.

Розвинені уявлення про дифузійні процеси, які відбуваються в таких системах, можуть бути корисні для прогнозування довговічності і відтворюваності властивостей наносистем при виготовленні композитних матеріалів або приладів на їхній основі.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації виконав усі експериментальні дослідження, викладені в опублікованих у співавторстві наукових працях і в оригінальній частині дисертації: він препарував плівки методом термічного випаровування, розробив диференційний метод для встановлення температури плавлення в шаруватих плівкових системах, провів дослідження температур фазових переходів плавлення – кристалізація в шаруватих плівкових системах диференційним методом та за виміром їх електричного опору, виконав дифрактометричні виміри. Автор брав участь в обговоренні та тлумаченні результатів, обробляв експериментальні дані, виготовляв ілюстративний та графічний матеріали для публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на IX Міжнародному семінарі "Діагностика поверхні іонними пучками" (Запоріжжя, 2000 р.), VIII Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 2001 р.), 5-й Міжнародній конференції "Фізичні явища у твердих тілах" (Харків, 2001 р.), 6-й Міжнародній конференції "Фізичні явища у твердих тілах" (Харків, 2003 р.), V Міжнародній конференції "Нелінійні процеси і проблеми самоорганізації в сучасному матеріалознавстві" (Воронеж, Росія, 2004 р.), "Каразінські природознавчі студії" (Харків, 2004 р.), Deutsche Physikalische Gesellschaft (Regensburg 2002), а також обговорювалися на наукових семінарах в Інституті прикладної фізики Університету міста Гамбург та в Інституті фізики та фізичних технологій Технічного університету міста Клаусталь.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 13 наукових праць: у тому числі 6 статей у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць і 7 у матеріалах і тезах міжнародних наукових конференцій.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, приміток і списку використаних джерел. Зміст досліджень викладений на 138 сторінках, із яких текст займає 123 стор., 57 рисунків, із яких 3 займають 3 повні сторінки, 5 таблиць. Список використаних джерел, викладений на 13 стор., містить 138 найменувань.

Подобные работы
Богатыренко Сергей Иванович
Плавление-кристаллизация и диффузионная активность в слоистых пленочных системах Al/M/Al и Ge/M/Ge (M=Sn, Pb, Bi, In)
Горне Галина Викторовна
Исследование механизма образования твердых растворов на основе соединений A4Te в системах Sn-Sb(Bi)-Te и Sn(Pb,Ge)-In-Te
Кравець Ольга Леонідівна
Особливості процесів теплоперенесення та кристалізації при загартуванні металів з рідкого стану.
Рассолов Сергій Геннадійович
Вплив термічної передісторії на процеси релаксації і кристалізації рідких та аморфних сплавів на основі заліза в неізотермічних умовах
Півень Олег Борисович
Дослідження процесів фотостимульованого росту частинок срібла та умов їх кристалізації при явищах фотографічного обернення в приповерхневому шарі мікрокристалів AgBr
Філіпов Володимир Борисович
Структура та властивості композитів на основі гексабориду лантану, отриманих спрямованою кристалізацією
Шабля Василь Трохимович
Масоперенесення в металічних системах на основі Fe, Cu i Al при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами
Юрченко Григорій Васильович
Широкозонні напівпровідникові шари ZnO:Al, ITO та CdS в плівкових фотоелектрично активних гетеросистемах
Юрченко Григорий Васильевич
Широкозонные полупроводниковые слои ZnO:Al, ITO та CdS в пленочных фотоэлектрически активных гетеросистемах
Космінська Юлія Олександрівна
Структуроутворення шарів Al, Cu, Ni, Cr, Ta, Ti та C при нерівноважному переході речовини в конденсований стан

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net