Вплив розсіювання електронів на міжфазній межі на величину коефіцієнта тензочутливості металевих плівок
Вивчення внеску додаткового розсіювання електронів на межах поділу шарів у величину КТ тришарових плівок на основі Cu, Cr та Sc. Експериментальний аналіз і оцінка внеску окремих шарів з різним питомим опором в загальну величину КТ плівкової системи.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 23.10.2010 |
| Размер файла | 24,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Вплив розсіювання електронів на міжфазній межі на величину коефіцієнта тензочутливості металевих плівок
Для перетворення даних про деформацію механічних конструкцій, що перебувають у напруженому стані, в електричний сигнал у спеціальних вимірювальних пристроях широко застосовуються тензорезистори із дротів та фольг [1]. Незважаючи на велике значення коефіцієнта повздовжньої тензочутливості (l 102-103) напівпровідникових тензодатчиків, вони мають малу термічну стійкість. Тому металоплівкові тензодатчики можуть бути більш ефективними при високих температурах. У зв'язку з цим постійно ведеться пошук можливостей збільшення l для металевих плівок. Один із шляхів розв'язання цієї проблеми пов'язаний з переходом до багатошарових плівкових структур, в яких з'являється додатковий механізм розсіювання електронів - межа поділу між окремими шарами.
У нашій попередній роботі [2] показано, що величина коефіцієнта тензочутливості (КТ) дво - або багатошарових плівок на основі Cr, Ni та Co є більшим у порівнянні з одношаровими плівками такої ж товщини. Це дає підставу для можливого використання таких об'єктів, як матеріалів тензодатчиків. Аналізуючи дані [2], можна відмітити, що у випадку плівок на основі Ni та Co спостерігається незначне збільшення КТ, що пов'язано із майже необмеженою взаємною розчинністю Ni та Co як в масивному [3], так і у плівковому стані [4] та, як наслідок, відсутністю межі поділу. Системи на основі Со і Cr та Ni і Cr хоча і утворюють евтектику, але питомий опір цих металів є приблизно однаковий, що ускладнює задачу про з'ясування внеску окремого шару у загальну величину КТ багатошарової системи.
Метою даної роботи є вивчення внеску додаткового розсіювання електронів на межах поділу шарів у величину КТ тришарових плівок на основі Cu, Cr та Sc. Вибір цих компонентів багатошарової плівкової структури пов'язаний з тією обставиною, що ці метали в масивному стані утворять системи (Cr-Cu), (Cr-Sc) та (Cu-Sc) евтектичного типу без проміжних фаз у перших двох випадках та з проміжними фазами з вузькою областю гомогенності [3] в останньому. Причому взаємна об'ємна розчинність елементів один в одному складає величину меншу 1 атм% на відміну від систем на основі Со і Cr та Ni і Cr. Крім цього, необхідно мати на увазі, що досліджені метали мають різко відмінну величину питомого опору в масивному та плівковому стані (мінімальну у випадку Cu та максимальну у випадку Sc). З цієї точки зору є можливість з'ясувати, який внесок будуть давати окремі шари з різним питомим опором в загальну величину КТ плівкової системи.
Методика експерименту
Одно - та тришарові плівки були одержані методом термічного випаровування у вакуумі 10-4 Па на підкладках з фторопласту Ф4 або нікелевої фольги. Для деформації плівкових зразків у вакуумі використовувався спеціально розроблений пристрій, який дозволив розтягувати підкладку з плівкою до величини повздовжньої деформації l=2% з кроком l=0,05% в інтервалі температур 300 - 700 К.
Важливим у методиці вимірювання тензоефекту є питання, пов'язане із формуванням контактів, оскільки у процесі повздовжньої статичної деформації до 2% відносна зміна опору плівок складає величину до 1%. На пікладках із фторопласту Ф4, які використовувалися при l=1%, контакти та струмопровідна доріжка формувались на основі двошарової плівки Cu/Cr. Плівка Cr товщиною d20 нм забезпечує адгезію до тефлону, а шар Cu - лінійний контакт та низький опір струмової доріжки. При формуванні шару Cu, спочатку у вакуумі термічним способом наносилася плівка товщиною d60 нм, а потім електролітичним методом здійснювалося осадження покриття Cu змінної товщини (товщина змінювалася східцями до 2 мкм), що забезпечувало плавний перехід плівка/контакт.
При деформації зразків до l=2% використовувалася підкладка із нікелевої фольги, на яку конденсувався тонкий шар SiO2 шляхом спільного випарування при Т1470 К порошків SiO2 та Si в еквівалентних співвідношеннях. На SiO формувався контакт на основі двошарової системи Cu/Al. Шар Al (d20 нм) забезпечував адгезію, а шар Cu мав таку ж функцію та технологію виготовлення, як і в попередньому випадку. Плівка, що досліджувалась, наносилась між контактами по центру підкладки та мала розміри (5 х 2) мм2.
Фазовий склад плівкових зразків вивчався методом електронографії (прилад ЭММА 4), дифузійні процеси та елементний склад досліджувались методом ВІМС (прилад МС-7201М), товщина (d) вимірялася за допомогою інтерферометра МИИ-4. Дані дифракційних досліджень вказують на те, що при швидкості конденсації плівок більше 1 нм/с та температурі відпалювання до 670 К одношарові плівки мають фазовий склад, який відповідає масивним зразкам, тришарові плівки є трифазними, тобто складаються із фаз окремих металів. Згідно з даними вторинної іонної мас-спектрометрії тришарові плівкові системи зберігають індивідуальність шарів, хоча і має місце обмежена зерномежова дифузія.
Результати експериментальних досліджень
На основі експериментальних вимірювань опору та деформації плівок за схемою «навантаження зняття навантаження» будувалися деформаційні залежності R/Rп від повздовжньої деформації l (Rп та R - початковий опір при l = 0 та його зміна з деформацією відповідно). Рисунок 1 ілюструє типові залежності R/Rп від l на прикладі плівок Sc різної товщини. За тангенсом кута нахилу залежності R/Rп (l) розраховувалась величина коефіцієнта тензочутливості l.
У таблиці 1 подані дані, які вказують на залежність від номера деформаційного циклу «навантаження зняття навантаження».
Таблиця 1 - Значення l для плівок Sc, Cr та Cu
|
Плівка |
d, нм |
l |
||||
|
I |
II |
III |
IV |
|||
|
Sc |
48 |
26,1 |
3,6 |
1,6 |
- |
|
|
Sc |
68 |
25,0 |
2,8 |
1,6 |
1,1 |
|
|
Sc |
88 |
14,7 |
2,2 |
1,4 |
1,1 |
|
|
Sc |
180 |
5,1 |
1,3 |
1,3 |
0,8 |
|
|
Cr |
40 |
21,3 |
10,1 |
7,8 |
7,3 |
|
|
Cr |
60 |
23, 6 |
5,4 |
5,0 |
3,7 |
|
|
Cr |
110 |
12,2 |
2,4 |
1,4 |
1,3 |
|
|
Cu |
48 |
9,2 |
9,8 |
9,5 |
10 |
|
|
Cu |
67 |
5,3 |
6,0 |
6,8 |
7,0 |
|
|
Cu |
87 |
6,6 |
5,6 |
4,4 |
3,2 |
Подані дані свідчать про те, що всі релаксаційні процеси в плівках, такі, як поворот зерен, утворення дефектів, мікропластична деформація та ін. практично закінчуються після першого деформаційного циклу для плівок Cr і Sc, де величина КТ, починаючи з другого циклу, фактично не змінюється. Що стосується плівкових зразків Cu, то для них релаксаційні процеси закінчуються лише після четвертого - п'ятого циклів.
Підсумовуючи вищесказане, можна відмітити, що в одношарових плівках Sc та Cr після першого, а Cu після четвертого-п'ятого циклів основний внесок у тензочутливість будуть давати процеси, пов'язані із збільшенням параметра кристалічної решітки та деформацією меж зерен.
На основі експериментальних результатів були отримані розмірні залежності l від товщини. На рисунку 2 наведені графіки l (d), побудовані на основі четвертого деформаційного циклу. Як бачимо з рисунка, величина l зменшується для всіх трьох металів із збільшенням товщини, прямуючи до асимптотичного значення l.
Типові деформаційні залежності для тришарових плівок на основі Sc, Cr та Cu (типу Ме3/Ме2/Ме1/П (П - підкладка)) ілюструє рисунок 3.
Ці результати показують, що для тришарових плівок спостерігаються ті ж закономірності у залежності R/Rп від l, що і для одношарових плівок.
Перш ніж перейти до порівняльного аналізу даних з тензочутливості для одно- і тришарових плівок, відмітимо наступне. Послідовність чергування шарів у плівках на основі Sc, Cr та Cu може впливати на величину КТ лише з точки зору додаткового розсіювання електронів на зовнішніх і, особливо, внутрішніх поверхнях шарів та різного рівня макронапружень термічного походження на межі поділу різних шарів. Оскільки компоненти наших тришарових плівок мають дуже низьку об'ємну розчинність та згідно з даними електронографічних досліджень в них не утворюються інші фази, то послідовність чергування шарів не повинна впливати на величину КТ з точки зору фазоутворення.
Стосовно макронапружень термічного походження, то вони призводять як до додатної, так і до від'ємної деформації плівок. Але теоретична оцінка їх впливу на питомй опір складає 1%.
У таблиці 2 подані дані про порівняння величини КТ lМе кожного із шарів та всієї тришарової системи.
Таблиця 2 - Порівняння КТ для одно - та тришарових плівкових систем
|
Плівкова система (dМе, нм) |
l |
l/lМе |
|||||
|
III |
IV |
V |
l/lCr |
l/lSc |
l/lCu |
||
|
Cr(55)/Cu(120)/Sc(250)/П |
7,3 |
7,4 |
7,5 |
1,78 |
10 |
3,33 |
|
|
Cu(140)/Cr(65)/Sc(200)/П |
7,0 |
8,2 |
8,2 |
2,50 |
10 |
3,85 |
|
|
Cr(90)/Sc(100)/Cu(145)/П |
18,0 |
18,0 |
20,0 |
8,33 |
20 |
8,33 |
|
|
Cu(140)/Cr(80)/Cu(75)/П |
6,0 |
8,0 |
7,0 |
3,03 |
- |
3,33 |
|
|
Cu(120)/Sc(70)/Cu(75)/П |
7,1 |
7,8 |
7,7 |
2,78 |
10 |
3,57 |
|
|
Cr(70)/Cu(45)/Sc(55)/П |
18,0 |
17,0 |
17,0 |
5,88 |
20 |
2,78 |
|
|
Cu(25)/Cr(70)/Cu(50)/П |
11,0 |
10,0 |
10,0 |
4,17 |
- |
1,95 |
Результати в таблиці 3 дають уявлення про те, як відносяться між собою коефіцієнти повздовжньої тензочутливості три - та одношарових плівок однакової товщини. У цій же таблиці також подані результати роботи [2] для тришарових плівок на основі Co, Cr та Ni.
Таблиця 3 - Порівняння КТ одно - та тришарових плівок однакової товщини
|
Плівкова система (dМе, нм) |
dMe, нм |
l/lМе |
|||
|
l/lМе3 |
l/lМе2 |
l/lМе1 |
|||
|
Cr(55)/Cu(120)/Sc(250)/П |
425 |
6,67 |
4,00 |
10,00 |
|
|
Cu(140)/Cr(65)/Sc(200)/П |
405 |
4,55 |
7,69 |
1,11 |
|
|
Cr(90)/Sc(100)/Cu(145)/П |
335 |
16,67 |
25,00 |
10,00 |
|
|
Cu(140)/Cr(80)/Cu(75)/П |
295 |
3,45 |
6,25 |
3,45 |
|
|
Cu(120)/Sc(70)/Cu(75)/П |
265 |
3,70 |
10,00 |
3,70 |
|
|
Cr(70)/Cu(45)/Sc(55)/П |
150 |
14,28 |
8,33 |
20,00 |
|
|
Cu(25)/Cr(70)/Cu(50)/П |
145 |
4,45 |
7,69 |
4,55 |
|
|
Ni(75)/Co(75)/Cr(65)/П |
215 |
4,10 |
4,10 |
4,10 |
|
|
Co(50)/Cr(50)/Co(55)/П |
155 |
2,40 |
3,96 |
2,40 |
|
|
Cr(60)/Co(30)/Cr(40)/П |
130 |
3,08 |
2,15 |
3,08 |
|
|
Cr(20)/Co(20)/Ni(20)/П |
60 |
1,62 |
1,36 |
1,51 |
Загальною особливістю цих результатів є те, що одношарові плівки і як компоненти тришарової системи, і при товщині, яка дорівнює товщині тришарової плівки, мають менше значення КТ. Оскільки, згідно з електронографічними дослідженями, у тришарових плівкових зразках не відбувається фазоутворення, а згідно з мас-спектрометричними дослідженнями у них зберігається індивідуальність окремих шарів, то більше значення l порівняно з lМе повинно бути повязано з процесами розсіювання електронів на межі поділу окремих шарів при деформації. Цей висновок не протирічить відомим літературним даним. Так авторами роботи [5] відмічається, що за абсолютну величину КТ відповідає зерномежове розсіювання електронів, кількісною характеристикою якого є коефіцієнт проходження межі зерен (r), оскільки і межі зерен, і межі поділу можна вважати ідентичними розсіюючими центрами, то збільшення взаємодії на межах поділу повинно призводити до більшого значення КТ у багатошарових плівках порівняно з одношаровими. На основі аналізу результатів про розділення внеску поверхневого і зерномежового розсіювання у величину КТ [6] було підтверджено висновок роботи [5]. Відмітимо також, що автори [7, 8] здійснили спробу оцінити величину коефіцієнта проходження межі поділу шарів (Q) [7] та питомого опору, який спричиняє межа поділу шарів (inf) [8].
Автор [7] розглянув випадок, коли електрон розсіюється на межі поділу шарів дифузно без проходження або з проходженням її. Методика експерименту і розрахунку [7] дозволяє оцінити лише суму Q+p, де p - коефіцієнт дзеркальності зовнішніх поверхонь нижньої або верхньої плівки. У фуксівському наближенні Q+p = 1,3 (Au/Fe); 0,8 (Au/Co) та 1,2 (Au/Ni), що міститься в межах похибки розрахунків. При урахуванні зерномежового розсіювання відповідні величини зменшуються до 0,6; 0,2 та 0,5. Узагальнивши ці дані, можна прийти до висновку, що величини Q і p розміщені в інтервалах 0?(p, Q) ?0,6 (Fe); 0?(p, Q) ?0,2 (Сo) та 0?(p, Q) ?0,5 (Ni), що дуже сумнівно у випадку плівок Co.
Автори роботи [8] розв'язали більш конкретну задачу, а саме порівняли експериментальну величину питомого опору () з розрахунковими для inf, g (зумовлений межами зерен) та ml (багатошарова плівка) за моделлю Р. Дімміха [9]. Було отримано, що лише при k = (d/0)>7 (0 - середня довжина вільного пробігу електрона) усі чотири величини приблизно однакові, а при k<7 відношення inf/ та inf/ml зменшується від 1 (k7) до 0,2 (k0,1). Автори [8] приходять до висновку, що незначний внесок у питомий опір багатошарової плівки дає розсіювання електронів на межі поділу шарів. Показані нами результати на перший погляд протирічать даним [8], але необхідно мати на увазі, що в нашому випадку мова іде не стільки про питомий опір, як (що більш важливо) про чутливість до деформації (dR/dl або d/dl).
Необхідно особливо підкреслити, що подані результати отримані в інтервалі динамічних деформацій l = 0 - 2%. Хоча, якщо перейти в область l = 0 - 15% [10], то спостерігаються деякі відміни у величині l. Зокрема, якщо виходити із даних для плівок Cu, Cr, Cu/Cr/П і Co/Сu/П, відрізняється миттєва величина і усереднена по всьому інтервалі деформацій величина КТ. Сильна відмінність спостерігається і для величини l (I-деформаційний цикл) для плівок Cu, здеформованій у вузькому чи широкому інтервалі l.
Висновки
Аналізуючи результати роботи в цілому, можна зробити висновки:
всі релаксаційні процеси в одно - та тришарових плівках, що виникають у процесі деформації зразків практично закінчуються після першого деформаційного циклу;
величина коефіцієнта повздовжньої тензочутливості тришарових плівок більша в декілька разів порівняно з одношаровими, які є компонентами тришарової або мають таку ж товщину, що можна пояснити додатковим розсіюванням електронів на міжфазній межі при деформації.
На закінчення відмітимо, що у роботі [11] наведені результати апробації напівкласичної теоретичної моделі розмірного ефекту в КТ. Добра відповідність між експериментальними та розрахунковими значеннями має місце лише у випадку врахування внеску у величину КТ деформаційних ефектів параметрів електроперенесення, таких, як r, Q, p. Уявлення про деформаційні ефекти мікроскопічних характеристик, що описують кінетичні явища в плівкових зразках, дає можливість частково пояснити експериментальні дані, подані в таблицях 2 та 3.
Подальший розвиток досліджень, наведених в даній роботі, може бути пов'язаний з переходом до багатошарових плівкових систем на основі металів з малими питомим опором, але більшою деформаційною чутливістю і малою взаємною розчинністю. Актуальним залишається питання коректної оцінки внеску у величину КТ електронів, які розсіюються на межі поділу шарів, оскільки результати робіт [7, 8] мають якісний характер і мають відношення лише до електропровідності, а в роботі [11] припускається аналогія між розсіюванням електронів на межі зерен і межі поділу шарів та рівність коефіцієнтів r і Q.
Робота виконана при частковому фінансуванні в рамках держбюджетної теми №0103U000773 Міністерства освіти і науки України.
Список літератури
Клокова Н.П. Тензометры. - Москва: Машиностроение, 1990. - 222 с.
А.с. 0031144А Україна, 6 G 01B7/16. Чутливий елемент тензодатчика / Л.В. Однодворець, С.І. Проценко, А.М. Чорноус. - №98073761; Заявлено 14.07.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. №7-ІІ. - С. 1 - 190.
Диаграммы состояния двойных металлических систем / Под ред. Н.П. Лякишева. - Москва: Машиностроение, 1997. - Т. 2. - 1023 с.
Проценко І.Ю., Токмань В.В., Чорноус А.М. та ін. Фазоутворення та структурні зміни в двошарових плівкових системах Ti/Co i Ni/(Ti, V, Co, Cr) у процесі ізохронного відпалу // Металлофиз. новейшие технол. - 2003. - Т. 25, №3. - С. 319 - 331.
Петренко С.В., Проценко И.Е., Шамоня В.Г. Эффект тензочувствительности в дисперсных металлических пленках // Металлы. - 1998. - №1. - С. 180-186.
Lasyuchenko O.B., Protsenko I. Yu., Chornous A.M. Contribution of the grain-boundary and surface scattering of conductivity electrons to the size effect of tensosensibility // Functional materials. - 1999. - №5.-С. 880-882.
de Vries J.W.C. Interface scattering in triple layered polycrystalline thin Au/X/Au films (X=Fe, Co, Ni) //Solid State Communication. - 1998.-V.65, №3.-P.201-207.
Banerjee R., Ahuja R., Swaminathan S. et all. Resistivity of Ti-Al multilayered thin films // Thin Solid Films. - 1995.-V.269.-P.29-35.
Dimmich R. Electronic transport properties of metallic multy-layer films // J. Phys. F.:Met. Phys. - 1985.-V.15.-P.2477-2487.
Забіла Є.О. Особливості тензоефекту при малих і великих деформаціях одно- і багатошарових плівок // Матеріали Всеукраїнської конференції молодих вчених та науковців «Сучасні питання матеріалознавства».-Харків: Інститут монокристалів, 2003. - С. 83.
Подобные документы
Експериментальне дослідження й оцінка термо- і тензорезистивних властивостей двошарових плівкових систем на основі Co і Cu, Ag або Au та Fe і Cr та апробація теоретичних моделей. Феноменологічна модель проміжного шару твердого розчину біля інтерфейсу.
научная работа [914,9 K], добавлен 19.04.2016Огляд і аналіз основних німецькомовних джерел на тему комбінаційного і мандельштам-бріллюенівського розсіювання світла. Комбінаційне розсіювання світла, приклади спектрів. Хвильові вектори фотонів всередині кристалу та зміна енергії оптичних квантів.
реферат [95,4 K], добавлен 30.03.2009Розповсюдження молібдену в природі. Фізичні властивості, отримання та застосування. Структурні методи дослідження речовини. Особливості розсіювання рентгенівського випромінювання електронів і нейтронів. Монохроматизація рентгенівського випромінювання.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 24.01.2010Розмірні і температурні ефекти та властивості острівцевих плівок сплаву Co-Ni різної концентрації в інтервалі товщин 5-35 нм та температур 150-700 К. Встановлення взаємозв’язку морфології, структури та електрофізичних властивостей надтонких плівок.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 12.12.2011Взаємодія заряджених частинок з твердим тілом, пружні зіткнення. Види резерфордівського зворотнього розсіювання. Автоматизація вимірювання температури підкладки. Взаємодія атомних частинок з кристалами. Проведення структурних досліджень плівок.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 21.05.2015Електрофізичні властивості гранульованих плівкових сплавів в умовах дії магнітного поля. Дослідження електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co, фазового складу та кристалічної структури. Контроль товщини отриманих зразків.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.07.2014Дослідження функцій, які описують спектри модуляційного фотовідбивання; експериментально отримано спектри модуляційного фотовідбивання для епітаксійних плівок; засобами пакету MatLab апроксимовано експериментальні спектри відповідними залежностями.
курсовая работа [815,3 K], добавлен 08.06.2013Фізичні основи процесу епітаксія, механізм осадження кремнію з газової фази. Конструкції установок для одержання епітаксійних шарів кремнію. Характеристика, обладнання молекулярно-променевої епітаксії. Легування, гетероепітаксія кремнію на фосфіді галію.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 29.10.2010Явище термоелектронної емісії – випромінювання електронів твердими та рідкими тілами при їх нагріванні. Робота виходу електронів. Особливості проходження та приклади електричного струму у вакуумі. Властивості електронних пучків та їх застосування.
презентация [321,1 K], добавлен 28.11.2014Комбінаційне і мандельштам-бріллюенівське розсіювання світла. Властивості складних фосфорвмісних халькогенідів. Кристалічна будова, фазові діаграми, пружні властивості. Фазові переходи, пружні властивості, елементи акустики в діелектричних кристалах.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 25.10.2011
