Формування структури і електрофізичних властивостей плівок на основі V, Cr, Co і Nі при фазоутворенні та взаємній дифузії
Закономірності формування структурно-фазового складу і електрофізичних властивостей двошарових плівок на основі Nі і V, Cr, Co. Розрахунок ефективних коефіцієнтів взаємної дифузії атомів у процесі зерномежової конденсаційно-стимульованої і термодифузії.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 28.07.2014 |
| Размер файла | 48,6 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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Сумський державний університет
УДК 669.548.55
01.04.07 - фізика твердого тіла
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Формування структури і електрофізичних властивостей плівок на основі V, Cr, Co і Nі при фазоутворенні та взаємній дифузії
Шпетний Ігор Олександрович
Суми - 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Сумському державному університеті
Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник - заслужений діяч науки і техніки України, доктор фізико-математичних наук, професор Проценко Іван Юхимович, зав. кафедри прикладної фізики Сумського державного університету.
Офіційні опоненти
- доктор фізико-математичних наук, професор Равлік Анатолій Георгійович, професор кафедри фізики металів та напівпровідників Харківського національного технічного університету "ХПІ";
- кандидат фізико-математичних наук, ст. наук. співроб. Шулаєв Валерій Михайлович, заст. генерального директора з технологічних та дослідницько-конструкторських робіт (ННЦ "ХФТІ" НАН України, м. Харків).
Провідна установа - Львівський національний університет імені Івана Франка, кафедра фізичної і біомедичної електроніки.
Захист відбудеться " 24 " березня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.55.051.02 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2, корпус ЕТ, ауд. 314.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету.
Автореферат розісланий " 22 " лютого 2005 р.
Учений секретар спеціалізованої вченої ради А.С. Опанасюк
Анотації
Шпетний І.О. Формування структури і електрофізичних властивостей плівок на основі V, Cr, Co і Nі при фазоутворенні та взаємній дифузії.-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07-фізика твердого тіла. - Сумський державний університет, Суми, 2004.
Дисертація присвячена встановленню закономірностей при формуванні структурно-фазового складу і електрофізичних властивостей двошарових плівок на основі Nі і (V, Cr, Co), а також Co і Cr. Комплексне дослідження фазового складу, кристалічної структури і дифузійних процесів показало, що, змінюючи співвідношення товщин окремих шарів і підбираючи режими термообробки, можна сформувати заданий структурно-фазовий стан зразків - від двошарової плівки до твердого розчину по всьому об'єму зразка.
Виконано розрахунок ефективних коефіцієнтів взаємної дифузії (D) атомів у процесі зерномежової конденсаційно-стимульованої і термодифузії на основі співвідношення Уїппла (значення D має величину порядку 1018-1019 м2/с).
Дослідження температурної залежності опору плівкових зразків показало, що у випадку систем Ni/(V, Cr) після відпалювання до температур Тв>700 К спостерігається збільшення опору (до 2 разів) порівняно з невідпаленими плівками.
Порівняння експериментальних значень ТКО із розрахунковими в рамках теоретичних моделей для ТКО двошарових плівок і співвідношення для ТКО сплавів показало, що існує кореляція величини ТКО і структурно-фазового стану плівкових систем.
Ключові слова: фазоутворення, двошарові плівки, твердий розчин, температурний коефіцієнт опору, макроскопічна модель.
Шпетный И.А. Формирование структуры и электрофизических свойств пленок на основе V, Cr, Co и Ni при фазообразовании и взаимной диффузии. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07-физика твердого тела. - Сумский государственный университет, Сумы, 2004.
Диссертация посвящена установлению закономерностей при формировании структурно-фазового состава и электрофизических свойств двухслойных пленок на основе Ni и (V, Cr, Co), а также Co и Cr.
Комплексное исследование фазового состава, кристаллической структуры и диффузионных процессов показало, что, изменяя соотношение толщин слоев компонентов двухслойных пленочных систем, которые характеризуются разным типом взаимной растворимости, и подбирая режимы термообработки, можно сформировать определенное структурно-фазовое состояние образцов. После отжига до температур Тотж?700 К, несмотря на зернограничную диффузию атомов, пленки в большинстве случаев сохраняют двухслойную структуру. Увеличение температуры отжига приводит к образованию твердых растворов (системы Ni/(V, Cr, Co)) и интерметаллидов (пленки Ni/V и Co/Cr после отжига при Тотж=800 и 900 К соответственно).
Произведен расчет эффективных коэффициентов взаимной диффузии (D) атомов в процессе зернограничной конденсационно-стимулированной и термодиффузии на основе соотношения Уиппла. Показано, что в первом случае значение коэффициента диффузии на порядок больше по сравнению с термодиффузией, для которой D имеет величину порядка 10-19 м 2/с.
Изучение температурной зависимости сопротивления двухслойных пленочных образцов в процессе стабилизации электрофизических свойств при отжиге до температур Т=670-900 К показало, что на зависимости R(T) первого цикла термостабилизации наблюдаются участки, которые характерны для однослойных пленок. В пленочных системах Ni/(V, Cr), которые характеризуются образованием высокоомных твердых растворов, при отжиге до температур Тотж>700 К наблюдается увеличение сопротивления (до 2 раз) по сравнению с неотожженными пленками. На температурных зависимостях удельного сопротивления и ТКС термостабилизированных пленок за счет взаимной диффузии атомов имеет место размытие или исчезновение особенностей при температурах Дебая и Кюри.
Сравнение экспериментальных значений ТКС с расчетными в рамках теоретических моделей для ТКС двухслойных пленок (макроскопической, Диммиха, модели на основе модифицированной теории Маядаса-Шатцкеса) и формулы для ТКС сплавов показало, что существует корреляция величины ТКС и фазово-структурного состояния пленочных систем. Это дало возможность установить пределы применения той или другой теоретической модели для конкретной пленочной системы с определенным соотношением концентраций компонентов в условиях взаимной диффузии и процессов фазообразования.
Ключевые слова: фазообразование, двухслойные пленки, твердый раствор, температурный коэффициент сопротивления, макроскопическая модель.
Shpetnyi I.O. Formation of structure and physical properties films on basis V, Cr, Co and Ni at phase of formation and inter diffusion. - Manuscript.
The thesis for the candidate of physical and mathematical sciences on the speciality 01.04.07-solid state physics - Sumy State University, Sumy, 2004.
The thesis is devoted to installation of legitimacies formation of structural - phase structure and physical properties of two-layer films on the basis Ni and (V, Cr, Co), and Co and Cr. Complex research of phase composition, crystal structure and diffusion processes has shown, that changing a ratio of thickness of separate layers and selecting modes of heat treatment it is possible to generate the certain structural - phase condition of the samples - from a two-layer film up to a firm solution on all volume of a sample.
Calculation was made on effective factors of inter diffusion (D) atoms in grain boundary process, which stimulused at the process of condensation and thermodiffusion on the basis of ratio Whipple (value D has size about 10-18-10-19 m2/sec).
Research of temperature dependence of resistance of film samples has shown, that in case of systems Ni/(V, Cr) after annealing at the temperatures Тann>700 К the increase in resistance (up to 2 times) is observed in comparison with none - annealing films.
Comparison of experimental values TRC with calculated according to theoretical models for ТRС two-layer films and for ТRС alloys has shown ratio, that there is a correlation of size ТRС and a structural - phase condition of film systems.
Key words: phase of formation, two-layer film, solid solution, temperature coefficient of resistance, macroscopical model.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. На сьогоднішній день багатошарові плівкові композиції на основі металів набули широкого використання як при створенні приладів оптоелектроніки і мікроелектроніки, так і як об'єкти для дослідження розмірних ефектів в електрофізичних властивостях і дифузійних процесах.
Якщо в структурах на основі товстих шарів взаємодифузію на відстані порядку 10 нанометрів можна не враховувати, то у випадку тонкоплівкових структур це спричиняє твердофазні реакції, що можуть призводити до відмови у роботі приладів навіть при кімнатній температурі. Це пов'язано не лише з малою відстанню дифузії, а і з високим ступенем дефектності структури, розвинутою міжзеренною поверхнею, сильно вираженими структурними, концентраційними і фазовими неоднорідностями.
Виходячи із накопиченого на даний момент експериментального матеріалу, можна говорити про такі особливості дифузійних процесів (масоперенесення) у плівкових матеріалах.
По-перше, інтенсивне масоперенесення при відносно низьких температурах, що пов'язано, як відмічалося вище, з великою концентрацією дефектів та малими відстанями дифузії.
По-друге, дифузійні процеси, що супроводжуються фазоутворенням, суттєво впливають на електрофізичні властивості багатошарових плівкових систем, такі, як електропровідність, термічний коефіцієнт опору, коефіцієнт тензочутливості.
У зв'язку з цим виникає необхідність у проведенні експериментальних і теоретичних досліджень з вивчення електрофізичних властивостей у взаємному зв'язку з фазовим та елементним складом багатошарових плівкових систем при різних температурах. Постійна увага до цих питань на різних наукових конференціях, а також роботи М.В. Білоуса, М.А. Гусака, С.І. Сидоренка та їх співробітників свідчать про перспективність цього напрямку досліджень.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до держбюджетної теми № 0100U003220 від 29.06.2000 "Дифузійні процеси в системах плівка/плівка і плівка/масивний матеріал" Міністерства освіти і науки України.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення закономірностей при формуванні структурно-фазового стану і електрофізичних властивостей двошарових плівок на основі Ni і (V, Cr, Co) та Co і Cr в умовах фазоутворення і взаємної дифузії атомів.
Відповідно до мети роботи вирішувалися такі задачі:
- проведення дослідження фазових перетворень при термоциклічній обробці двошарових плівкових систем в інтервалі температур 300-900 К;
- вивчення особливостей конденсаційно-стимульованої і термодифузії у двошарових плівках, де можливе утворення проміжних фаз, твердих розчинів чи евтектик;
- узагальнення електронно-мікроскопічних і мас-спектрометричних досліджень у вигляді схем еволюції фазового складу зразків;
- проведення досліджень електрофізичних властивостей плівкових матеріалів при термоциклуванні;
- порівняння експериментальних величин термічного коефіцієнта опору з розрахунками на основі теоретичних моделей для двошарових плівок або одношарових у вигляді сплаву.
Об'єкт дослідження - електрофізичні властивості двошарових плівок в умовах проходження твердофазних реакцій та дифузійних процесів.
Предмет досліджень - плівкові матеріали на основі Ni і (V, Cr, Co) та Co і Cr, отримані в результаті термоциклічної обробки в інтервалі температур 300-900 К.
Відповідно до поставлених задач використовувалися такі методи досліджень:
- вакуумне термоциклічне відпалювання плівкових зразків;
- електронна мікроскопія і електронографія;
- вторинно-іонна мас-спектрометрія;
- апробація теоретичних моделей.
Наукова новизна одержаних результатів. Здійснене в роботі комплексне дослідження фазових перетворень, дифузійних процесів і електрофізичних властивостей дозволило установити кореляцію між електрофізичними властивостями і структурно-фазовим станом плівкових матеріалів та спостерігати такі нові ефекти:
- вперше вивчені процеси фазоутворення в двошарових плівках Ni/V, Ni/Cr, Ni/Co та Co/Cr. Показано, що, змінюючи товщини компонент двошарової структури та режими термообробки, можна сформувати заданий структурно-фазовий стан плівкових матеріалів;
- встановлені можливі типи багатоатомних кластерів, які утворюються у колоні мас-спектрометра при взаємодії первинного пучка іонів аргону з двошаровими плівковими зразками, в процесі вивчення взаємної дифузії атомів; показано, що наявність кластерів істотно не впливає на форму дифузійних профілів;
- здійснено розрахунок коефіцієнтів взаємної дифузії атомів у процесі зерномежової конденсаційно-стимульованої дифузії та термодифузії; установлено, що в першому випадку величина коефіцієнта дифузії на порядок вища порівняно з термодифузією;
- установлено вплив на температурні залежності опору і температурного коефіцієнта опору (ТКО) фазових перетворень і дифузійних процесів у двошарових плівкових системах Ni/V, Ni/Cr, Ni/Co та Co/Cr;
- проведено апробацію теоретичних моделей розмірного ефекту в ТКО двошарових плівок і плівкових сплавів; показано, що існує чітка кореляція між величиною ТКО та структурно-фазовим станом плівкових систем.
Практичне значення одержаних результатів. Результати, отримані в роботі, можуть бути використані в різних галузях науки і техніки: плівковому матеріалознавстві, мікроелектроніці та приладобудуванні. Фундаментальне значення отриманих результатів полягає в розширенні уявлень про твердофазні реакції і дифузійні процеси в двошарових плівкових системах.
Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягає у самостійному пошуку та аналізі літературних джерел щодо стану досліджуваної проблеми, проведенні експериментальних досліджень та обробці і узагальненні отриманих результатів. Автор особисто здійснював приготування плівкових зразків, проводив дослідження електрофізичних властивостей, фазового складу, кристалічної структури та дифузійних процесів. Поставлення задачі, вибір експериментальних методик, обговорення результатів досліджень та формулювання висновків проводилися спільно з науковим керівником д-ром фіз.-мат. наук, проф. І.Ю. Проценком. В обговоренні результатів експериментальних досліджень брав участь докторант А.М. Чорноус. Дослідження дифузійних процесів та елементного складу методом вторинної іонної мас-спектрометрії проводилося при консультаціях доц. А.І. Салтикової (Сумський державний педагогічний університет ім. А.С. Макаренка). Особисто автором підготовлено три статті [5-7], шість тез доповідей [8-13]. Текст статей [1-4, 6-7] обговорювався разом із співавторами.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на таких наукових конференціях: Науково-технічній конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету СумДУ (Суми, 1999, 2000, 2001, 2002 рр.); Конференції молодих вчених та аспірантів "ІЕФ'2001" (Ужгород, 2001 р); VIIІ та IX Міжнародних конференціях "Фізика і технологія тонких плівок" (Івано-Франківськ, 2001, 2003 рр.); Всеукраїнських конференціях молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА (Львів, 2001, 2002 та 2003 рр.); 14-му Міжнародному симпозіумі "Тонкие пленки в электронике" (Харків, 2002 р.).
Публікації. Основні матеріали дисертації відображені в 16 публікаціях (14 наведені у списку опублікованих праць в авторефераті), із них 6 статей опубліковані у виданнях, що входять до переліку ВАК України.
Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Обсяг дисертації складає 171 сторінку, містить 60 рисунків та 24 таблиці. Список використаних джерел містить 159 найменувань.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, визначені наукове та практичне значення результатів, внесок здобувача та наведено структуру роботи.
Перший розділ Електрофізичні властивості і дифузійні процеси в багатошарових плівкових структурах - це огляд літературних даних, що складається з двох підрозділів.
У першому підрозділі аналізуються теоретичні моделі внутрішнього розмірного ефекту в електропровідності і ТКО одношарових металевих плівок. Зокрема, це теорія Маядаса-Шатцкеса (теорія МШ), лінеаризована та ізотропна моделі Тельє, Тоссе та Пішар.
Спрощене співвідношення теорії Дімміха для ТКО (в) двошарових плівок на випадок, коли коефіцієнт проходження межі поділу шарів (Q) дорівнює нулю, має вигляд
(1)
,
де вgi та уgi - ТКО та питома провідність при di>?;
Fi=уi/уgi
- функція Фукса (уi-питома провідність);
ki=di/л0i, mi=Li/л0i
- наведені товщина та середній розмір зерна (di-товщина, Li - середній розмір зерна, л0i - середня довжина вільного пробігу носіїв електричного заряду в об'ємі зразка).
Співвідношення моделі Дімміха важливе з точки зору аналізу фундаментальних питань розмірного ефекту в ТКО двошарових плівок.
Поряд з цим макроскопічний підхід у вигляді співвідношення
, (2)
де вi та сi - ТКО та питомий опір і-го шару,
дозволяє аналізувати особливості розмірного ефекту при зміні товщини окремих шарів та здійснювати прогнозування електрофізичних властивостей.
Другий підрозділ присвячений огляду результатів теоретичних і експериментальних досліджень дифузійних процесів у плівкових зразках. Спочатку аналізуються типи кінетик дифузії по межах зерен, а потім теоретичні моделі і методики Дж. Фішера, Р. Уїппла, Т. Сузуокі та інших.
Для визначення ефективного коефіцієнта дифузії (D) у плівках може бути використане співвідношення Р. Уїппла у вигляді
, (3)
де с і с0 - концентрації атомів дифузанта на глибині z і на поверхні верхнього шару (z=0) відповідно;
D - ефективний коефіцієнт дифузії;
z - глибина проникнення домішкового атома;
t - час дифузії.
Узагальнення експериментальних результатів різних авторів, пов'язаних з визначенням коефіцієнта дифузії, показує, що його величина у плівках на декілька порядків більша, ніж у масивних зразках. Це пов'язано, у першу чергу, з більш розвинутою міжзеренною поверхнею у плівкових системах.
Другий розділ "Методика і техніка експерименту" містить інформацію про методики отримання та післяконденсаційної обробки плівок, методи проведення досліджень фазового складу, кристалічної структури та дифузійних процесів у зразках.
Для виготовлення та дослідження плівкових зразків у діапазоні товщин 20-150 нм використовувалася вакуумна установка на основі магніторозрядного насоса НМДО-160 (тиск газів залишкової атмосфери в робочому об'ємі становить ~10-5Па). Плівки отримувалися методом електронно-променевого випаровування при температурі підкладки Тп=300 К. Свіжосконденсовані зразки витримувалися у вакуумі протягом однієї години при температурі підкладки для їх стабілізації.
При вивченні електропровідності плівок на скляних або ситалових підкладках проводилася термостабілізація зразків протягом двох-трьох циклів "нагрівання-охолодження" в інтервалах температур 300-(650-700) К та 300-900 К відповідно.
Дослідження структурних характеристик проводилося з використанням електронних мікроскопів ЕММА-4 та РЕММА-102. Елементний склад зразків та дифузійні процеси вивчалися методом вторинної іонної мас-спектрометрії з допомогою приладу МС-7201 М. Для отримання дифузійних профілів проводився неперервний запис мас-спектра вторинних іонів в міру травлення плівок пучком іонів Ar+ з енергією 10 кеВ.
Третій розділ "Структурно-фазовий стан та дифузійні процеси у двошарових плівках на основі Ni, Co, V та Cr" складається з двох підрозділів. У першому підрозділі наводяться результати вивчення фазового складу та кристалічної структури одно- та двошарових плівок на основі Ni, Co, V та Cr, які пройшли термообробку в температурному інтервалі 300-900 К, що дозволило сформувати потрібний структурно-фазовий стан.
Результати обробки електронограм (рис.1 ілюструє електронограми від двошарової плівкової системи Ni/Cr) дозволили зробити висновки про процеси фазоутворення у двошарових плівкових системах Ni/V, Ni/Cr, Ni/Co та Co/Cr, які мають різний ступінь взаємної розчинності. Це дало можливість побудувати для кожної конкретної системи схему фазоутворення.
У плівкових системах Ni/V та Ni/Co при різних співвідношеннях концентрацій cNi/cV та cNi/cCo, незважаючи на активну зерномежову дифузію, двошарова структура зберігається після відпалювання до Тв=610-700 К. Плівки Ni/Cr та Co/Cr також залишаються двошаровими навіть після відпалювання до Тв=700 та 800 К відповідно. У результаті високотемпературного відпалювання (700<Тв<900 К) за рахунок дифузії домішкових атомів із меж зерен в їх об'єм відбувається утворення твердих розчинів (т.р.), таких, як ГЦК т.р. (Ni-V), (Ni-Cr), (Ni-Co) і (Co-Ni); ОЦК т.р. (Сr-Ni) та ГЩП т.р. (Co-Ni). В плівках на основі Co і Cr після відпалювання до Тв=900 К фіксується інтерметалева фаза Co-Cr з тетрагональною решіткою. В системі Ni/V в окремих випадках у незначній кількості фіксується метастабільна фаза V2Ni. Порівняння результатів досліджень одно- та двошарових плівок показує, що в останньому випадку утворення домішкових оксидних фаз спостерігається у меншій кількості та при більш високих температурах, ніж у першому.
Другий підрозділ присвячений вивченню процесів взаємної дифузії у двошарових плівкових зразках. Оскільки при бомбардуванні первинним пучком іонів Ar+ плівкових зразків можуть утворюватися багатоатомні кластери, то спочатку потрібно було з'ясувати їх вплив на форму дифузійних профілів. Обробка експериментальних результатів показала, що кластери не відіграють суттєвої ролі при побудові дифузійних профілів.
У невідпалених зразках має місце досить значне взаємне проникнення атомів внаслідок конденсаційно-стимульованої дифузії та впливу градієнта концентрацій біля межі поділу шарів. Звертає на себе увагу той факт, що у невідпалених зразках атоми нижнього шару не досягають поверхні верхнього. Відпалювання плівкових зразків при Тв=500 К призводить до подальшого взаємного проникнення, а при Тв=700 К спостерігається накопичення атомів іншого сорту на зовнішніх поверхнях плівкової системи. Взаємне дифузійне перемішування здебільшого має місце після відпалювання до Тв=900 К.
Про величини ефективних коефіцієнтів дифузії, розрахованих на основі співвідношення (3), у системах плівка/плівка та плівка/масивний зразок можна робити висновок з таблиці 1.
Таблиця 1. Значення ефективного коефіцієнта дифузії, розраховані на основі співвідношення (3)
|
Тв, К |
D1019 м 2/с |
Тв, К |
D1019 м 2/с |
|||
|
Ni(35)/V(45)/П |
Ni(25)/V() |
|||||
|
NiV |
VNi |
NiV |
VNi |
|||
|
300 |
12,0 |
5,2 |
300 |
5,3 |
0,5 |
|
|
500 |
2,1 |
1,3 |
500 |
3,2 |
0,1 |
|
|
700 |
8,4 |
3,8 |
- |
- |
- |
|
|
Cr(50)/Ni(55)/П |
Ni(55)/Cr() |
|||||
|
CrNi |
NiCr |
NiCr |
CrNi |
|||
|
300 |
15,8 |
9,5 |
300 |
3,3 |
6,9 |
|
|
500 |
3,8 |
0,4 |
- |
- |
- |
|
|
700 |
5,4 |
2,2 |
700 |
1,4 |
4,1 |
|
|
Co(30)/Ni(95)/П |
Co(30)/Ni() |
|||||
|
СоNi |
NiСо |
СоNi |
NiСо |
|||
|
300 |
6,6 |
0,64 |
300 |
45,0 |
0,2 |
|
|
500 |
34,5 |
5,5 |
500 |
14,3 |
3,3 |
|
|
700 |
37,2 |
16,7 |
700 |
17,5 |
10,3 |
|
|
Co(40)/Cr(30)/П |
Co(40)/Cr() |
|||||
|
СоCr |
CrСо |
СоCr |
CrСо |
|||
|
300 |
4,9 |
0,2 |
300 |
3,3 |
1,2 |
|
|
500 |
1,5 |
0,9 |
500 |
0,8 |
1,0 |
|
|
700 |
2,7 |
4,0 |
700 |
1,8 |
70,4 |
Аналіз отриманих результатів дав можливість встановити наступні закономірності.
По-перше, величина ефективного коефіцієнта конденсаційно-стимульованої дифузії приблизно на порядок більша у порівнянні з термодифузією (Тв=500 та 700 К), що пояснюється значним насиченням меж зерен атомами іншого сорту вже на стадії конденсації верхнього шару.
По-друге, величина ефективного коефіцієнта дифузії в системі плівка/плівка має більше значення, ніж у випадку плівка/масивний матеріал, що пов'язано з більшою густиною меж зерен та дефектністю структури в плівкових зразках.
По-третє, дані про величину ефективного коефіцієнта дифузії у прямому і зворотному напрямках для різних плівкових систем узгоджуються з висновками про процеси фазоутворення.
І, нарешті, величина коефіцієнта зерномежової дифузії, визначена резистивним низькотемпературним методом, узгоджується (за порядком величини) з розрахунками на основі співвідношення Уїппла. Це свідчить про те, що основним механізмом масоперенесення в тонких плівках є зерномежова дифузія.
У четвертому розділі "Електрофізичні властивості двошарових плівкових матеріалів на основі Ni, Co, V та Cr" наводяться результати про температурну, розмірну та концентраційну залежності опору та ТКО. У першому підрозділі розглядаються результати дослідження температурної залежності опору і ТКО одношарових плівок Ni, V, Co та Cr, які в основній своїй частині узгоджуються з відомими літературними даними. Але потреба у проведенні таких досліджень продиктована необхідністю мати надійну інформацію про температурні залежності електрофізичних властивостей одношарових плівок для правильної інтерпретації даних для двошарових плівкових систем.
Аналіз температурних залежностей опору двошарових плівкових систем Ni/(V, Cr, Co) та Co/Cr у процесі термостабілізації електрофізичних властивостей до температур 670-900 К дозволяє говорити про такі особливості. По-перше, на залежностях R(T) при першому термостабілізаційному циклі спостерігаються ділянки, що характерні для одношарових плівок Ni, V, Co та Cr. По-друге, у плівкових системах Ni/(V, Cr), відпалених до температур Т?700 К, опір має більшу величину (до 2 разів), ніж для зразків у свіжосконденсованому стані, що обумовлено утворенням високоомних твердих розчинів.
По-третє, у термостабілізованих двошарових плівках ступінь прояву особливостей на залежностях с(Т) та в(Т) при характерних температурах (температури Дебая для V, Ni і Cr, Неєля - для Cr, Кюрі - для Ni та інших), які мають місце в одношарових плівках, залежить від співвідношення концентрацій компонент системи.
Наведені типові температурні залежності питомого опору та ТКО для двошарових плівок на основі Ni і V та Co і Ni. Зміна величини характерних температур в плівках відносно масивних зразків пов'язана не тільки з розмірними ефектами, як в одношарових зразках, а й з концентраційними ефектами, у результаті прояву яких перехідна область біля характерних температур є більш розмитою або взагалі зникає. Це обумовлено тим, що для кожного зерна значення характеристичних температур залежить не тільки від його розміру, але і від кількості домішкових атомів іншого сорту, які проникають за рахунок об'ємної дифузії.
У другому підрозділі наведено результати апробації теоретичних співвідношень (1) і (2). Враховуючи той факт, що у двошарових плівках має місце утворення твердих розчинів, для розрахунку величини в була також використана формула для ТКО сплавів у вигляді
(4)
Про ступінь узгодження експериментальних та розрахункових на основі співвідношень (1), (2) і (4) значень ТКО можна робити висновок з таблиці 2.
Порівняння експериментальних даних ТКО з розрахунковими у плівкових системах з різним ступенем розчинності компонентів дало можливість встановити межі застосування тієї чи іншої моделі для конкретної плівкової системи. Теоретичні співвідношення для ТКО двошарових плівок задовільно описують експериментальні результати для систем з низькою взаємною розчинністю атомів, у яких після відпалювання навіть при високих температурах зберігається індивідуальність шарів (у нашому випадку це система Co/Cr). Для системи з необмеженою розчинністю (Ni/Co) розрахункові дані на основі співвідношень (1), (2) та (4) якісно узгоджуються з експериментальними, що обумовлено неврахуванням дифузійних процесів у макроскопічній моделі та моделі Дімміха, а також наближеним характером співвідношення для ТКО сплавів. Для плівок, у яких після відпалювання утворюються високоомні тверді розчини (Ni/(V, Cr)), спостерігається краще узгодження результатів експериментів з результатами розрахунків на основі формули для ТКО сплавів, у той час як співвідношення для двошарових плівок незадовільно відповідають експерименту. Виняток становить випадок, коли cNi/cV>2,84 та cCr>cNi.
Робочі співвідношення моделі Дімміха (1) та макроскопічної моделі (2) мають один істотний недолік, а саме: вони не враховують розсіювання носіїв заряду на межі поділу шарів, що є однією з причин неповної відповідності теорії експерименту. У зв'язку з цим у роботі було запропоновано модель для ТКО двошарових плівок з використанням модифікованої теорії Маядаса-Шатцкеса.
Апробація її асимптотичного співвідношення, яке враховує міжшарові переходи носіїв заряду, для випадку крупнодисперсних зразків, коли параметр зерномежового розсіювання
,
показала узгодження розрахункових і експериментальних даних для ТКО з
Таблиця 2. Експериментальні та розрахункові значення ТКО для двошарових плівок
|
Зразок |
Т, К |
сNi/сV, сNi/сCr, сNi/сCo, сCo/сCr |
вексп*103, К-1 |
врозр*103, К-1 |
|||
|
співвідн. (1) |
співвідн. (2) |
співвідн. (4) |
|||||
|
Ni(45)/V(50)/П |
670 |
1,13 |
0,54 |
- |
- |
0,44 |
|
|
V(20)/Ni(20)/П |
680 |
1,27 |
0,68 |
- |
- |
0,91 |
|
|
V(30)/Ni(70)/П |
700 |
2,84 |
2,93 |
3,92 |
3,61 |
0,54 |
|
|
Cr(50)/Ni(55)/П |
700 |
1,17 |
1,69 |
3,38 |
2,88 |
1,55 |
|
|
Ni(25)/Cr(75)/П |
700 |
0,37 |
1,08 |
2,11 |
1,79 |
1,13 |
|
|
Ni(40)/Cr(60)/П |
700 |
0,72 |
1,85 |
2,85 |
2,58 |
1,35 |
|
|
Ni(55)/Co(40)/П |
700 |
1,38 |
2,00 |
3,52 |
3,34 |
2,72 |
|
|
Ni(90)/Co(40)/П |
700 |
2,23 |
2,26 |
3,68 |
3,52 |
2,91 |
|
|
Co(25)/Ni(35)/П |
900 |
1,38 |
2,50 |
2,96 |
3,22 |
2,34 |
|
|
Cr(135)/Co(60)/П |
900 |
0,49 |
1,89 |
1,85 |
1,56 |
1,53 |
|
|
Cr(25)/Co(40)/П |
900 |
1,78 |
1,56 |
1,90 |
1,64 |
1,47 |
|
|
Co(25)/Cr(50)/П |
900 |
0,54 |
1,17 |
1,21 |
1,00 |
1,24 |
точністю до 10-20 % (на прикладі систем Ni/Cr та Co/Cr). Хоча зазначена модель також не враховує впливу дифузійних процесів на коефіцієнт розсіювання електронів, але дає можливість, змінюючи величину параметра б, проаналізувати поведінку ТКО при взаємній дифузії елементів.
У висновках подано перелік та стислу характеристику основних результатів роботи.
Висновки
електрофізичний атом термодифузія
1. Змінюючи співвідношення товщин компонент двошарової плівки і режим термообробки, можна сформувати заданий структурно-фазовий склад плівкових матеріалів. Після відпалювання до температур Тв?700К, незважаючи на зерномежову дифузію атомів, плівки здебільшого зберігають двошарову структуру; збільшення температури відпалювання приводить до утворення твердих розчинів (системи Ni/(V, Cr, Co)) та інтерметалідів (плівки Ni/V та Co/Cr після відпалювання при Тв=800 і 900 К відповідно)
2. Порівняльний аналіз процесів взаємної дифузії атомів у дифузійних парах плівка/плівка і плівка/масивний зразок дозволяє говорити про такі закономірності дифузії:
- коефіцієнти міжшарової дифузії атомів у невідпалених двошарових плівках приблизно на порядок більші порівняно з тими, які фіксуються у процесі подальшої термообробки (до 700 К) зразків, що пояснюється великим внеском конденсаційно-стимульованої дифузії у загальне масоперенесення і насичення меж зерен домішковими атомами;
- для досліджених плівкових систем дані про величини ефективних коефіцієнтів дифузії у прямому і зворотному напрямках повністю узгоджуються з результатами дослідження фазового складу.
3. Установлена кореляція між температурними залежностями опору і ТКО та фазовими і хімічними перетвореннями в плівкових системах на основі Ni і (V, Cr, Co) та Co і Cr.
4. Порівняння експериментальних результатів про ТКО із розрахунковими на основі або теоретичних моделей для двошарових плівок, або на основі співвідношення для ТКО плівкових сплавів підтверджують існування чіткої кореляції величини ТКО і фазово-структурного стану плівкової системи, що має місце у зразках, сформованих на основі двошарових плівок, компоненти яких взаємно не розчиняються (Co/Cr), мають необмежену розчинність (Ni/Co) та утворюють тверді розчини (Ni/V, Ni/Cr).
5. Апробація асимптотичного співвідношення (б"1) для ТКО двошарових плівок, яке отримане нами з використанням модифікованої моделі Маядаса-Шатцкеса і враховує розсіювання носіїв електричного заряду на межах поділу, показала на прикладі двошарових плівкових систем Ni/Cr та Co/Cr, що експериментальні і розрахункові дані узгоджуються з точністю до 20 %.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Conductivity and the temperature coefficient of resistance of two-layer polycrystalline films / Dekhtyaruk L.V., Protcenko S.I., Chornous A.M., Shpetnyi I.O. // Ukr. J. Phys. - 2004. - V.49, №6. - P.587-597.
2. Chornous A., Protsenko I., Shpetnyi I. Electrophysical properties of double-layer nickel-base and vanadium-base films within the intermediate temperature range // Cryst. Res. Technol. - 2004. - V.39, №7. - P.602-610.
3. Фазоутворення та структурні зміни в двошарових плівкових системах Ti/Co і Ni/(Ti, V, Co, Cr) у процесі ізохронного відпалу / І.Ю. Проценко, В.В. Токмань, А.М. Чорноус, І.О. Шпетний // Металлофиз. новейшие технол. - 2003. - Т.25, № 3. - С.319-331.
4. Проценко І.Ю., Чорноус А.М., Шпетний І.О. Електрофізичні властиво-сті двошарових плівок на основі Co, Cr, Ni в умовах взаємної дифузії атомів // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. -2002.- Вип.10.- С.199-206.
5. Проценко І.Ю., Чорноус А.М., Шпетний І.О. Дифузійні процеси у двошарових металевих плівках // Вісник Львівського університету. Серія фізична. - 2003. - Вип. 36. - С.116-122.
6. Спостереження атомних кластерів методом вторинної іонної мас-спектрометрії / С.І. Проценко, В.В. Токмань, І.О. Шпетний, Н.І. Шумакова // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. -2002. - № 5 - 6. - С.56 - 66.
7. Проценко И.Е., Шпетный И.А., Шумакова Н.И. Наблюдение многоатомных кластеров при исследовании методом ВИМС элементного состава металлических пленок // Тонкие пленки в оптике и электронике. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2002. - С.223 - 227.
8. Проценко I.Ю., Чорноус А.М., Шпетний I.О. Особливостi дифузійних процесів у двошарових плівкових системах // Матеріали VІІІ Міжнародної конференції "Фізика i технологія тонких плівок". - Івано-Франківськ: ПУ, 2001. - С.31-32.
9. Шпетний І.О., Чорноус А.М. Електрофізичні властивості двошарової плівкової системи Cr/Co в умовах взаємної дифузії елементів // Матеріали Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоретичної і експериментальної фізики ЕВРІКА-2001. - Львів: ЛНУ, 2001.-С.182.
10. Шпетний І.О. Дифузійні процеси в двошарових плівкових системах на основі металів // Матеріали Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної і експериментальної фізики ЕВРІКА-2002. - Львів: ЛНУ, 2002. - С. 34.
11. Липовий Д.І., Токмань В.В., Шпетний І.О. Комплексна вакуумна установка для отримання і дослідження електрофізичних властивостей металевих плівок // Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов физико-технического факультета. - Сумы: Изд-во СумГУ, 2001. - С. 127-128.
12. Коваленко І.П., Липовий Д.І., Шпетний І.О. Електрофізичні властивості та дифузійні процеси у плівкових системах на основі нікелю, хрому і ванадію // Матеріали науково-технічної конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету. - Суми: Вид-во СумДУ, 2002. - С. 24-25.
13. Алещенко А.В., Шпетний І.О. Фазовий склад двошарових плівок на основі нікелю, хрому і кобальту // Матеріали науково-технічної конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету. - Суми: Вид-во СумДУ, 2002. - С. 37.
14. Шпетний І.О., Шумакова Н.І. Спостереження багатоатомних кластерів методом вторинно-іонної мас-спектрометрії // Матеріали науково-технічної конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів фізико-технічного факультету. - Суми: Вид-во СумДУ, 2002. - С. 23.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Електрофізичні 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 08.07.2014Розмірні 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 12.12.2011Види магнітооптичних ефектів Керра. Особливості структурно-фазового стану одношарових плівок. Розмірні залежності магнітоопіру від товщини немагнітного прошарку. Дослідження кристалічної структури методом електронної мікроскопії та дифузійних процесів.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 19.04.2016Дифузія-поширення речовини в якому-небудь середовищі в напрямку зменшення її концентрації, обумовлене тепловим рухом іонів, атомів, молекул, більших часток. Пояснення причин дифузії законами термодинаміки. Звязок дифузійних процесів зі зміною ентропії.
практическая работа [152,9 K], добавлен 17.10.2008Розрахунок дифузійного p-n переходу. Визначення коефіцієнта дифузії та градієнта концентрацій. Графік розподілу концентрації домішкових атомів у напівпровіднику від глибини залягання шару. Розрахунок вольт-амперної характеристики отриманого переходу.
курсовая работа [675,8 K], добавлен 18.12.2014Експериментальне 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 19.04.2016Вплив умов одержання, хімічного складу і зовнішніх чинників на формування мікроструктури, фазовий склад, фізико-хімічні параметри та електрофізичні властивості склокерамічних матеріалів на основі компонента з фазовим переходом метал-напівпровідник.
автореферат [108,5 K], добавлен 11.04.2009Кристалічна структура металів та їх типові структури. Загальний огляд фазових перетворень. Роль структурних дефектів при поліморфних перетвореннях. Відомості про тантал та фазовий склад його тонких плівок. Термодинамічна теорія фазового розмірного ефекту.
курсовая работа [8,1 M], добавлен 13.03.2012Характеристика основних властивостей рідких кристалів. Опис фізичних властивостей, методів вивчення структури рідких кристалів. Дослідження структури ліотропних рідких кристалів та видів термотропних.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 17.06.2010Завдання сучасної оптоелектроніки з досліджень процесів обробки, передачі, зберігання, відтворення інформації й конструюванням відповідних функціональних систем. Оптична цифрова пам'ять. Лазерно-оптичне зчитування інформації та запис інформації.
реферат [392,5 K], добавлен 26.03.2009
