Содержание к диссертации
Введение
1. Методологические основы выбора и исследования термоэлектрических материалов (литературный обзор)
1.1. Классы материалов и эволюция их применения в термоэлектрической технике 9
1.2. Термодинамика и модели термоэлектрических преобразователей 13
1.3. Измерения лазерного излучения и термоэлементы на поперечном термоэлектрическом эффекте 35
1.4. Геометрический образ анизотропно-текстурной модели структуры плёночных материалов и его экспериментальное определение 42
1.4.1. Изотропия, анизотропия и текстура 42
1.4.2. Текстура формы кристаллитов 43
1.4.3. Кристаллографическая текстура 48
1.4.4. Взаимосвязь пространственных распределений кристаллографических направлений в поликристаллических плёнках с аксиальной текстурой 53
2. Моделирование плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения (теоретическая часть)
2.1. Особенности термоэдс в анизотропных средах 64
2.2. Модель наклонноконденсированных плёнок 65
2.3. Оптимальные параметры микроструктуры наклонноконденсированных плёнок и комплексные критерии оптимизации эффективности материалов при термоэлектрическом преобразовании для наклонноконденсированных плёнок 67
2.4. Выбор и свойства материалов плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей 70
2.5. Оценка чувствительности приёмно-преобразующего элемента при непрерывном излучении (зонная характеристика) 74
2.6. Оценка формы выходного сигнала роли гребенчатости поверхности приёмно-преобразующего элемента при действии короткоимпульсного излучения 16
3. Физико-технологические исследования наклонноконденсированных плёнок висмута, теллура и хрома (экспериментальная часть)
3.1. Материалы, оборудование, методики получения плёнок и их исследования 79
3.2. Исследование микроструктуры и термоэлектрических свойств наклонноконденсированных плёнок висмута 84
3.3. Исследование и сравнение полученных наклонноконденсированных плёнок висмута, теллура и хрома 91
4. Реализация плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей в виде контроллеров лазерного излучения (испытание опытных образцов в лабораторных и промышленных условиях)
4.1. Контроллеры лазерного излучения и обоснование перспективности их разработки 105
4.2. Материаловедческий и конструкторско-технологический аспект плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей 109
4.3. Основные параметры созданных и исследованных плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей ... 110
Выводы 122
Цитируемая литература 124
- Измерения лазерного излучения и термоэлементы на поперечном термоэлектрическом эффекте
- Оптимальные параметры микроструктуры наклонноконденсированных плёнок и комплексные критерии оптимизации эффективности материалов при термоэлектрическом преобразовании для наклонноконденсированных плёнок
- Исследование микроструктуры и термоэлектрических свойств наклонноконденсированных плёнок висмута
- Основные параметры созданных и исследованных плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей
Введение к работе
В связи с расширением использования оптоэлектронных приборов в науке и технике возникает необходимость на более высоком уровне контролировать их основные параметры - мощность, энергию, направленность и т.д., - и специалистами всё более осознаётся необходимость разработки этих излучателей. В этом направлении накоплен большой и разнообразный опыт физических экспериментов и технического конструирования, однако, поискового характера, и без желательного обобщённого материаловедческого и технологического подхода, приводящего к достаточно рациональному практическому решению проблем.
Традиционно используемые системы измерения, активной частью которых являются чувствительные приёмно-преобразующие элементы - преобразователи, имеют недостаточную эффективность, что приводит к необходимости использовать сложные схемотехнические решения и включать в систему дополнительные прецизионные усилители. Низкое быстродействие и нелинейные статические и динамические характеристики преобразователей затрудняют их использование в современных системах автоматического регулирования, стабилизации и измерения «in sity» параметров излучения. Исходя из этого, возникает, по существу, новая задача для техники и для традиционной метрологии - создание высокоэффективных и быстродействующих инновационных систем измерения лазеров (когерентного излучения) и светодиодов (некогерентного излучения) с новыми функциональными характеристиками.
Высокую надёжность, воспроизводимость и точность измерений позволяют достигать методы, использующие термоэлектрические преобразователи.
Главными намерениями в ходе поисковых экспериментов и при формировании физико-технологической базы данных являлось использование более простых:
- физических эффектов (например, не использовать гальванотермомагнитных и термомагнитных эффектов);
- материалов (например, элементарные вещества);
- технологий (например, термическое испарение с последующей конденсацией в вакууме). Однако, при этом повышая или не снижая чувствительность и быстродействие.
Преобразователи теплового действия в настоящее время занимают прочное место в измерительных приборах и системах, и аналогичные разработки ведутся многими ведущими приборостроительными фирмами («Сименс», «Хьюлетт Паккард», «Маркони», «Ультракаст», «Антехника», «Хитачи» и др.).
Фундаментальные научные основы термоэлектричества были заложены академиком А.Ф.Иоффе и развиты А.Р.Регелем, Н.СЛидоренко, Л.С.Стильбансом, Е.К.Иорданашвили и др. Для анизотропных термоэлементов теоретические и экспериментальные основы термоэлектричества, главным образом, развили А.Г.Самойлович, И.М.Пилат, Л.И.Анатычук и др.
Лазерное излучение характеризуется уникальными характеристиками: широким спектральным диапазоном (0,2... 1 мм) и динамическим диапазоном (120... 200 дБ), малой длительностью импульсов (до 1 пс) и высокой плотностью мощности (до 109 Вт/см2) и т.п.
Теоретический и конструкторско-технологический анализ параметров плёночных термоэлектрических преобразователей, использующих эффект поперечной термоэдс, показывает перспективность создания на их основе контроллеров для измерения энергетических, координатно-чувствительных и пространственно-временных характеристик импульсного лазерного высокочастотного излучения большой мощности. Однако теория и практика их создания к настоящему времени развиты недостаточно.
Конструкторско-технологический анализ плёночных термоэлектрических преобразователей измерительного назначения (без источника питания) выявил перспективность двух направлений:
- для термопарного эффекта - контроллеры температуры (предусматривающие настройку на измерение температуры поверхности) и теплоэлектрические преобразователи «резистивно-термоэлектрического» типа для измерения давления (предусматривающие настройку на измерение вакуума);
- для эффекта поперечной термоэдс - контроллеры для измерения энергетических, координатно-чувствительных и пространственно-временных характеристик импульсного лазерного излучения с большой мощностью и большой частотой следования импульсов, многоэлементные матричные преобразователи лазерного излучения.
Интерес к термоэлектрическим измерительным устройствам пробудился в связи со становлением инфракрасной и лазерной техники, развитием космической и военной
-6 техники и оказался подготовленным благодаря прогрессу высоких технологий («hightech» - «хайтек»), таких как глубокая очистка веществ и получение тонких плёнок, очистка поверхностей и «поверхностный монтаж», «субмикронное» и «наномикронное» формирование материалов и другие.
Современный измерительный преобразователь, выполняющий функции первичного (с этими характеристиками связано первичное преобразование, находящееся в материаловедческой и технологической компетенции) и вторичного преобразования сигнала (с этими характеристиками связано вторичное преобразование, которое относится к метрологии, приборной и системной компетенции). Поэтому разработки чувствительного приёмно-преобразующего элемента сливаются с разработкой информационно-измерительной системы.
Как следствие, измерительное устройство становится целостным. Оно стало называться «актюатор» («actuator» - в смысле «активатор»), «измерительный преобразователь» («transdusen - в смысле «измеритель») или «измерительный контроллер» («controller» - в смысле «управление»). Распространенный термин «сенсор» («sensor») в отечественной литературе соответствует термину «первичный преобразователь» (например, «термоэлектрический преобразователь»), а в зарубежной литературе, например, в США, - совокупности первичного и вторичного преобразователей. Термин «датчик» («gage» или «gange») - стал не рекомендуемым. Приобрели хождение также комбинации терминов «transduser», «actuator» и «sensor», как, например, «acsenson , «senactur», «plyacsensor».
Известно, что, если вырезать пластинку из монокристалла анизотропного полупроводника (например, антимонида кадмия) под углом и облучать её, то возникает термоэдс в поперечном направлении. Такие преобразователи были названы анизотропными термоэлементами.
Как выяснилось в ходе работы, в тонких плёнках образуется «армированная текстура», позволяющая использовать не только анизотропные, но и изотропные материалы.
Неизвестно было можно ли создать вакуумотермическим испарением и последующей конденсацией под углом подобные преобразователи в виде тонких плёнок анизотропных материалов или изотропных материалов. Такие преобразователи были названы термоэлементами на наклонноконденсированных плёночных материалах («плёночными наклонноконденсированными термоэлементами»).
-7 Неизвестно было можно ли создать такие термоэлементы на анизотропных полуметаллах, например, на висмуте, и на анизотропных полупроводниках, например, на теллуре, а также на изотропных металлах, например, на хроме (никеле и на тантале).
Усмотрена смена поколений преобразователей по быстродействию: «секундные» (например, терморезисторы и термопарные преобразователи) = «микросекундные» (например, на эффекте поперечной термоэдс).
Целью работы было разработка, а также исследование технологии получения и свойств наклонноконденсированных плёнок висмута, теллура и хрома для высокоэффективных и быстродействующих термоэлектрических контроллеров лазерного излучения.
Достижение поставленной цели складывалось из решения следующих задач:
- обобщить теоретические принципы и разработать критерии выбора материалов для наклонноконденсированных плёночных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения;
- моделирование и оптимизирование параметров микроструктуры плёнок после наклонной конденсации;
-моделирование неравномерность зонной характеристики чувствительного приёмно-преобразующего элемента (для непрерывного излучения) и гребенчатости поверхности плёнки (для короткоимпульсного излучения);
- исследование взаимосвязи параметров испарения и конденсации на различных
подложках в вакууме для различных материалов и разработать режимы плёночной
технологии наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей
лазерного излучения;
-разработка и изготовление макетов наклонноконденсированных плёночных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на основе анизотропного и изотропного материала.
Сформулированы принципы выбора материалов для
наклонноконденсированных плёночных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения. Предложены новые материалы (висмут, теллур и хром) (не только полуметалл - висмут и полупроводник - теллур, но и металл - хром) в качестве наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения. В наклонноконденсированных плёнках анизотропных материалов (висмут и теллур) и изотропных материалов (хром, никель и тантал) получены «армированные текстуры».
Измерения лазерного излучения и термоэлементы на поперечном термоэлектрическом эффекте
Теплопроводность - ключевое понятие необратимой термодинамики и теории термоэлектричества. Стационарный процесс переноса тепла теплопроводностью в изотропной среде подчиняется закону q = - k-grad Т, где q - тепловой поток, grad Т -температурное поле и к - положительный коэффициент пропорциональности. Вектора q и grad Т совпадают по направлению, а знак « - » свидетельствует, что теплота переносится от высоких температур к низким.
В анизотропной среде - в кристалле - это не так и действует закон qi = - kjj д T/dxj, согласно которому каждая из трех компонент одного вектора зависит от трех компонент другого вектора. Так как вектора qi и ЗТ/Sxj могут быть представлены каждый в своей системе координат, коэффициент ку является не только математической величиной, но и физическим свойством анизотропной среды. Обобщение векторного исчисления и матричной алгебры позволяет рассматривать записанный закон как функционал, включающий связь тензоров второго ранга - qi, ky, и ЭТ/dxj. Каждый тензор представляет девять компонентов, связанных шестью уравнениями. Следовательно, физическая задача в математической форме имеет три степени свободы.
Тензор qi материальный и связан с симметрией кристалла и его кристаллографическими координатами. Он является «следствием» действия, предоставляемого тензором ffT/dxj. Тензор 3T/dxj полевой и может иметь любую ориентацию, определяемую в декартовых координатах. Он является «причиной» проявления тензора q,. Тензор ку выполняет функцию связи «причины» и «следствия» и называется тензором теплопроводности. Тензор теплового сопротивления г у определяется законом 5T/3XJ = - ry-qy. Здесь тензор aj - полевой и «причина», а тензор ЗТ/dxj - материальный и «следствие».
Коэффициенты пропорциональности ку и гу, как можно видеть, должны определятся из независимых экспериментов (например, qi = кп 9Т/дхг и ST/Зх] = т\г \г)-Поэтому полезным оказывается рассматривать фиксированный объем V и протекающий через него поток тепла (втекающий и вытекающий), т.е. экспериментально определять только дивергенцию и затем использовать уравнение сохранения: div Т = ki t T/dxi2 + кг Т/дхг2 + кз с Т/дхз2 и dqldV= - ку c T/dxj-Sxj. Тогда П = 1/кь г2 = 1/кг и гз =
Изменения рассматриваются не во времени, определяющем термодинамическое состояние равновесия, а по координатам, определяющим стационарность процесса. При этом, если согласно термодинамике изменение равновесных состояний происходит обратимо, то теплопроводность осуществляется с конечной скоростью (и поэтому термодинамика не применима). Таким образом, термодинамическое рассмотрение вынуждено заменяется рассмотрением стационарного состояния, не изменяемого со временем в каждой точке и термодинамически не обратимого.
Теплопроводность для теплового потока через плоскую бесконечно широкую (тонкую) пластинку (плёночный материал) удобно рассматривать, используя тензор ку, а вдоль бесконечно длинного (тонкого) стержня - тензор гу. Изотерма вокруг точечного источника тепла подобны характеристическим (указательным) поверхностям теплового сопротивления. При этом сферическая форма изотерм соответствует изотропной среде и искажается для анизотропной среды. Линии тепловых потоков от точечного источника тепла при переходе от изотропной среды к анизотропной остаются прямыми, а линии максимального градиента температуры искажаются.
Следующим важным шагом феноменологического проникновения в природу означает, что градиент температуры в направлении xi вызывает тепловые потоки в направлениях хг и хз (определяемые коэффициентами кгі и кзі) и те же градиенты температуры, направленные по хг и по хз вызывают равные тепловые потоки в направлении Х] (определяемые коэффициентами к и кіз). Здесь можно видеть возможность спиралеобразного распространения тепла в кристаллах, однако, до сих пор этот факт не получает экспериментального подтверждения. Примирительным теоретическим шагом стало достаточно широкое, но без доказательств, утверждение, а именно, принцип Онзагера («соотношение взаимностей»). Он позволяет недостаточность классической термодинамики (по существу, «термостатики») преодолеть введением «термодинамики необратимых процессов» и распространить ее на тепло- и массоперенос. Принятие симметричности тензора не является логически исчерпывающим. Для однозначности необходимо расширить предположение о линейности связи «потоков» с обоими «силами». Добавим условие неизменности div q, а также условия kjj=kjj и dkij/dxj = 0. Следовательно, радиальный и циркулярный поток тепла, не обнаруживаемые экспериментально, отсутствуют и теоретически. Конкретность требует, однако, записать ку - kjj = 0 и 3(ку - kji)/Sxi = 0, что равносильно не обязательному, но допустимому, ку=0, т.е. нулевой теплопроводности вакуума. Получается, что симметричность тензора ку в вакууме означает симметричность тензора ку в кристалле и, тем более, равенство нулю тензора ку в вакууме означает его симметричность. Симметричность физических явлений по отношению ко времени, т.е. инвариантность t - () (явление классической и квантовой механики, для отсутствия магнитных полей, кориолисовых и лоренцовьгх сил), может быть распространена на большой круг явлений. Тогда имеем Ly(H) = Lji(H), где Н - вектор, влекущий термодинамическую необратимость. Таким образом, идея «термодинамики необратимых процессов» аналогична идее второго начала термодинамики. Обе идеи -аксиоматичны и обе идеи - следствие опыта, допускающие статистические оценки. Структурные неоднородности в кристаллических материалах, а именно: дефекты, примеси и градиенты упругих напряжений, - оказывают сильное влияние на физические свойства. Особое место среди неоднородностей занимают примеси, которые наряду со структурными изменениями могут вызывать и сильные искажения электронного энергетического спектра, привести к изменению закона дисперсии, поверхности Ферми, скорость электронов, плотности электронных состояний. Свойством, в высокой степени, чувствительным, как и структура кристалла, так и к малейшим изменениям в электронном энергетическом спектре, является электропроводность, теплопроводность и, следовательно, термоэлектродвижущая сила.
Между тем, термоэлектрические свойства даже химически чистых бездефектных кристаллов с трудом поддаются теоретической трактовке. Особенно это относится к переходным элементам и полуметаллам, электронные энергетические спектры которых наиболее сложны. А для них до сих пор остается открытым вопрос о механизмах, ответственных за рассеяние электронов в различных диапазонах температур. Тем не менее, интерес к влиянию дефектов очень велик, так как ничтожные добавки дефектов могут привести к изменению термоэдс на сотни процентов и даже изменить знак эффекта.
Предложенные модели характеристик термоэлектрических материалов обосновывают расширение представлений об эффективности материалов при термоэлектрическом преобразовании.
Оптимальные параметры микроструктуры наклонноконденсированных плёнок и комплексные критерии оптимизации эффективности материалов при термоэлектрическом преобразовании для наклонноконденсированных плёнок
Материалы, пригодные для изготовления плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей, в зависимости от основных факторов, определяющих анизотропию термоэлектрических свойств и наклон главных направлений анизотропии к направлениям облучения и теплоотвода, а также поперечную термоэдс в наклонноконденсированных плёнках, можно подразделить на группы.
К первой группе относятся материалы, обладающие собственной анизотропией коэффициента термоэдс, которая вносится кристаллитами в плёнки, и способностью формирования наклонной кристаллографической текстуры при наклонной конденсации. Материалы второй группы являются изотропными, но способными к формированию при наклонной конденсации плёнок с наклонной «волокнистой» микроструктурой, в которой каждое отдельное «волокно» приобретает анизотропию коэффициента термоэдс вследствие размерного эффекта. Материалы третьей группы также являются изотропными, но образуют при наклонной конденсации плёнки с наклонной «волокнистой» микроструктурой и несовершенным контактом между кристаллитами. Наконец, возможны материалы, которые сочетают в себе особенности и способности материалов перечисленных групп. В плёнках этих материалов эффекты, определяемые каждым из факторов, налагаются друг на друга.
Отмеченные особенности материалов являются необходимыми и достаточными для возникновения в наклонноконденсированных плёнках анизотропии свойств и поперечной термоэдс, т.е. являются условиями их пригодности. Однако помимо способности к приобретению той или иной текстуры при наклонной конденсации важными являются и сами свойства материалов. Способность материалов к текстурообразованию трудно предсказуема и пока может быть установлена только экспериментальными исследованиями. Поэтому при выборе материалов приходится прежде всего ориентироваться на их свойства и в каждом конкретном случае такие, которые определяют наиболее важные для применения параметры. При этом параметры наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей, также как и других термоэлектрических преобразователей, зависят не от одного свойства, а от соотношения двух-трех свойств материалов. Эти соотношения можно использовать в качестве критериев предпочтительности материалов для плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей как измерителей непрерывного излучения (предназначенных для измерения и обнаружения соответственно).
Помимо этих показателей эффективности при выборе материалов следует принимать во внимание возможность получения их плёнок. Технологичность материалов в этом отношении можно оценить по температуре начала испарения (при которой упругость паров равна 1 Па) и склонности к диспропорционированию при испарении в вакууме.
Сведения по термоэлектрическим свойствам материалов (использованы справочники [59, 60, 63, 66, 69,264] и собственные данные) сведены в табл. 2.1, которые можно использовать для оценки их материаловедческой (физической) и технологической (химической) перспективности для плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей. На рис. 2.3 показаны результаты ранжирования материалов по комплексным критериям термоэлектрической эффективности. Среди материалов, обладающих собственной анизотропией коэффициента термоэдс, были выделены висмут, теллур и антимонид кадмия [167,188,194]. Природная анизотропия антимонида кадмия делает его наиболее эффективным для плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей. Однако при вакуумно-термическом испарении антимонида кадмия имеет место диспропорционирование компонентов, что затрудняет воспроизводимую конденсацию его плёнок.
Из изотропных материалов для изготовления плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей перспективны d-металлы (хром, никель, тантал), а также термоэлектродные, они же резистивные, сплавы (хромель, алюмель, константан и копель). Металлические сплавы являются наиболее подходящими для изготовления быстродействующих плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей излучения. Однако применение сплавов осложнено невоспроизводимостью их состава и свойств в плёнках, получаемых при испарении и конденсации в вакууме.
Для измерения энергетических параметров короткоимпульсного излучения требуется оценить быстродействие приёмно-преобразующего элемента. Быстродействие термоэлектрических преобразователей пятачкового типа практически должно определяться характеристическим временем переходного теплового процесса самой плёнки, так как нет других очевидных факторов, влияющих на их быстродействие. В то же время быстродействие меандровых термоэлектрических преобразователей может лимитироваться скоростью переходного электрического процесса, определяемой межполосковой ёмкостью и индуктивностью меандра.
В общем случае при воздействии на плёнку толщиной / импульса излучения прямоугольной формы длительностью ги распределение температуры по толщине плёнки хз в момент времени т при допущениях, что тепловой контакт плёнки с подложкой идеален и поглощение излучения происходит в бесконечно тонком приповерхностном слое, описывается выражениями При наклонной конденсации поверхность плёнок оказывается гребенчатой. Такую плёнку схематически можно представить состоящей из двух разнородных слоев (см. рис. 2.6, а): верхнего гребенчатого слоя толщиной Kt (к 1), в котором кристаллиты разобщены и электрически не коммутируют друг с другом, и нижнего сплошного электропроводящего слоя. В связи с этим планарная термоэдс, действующая в верхнем гребенчатом слое плёнки, не передаются на контактные площадки. Электрический сигнал с плёнки появляется только тогда, когда фронт тепловой волны достигает нижнего слоя. Время, необходимое для протекания тепла от гребней к сплошному слою, определяет задержку отклика относительно момента начала действия импульса излучения. Таким образом, верхний гребенчатый слой является пассивным, играет роль аккумулятора энергии импульса и демпфирует реакцию плёнки на импульс.
Исследование микроструктуры и термоэлектрических свойств наклонноконденсированных плёнок висмута
Использовались высокочистые исходные материалы: висмут марки Ви 0000 (ГОСТ 10928-75), теллур марки ТІ (ГОСТ 17614-72) или ТА-1 (ГОСТ 13488-73) (сертификация ФГУП «Гиредмет»).
В качестве подложечных материалов применялись: - полированные пластины полупроводникового высокоомного кремния марки БВД, слюда «мусковит» марки СТА-200 (ГОСТ 13750-78) и сколы поваренной соли [ориентирующие подложки]; - оптическое стекло марки К-8 (ГОСТ 3514-76), пленки полиимида ПМ 1,2 (ТУ 6-02-1832-77) - 5 и 20 мкм, пластины оксида бериллия - «брокерит» (ТУ 9529-77), анодированные пластины алюминиево-магниевого сплава марки АМгЗ, сапфир (ЕТО 032564 ТУ) [неориентирующие подложки].
Анодирование пластин («эматалированный алюминий» - анодированный с аморфным поверхностным слоем) производилось в 4%-ном растворе щавелевой кислоты при плотности анодного тока 20...30 мА/см2 и температуре ванны 289 К. Время анодирования составляло 1...1,5 часа. Толщина оксидного слоя на пластинах, измеренная методом шарового шлифа, была 30+5 мкм.
Плёночные материалы получались испарением и конденсацией в вакууме на установках типа УВН-2М (висмут, теллур), УВН-74Р (теллур) и УВН-71Р (хром). При использовании установок и соответствующей оснастки поддерживались условия технологической «гигиены» или «стерильности», т.е. получение плёнок различных материалов или их комбинаций закреплялось за различным оборудованием и инструментарием. Технологическое вакуумирование установок поддерживалось в интервале 10"2... 10"4 Па. Загрузка испарителя, материал контейнера и нагреватель фиксировались в конструкторско-технологических документах. Температура испарения контролировалась термопарами медь-константан, ХА или ППР с показывающими приборами типа КСП-2.
Плёнки хрома, никеля и тантал получались методом взрывного испарения (методом вспышки), при котором порошок металла подавался с помощью вибропитателя со спиральньгм лотком, приводимого в действие генератором импульсом низкой частоты (типа ГЗ-109), на прямонакальный ленточный испаритель из вольфрамовой или молибденовой фольги толщиной ОД мм. Температура испарителя вольфраморениевой термопарой (типа ВР-5/20) с точностью ± 5 %. Нагрев подложек осуществлялся радиационным путём от ленточного нагревателя из молибденовой фольги. Температура подложек контролировалась хромель-алюмелевой термопарой (типа ХА) с точностью ± 3 %.
Топология плёнок осуществлялась через трафаретные маски из фольги бериллиевой бронзы Бр. Б2 толщиной 50 мкм с гальванически осажденным слоем никеля толщиной 6 мкм для получения конфигурации, необходимой для проведения исследований. Маскоподложкодержатели выполнялись из нержавеющей стали Н18Х12Т. Нагрев маскоподложкодержателей осуществлялся радиационным нагревателем и контролировался термопарой ХА. Расстояния от зоны испарения до подложек («напылительная база») для обеспечения зонной однородности плёнок наклонноконденсированного типа составлял около 400 мм. Ниже маскоподложкодержателя располагалась заслонка, открываемая и закрываемая по усмотрению экспериментатора с помощью электромагнитного привода.
Тестовый контроль холловской ЭДС и термоэдс осуществлялся на плёночных образцах, получаемых на подложке через трафаретную маску. Предварительно создавались коммутационные дорожки и контактные площадки из меди на подслое хрома. Использовался универсальный цифровой прибор типа В7-23, работающий в режиме омметра и вольтметра. Для холловских измерений плёночные образцы помещались в зазор между полюсными наконечниками электромагнита на установке типа «PEPL».
Электросопротивление плёнок определялось четырёхзондовым методом (источник тока типа Б5-46, вольтметр типа Ф2000/1 и микроамперметр типа MSZ-808) и двухзондовым методом (цифровой полуавтоматический мост типа Ф4206) с погрешностью 2 %.
Удельная продольная термоэдс плёнок измерялась при помощи термостатированном термоградиентном блоке с помощью двух зондов. В нагреваемый зонд был запрессован горячий спай дифференциальной термопары типа ХА. Термоэдс термопары и термоэдс в пленке измерялись цифровым вольтметром типа B7-2I. Коэффициент термоэдс в пленке (ап) рассчитывался по формуле: ап = аТпЕп/ЕТп, где атп - коэффициент термоэдс термопары, Е„ и Етптермоэдс в плёнке и термопары, соответственно. Погрешность измерения коэффициента термоэдс пленки составляла ± 5 %. Размерность - мкВ/К.
Удельная поперечная термоэдс плёнок измерялась при облучении их поверхности лампой ИК-нагрева с задаваемой интенсивностью потока (I = 0,3 ... 1,0 Вт/см2) (цифровой вольтметр типа Ф2000) и при облучении лазером (типа ЛТИПЧ-5; X, = 1,06 мкм; на экране двухлучевого универсального запоминающего осциллографа типа С8-14). Погрешность оценивается величиной ± 5 % (она обусловлена в основном неопределённостью коэффициента поглощения излучения поверхности плёнки). По нашим оценкам для плёнок нанесенных под углом 75 к потоку паров это величина составляет 55 % от коэффициента поглощения лакосажевой черни, который близок к единицы. Величина удельной поперечной термоэдс плёнок вычислялась по формуле: еа = Еа/еЫ, где Еа - термоэдс, возникающая под действием излучения с интенсивностью потока І, є - коэффициента поглощения излучения (є 0,9) и L - расстояние между зондами. Размерность - мкВ-см/Вт.
Относительное контактное сопротивление границ кристаллитов определяется по формуле: Гк = (рп - РоУро, где р„ и ро - удельное электросопротивление плёночного и компактного, или массивного, поликристаллического материала. Одновременно - и тепловое сопротивление. Оно тем больше, чем больше поры и трещины по границам кристаллитов, блоков или зёрен.
Толщина плёнок 1 мкм, средний размер зёрен 20 мкм. При увеличении угла между направлением потока паров и нормалью к поверхности подложки размеры зёрен несколько уменьшаются, межзёренные поры и трещины, а также несплошности («проколы»), увеличиваются, и границы становятся волнистыми, зёрна приобретают всё более увеличивающийся наклон в сторону направленного потока паров. Одновременно - увеличивается коэффициента поглощения излучения.
Толщина плёнок определялась на интерференционном микроскопе МИИ-4 и весовым методом. В процессе напыления толщина плёнок также контролировалась по «свидетелю» (по электросопротивлению или по изменению частоты кварцевого генератора, подключённому к кварцевой пластинке - элементу резонансного контура с частотой 3 мГц).
Основные параметры созданных и исследованных плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей
Известны преобразователи тепловой и лучистой энергии в электрическую на монокристаллических (компактных, массивных) материалах (1), причём анизотропных материалах (2), вырезанных (под углом к оси анизотропии) (3), использующих поперечный термоэлектрический эффект (4), и названный в своё время «анизотропным».
Предполагалось, что быстродействие и лучевая стойкость преобразователей могут быть существенно повышены относительно анизотропных (1), компактных (2) и вырезанных (3) материалов, если использовать материалы в виде плёнок.
Однако получение монокристаллических анизотропных плёнок с наклонённой осью анизотропии (1) и на инородных подложках (2) является проблематичным. Поэтому представилось возможным при наклонной конденсации создавать наклонную текстуру в виде искусственно наведённой наклонной анизотропии; В так называемых, наклонноконденсированых, или косотекстурированых, плёнках под действием «фактора формы кристаллитов», или «формразмерного фактора» (образуется «армированная текстура») (1), и под действием «кристаллического фактора» (2). Удача выбора темы и цели состоит в том, что оказалось возможным получить из изотропных материалов армированную текстуру! У кристаллитов не было анизотропии свойств. У плёнок - анизотропия свойств есть благодаря анизотропии формы кристаллитов, их размеров и ориентации. Очень важно относительное электрическое и тепловое контактное сопротивление между кристаллитами. Имеют место разрыхление микроструктуры, неоднородная и повышенная концентрация пор, примесей и дефектов, наличие оксидных прослоек и инородных включений (в изотропных материалах). Кроме того, имеет место зависимость от направления кинетических свойств плёнок и слабое рассеяние носителей заряда на границе кристаллитов (в анизотропных полуметаллах и полупроводниках). Важнейшими параметрами приёмников излучения являются: чувствительность (удельная вольт-ваттная чувствительность, коэффициент преобразования) (1), порог чувствительности и обнаружительная способность (2), быстродействие (постоянная времени), инерционность (время остывания) и предельная частота следования импульсов (3), динамический диапазон и спектральный диапазон (4). Чувствительность или удельная вольт-ваттная чувствительность (коэффициент преобразования, В/Вт) приёмника излучения равна отношению величины изменения электрического выходного сигнала к величине изменения интенсивности падающего излучения. Порог чувствительности приёмника излучения равен величине, обнаруживаемой интенсивности падающего излучения на фоне собственных шумов. Обнаружительная способность приёмника излучения равна обратной величине порога чувствительности, отнесённой к единичной полосе пропускания схемы измерения и к единичной площади приёмной площадки. Быстродействие (или постоянная времени, не) приёмника излучения равно времени установления нового значения электрического выходного сигнала после скачкообразного изменения интенсивности падающего излучения. После скачкообразного изменения интенсивности падающего излучения, как правило, электрический выходной сигнал нарастает по экспоненциальному закону, и поэтому быстродействие характеризуется постоянной времени. Инерционность характеризует готовность к измерению, следующего импульса, и регистрация импульсов происходит отдельно друг от друга. Отсюда определяется предельная частота следования импульсов. Динамический диапазон и спектральный диапазон определяется, соответственно, интервалом интенсивности и интервалом длин волн падающего излучения, при которых их чувствительность постоянна. Одним параметром охарактеризовать приёмника излучения затруднительно. Наиболее существенным может быть различие приёмника излучения в величине чувствительности. Однако, чувствительность может быть изменена в широких пределах путём изменения тепловой связи с окружающей средой. При этом обратно пропорционально чувствительности, порогу чувствительности и обнаружительной способности (1, 2) изменяется быстродействие (постоянная времени), инерционность (время остывания) и предельная частота следования импульсов (3). Поэтому приёмники излучения принято сопоставлять по отношению чувствительности (1) к быстродействию (3). Можно вводить нормирующие поправки на динамический и спектральный диапазоны (4), если они очень узки. Для плёночных приёмников излучения из-за малой массы и хорошего теплового контакта с подложкой, обеспечивающих им быстродействие, важна чувствительность, и не очень важны порог чувствительности и обнаружительная способность. Разработанные плёночные приёмники излучения превосходят другие по чувствительности, существенно не уступая им по быстродействию.
Если возникает необходимость проведения измерений интенсивности излучения малой и большой мощности, то важной характеристикой является спектральная кривая мощности собственных шумов, позволяющая определить рациональную частоту модуляции сигнала и полосу пропускания схемы включения, чтобы отношение сигнал/шум было наибольшим.
Лазерные излучения как объект измерения характеризуется большим разнообразием разнородных параметров и режимов генерации излучения. Дополнительным осложнением является широкий диапазон значений параметров и нестационарность режима генерации. Первостепенные требования к измерительным средствам для лазерного излучения - широкополостность и быстродействие. Следующее требование по важности - работоспособность в инфракрасном диапазоне волн без охлаждения. Кроме того, из соображений метрологического обеспечения очевидна необходимость минимизации и унификации принципов, на которых строится измерительная система.
Среди таких средств измерения перспективны термоэлектрические преобразователи на косовырезанных пластинках анизотропных монокристаллических полупроводников (см. [66, 131]). Как развитие и решение проблемы перспективны также термоэлектрические преобразователи на наклонноконденсированных плёнках ряда материалов (помимо полупроводников).
