Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1Л Гальвапомагннтные явления в кристаллических и жидких металлах 8
1.1.1. Магнитосопротивление монокристаллов 9
1.1.2. Магнитосопротивление поликристаллов 18
1.1.3. Гальваномагнитные явления в жидких металлах 21
1.2 Модели электронной структуры и проводимости жидких металлов 24
1.2.1 Структура жидких металлов 24
1.2.2 Рассеяние электронов в жидких металлов 26
1.2.3 Электронная структура жидких металлов 29
1.2.4 Теории проводимости жидких металлов 32
1.3 Электроперенос примесей в металлах 35
1.3.1 Теоретические основы электропереноса 35
1.3.2 Особенности электропереноса в жидких металлах 37
1.3.3 Электроперенос в магнитном поле 42
1.4 Получение высокочнстых веществ 45
1.4.1 Очистка жидких металлов электропереносом 45
1.4.2 Другие современные методы очистки 48
1.5 Получение кремния для электронной промышленности и солнечной энергетики 54
1.5.1 Обзор методов получения поли- и монокристаллического кремния 54
1.5.2 Кремний для солнечной энергетики 59
1.6 Постановка задач 67
2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 68
2.1 Химико-спектральный анализ 68
2.2 Масс-спектрометрические методы анализа вещества 73
2.3 Контроль чистоты по относительному остаточному сопротивлению 80
2.4 Измерение электрофизических характеристик гетероструктур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии 88
2.5 Рентгеноструктурный анализ 93
3. магнитосопротивление жидких МЕТАЛЛОВ 96
3.1 Измерение электросопротивления жидкого галлия в поперечном магнитном поле 97
3.2 Электросопротивление жидкого галлия в магнитном поле и модель электронной структуры жидких металлов 102
4. ПОПЕРЕЧНЫЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕНОС В МАГНИТНОМ ПОЛЕ 117
4.1 Изучение поперечного электроперепоса в жидком галлии 117
4.2 Получение высокочистых веществ поперечным электропереносом в магнитном поле [ 126
4.2Л. Очистка галлия 126
4.2.2. Очистка индия 138
4.3 Электроперенос примесей в жидком галлии 154
4.4 Электроперенос примесей в расплавленном кремнии 159
5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 165
6. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 167
ПРИЛОЖЕНИЕ. Основные величины, используемые в расчетах, в системе СИ и СГС 176
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время исследования в области физики жидких металлов являются актуальными как в связи с ростом областей самостоятельного применения жидких металлов, так и в связи с поиском методов получения веществ с особыми физическими свойствами для современной микро- и наноэлектроники (высокочистых материалов, прецизионных сплавов и т.п.), атомной техники, солнечной энергетики. Исследования показали, что очистка физическими методами материалов в жидком состоянии представляет собой одно из наиболее удачных сочетаний себестоимости и качества получаемого высокочистого вещества. Интерес представляет также совместное воздействие электрических и магнитных полей на квазижидкие объекты наноэлектроники.
Однако отсутствует теория, описывающая воздействие внешнего магнитного поля на электропроводность жидких металлов. Существующие на настоящий момент теории электропроводности жидких металлов (Мотта, Губанова, Займана) не учитывают это влияние. Отчасти такое состояние объясняется отсутствием надежных экспериментальных данных об электросопротивлении жидких металлов в широком диапазоне величин магнитного поля.
Одной из наиболее важных и актуальных проблем мировой науки и техники также является получение дешевого кремния в промышленных объемах для солнечной энергетики. Основную часть затрат при изготовлении фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) составляют расходы на кремний, который был и остается основным материалом ФЭП, Все существующие на сегодняшний момент технологии получения кремния для солнечной энергетики, включая хлоридную (Сименс-процесс), по сути своей являются лабораторными, с большими издержками, энергозатратами и низким выходом продукта, что принципиально определяется технологией и в ее рамках не может измениться.
Цель диссертационной работы - построение модели электронной структуры жидкого металла по полученным данным о его магнитосопротив-лении, выяснение механизмов поперечного электропереноса примесей в жидких металлах и полупроводниках и его применение для их очистки.
В работе решаются следующие задачи:
- исследование поведения электросопротивления жидкого галлия при изменении величины внешнего поперечного магнитного поля и создание теоретической модели электронной структуры жидких металлов;
- исследование поперечного электропереноса в жидком галлии в плоской ячейке и в капилляре и теоретическое описание данного явления;
- разработка принципов нового метода получения кремния для солнечной энергетики.
Методы исследования. В настоящей работе применялись различные теоретические и экспериментальные методы исследований. Комплексный подход обеспечил разностороннюю проверку полученных результатов. Содержание примесей в образцах контролировалось спектральными и масс-спектральными методами, путем измерения относительного остаточного сопротивления монокристаллов материалов и определения электрофизических характеристик гетероструктур, выращенных на их основе. Ориентация монокристаллов определялась по данным рентгеноструктурного анализа.
Научная новизна результатов диссертационной работы,
1. Впервые измерено магнитосопротивление жидкого галлия; показано, что зависимость его от индукции магнитного поля носит линейный характер Зависимость магнитосопротивления жидкого металла от индукции магнитного поля объяснена двухзонной моделью электронной структуры жидкого металла, основанной на модели двух полос проводимости для твердых тел и теории электропроводности Займана для жидких металлов,
2. Впервые экспериментально обнаружен и теоретически описан поперечный электроперенос примесей в жидком галлии в скрещенных электрическом и магнитном полях.
4, Получены соотношения для параметров поперечного элекгропереноса в магнитном поле и определены эффективные объемы примесей в галлии и кремнии.
5- Разработаны метод и устройство очистки жидких металлов и полупроводников в скрещенных электрическом и магнитном полях. Защищаемые положения.
1. Линейное увеличение магнитосопротивления жидкого галлия в поперечном магнитном поле —(я) = 3.75 1(Н Тлг1 В - 0.225 -10-4 обусловлено сложной электронной структурой жидкого металла.
2. Электронная структура жидкого галлия описывается электронной сферой Ферми радиусом =1.654-10 см" и дырочной оболочкой радиусом 4=1.114-108 см"1 итолщиной ДА = 0.5-10 см"1.
3. Движение примесей в жидких металлах (на примере индия и галлия) в скрещенных электрическом и магнитном полях осуществляется в поперечном направлении.
Достоверность выводов диссертации обусловлена:
- соответствием результатов, полученных с помощью независимых методов экспериментального исследования; воспроизводимостью экспериментальных результатов;
- соответствием между теоретическими и экспериментальными результатами.
Практическая ценность диссертационной работы. L Предложен способ эффективной финишной очистки высокочистых материалов для микро- и наноэлектроники с помощью поперечного электропереноса в магнитном поле.
2- Предложено применять индий, полученный данным способом, для анализа микрообъектов различной природы (проводящие и непроводящие частицы размерами порядка нескольких микрометров, волокна, порошки и т.п.) методом вторично-ионной масс-спектрометрии
3. Предложено использовать метод электропереноса в поперечном магнитном поле в качестве одного из этапов технологии получения дешевого кремния для солнечной энергетики.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 работах и докладывались на 47-й студенческой научно-технической конференции РГРТА (Рязань, 2000 г.), XVII научном совещании «Высокочистые материалы с особыми физическими свойствами» (Суздаль, 2001 г.), Третьей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологии получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе («Кремний-2003») (Москва, 2003 г.), XVI Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2003) (Звенигород, 2003 г.), Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2003 г.), 19-й Европейской конференции по фотоэлектричеству (19th European Photovoltaic Conference, Paris, France, 2004), 15-м Всемирном конгрессе по фотоэлектричеству (15th World Photovoltaic Congress, Shanghai, China, 2005).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (108 наименований) и приложения. Текст диссертации изложен на 190 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц и 58 рисунков.
