Характер межчастичного вааимодействия и особенности строения жидких полупроводников Щеликов, Олег Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность

Одним из глазненших направлений научно-технического прогресса для многих областей техники является разработка и создание новых материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Эффективное решение этой задачи возможно только на основе комплексных и систематических как теоретических, так и экспериментальных исследований, посвященных выявлению основополагающих принципов межчаст ич-ного взаимодействия, строения веществ и их физико-химических свойств.

Установление связей между структурой и фундаментальным своі'нл-пом вещества - межатомным взаимодействием, актуально для понимания свойств веществ.

Прямое исследование структуры жидкостей дифракционными негодами дает ценную информацию о величине межатомных расстояний и средних координационных числах, что имеет важное значение в решении обшей проблемы жидкого состояния. Успехи рентгенографии и других дифракционных методов в применении к исследованию жидкостей позволили получить полезные сведения о строении большого числа веществ, однако, несовершенство имеющейся теории и трудности п экспериментальном отношении позволяют с достаточной надежностью судить .ниш, о структуре одноатомных жидкостей, да и то далеко не всегда. В э iofi связи, сведения о структуре более сложных жидкостей часто получаю і на основе исследований структурно-чувствительных свойств. Безусловно, перспективным является развитие методов, позволяющих на основании исследуемых свойств делать строгие заключения о структуре. В работе впервые разработан интересный и нетрадиционный подход к исследовании! жидких полупроводников - исследование анизотропии проводимости при ламинарном течении расплава, что представляет, несомненно, научный и практический интерес.

Имеющиеся в настоящее время сведения и представления о структуре и свойствах расплавов все еще отличаются неполнотой и во многом неубедительны. От исследований в этой области можно ожидать новых важных результатов, которые могут иметь не только научное, но и практическое значение. Речь идет как о применении самих жидкостей в различных устройствах, так я об учете и использовании их свойств при формировании структуры выращиваемых из них кристаллов.

Наблюдается повышенный интерес к классу веществ, называемых жидкими полупроводниками [1 -3,5, 7]. Они имеют ряд преимуществ перед твердыми: расширяют рабочий температурный диапазон приборов, малочувствительны к наличию примесей, а также к внутренним и внешним воздействиям. Применение жидких полупроводников весьма разнообразно, в частности, в качестве теплоносителей, что позволяет значительно интенсифицировать процессы теплообмена и делает возможным их использование не только в ядерной энергетике, но и в топливных элементах, магнитогидродинамике. Жидкий полупроводник может быть высокотемпературным каскадным термоэлементом. При этом высокое значение КПД цикла Карно может быть достигнуто за счет увеличения рабочего перепада температур. Потребность в материалах самых различных назначений диктует необходимость их всестороннего изучения и широком диапазоне температур, включая жидкую фазу.

Исследование структурно-чувствительных свойств различных материалов при переходе из твердого состояния в жидкое, помимо его прикладного значения, весьма важно также для развития физики и физической химии полупроводниковых систем, т.к. понимание природы жидкого состояния и построение каких-либо теоретических моделей процесса переноса заряда в этих системах невозможно без наличия надежной информации о структуре и различных физико-химических свойствах рас .лавов.

Следовательно, учитывая вышеизложенное, тему настоящей работы можно считать актуальной.

Цель работы

Теоретические и экспериментальные исследования для развития качественных и количественных методов прогнозирования свойств жидких полупроводников. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

разработать новую методику исследования электропроводимости полупроводников в ламинарном потоке расплава с целью сделать заключение о наличии или отсутствии анизотропии такого потока и, следовательно, о наличии или отсутствии цепочечного строения у исследуемых расплавов;

осуществить систематическое комплексное исследование свойств расплавов, плавящихся по типу полупроводник-металл и полупроводник-полупроводник, а именно: электропроводимости, плоїпости; термического расширения, вязкости и самодиффузии;

на основании экспериментальных данных провести теоретические расчеты параметров, характеризующих межчастичное взаимодействие: коэффициентов термического расширения, дебаевеких характеристических температур, среднеквадратичных динамических смещений атомов из положения равновесия в жидкой состоянии;

исследовать взаимосвязь строения жидких полупроводников с характером межчастнчного взаимодействия;

по результатам экспериментальных данных, связанных с изменениями вязкости, плотности, термического расширения иссле.юпагь процесс диффузии в жидких полупроводниках.

Щу.ЧНМ ношЩЩ

1. Впервые разработана методика для измерения электропроводимости веществ в струе расплава, позволяющая судить о наличии или отсутствии структуры цепочечного типа у полупроводников в жидкой фазе.

1. Изучена анизотропия электропроводимости селена, теллура и халь-когенидов меди (.SV, Те. Си, Cu₂Se, Си₂Те).

2. Обнаружен релаксационный эффект проводимости жидких полупроводников (Se, Те, СиД CU;Se, Си.Те ).

3. Для исследования вязкости при высоких температурах предлагается использовать в качестве вискозиметра ячейку для исследования анизотропии электропроводимости в струе расплава.

4. Сконструирована установка и разработана методика для высокотемпературных измерений электропроводимости, учитывающая основные недостатки применявшихся ранее Методов. Измерена электропроводимость Se и Те в широком диапазоне температур контактным и бесконтактным методами.

5. Путем детального исследования вязкости капиллярным и крутиль-но-колебательным методами уточнен ход температурной зависимости вязкости селена при низких температурах и установлен характер структурных изменений при температуре 500-550 С, а также резкое нарастание вязкости в предкристаллизационный период.

7. На основе исследования плотности и термического расширения проанализированы температурные зависимости удельных объемов около 40 веществ, плавящихся по типу полупроводник-полупроводник и полупроводник-металл.

8. Рассчитаны коэффициенты термического расширения, дебаевские характеристические температуры и среднеквадратичные динамические смещения атомов из положения равновесия в расплавах Ge.Si.Se.Te.A¹' В^,у ,A'J В* ,л" В\ ,А^Ш B^v ,a\B^,v .А¹' В'\а'" В¹' ,л'/ В*¹, А"В'''.А>₂В^У₃'.А'В¹'".

9. Установлены корреляции между характеристиками прочности межатомной связи в жидких полупроводниках и корреляции их с зі.тальпиеи расплава при температуре плавления.

10. На основании экспериментальных данных по плотности, вязкости, термическому расширению и скорости распространения ультра тука впервые рассчитаны коэффициенты самоднффузии Si.JtS. Тв и усредненные коэффициенты диффузии для расплавов, плавящихся по типу полупроводник-полупроводник, полупроводник-металл.

Практическое значение.

Разработана новая методика для изучения электропроводимости веществ а ламинарном потоке. Создана оригинальная аппаратура для исследования электропроводимости в ламинарном потоке. Получен большой экспериментальный материал по измерению электропроводимости, вязкости, плотности. Определены и проанализированы коэффициенты термического расширения, дебаевскне характеристические температуры, среднеквадратичные смешения атомов иэ. положения равновесия для - 4" веществ, плавящихся по типу полулрсводннк-пол) проводник, пги\ проводник-металл, Данные представляют интерес для дальнейшего разшин» представлений о физико-химической природе электронных расплавов, >i-лубленн* понимания взаимосвязи между структурой ближнего порядка, характером межчастнчного взаимодействия и электронными свойствами Такие результаты являются важными для развития уже существующих и построения новых технологий, а также иоьых теоретических н модельных концепций неупорядоченных систем.

На защиту выносятся следующие результаты и положен ид_;

5. Определение структуры ближнего порядка цепочечного інші жн.і-ких полупроводников на основе исследования анизотропии электропроводимости в ламинарном потоке расплава.

2. Новая методика исследования электропроводимости пол\ проводников в струе расплава.

3. Наличие эффекта анизотропии проводимости, обусловленного ориентацией цепочек вдоль направления течения расплавов для жидких полупроводников Se,Te,Cu2S,Cu₂Se,Cu₂Te.

4. Наличие эффекта релаксации проводимости после прекращения течения расплава.

5. Исследование вязкости и плотности при высоких температурах жидких полупроводников, плавящихся по типу полупроводник-полупроводник,полупроводник-металл.

6. Расчет коэффициентов термического расширения, дебаевских характеристических температур, среднеквадратичных динамических смещений атомов из положения равновесия на основе исследования плотности расплавов около 40 веществ.

7. Установление корреляции между характеристиками прочности межатомной связи в жидких полупроводниках и их связи с энтальпией расплава при температуре плавления.

8. Возможность определения коэффициентов самодиффузии элементарных полупроводников и усредненных коэффициентов диффузии в расплавах жидких полупроводниковых химических соединений на основании исследования плотности, вязкости, термического расширения и скорости ультразвука.

9. Вывод о наличии превращений структуры ближнего порядка в
жидких полупроводниках с ростом температуры (эффект 'после плавле
ния).

Апробация работы.

Материалы диссертации доложены на:

Всесоюзном совещании по явлениям переноса в электронных расплавах (г. Ленинград, 1971г.), Всесоюзном совещании по явлениям ік,)еноса в расплавах (г.Махачкала, 1973г.), Всесоюзной конференции "Термодинамика и полупроводниковое материаловедение (г.Москва.

1979 г.), на Международной конференции по аморфным и жидким полупроводникам (США Кембридж, 1979г.), второй Всесоюзной конференции "Термодинамика и полупроводниковое материаловедение (г. Москва, 1983 г.),третьей Всесоюзной конференции "Термодинамика и полупроводниковое материаловедение (г. Москва, 1986 г.), третьем Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников (г.Махачкала, 1986г.), на седьмом Всесоюзном совещании по физико-химическому анализу (г.Фрунзе, 1988г.), четвертой Всесоюзной конференции "Термодинамика и полупроводниковое материаловедение (г.Москви. 1989 г.), на 1-ой Республиканской конференции "Физико-химические основы получения и исследование полупроводниковых материалов в твердом и жидком состоянии (г. Кулябы, 1989 г.), на Ш-ей Всесоюзной научно-технической конференции "Материаловедение халькогенидных полупроводников (г. Черновцы, 1991 г.), на VlII-ом Всесоюзном совещании по физико-химическому анализу (г. Саратов, 1991 г.), теплофизической конференции СНГ (г. Махачкала, 1992 г.), V-ой Международной конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников (г. Москва. 1997г.),

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 40 статей и тезисов докладов.