Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования механических свойств нитевидных кристаллов (НК) кремния и германия в условиях пнешних упругих, тепловых и токовых воздействий, актуальны в четырех аспектах. Во-первых, исходно бездислокационные НК являются уникальными модельными объектами при установлении закономерностей упругопластического перехода, дефектообразования. начальной стадии пластической деформации и др., что представляет самостоятельный интерес для физики твердого тела и материаловедения. Во-вторых, такие исследования вызывают большой научный интерес в связи с возможностью получения новых данных о природе электропластического эффекта, который достаточно полно исследован в металлах и щелоч-но-галоидных кристаллах, но практически не изучен в полупроводниках. В-третьих, такие исследования важны с практической точки зрения. Они составляют физическую основу для разработки и создания на НК кремния миниатюрных и малоинерционных термо- и особо прочных тензопреобразователей неэлектрических физических величин в электрический сигнал для различного рода приборов: датчиков давления, температуры, скорости газового потока и др. Кроме того эти исследования могут быть использованы для прогнозирования стабильной работы приборов, созданных на базе массивных монокристаллов кремния и германия. В-четвертых, объективность и достоверность метрологических характеристик есть главные требования к средствам измерения, в том числе и с применением преобразователей на основе НК кремния, поэтому поиск новых путей повышения точности измерений и обобщение ранее известных способов является актуальной задачей.
Основные научные и практические разработки по теме диссертации выполнялись в проблемной научно-исследовательской лаборатории нитевидных кристаллов кафедры физики Воронежского государственного технического университета в соответствии с координационным планом научных исследований АН СССР, утвержденным постановлением ГКНТ, по направлению 1.3 «Физика твердого тела» и проблемам 1.3.2.3 «Исследование механизмов пластической деформации и разрушения твердых тел», 1.3.2.7 «Исследование влияния дефектов кристаллической решетки, возникающих при пластической деформации материалов, на физические свойства твердых тел» в рамках КЦП Минвуза РСФСР «Датчики» и «Высокочистые вещества» и комплексных исследований, проводимых по госбюджетным темам: «Теоретические и экспериментальные исследования кинетики роста, структуры и комплекса свойств НК. Создание кристаллов для новой техники» (№ГР.01817014599); «Исследование воспроизводимости и стабильности механических характеристик НК кремния, полученных методом гетерофазного синтеза» (№ГР.019Ю011393); «Создание на основе полупроводниковых НК рабочих элементов приборов и функциональных схем высокой чувствительности» (№ГР.79057180); «Рост, структура и свойства НК и пленок; создание композиционных материалов различного назначения» (№ГР.01860069598); «Дефекты структуры и свойства НК полупроводников» (№ГР.01980002972) и др.
Цепь работы. Развитие физического эксперимента и методов анализа, установление закономерностей пластической деформации в НК кремния и германия при внешних воздействиях, разработка на этой основе способов создания заданных дислокационных структур, высокодемпфирующего состояния и преобразователей с улучшенными характеристиками.
Для этого решали следующие задачи:
1.Разработать способы и методики исследования механических свойств НК кремния и германия в условиях упругих, тепловых и токовых воздействий.
2.Установить закономерности начальной стадии пластической деформации и предложить её качественную модель.
3.Изучить механические свойств НК (характеристики ползучести, неупругости, релаксации напряжений, внутреннего трения и др.) в условиях внешних воздействий. 4.Разработать способы обработки поверхностных слоев внешними воздействиями для создания полупроводникового кремния с особыми свойствами.
5. Разработать и апробировать преобразователи неэлектрических величин в электрический сигнал на основе НК кремния с улучшенными метрологическими характеристиками для материаловедения и новой техники.
Объекты исследования. В качестве опытных образцов использовались исходно бездислокационные НК Si и Ge длиной (3-20)-10"3 м и диаметром (1-150)- 10'6м. При комнатной температуре НК разрушались квазихрупко, при повышении температуры проявляли пластичность.
Методики и оборудование. В экспериментах наряду со стандартным оборудованием и широко апробированными методами исследований использовались специально разработанные высокочувствительные к структурным несовершенствам методы и устройства, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения. Для обработки НК использована как традиционная вариация механического и теплового воздействий, так и ее новая совокупность с электротоковым воздействием.
Научная новичка состоит в развитии и обобщении физических представлений о зарождении и эволюции начальной стадии пластической деформации в исходно бездислокационных НК Si и Ge при внешних упругих,тепловых и токовых воздействиях. К наиболее существенным результатам в работе относятся следующие : 1 .Отклик на внешнее воздействие протекает в четыре стадии, носящие характер релаксационных процессов, контролируемых различными механизмами с характерными временами, зависящими от условий эксперимента. Обнаружен упругопластиче-ский переход, Выявлена начальная стадия пластической деформации, локализованная только в приповерхностном слое. Определены условия и основные закономерности ее зарождения и эволюции в поверхностном слое. Предложены качественные модели зарождения и эволюции начальной стадии пластической деформации и механизм лавинообразного роста подвижности дислокаций, связанный с прорывом макроскопического потенциального барьера типа Эшелби-Рошупкина скоплением дислокаций сильно взаимодействующих со свободной поверхностью.
2.Обнаружен электропластический эффект. Получены закономерности процессов макроскопической пластической деформации, разупрочнения, явления «свехпластич-ности». вязкохрупкого перехода и разрушения НК кремния.
3.Разработаны методики и способы исследования механических свойств НК, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.
4.Предложены и реализованы способы создания и совершенствования измерительно-преобразовательных систем на основе использования композитной и модульной конструкций термо- и іензопреобразователей, на учете достоинств НК (малая инерционность, высокая прочность и др.). сочетании различных эффектов (термо-, тензорезистивного и др.) и методов измерений (ВТ. электросопротивления и др.), защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, расширены их функциональные возможности и улучшены метрологические характеристики.
5.Разработаны способы обработки поверхностных слоев монокристаллов кремния, для получения в них заданных дислокационных структур и высокодемпфирую-
щего состояния с использованием высокоинтенсивных внешних воздействий, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая значимость. Новые результаты, полученные при обработке поверхностных слоев полупроводникового кремния в условиях упругих, тепловых и то- ' ковых воздействий, углубляют знания о закономерностях зарождения и эволюции сдвиговой деформации в исходно бездислокационных монокристаллах Si. и Ge и служат основой для создания на их основе датчиков с улучшенными характеристиками.
Новые данные о микропластической деформации НК Si в условиях импульсных токовых воздействий имеют общефизическое значение для расширения границ стабильного поведения монокристаллов кремния, при моделировании процессов в особо прочных устройствах новой техники и прогнозировании поведения приборов, созданных на базе нитевидных тензо- и термопреобразователей.
Разработаны способы создания преобразователей, измерительных микрокомпозитов и микромодулей с улучшенными характеристиками для использования в материаловедении и новой технике, при разработке и совершенствовании технологии создания композиционных материалов. Созданные устройства, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, демонстрировались в 1987 г на ВДНХ и отмечены 2 серебряными и 3 бронзовыми медалями, на конкурсе 1989 года удостоены III премии Госкомизобретений. Новизна технических решений защищена 19 авторскими свидетельствами на изобретения. Разработанные способы и результаты исследования механических свойств НК использованы при написании 4 монографий и учебных пособий. Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту. 1.Комплекс разработанных способов исследований изменения структуры и механических свойств НК в условиях внешних воздействий. 2.3акономерности начальной стадии пластической деформации в НК кремния и
германия в условиях внешних упругих, тепловых и токовых воздействий. 3.Закономерности макропластической деформации и разрушения НК кремния в
условиях воздействия импульсов электрического тока. 4.Результаты экспериментальных и теоретических исследований механических и электрических свойств НК кремния и германия, послужившие физической основой для разработки новых приборов измерительной техники и др. 5.Способы обработки поверхностных слоев в условиях внешних воздействий для
создания полупроводникового кремния с заданными свойствами. б.Способы создания преобразователей и измерительных систем на основе НК крем ния с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для материаловедения и новой техники.
Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных результатов основывается на использовании взаимодополняющих, хорошо апробированных и новых высокочувствительных методов исследований и согласованности экспериментальных фактов с данными других исследователей, полученными на нитевидных и массивных монокристаллах кремния и германия, на использовании при анализе современных теоретических представлений физики прочности, пластичности и разрушения.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 52 Международных, Всесоюзных. Всероссийских конференциях, совещаниях, семинарах, школах и симпозиумах: V «Малоцикловая усталость- критерии разрушения и структуры материалов» (Волгоград 1987); II «Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках» (Воро-
'3
неж,1987); IV «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск, 1987); 1 «Теоретическая физика полимеров» (Черноголовка, 1987); XII «Получение, структура, физические свойства и применение высокочистых и моно-кристаллнческих тугоплавких и редких металлов» (Суздаль, 1987); IV «Лазерно- плазменное легирование материалов, лазерная резка и сварка» (Омск,1987); I «Сильновоз-бужденпые состояния в кристаллах» (Томск, 1988); III «Структурные аспекты локализации деформации» (Харьков.1988); «Пластическая деформация сплавов ипорошко-вых материалов» (Барнаул.1988); I «Поверхности раздела, структурные дефекты и свойства металлов и сплавов» (Череповец,1988); V «Демпфирующие металлические материалы» (Киров,1988); «Механизмы внутреннею трения а твердых телах» (Тбилиси.1989); XX «Актуальные проблемы прочности» (Ижевск, 1989); IV,V «Физика пластичности и прочности» (Харьков, 1987,1990); XIII.XIV «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур (Каунас. 1989, Воронеж, 1992); 1-1V «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Новокузнецк, 1988,1991,1995,Николаев, 1993); XI-X1V «Физика прочности и пластичности материалов (Куйбышев, 1986,1989,Самара, 1992,1995); 1.1П,1У«Действиеэлектро ромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Юрмала, 1987, Воронеж, 1994,1996); VII,IX «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1988,1997); XIV,XVII,XVIII,XX «Релаксационные явления в твердых телах» (Ереван.1987,Воронеж,1993,1995,1999); II «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж,1999); XII International Conference on Internal Friction and Ultrasonic Attenuation in Solids (Buenos Aires, Argentina, 1999); I «Металлофизика и деформирование перспективных материалов» (Самара, 1999); IX «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве» (Кишинев, 1986); 1 «Современные проблемы технологии машиностроения» (Москва,1986); 11 «Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения» (Воронеж 1987); УН«Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства» (Казань,1987); I «Применение ультразвука в промышленности и медицине» (Вильнюс, 1987); «Полупроводниковые датчики физических величин» (Львов,1987); IX «Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение» (Москва,1989); VII «Тепловые приемники излучения» (Москва,1990); II,III,X,XI «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Черновцы, 1987, Ужгород,1989. Гурзуф,1998,1999).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 4 монографиях и 53 научных статьях в центральной печати, вышедших отдельными брошюрами и в журналах: Физика твердого тела, Кристаллография, Phys. slat, sol., Известия АН. Серия физическая. Прикладная механика и техническая физика. Приборы и техника эксперимента, Изв. вузов. Физика, Приборы и системы управления и др. Общее число публикаций по теме диссертации 139, из них 19 авторских свидетельств на изобретения.
Личный вклад автора* Заключается в постановке и обосновании задач исследований, их конкретной реализации на всех этапах исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов; проведении натурных испытаний приборов на основе НК и участии в подготовке совместных публикаций. Все выводы и основные научные положения работы сформулированы лично автором.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав и выводов к ним. обших выводов, списка литературы из 340 наименований, содержит 255 страниц машинописного текста. 136 рисунков и 14 таблиц.