Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В последнее время в
физическом и прикладном материаловедении усиливается интерес к методам получения материалов в экстремальных условиях сверхбыстрой закалки из расплава. При быстром охлаждении расплавов резко расширяются области гомогенности образующихся твердых растворов, выявляются новые кристаллические фазы, не встречающиеся в, соответствующих сплавах, при медленном охлаждении расплавов, в ряде случаев формируются метастабильные фазы, удается перейти в аморфное " состояние, наблюдается измельчение структурных составляющих и т.д. Это открывает возможности повышения качества известных материалов, позволяет придать материалам, новые свойства, недостижимые при равновесных условиях кристаллизации.
В последние годы начались активные исследования, посвященные получению методом сверхбыстрой закалки из расплава интерметаллических соединений. Анализ публикаций показывает, что, в зависимости от условий сверхбыстрой закалки из расплава, полученный материал находится в различных структурно-фазовых состояниях. При этом инконгруэнтные соединения могут формироваться непосредственно из жидкой фазы, минуя псритектическую реакцию, а также может наблюдаться образование промежуточных метастабильных фаз. Структура конгруэнтных соединений, образующихся в с'-ільнонеравновесньпх условиях непосредственно из расплава, также может изменяться в широких пределах при различных,условиях сверхбыстрой закалки из расплава. Однако до настоящего времени отсутствуют систематические экспериментальные данные по влиянию таких параметров закалки, как температура расплава на структуру и свойства интерметаллических конгруэнтных и инконгруэнгных соединений.
Выбор в качестве объекта исследований интерметаллического конгруэнтного , соединения антимонида индия и инконгруэнтного интермегаллического соединения марганец висмута обусловлен возможностью их совместного использования в устройствах, работающих на гальваномагнитных эффектах. В этих устройствах фольги InSb используется в качестве материала для датчиков Холла. Миниатюризация чувствительных элементов датчиков Холла открывает перспективу создания малогабаритных устройств на их основе, что влечет за собой необходимость использования
высокоэнергетичных магнитных материалов. К таким материалам относятся в первую очередь постоянные магниты на основе интерметаллических соединений SmCoj и MnBi. С другой стороны, известно, что хорошие магнитные свойства этих веществ достигаются за счет высокой коэрцитивной силы. Последняя может быть увеличена при уменьшении размеров зерна материала, что часто обеспечивается при сверхбыстрой закалке из расплава.
---Несмотря на большой объем исследований, посвященных синтезу и изучению свойств материалов, полученных сверхбыстрой закалкой из расплава, в настоящее время заложены только основы понимания процессов, протекающих при сверхбыстрой кристаллизации, которые не позволяют однозначно предсказать, какие структуры будут сформированы из - соответствующего расплава. Существующие немногочисленные данные по структуре быстрозатвердевшего соединения MnBi у разных авторов расходятся из-за того, что условия получения сильно отличаются как скоростью закалки, так и температурой расплава. К началу выполнения работы существовали единичные сообщения об успешной попытке синтезировать соединение InSb путем сверхбыстрой закалки из расплава. Однако процессы электропереноса в быстрозатвердвеших фольгах InSb до сих пор, насколько известно, изучены не были. Кроме того, с точки зрения практического применения, актуальность проведения исследований в этой области обусловлена необходимостью установления оптимальных режимов получения' технически важных материалов.
Связь работы с научными программами. Работа проводилась в рамках следующих программ и проектов: «Разработка и исследование магнитных систем датчиков для адаптации промьшшенных роботов», хоздоговорная НИР БГУ - НПО «Гранат» (№ 05825), 1983-1985 г.г.; «Исследование, разработка и создание преобразователей контроля технологических параметров процессов литья под давлением для робототехнических комплексов», хоздоговорная НИР №05898, 1986-1987 г.г.; «Исследование, разработка и создание преобразователей вращения и положения для технологического оснащения робототехнических комплексов», хоздоговорная НИР № 05821, 1988-1989 г.г.; «Исследование процессов формирования структуры и фазового состава пленок сложных оксидов и фолы антимонидов», Министерства образования Республики Беларусь (проект № 769/05), 1996-1999 г.г.; «Исследование влияния термодинамически сильнонеравновесных условий кристаллизации на структуру и процессы переноса' в материалах системы AmBv», Белорусского
республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Ф98-054), 1999-2001 г.г.
Целью исследований являлось установление закономерностей влияния параметров сверхбыстрой закалки из расплава на структуру и свойства интерметаллических соединений InSb и MnBi, оптимизация условий получения фолы для разработки на их основе твердотельных преобразователей.
Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи:
исследование структуры фольг соединений JnSb и MnBi, полученных методом сверхбыстрой закалки из расплава при различных температурах расплава и скоростях вращения барабана.
определение влияния изохронного и изотермического отжига на структуру и свойства фольг антимонида индия и марганец висмута.
изучение процессов электропереноса в фольгах антимонида индия и влияния на электрические свойства донорной примеси.
исследование магнитных характеристик быстрозатвердевших фольг MnBL
разработка датчиков Холла из быстрозатвердевших фольг антимонида индия, исследование их технических характеристик, а также изготовление на их основе преобразователей механических величин в электрический сигнал.
Объектом исследования являлись фольги сплавов системы Mn-Bi и соединения lnSb,c полученные методом сверхбыстрой закалки из расплава.
. Предметом исследований являлись структура и магнитные свойства фольг сплавов системы Mn-Bi и структура и электрофизические свойства фольг InSb.
В качестве методов исследования были использованы: рентгеноструктурный анализ - для определения фазового состава и изучения фазовых превращений в фольгах при отжиге; электронная просвечивающая микроскопия - для изучения структуры тонких слоев фольг, прилегающих к кристаллизатору; рентгеноспектралышй микроанализ - для изучения распределения компонентов; растровая электронная микроскопия для анализа топографии поверхностей и излома фолы; - металлографические исследования - для установления зеренной структуры фольг; оптическая спектроскопия - для определения ширины запрещенной зоны; измерение гальваномагнитных, электрических и магнитных характеристик.
Научная новизна и значимость полученных результатов
состоит в следующем:
-
Впервые выявлено различие в закономерностях влияния температуры расплава на структуру и свойства инконгруэнтных (МпВі) и конгруэнтных (InSb) интерметаллических соединений: фазовый состав и магнитные свойства фолы МпВі зависят от температуры расплава, а структура фолы InSb и их электрофизические свойства от температуры расплава не зависят.
-
Впервые установлено, что формирование текстуры быстрозатвердевших фолы чистого антимонида индия обусловлено ориентацией ковалентних сил связей, а за изменение текстуры при легировании донорной и акцепторной примесями ответственно соотношение коваленгных и металлических сил связей в кристалле.
-
Впервые изучены гальваномагнитные свойства фолы InSb и выявлено, что аномальные температурные зависимости гальваномагнитных характеристик обусловлены установленной неоднородностью структуры фольг, в том числе по толщине.
-
Установлено, что при температурах расплава превышающих температуру плавления соединения МпВі ~100 К фольги содержат включения закаленной высокотемпературной фазы МпВі, а повышение температуры расплава приводит к формированию аморфоподобной фазы. Стабильность и магнитные свойства фольг также зависят от температуры расплава.
Практическая значимость полученных результатов, состоит в следующем:
-
Выполненное комплексное исследование структуры и свойств быстрозатвердевших фольг InSb и МпВі в зависимости от условий их получения позволило установить оптимальные технологические режимы, при которых значения коэффициента Холла (для InSb) и коэрцитивной силы (для МпВі) максимальны.
-
На базе тонких слоев InSb разработаны конструкции и изготовлены датчики Холла, в том числе с ферромагнитными концентраторами, исследованы и оптимизированы их технические характеристики. С использованием датчиков Холла и интерметаллических постоянных магнитов созданы преобразователи механических величин. в электрический сигнал (преобразователи линейных перемещений, конечного положения, угла поворота и частоты вращения) для измерительной техники, автоматики и робототехнических систем. Разработанные и аттестованные датчики Холла внедрены на предприятиях Беларуси и России.
Основные положепия диссертации, выносимые на защиту.
-
Закономерности формирования структуры фолы антимонида илдия, полученных сверхбыстрой закалкой из расплава: (а) Фольги InSb, полученные из расплава с температурой 1050... 1500 К, имеют поликристаллическую структуру, а размер зерна зависит от скорости вращения кристаллизатора, (б) За формирование текстуры {110} в фольгах InSb ответственна ориентация ковалентних связей атомов плоскости (110), совпадающей с межфазной границей «жидкость-кристалл», (в) Легирование дшгорной примесью (Те) приводит к ослаблению, а акцепторной (Zn) к усилению текстуры {ПО}, что связано с изменением относительного вклада в силы связи металлической и ковалентной составляющих.
-
Закономерности влияния температуры . расплава на кристаллическую структуру, стабильность и свойства фольг сплавов системы Mh-Bj, состоящие в том, что при температурах расплава превышающих температуру плавления МпВі до 100 К синтез фольг происходит с образованием нестабильной закаленной высокотемпературной фазы МпВі, а дальнейшее повышение температуры расплава приводит к формированию аморфной фазы и понижению коэрцитивной силы фолы.
-
Разработанные конструкции датчиков Холла, в том числе с ферромагнитными концентраторами, на.основе быстрозатвердевших фолы InSb и их технические характеристики, а также преобразователи механических величин в электрический сигнал с использованием датчиков Холла.
Личный вклад соискателя. Получение фольг методом
сверхбыстрой закалки из расплава было проведено соискателем.
Соискателем лично были проведены исследования образцов методом
растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного и
мйкрорентгеноспектрального анализа, металлографические
исследбвания, исследования электрофизических свойств фольг InSb, анализ и расшифровка спектров поглощения. При непосредственном участии соискателя были проведены электронно-микроскопические исследования. Научная идея исследования и задачи были сформулированы доктором физико-математических наук, профессором В.Г.Шепелевичем. Измерения магнитных характеристик фольг МпВі были выполнены совместно с В.В.Власовым (ИФТТ и ПП БАН).
Апробация результатов диссертации. "- Результаты
представленных в диссертации исследований были опубликованы в 28 печатных работах.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
следующих конференциях, совещаниях, семинарах: Ш-е Всесоюзное
совещание по робототехническим системам, Воронеж, 1984; Польско-
советская научно-техническая конференция «Комплексная
автоматизация промышленности», Вроцлав, 1988; 11-я Всесоюзная
научно-техническая конференция «Современное состояние^ и
перспективы развития виброметрии и вибродиагностики», Минск,
1989; Республиканская научно-техническая конференция «Новые
направления развития систем управления для промышленной
робототехники и станочного оборудования», Минск, 1989; VII
Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы магнитных
измерений и магнитоизмерителькой аппаратуры», Ленинград, 1989;
Зональный семинар «Методы и средства' измерения механических
параметров в системах контроля и управления», Пенза, 1990; Научно-
техническая конференция «Перспективные материалы твердотельной
электроники, твердотельные преобразователи в автоматике и
робототехнике», Минск, 1990; Всесоюзная конференция
«Микроэлектронные датчики в машиностроении», Ульяновск, 1990;
Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы,
преобразовательной техники», Киев, 1991; Всесоюзная научно-
техническая конференция «Метрологические проблемы
микроэлектроники», Менделеево, Московская обл., 1991; П-ой, Ш-ий
семинары России и стран СНГ «Структурно-морфологические основы
модифицирования материалов методами нетрадиционных
технологий», Обнинск, 1993, 1995; IV-ый, V-ый межгосударственный
семинар "Структурные основы модификации материалов методами
нетрадиционных технологий", Обнинск, 1997, 1999; Всероссийский
симпозиум с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и
микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург, 1998;
Международная научная конференция "Магнитные материалы и их
применение", Минск, 1998; XI Российский симпозиум по растровой
электронной микроскопии и аналитическим методам исследования
твердых тел (РЭМ-99), Черноголовка, 1999.
Опубликованность результатов: Результаты диссертации опубликованы в 9 статьях в научных журналах (в том числе 4 депонированных), ] материалах конференции, 17 тезисах докладов
конференций, 1 авторском свидетельстве на изобретение. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 112.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав и 4 приложений. Полный объем диссертации составляет 144 страницы. Диссертация содержит 64 рисунка, представленных на 53 страницах, 12 таблиц, представленных на 7 страницах, 163 наименований цитируемой литературы.
