Введение к работе
Актуальность темы. Исследования пластической деформации и разрушения нитевидных кристаллов (НК) кремния при воздействии импульсов электрического тока и осевой нагрузки растяжения актуальны в двух аспектах. Во-первых, для физики твердого тела и физического материаловедения установление закономерностей изменения кристаллической структуры исходно бездислокационных монокристаллов кремния представляет самостоятельный научный интерес, поскольку большинство систематических исследований в этом направлении проведено в основном в условиях воздействия упругих и тепловых полей в отсутствие электрического тока. Во-вторых, такие исследования вызывают большой научный интерес в связи с открытием электронно-пластического эффекта, который широко исследован в металлах, но практически совсем не изучен в монокристаллах кремния. Так как последние широко используются при создании силовых электронных приборов, работающих в условиях воздействия импульсных электрических токов, полученные результаты будут иметь также огромный практический интерес. Кроме того, НК кремния сами являются уникальными модельными образцами для создания миниатюрных, особопрочных и малоинерционных тензо- и терморезисторов, используемых при создании первичных преобразователей неэлектрических физических величин в электрический сигнал для различного рода приборов: датчиков деформации, акселерометров, экстензометров, термоанемометров, термометров и др. Поэтому встает вопрос об определении упругих свойств, выявлении условий зарождения первых дислокаций, приводящих к нестабильности свойств приборов, изготовленных на основе НК, при токовых воздействиях. Все сказанное выше определяет актуальность данной темы.
Диссертационная работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатории нитевидных кристаллов на кафедре физики Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме: ГБ 98.1 - «Дефекты структуры и свойства нитевидных кристаллов полупроводников» (номер г.р. 019.80002972).
Цель работы: установление закономерностей влияния импульсов электрического тока на пластическую деформацию и разрушение одно-осно растянутых НК кремния.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :
-
Разработка способов и выбор режимов воздействия импульсов электрического тока на исходно бездислокационные НК кремния при комнатной температуре; исследование условий, приводящих к изменению структуры НК кремния.
-
Создание воздействием одиночного импульса электрического тока при 300 К нарушения кристаллической структуры (искусственного макроскопического дефекта) в исходно бездислокационном НК кремния и исследование его влияния на пластичность и разрушение НК в отсутствие электрического тока.
-
Исследование микропластической деформации в одноосно растянутых исходно бездислокационных НК кремния при комнатной температуре в условиях воздействия импульсов электрического тока.
4. Исследование макроскопической пластической деформации и
разрушения одноосно растянутых НК кремния при комнатной темпера
туре в условиях воздействия импульсов электрического тока.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны нитевидные кристаллы кремния ( p-Si <Ш>), имеющие длину 3-10 мм, диаметр 5-80 мкм. В исходном состоянии НК являются бездислокационными; при комнатной температуре ведут себя хрупко, при повышении температуры проявляют пластичность. Отмеченные свойства делают НК уникальными модельными объектами для исследования процессов пластической деформации и разрушения.
Методики и оборудование. В экспериментах по исследованию влияния на структуру и свойства НК кремния тепловых и упругих полей, а также прямоугольных импульсов электрического тока и осевой нагрузки растяжения наряду со стандартным (электроизмерительные приборы, электронный вакуумный пост), ранее разработанным (универсальная установка для исследования механических свойств и др.) также применялось вновь разработанное оборудование (генератор прямоугольных импульсов электрического тока, установка для воздействия импульсами электрического тока). Применялись как широко апробированные методики (метод электросопротивления, внутреннего трения, селективного травления и др.), так и специально разработанная методика воздействия на НК p-Si импульсами электрического тока совместно с осевой нагрузкой растяжения.
Научная новизна полученных в работе результатов определяется тем, что в НК кремния в условиях воздействия импульсов электрического тока впервые:
обнаружен эффект электростимулированной генерации дефектов кристаллической структуры в неравновесных условиях;
экспериментально показано, что созданное импульсом электрического тока скопление подвижных дислокаций имеет градиент плотности и оказывает такое же влияние на механические свойства НК кремния, как и деформационные дислокации, порожденные упругими и тепловыми полями в отсутствие импульсов тока;
установлено, что наблюдаемое при 300 К в исходно бездислокационных НК явление микропластичности стимулировано импульсами электрического тока. Полученные результаты позволяют отнести микропластичность к одной из разновидностей электропластического эффекта, специфичного для исходно бездислокационных монокристаллов;
экспериментально установлено семь наиболее характерных уровней протекания процесса и закономерности локализации микропластической деформации в приповерхностных слоях исходно бездислокационного НК, обусловленные особенностями зарождения и эволюции дислокаций, сильно взаимодействующих со свободной поверхностью;
экспериментально выявлено, что резкое увеличение релаксационной способности упруго деформированного при комнатной температуре исходно бездислокационного НК кремния в условиях воздействия импульсов электрического тока связано со сменой механизма пластической деформации при переходе от микро- к макропластичности;
на основе экспериментально полученных результатов установлено, что воздействия импульсов электрического тока подавляют процессы упрочнения в «шейке» НК и способствуют развитию явления «сверхпластичности»;
экспериментально обнаружено, что при температуре 300 К в условиях воздействия импульсов электрического тока и малой (о> < 105 Па) осевой нагрузки растяжения НК кремния разрушаются вязко в отличие от практически хрупкого разрушения в отсутствие тока. Разрушение носит характер взрывного процесса.
Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты углубляют знания о закономерностях зарождения и эволюции сдвиговой
деформации в исходно бездислокационных монокристаллах кремния, имеющих форму тонких нитей. Новые данные о закономерностях процессов макроскопической пластической деформации, в особенности разупрочнения (явление «сверхпластичности») и разрушения в условиях воздействия импульсов электрического тока имеют общефизическое значение и могут быть использованы при создании современных теорий пластичности и разрушения, при разработке технологических процессов создания на основе монокристаллов кремния мощных силовых устройств и омических контактов к ним. Полученные данные о микропластической деформации НК кремния в условиях импульсных токовых воздействий имеют важное самостоятельное значение для предсказания стабильного поведения монокристаллов кремния, используемых в различных приборах и устройствах измерительной и электронной техники.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
-
Эффект электростимулированной генерации дефектов кристаллической структуры.
-
Электростимулированная микропластическая деформация локализована только в приповерхностных слоях исходно бездислокационного НК и контролируется механизмом зарождения на поверхности дислокаций и эволюцией их ансамбля в объеме.
-
Переход от микро- к макроскопической пластической деформации при воздействии импульсов электрического тока сопровождается резким увеличением релаксационной способности НК и свидетельствует о смене механизмов пластической деформации.
-
Воздействия импульсов электрического тока подавляют процессы упрочнения в «шейке» НК кремния и способствуют развитию явления «сверхпластичности».
-
При комнатной температуре в условиях воздействия импульсов электрического тока одноосно растянутые НК кремния разрушаются вязко, а разрушение носит характер взрывного процесса.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, таких как: XIV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 1995); Международный семинар «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1995); IV Международная конференция «Действие электромагнитных полей на
пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 1996); IX Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997); X и XI Международные научно-технические конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 1998, 1999); Третий (зимний) Московский семинар «Физика деформации и разрушения твердых тел» (Москва, ИКАН, 1998); Второй Всероссийский семинар «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 1999); Первая Международная научно-техническая конференция «Металлофизика и деформирование перспективных материалов» (Самара, 1999); XII International Conference on Internal Friction and Ultrasonic Attenuation in Solids (Buenos Aires, Argentina, 1999); XX Международная конференция «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1999); отчетные конференции сотрудников ВГТУ (1996-1999).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 работы, из них 10 статей и 14 тезисов докладов. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, написании статей, разработке моделей экспериментально наблюдаемых процессов, формулировании выводов. К.ф.-м.н. А.П.Ермаков консультировал автора по методикам токовых воздействий, электрофизическим измерениям и обработке полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы из 149 наименований. Весь объем составляет 133 страницы, включая 36 рисунков и 3 таблицы.
Похожие диссертации на Пластическая деформация и разрушение одноосно растянутых НК кремния, стимулированные импульсами электрического тока
