Структура и свойства проводниковых композиционных материалов на основе боридов никеля Гора, Екатерина Анатольевна

Введение к работе

Актуальность темы. Интерес к гетерогенным неупорядоченным системам обусловлен широким использованием композиционных материалов в различных областях техники и новизной физических задач, связанных с исследованием их структуры и свойств. Установление взаимосвязи состав - структура - свойство является весьма сложной задачей, особенно для гетерогенных систем со взаимодействующими компонентами.

Все это в полной мере относится и к композитам на основе порошковых смесей "металл-диэлектрик", используемым в качестве проводниковых материалов в толстопленочной микроэлектронике.

Вместе с тем, разработка и внедрение прогрессивных проводниковых композиционных материалов в приборостроение в значительной степени тормозится отсутствием достаточно совершенных представлений о проводимости гетерогенных неупорядоченных систем, что затрудняет проведение феноменологических расчетов, приобретающих особую актуальность наряду с эмпирическими поисками новых композиционных материалов .

В последнее время наметилась тенденция замены тонких порошков благородных металлов и их соединений в составе смесей на более дешевые материалы, в частности, бориды и боросилициды переходных металлов. Это обстоятельство ставит рад новых физических задач, связанных с изучением поведения боридов в контакте с расплавами стекол, особенностей структурообразования бориднооксидных систем и их связи со свойствами. Наиболее перспективным в качестве металлической составляющей проводниковых материалов среди боридов считается борид никеля Nl-В. Несмотря на обширную патентную литературу, проводниковые материалы на основе данного борида остаются малоизученными. Кроме того.

їх получение связано с определенными экономическими трудностями. В ;вязи с этим целесообразным как с научной, так и с практической то-ієк зрения представляется получение борида никеля методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и исследование системы "никельборидный композит - оксидное стекло".

Цель работы. На основании приведенных выше соображений основными задачами работы явились изучение возможности получения проводникового никельборидного композита, имеющего заданный состав и структуру, методом СВС и исследование процессов физико-химического взаимодействия, -формирования фазового состава и структуры в системах "композит - оксидное стекло" с различным исходным содержанием компонентов при термообработке на воздухе. Предстояло также рассмотреть возможность получения толстопленочных проводниковых слоев на основе никельборидного композита и проследить за изменением их структур и электрических свойств в зависимости от состава и условий обработки, а также выявить зависимость электропроводности полученных гетерогенных проводниковых пленок от содержания проводящей и непроводящей компонент и температуры, и сопоставить результаты расчета электропроводности гетерогенной системы "проводник - стекло" с экспериментальными данными с целью выявления моделей, пригодных для ее описания.

Научная новизна работы состоит в следующем:

I. Установлена возможность синтеза проводниковых материалов на основе боридов никеля и разработана методика их получения в СВ-про-цессе.

j.«„~ 2. Выявлены особенности взаимодействия композита с оксидными стеклами различных составов при термообработке на воздухе и его влияния на формирования фазового состава и структуры композиционных ма-

териалов с различными исходными содержаниями компонентов.

1. Получены проводниковые толстопленочные слои на основе гетерогенных систем "композит - оксидное стекло" и исследованы закономерности формирования их фазового состава и структуры.

2. Предложена модель формирования структуры никельборидных проводниковых пленок с ростом содержания диэлектрической фазы.

3. Исследованы особенности электропроводности полученных проводящих пленок.

6. Проведен расчет эффективной электропроводности пленочных
структур на основе смесей "композит - стекло" и экспериментально
подтвервдено формирование бесконечного кластера (БК) из диэлектрика
в структуре проводниковых пленок на основе смесей "никельборидный
композит - оксидное стекло".

Научная и практическая ценность. Изученные в работе физико-химические процессы взаимодействия никельборидных композитов со стеклами различных составов и их влияние на структуру и свойства толстопленочных проводниковых слоев позволили разработать и получить серию новых материалов, не уступающих по эксплуатационным параметрам традиционным материалам на основе благородных металлов. Предлагаемые композиции позволяют получать низкоомные резистивные и проводниковые слои с удельной объемной проводимостью (б_у'10⁶> 0,4 - 2,0 Ом^-1-и""¹. В настоящее время они испытываются на ряде специализированных предприятий.

Материалы разработанного класса представляют также интерес для дальнейшего развития теории электропроводности сильно неоднородных гетеротенных сред со взаимодействующими компонентами.

Приведенные в диссертационной работе результаты были получены в ходе выполнения хоздоговорных тем: № 031 "Исследование и разработка

резистивных материалов на основе силицидов неблагородных металлов с целью создания керметных паст для толстопленочной технологии" ( гос. регистрация И 01870064403), № 0102 "Разработка и внедрение технологии получения недрагметальных силицидно-керамических композитов для толстопленочной технологии методом СВ-синтеза" ( гос. регистрация № 01860065 395) и ft 0190 "Разработка новых перспективных резистивных и проводниковых недрагметальных силицидно - керамических композитов для толстопленочной технологии, позволяющих расширить диапазон удельных сопротивлений резистивных элементов" (гос. регистрация * 234056774).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Формирование композиционных проводниковых слоев на основе смесей "никельборидный композит - оксидное стекло" сопровождается сложными структурно-фазовыми превращениями, приводящими к образованию новых составляющих пленок. Конечный состав и структура материалов определяется, прежде всего, концентрацией исходных компонентов, а также температурой термообработки.

2. Электрические свойства проводниковых пленок на основе борид-нооксидных композиций во многом определяются количественным соотношением исходных компонентов. Увеличение объемного содержания стек-локомпоненты в пленке приводит к немонотонному снижению величины эффективной электропроводности, что связано со структурной перестройкой проводящей среды. При исходном содержании стекла 30-40 об.% в структуре проводниковых пленок происходит образование бесконечного непроводящего кластера, а при 90 и более об.% проводимость системы исчезает.

' 3. В результате термообработки возможно получение проводниковых пленок на основе смесей никельборидного композита, полученного мето-

дом СВС, со стеклами разных марок, отве-чакщих современному уровню эксплуатационных характеристик.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 115 страницах, включает 30 рисунков, 13 таблиц и список используемой литературы, содержащий 95 наименований.