Введение к работе
Актуальность темы. Важной проблемой физики конденсированного состояния является проблема размерного эффекта температуры контактного плавления металлов и металлических пленок. Изучение этого эффекта необходимо в связи с развитием нанотехнологий, оптимизацией технологии контактно-реактивной пайки в микро- и наноэлектронике, созданием новых композиционных материалов методом жидкофазного спекания с использованием металлических нанопорошков и многослойных структур.
Влияние ультразвукового поля на контактное плавление металлов обнаружено и описано в литературе, но закономерности этого влияния на кинетику контактного плавления металлов изучены недостаточно, что сдерживает применение ультразвука для интенсификации важных в практическом отношении технологических процессов. Таким образом, исследование изменения температуры контактного плавления двухслойных пленочных систем из легкоплавких металлов: Pb-Bi, Pb-Sn, In-Sn, Mg-Sn, Sn-Zn, In-Zn, Sn-Bi, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb, в зависимости от их толщины, является актуальным..
Цель работы. Экспериментально выявить закономерности размерного эффекта контактного плавления (КП) в двухслойных металлических пленках, а также изучить влияние ультразвука на кинетику контактного плавления легкоплавких металлов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Методом электропроводности экспериментально изучить зависимости температуры контактного плавления в двухслойных металлических пленках: Pb-Bi, Pb-Sn, In-Sn, Mg-Sn, Sn-Zn, In-Zn, Sn-Bi, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb от толщины пленок.
С использованием атомно-силовой микроскопии изучить структуру пленок до и после контактного плавления.
В рамках электронно-статической теории и термодинамики поверхностных явлений получить соотношения, связывающие температуру контактного плавления двухслойных пленок со степенью разрыхленности пленок и их толщиной.
Выявить взаимосвязи между температурой контактного плавления и разностью работы выхода электрона контактируемых пленок.
Изучить влияние ультразвука на кинетику контактного плавления легкоплавких металлов.
Разработать рекомендации по оптимизации технологии контактно-реактивной пайки изделий электроники.
Научная новизна основных результатов
Экспериментально установлено, что для двухслойных пленочных систем In-Sn, Pb-Sn, Pb-Bi, Mg-Sn, Sn-Zn, In-Zn, Sn-Bi, In-Sb, Sn-Cu с толщинами от 100 до 250 нм температура контактного плавления оказалась ниже эвтектической.
Установлено, что с уменьшением толщины пленок температура контактного плавления уменьшается.
Полученные экспериментальные данные по размерной зависимости температуры контактного плавления удовлетворительно описаны известными теоретическими соотношениями.
Получено новое соотношение, связывающие температуру контактного плавления двухслойных пленок со степенью разрыхленности пленок.
Показано, что между температурой контактного плавления пленок и разностью работы выхода электрона для различных металлов существуют линейные корреляции, аналогичные подобным корреляциям для массивных образцов.
6. Установлено, что ультразвуковое поле ускоряет процесс контактного плавления и способствует уменьшению размера зерен контактной прослойки.
Практическая ценность. Полученные основные результаты и выводы диссертации могут найти применение при разработке технологии контактно-реактивной пайки интегральных схем к алюминиевым основаниям и создании новых композиционных материалов методом жидкофазного спекания.
Результаты и выводы работы можно использовать при чтении спецкурса «Фазовые переходы в наноматериалах» в образовательных учреждениях России, а том числе на физическом факультете Кабардино-Балкарского государственного университета.
Основные положения, выносимые на защиту
В стационарном режиме контактного плавления ультразвуковое воздействие увеличивает скорость контактного плавления пары металлов Bi-Sn примерно в два раза как при наличии, так и при отсутствии транспортного тока, проходящего через контакт металлов.
Для пары металлов Bi-Cd при отсутствии транспортного тока под воздействием ультразвука скорость контактного плавления увеличивается примерно на 25 %, а при дополнительном воздействии транспортного тока ультразвук увеличивает скорость контактного плавления на 50 %.
Установлена линейная корреляция между температурой контактного плавления пар тонких металлов и разностью работы выхода
0 dTru , „, град электронов пленок: для пар, содержащих ьп: —ьм- = ш——, а для пар,
dAcp eV
т dTCM ^„ град
содержащих In: —— = 667——.
dAcp eV
4. Температуры контактного плавления пар тонких пленок с толщинами 125, 100 и 75 нм ниже температуры эвтектики и равны: 7кп(РЬ-Bi) = 118, ПО и 97 С; Тш (Pb-Sn) = 172, 169 и 165 С; rKn(Mg-Sn)=202, 199 и 195 С; rKn(Sn-Zn)=192, 189 и 187 С; Гкп(Тп-гп)=136, 134 и 131 С, соответственно. Для пар тонких пленок с толщинами 100, 75 и 50 нм, соответственно, равны 7 (Ag-In)=139, 136 и 131 С; Ткп (Ag-Sn)= 218, 216 и 213 С.
Личный вклад автора. Исследования размерных эффектов температуры контактного плавления в системах In-Sn, Pb-Sn, Pb-Bi автор проводил совместно с аспирантом Коротковым П. К., а в остальных системах - самостоятельно. Влияние ультразвука на кинетику контактного плавления исследовалось совместно с доцентом X. Т. Шидовым.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на:
Международном совещании «Радиационная физика твердого тела», 5-11 июня 2004, Севастополь; 8-м Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твёрдых растворах и сплавах» (ОМА-2005), 12-16 сентября
2005, Сочи; Международной научной конференции «Химия твёрдого тела и
современные микро- и нанотехнологии», 18-23 сентября 2005, Кисловодск;
8-м Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов»
(ODPO-2005) 19-22 сентября 2005, Сочи; 9-м Международном симпозиуме
«Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO-2006), 15-23 сентября
2006. Ростов-на-Дону, Лоо; Харьковской нанотехнологической ассамблее:
18-й Международный симпозиум «Тонкие пленки в оптике и
наноэлектронике», Харьков, 2006; Международном семинаре
«Теплофизические свойства веществ», Нальчик: КБГУ, 2006; 10-м
Международном междисциплинарном симпозиуме «Фазовые превращения в
твердых растворах и сплавах» (ОМА-10), 19-24 сентября 2007, Лоо; 7-й
Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии», 17-22 сентября 2007, Кисловодск; 11-м Международном междисциплинарном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (ОМА-11), 19-24 сентября 2008, Лоо; 10-м Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO-10), 15-23 сентября 2007, Лоо; 12-м Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO-12), 17-22 сентября 2009, Лоо; 1-м Международном симпозиуме «Физика межфазных границ и фазовые переходы» (МФГФП-1), 19-23 сентября 2011, Лоо.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых российских научных журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ. Остальные статьи и тезисы докладов опубликованы в сборниках Всероссийских и Международных конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и списка литературы, содержащего 125 источников; материал изложен на 115 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 10 таблиц.
