Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия наиболее перспективными и востребованными в микроэлектронике стали нитевидные кристаллы, обладающие уникальными физико-химическими свойствами.
Среди них особый научный и практический интерес вызывают нитевидные пентагональные кристаллы (НПК) полученные методом электроосаждения металла. Их специфика состоит в том, что при малых размерах, нитевидности и пентагональной огранке они являются металлическими монокристаллами, имеют квазикристаллическую структуру с симметрией пятого порядка, содержат дисклинации, в них затруднено трансляционное скольжение дислокаций, они одновременно обладают высокой прочностью, твердостью и упругостью. Такие кристаллы имеют необычную электропроводность, в частности, один и тот же кристалл из металла может быть проводником и полупроводником. В НПК в виде стержней технологически легко сформировать полость, а микротрубку можно преобразовать в специфический нанообъект, имеющий даже при микроразмерах высокую долю поверхностных атомов и обладающий наносвойствами.
Специфическая структура НПК и необычные их свойства открывают широкие возможности их применения в микроэлектронике и приборостроении. В частности, высокая прочность, упругость, твердость, повторяемость геометрической формы, высокая частота собственных изгибных колебаний и малый радиус острия пентагональных усов позволяет использовать их в качестве металлических зондов для сканирующей зондовой микроскопии.
На основе пентагональных микротрубок могут быть созданы принципиально новые сенсоры, датчики, волноводы, выращены полые микропровода и композиционная микропроволока. Единичные образцы таких перспективных изделий методом проб и ошибок уже созданы и апробированы. Однако, технологии массового получения металлических НПК и выращивания из них микроизделий, имеющих определенные размеры, геометрическую форму и заданные свойства, до сих пор не существует. И главная проблема в том, что до сих пор не исследованы процессы формирования НПК, не разработаны физические и математические модели их роста, не существует физических основ создания НПК с заданными характеристиками.
Поэтому исследование процессов формирования НПК со специфической структурой, определенной формы и размеров и разработка физических моделей управляемого роста является актуальной задачей, решение которой приведет к развитию новых методов измерений, созданию принципиально новых приборов и устройств на основе металлических нитевидных пентагональных кристаллов.
Все выше изложенное обусловило наш интерес к проблеме и послужило основанием для формулирования цели и задач диссертационного исследования.
Целью настоящей работы является исследование механизмов формирования НПК в виде пирамид, трубок и усов в процессе электрокристализации меди, разработка моделей их образования и управляемого роста. Выявление возможностей применения таких объектов в микроэлектронике и приборостроении.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
1. Изучить влияние дефектов подложки и технологических параметров электроосаждения на процесс формирования НПК;
2. Экспериментально исследовать механизм и разработать модель роста пентагональных пирамид;
3. Исследовать процесс формирования пентагональных микротрубок и разработать модель их роста;
4. Исследовать процесс и разработать модель формирования усов;
5. На основании разработанных моделей наметить пути создания НПК с заданными характеристиками.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
установлено, что местом роста пентагональных пирамид на подложках являются дефекты дисклинационного типа: трещины, стыки зерен, оборванные субграницы, частичные дисклинации;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена новая спирально-дисклинационная модель образования нитевидных пентагональных пирамид на дефектах дисклинационного типа;
предложена модель и впервые экспериментально подтверждена идея образования и роста пентагональных микротрубок из стрежней в процессе электроосаждения;
разработана физическая и математическая модель формирования усов;
разработаны способы изготовления специфических нанообъектов из микротрубок.
Теоретическая значимость:
разработанный спирально-дисклинационный механизм формирования НПК является существенным вкладом в развитие теории роста реальных кристаллов с дефектами;
разработана теория роста усов;
экспериментальные результаты по исследованию нитевидных пентагональных кристаллов, полученные в работе, стали неопровержимым доказательством справедливости дисклинационных представлений разработанных такими теоретиками как И.В. Владимиров, А.В.Лихачев, В.В. Рыбин, А.Е. Романов, В.И. Перевезенцев и др.
Практическая значимость:
получены образцы НПК и выращены из них микроизделия, которые могут быть использованы при создании принципиально новых приборов и устройств;
полученные результаты и высказанные идеи являются теоретической основой технологии непосредственного выращивания готовых микроизделий из пентагональных микротрубок в виде полого пентагонального микропровода, композиционной микропроволоки, волноводов и др.;
исследованные явления и процессы, полученные результаты дают возможность уже сейчас получать специфические нанообъекты из металлических микротрубок;
проведенные исследования являются теоретической основой технологии выращивании металлических зондов и кантилеверов для сканирующей зондовой микроскопии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментальных исследований особенностей роста в процессе электроосаждения НПК в виде пирамид, усов и трубок.
-
Физическая и математическая модель формирования усов.
-
Физическая модель формирования пентагональных микротрубок из пентагональных стрежней в процессе электроосаждения металла.
-
Спирально-дисклинационные модели образования нитевидных пентагональных пирамид на дефектах дисклинационного типа: оборванной сильно разориентированной субгранице, трещине, клиновидной вставке из двойниковых прослоек, стыке границ зерен и в центре пентагонального кристалла.
-
Способ изготовления специфических нанобъектов из пентагональных микротрубок и выращивания из них микроизделий с заданными характеристиками.
Достоверность. Достоверность экспериментальной части работы основана на применении современных научно-обоснованных методик и методов исследования, использовании современного исследовательского оборудования, привлечении взаимодополняющих методов исследования. Достоверность теоретических положений и выводов подтверждается хорошим совпадением теоретических расчетов с экспериментальными результатами, а также апробированностью результатов исследований на международных конференциях.
Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в получении объектов, проведении экспериментов, обработке результатов исследований, в выдвижении и обсуждении новых идей, оформлении патента, участие в выставке, подготовке статей и докладов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007); III Международной школе «Физическое материаловедение» Наноматериалы технического и медицинского назначения (Самара – Тольятти – Ульяновск – Казань, 2007); V Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008); 47 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород, 2008); III Международной научно-практической конференции «Материалы в автомобилестроении» (Тольятти, 2008); VII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Белгород, 2008); научных семинарах кафедры «Общая и теоретическая физика» Тольяттинского государственного университета.
Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки, технологии и техники РФ «Индустрия наносистем и материалы» при поддержке:
Федерального агентства по науке и инновациям, госконтракт № 02.513.11.3084;
Российского фонда фундаментальных исследований, грант
№ 08-02-99034.
Автор является исполнителем проектов.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 227 страницах основного текста и состоит из введения, 4 глав, основных выводов и библиографического списка (237 наименований). Работа содержит 123 рисунка и 6 таблиц.
Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цели работы, описана структура диссертации, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит обзор исследовательских и патентных работ, посвященный нитевидным кристаллам, в котором раскрыты существующие методы получения НК, особенности их структуры и свойств, описаны возможные механизмы формирования нитевидных кристаллов, области их применения, отдельно проведен обзор по нитевидным кристаллам с пентагональной симметрией, приведены некоторые оценочные их характеристики, выявлены возможные области применения. Обоснован дисклинационный подход к описанию особенностей строения и моделей роста НПК. В этой же главе также рассмотрены модели роста других нитевидных пентагональных кристаллов, полученных при электроосаждении меди, но не являющейся объектами исследования данной работы. Показано, что НПК являются весьма перспективными при создании принципиально новых приборов и устройств, при изготовлении из них компонентов и изделий для микроэлектроники и приборостроения.
Во второй главе изложены методы получения и исследования структуры электроосажденных нитевидных пентагональных кристаллов, описано используемое оборудование. Рассмотрены такие современные методы исследования, как просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, металлография и электронография. Для решения поставленных в работе задач в качестве объекта исследования была выбрана электролитическая медь. Электроосаждение проводилось из сернокислого электролита в ячейке, управляемой автоматизированной установкой, разработанной на базе операционного усилителя и встроенного микропроцессора с выходом на персональный компьютер. Исследования нитевидных пентагональных кристаллов проводились при помощи просвечивающей электронной микроскопии (ЭМВ-100л, ПРЭМ-200), сканирующей электронной микроскопии (LEO 1455 VP фирмы «ZEISS», Quanta 200 3D), металлографии (МИМ-7, Axiotech фирмы«ZEISS»), атомно-силовой и туннельной микроскопии (NT MDT Solver P47).
Исследование структуры и разориентировок между кристаллами проводилось с использованием автоматического анализа дифракции обратно-рассеянных электронов (electron back scattering diffraction – EBSD) при ускоряющем напряжении 30 kV, и программного обеспечения TexSEM Lab (TSL).
В третьей главе изложены особенности образования полости в нитевидных пентагональных кристаллах электролитического происхождения, предложена и экспериментально подтверждена модель роста пентагональной микротрубки из стержня, математически обоснована физическая модель роста усов из пентагональных кристаллов.
В четвертой главе изложены экспериментальные результаты исследования дефектов дисклинационного типа как возможных мест формирования нитевидных пентагональных кристаллов меди, полученных методом электроосаждения в виде пирамид, обоснован выбор подложек для выращивания пентагональных пирамид, разработаны спирально-дисклинационные модели формирования пентагональных пирамид на дефектах дисклинационного типа, имеющих различную природу.
