WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ОПАРИЧЕВ Александр Борисович ИССЛЕДОВАНИЕ НАКЛОННОКОНДЕНСИРОВАННЫХ ПЛЁНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006 - 2 -

Работа выполнена на кафедре «Технологии металлов» в Московском энергетическом институте (техническом университете).

Научный руководитель доктор технических наук, доцент КАРИМБЕКОВ Мырзамамат Арзиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КУЗНЕЦОВ Геннадий Дмитриевич кандидат технических наук, доцент ЕВГЕНЬЕВ Сергей Борисович Ведущее предприятие:

ЗАО «Научно-исследовательский институт материаловедения»

Защита состоится «16» января 2007 г. в «14» час «00» мин на заседании диссертационного совета Д 212.120.06 в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (МИТХТ) по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, д. 86, ауд. М–119.

Ваши отзывы на автореферат просим присылать на имя ученого секретаря по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, д. 86.

Автореферат разослан «05» декабря 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 212.120.06 Г.М. Кузьмичева - 3 - О Б Щ А Я Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А Р А Б О Т Ы Актуальность темы. В связи с расширением использования оптоэлектронных приборов в науке и технике возникает необходимость на более высоком уровне контролировать их основные параметры – мощность, энергию, направленность и т.д.

В этом направлении накоплен большой и разнообразный опыт физических экспериментов и технического конструирования, однако, поискового характера, и без желательного обобщённого материаловедческого и технологического подхода, приводящего к достаточно рациональному практическому решению проблем.

Традиционно используемые системы измерения, активной частью которых являются чувствительные приёмно-преобразующие элементы – преобразователи, имеют недостаточную эффективность, что приводит к необходимости использовать сложные схемотехнические решения и включать в систему дополнительные прецизионные усилители. Низкое быстродействие и нелинейные статические и динамические характеристики преобразователей затрудняют их использование в современных системах автоматического регулирования, стабилизации и измерения «in sity» параметров излучения. Исходя из этого, возникает, по существу, новая задача для техники и для традиционной метрологии – создание высокоэффективных и быстродействующих инновационных систем измерения мощности лазеров (когерентного излучения) и светодиодов (некогерентного излучения) с новыми функциональными характеристиками.

Высокую надёжность, воспроизводимость и точность измерений позволяют достигать методы, использующие термоэлектрические преобразователи.

Преобразователи теплового действия в настоящее время занимают прочное место в измерительных приборах и системах, и аналогичные разработки ведутся многими ведущими приборостроительными фирмами («Сименс», «Хьюлетт Паккард», «Маркони», «Ультракаст», «Антехника», «Хитачи» и др.).

Фундаментальные научные основы термоэлектричества были заложены академиком А.Ф.Иоффе и развиты А.Р.Регелем, Н.С.Лидоренко, Л.С.Стильбансом, Е.К.Иорданашвили и др. Для анизотропных термоэлементов теоретические и экспериментальные основы термоэлектричества, главным образом, развили А.Г.Самойлович, И.М.Пилат, Л.И.Анатычук и др.

Лазерное излучение характеризуется уникальными характеристиками: широким спектральным диапазоном (0,2… 1 мм) и динамическим диапазоном (120… 200 дБ), - 4 - малой длительностью импульсов (до 1 пс) и высокой плотностью мощности (до 109 Вт/см2) и т.п.

Теоретический и конструкторско-технологический анализ параметров плёночных термоэлектрических преобразователей, использующих эффект поперечной термоэдс, показывает перспективность создания на их основе контроллеров для измерения энергетических, координатно-чувствительных и пространственно-временных характеристик импульсного лазерного высокочастотного излучения большой мощности. Однако теория и практика их создания к настоящему времени развиты недостаточно.

Известно, что, если вырезать пластинку из монокристалла анизотропного полупроводника (например, антимонида кадмия) под углом и облучать её, то возникает термоэдс в поперечном направлении. Такие преобразователи были названы анизотропными термоэлементами.

Как выяснилось в ходе работы, в тонких плёнках образуется «армированная текстура», позволяющая использовать не только анизотропные, но и изотропные материалы.

Неизвестно было можно ли создать вакуумотермическим испарением и последующей конденсацией под углом подобные преобразователи в виде тонких плёнок анизотропных материалов или изотропных материалов. Такие преобразователи были названы термоэлементами на наклонноконденсированных плёночных материалах.

Неизвестно было можно ли создать такие термоэлементы на анизотропных полуметаллах, например, на висмуте, и на анизотропных полупроводниках, например, на теллуре, а также на изотропных металлах, например, на хроме (никеле и на тантале).

Цель и задачи работы. Целью работы было разработка, а также исследование технологии получения и свойств наклонноконденсированных плёнок висмута, теллура и хрома для высокоэффективных и быстродействующих термоэлектрических контроллеров лазерного излучения.

Достижение поставленной цели складывалось из решения следующих задач:

- обобщить теоретические принципы и разработать критерии выбора наклонноконденсированных плёночных материалов для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения;

- моделирование и оптимизирование параметров микроструктуры плёнок после наклонной конденсации;

- 5 - - моделирование неравномерность зонной характеристики чувствительного приёмно-преобразующего элемента (для непрерывного излучения) и гребенчатости поверхности плёнки (для короткоимпульсного излучения);

- исследование взаимосвязи параметров испарения и конденсации на различных подложках в вакууме для различных материалов и разработать технологические режимы для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на наклонноконденсированных плёнок;

- разработка и изготовление макетов плёночных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на основе анизотропных и изотропных наклонноконденсированных материалов.

Научная новизна. Сформулированы принципы выбора материалов для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на наклонноконденсированных плёнках. Предложены новые материалы (висмут, теллур и хром) (не только полуметалл – висмут и полупроводник – теллур, но и металл – хром) в качестве наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения. В наклонноконденсированных плёнках анизотропных материалов (висмут и теллур) и изотропных материалов (хром, никель и тантал) получены «армированные текстуры».

Практическая значимость. Выполнена программа технологических, структурных и термоэлектрических исследований наклонноконденсированных плёнок, включая приёмы повышения их эффективности и ориентацию на применение в лазерной технике.

В случае полуметаллов и полупроводников достигнуто большая чувствительность и высокое быстродействие (малая инерционность) термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на наклонноконденсированных плёнках (уменьшается постоянная времени и время остывания, увеличивается предельная частота следования импульсов). В случае изотропных металлов удалось перейти к более высокой лучевой стойкости (устойчивости против «вжигания» и «прокисления»).

Осуществлены конструкторско-технологические разработки макетов одно- и многоэлементных контроллеров термоэлектрических преобразователей для измерения лазерного излучения на плёночных наклонноконденсированных материалах.

Составлена в составе творческого коллектива «Экспериментальная база данных» («Физико-технологическая справочная информация») для постановки производства плёночных чувствительных приёмно-преобразующих элементов термоэлектрических преобразователей измерительного назначения.

- 6 - На защиту выносятся:

- модели наклонноконденсированных плёнок с «армированной текстурой» (аксиальной формразмерной и кристаллографической текстурой), устанавливающие количественную взаимосвязь между параметрами микроструктуры и свойствами плёнок;

- результаты технологических исследований плёнок висмута, теллура и хрома после наклонной конденсации (в структурном и термоэлектрическом аспекте);

- конструкторские и технологические разработки макетов плёночного термоэлектрического преобразователя для измерения энергетических параметров мощного лазерного излучения с большой частотой следования импульсов и для многоэлементных матричных приёмников лазерного излучения.

Обоснованность и достоверность работы. Основные научные положения, выводы и рекомендации подтверждаются материаловедческими и технологическими экспериментами, проверкой контроллеров на лабораторных и промышленных стендах, показавшими удовлетворительное согласование теоретических и экспериментальных результатов исследований.

Апробация работы. II и III Международ. конф. по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященных памяти М.П.Шаскольской (МИСиС ТУ) (28-октября 2003 г., Москва) (20-26 ноября 2006 г., г. Москва); XI и XII Национ. конф. по росту кристаллов (НКРК-2004 и НКРК-2006) (13-17 декабря 2004 г. и 23-27 октября 2006 г., Москва); Десятая (К 65-летию РТФ ИРТ) и Одиннадцатая (К 75-летию МЭИ ТУ) Международн. научно-технич. конф. студентов и аспирантов МЭИ ТУ (2-3 марта 2004 г. и 1-2 марта 2005 г., Москва); IX и X Международн. конф. по физике и технологии тонких пленок (МКФТП-IX и МКФТП-X) (19-24 мая 2003 г. и 16-21 мая 2005 г., Ивано-Франковск, Украина); 6-я Международ. конф. «Рост монокристаллов и тепломассоперенос» (ICSC-2005) (25-30 сентября 2005 г., Обнинск); Пятая Международн. научно-технич. конф. «Электроника и информатика-2005» (К 40-летию МИЭТ ТУ) (23-25 ноября 2005 г., Зеленоград); 10-я Международ. научн. конф. и школа-семинар «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-2006) (24-29 сентября 2006 г., Дивноморское); III Всеросс. конф. «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (ФАГРАН-2006) (8-14 октября 2006 г., Воронеж).

Кроме того, основное содержание диссертации отражено в 20 публикациях:

в 2 статьях, опубликованных в журнале «Прикладная физика»; в 2 статьях, опубликованных в журнале «Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России»; в 14 тезисах докладов; в 1 web-сайте и в 1 изобретении.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из Введения, Глав 1–и Выводов. Имеется список литературных ссылок.

В диссертации 149 страницы, включающие 40 рис. и 6 табл. Библиография содержит 283 наименований.

- 7 - О С Н О В Н О Е С О Д Е Р Ж А Н И Е Р А Б О Т Ы РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПОВ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Требования к чувствительным приёмно-преобразующим элементам.

Создание технологических лазеров и технологий относятся к приоритетным направлениям научно-технического прогресса. Эффективность внедрения лазерных технологий в значительной мере определяется состоянием используемых методики, техники и материалов измерений лазерного излучения, в том числе измерение энергетических параметров.

Измеритель мощности и энергии лазерного излучения – преобразователь или чувствительный приёмно-преобразующий элемент должен отвечать специфическим требованиям: использовать несложные физические эффекты (ограниченное число физических принципов); использовать достаточно простые материалы и технологии;

должен иметь широкополосный спектральный диапазон (неселективный тип); должен иметь достаточно большую чувствительность и обнаружительную способность;

должен обладать высоким быстродействием (малоинерционный тип); должен обладать оптимальным электросопротивлением для согласования с информационноизмерительной системой; должен обладать высокой лучевой прочностью (устойчивость против «вжигания» и «прокисления»).

Существенные специфические характеристики: возможность работы без принудительного охлаждения и без источника питания. Так работают плёночные термоэлектрические преобразователи: термопарные преобразователи (на термопарном эффекте) и преобразователи на наклонноконденсированных плёнках (на эффекте поперечной термоэдс).

Предложенные модельные представления характеристик для термоэлектрических наклонноконденсированных материалов. Если ограничиться тремя свойствами ( – коэффициент термоэдс, – удельное электросопротивление и – удельная теплопроводность), то для разного функционального назначения и условий комплексные критерии могут иметь разный вид. Например, критерий 2/ – получил название коэффициента термоэлектрической мощности, а критерий 2/ – термоэлектрической добротности (классические критерии).

Для наклонноконденсированных плёнок (добавим к учитываемым свойствам ещё одно свойство: коэффициент термоэдс – 0; удельное электросопротивление – 0;

удельная теплопроводность – 0; удельная теплоёмкость – с) при различном функциональном назначении получаем зависимости состоящие из четырёх сомножителей:

АБВГ, последний из которых является комплексным критерием эффективности материалов плёнок.

- 8 - Удельная вольт-ваттная чувствительность (удельная поперечная термоэдс, коэффициент преобразования) – еп; быстродействие (характеристическое время переходного процесса) (постоянная времени) – хар; амплитуда импульсной реакции (время отклика на изменение мощности излучения) – Aимп = еп/хар; коэффициент преобразования мощности – ; максимальная плотность непрерывного излучения без разрушения – Q; максимальная плотность излучения в импульсе без разрушения – E.

еп хар Aимп Q E А – Числовой коэффициент 1 4 – 2 Б – Коэффициент, учитывающий роль границ кристаллитов:

a c a a b b b b c b2 b3 c Угол наклона волокон (кристаллитов) к нормали к поверхности пленки – zx;

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»