WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Шомахов Замир Валериевич

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКОЛ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ С87-2, С78-4, С78-5

05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАЛЬЧИК 2012

Работа выполнена на кафедре материалов и компонентов твердотельной электроники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «КабардиноБалкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Кармоков Ахмед Мацевич

Официальные оппоненты: Калажоков Хамидби Хажисмелович доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики конденсированного состояния ФГБОУ ВПО «КБГУ» Осипов Юрий Васильевич кандидат физико-математических наук, доцент, заместитель директора Института Новых Материалов и Нанотехнологий НИТУ «МИСиС»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Защита состоится «29» мая 2012 года в 14.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ.212.076.08 в ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КабардиноБалкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова».

Автореферат разослан «28» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Молоканов Олег Артемович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы фазового разделения и кристаллизации лежат в основе получения разнообразных стеклокристаллических материалов, в том числе стекол, содержащих нанокристаллы. В зависимости от выбранной системы различные стадии этих процессов могут существенно влиять на структуру образцов и их физико-химические свойства. Несмотря на существование теоретических представлений об указанных процессах, для каждого конкретного материала требуется детальное экспериментальное исследование кинетики структурных превращений и особенностей структуры, образующейся в результате протекания процессов фазового разделения.

Процессы, происходящие в стеклах, такие, как фазовые превращения, сопровождающиеся образованием и ростом новых наноразмерных кристаллических фаз, играют важную роль при создании технологических процессов изготовления микроканальных пластин.

Микроканальные пластины (МКП) – класс изделий электронной техники, предназначенных для работы в вакууме в качестве многоканальных детекторов, преобразователей и вторично-электронных усилителей пространственно-организованных потоков заряженных частиц и излучений.

Благодаря ряду уникальных свойств МКП находят применение в различных областях науки и техники прежде всего как усилители электронных изображений в электронно-оптических преобразователях, предназначенных для приборов ночного видения.

Из сказанного следует, что электрофизические и эксплуатационные характеристики электронно-оптических преобразователей определяются главным образом физико-химическими свойствами стекол, используемых в МКП (свинцово-силикатные стекла) и для МКП (боратно-бариевые стекла).

В связи с этим исследования процессов фазообразования, кинетики роста новых фаз и их влияния на электрофизические и механические свойства стекол являются важными для совершенствования существующих и создания новых технологических процессов производства изделий электронной техники.

Цель настоящей работы заключается в установлении закономерностей изменения электрофизических и вязкоупругих свойств стекол, используемых в электронной технике, и их связи с фазообразованием и кинетикой роста новых фаз.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка методик и создание установок для исследования температурной зависимости электропроводности, а также вязкоупругих свойств стекол.

2. Исследование температурной зависимости электропроводности стекол С87-2, С78-4, С78-5.

3. Изучение влияния структурных и фазовых превращений в объеме и на поверхности стекол на электропроводность при изотермическом отжиге.

4. Исследование диэлектрических свойств стекол на переменном токе.

5. Исследование вязкоупругих свойств стекол.

Научная новизна полученных результатов 1. Получены новые экспериментальные результаты по температурной зависимости электропроводности и особенности изменения энергии активации проводимости в стеклах С87-2, С78-4, С78-5.

2. Установлены новые закономерности кинетики электропроводности при изотермическом отжиге и связанные с ними структурные и фазовые изменения в объеме и на поверхности стекол.

3. Установлено уменьшение энергии активации электропроводности исследуемых образцов при высокотемпературном отжиге.

4. Разработана новая методика измерения вязкоупругих свойств, основанная на исследовании акустической эмиссии при ударе микрозонда о поверхность твердых материалов, и создана экспериментальная установка для ее реализации.

Практическая ценность результатов Экспериментальные результаты исследования электропроводности, структурных и фазовых превращений в объеме и на поверхности стекол выполнены в рамках хоздоговорных работ с Владикавказским технологическим центром БАСПИК и включены в научно-технические отчеты, представленные заказчику.

Экспериментальные установки, созданные автором, используются в учебной лаборатории «Физическая химия материалов и изделий электронной техники» при выполнений курсовых и выпускных квалификационных работ студентами факультета микроэлектроники и компьютерных технологий Кабардино-Балкарского государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты по температурной зависимости электропроводности стекол С-87-2, С78-4, С78-5.

2. Кинетические зависимости роста нанокристаллической фазы на поверхности и в объеме стекол и связанные с ними проводимости.

3. Зависимость энергии активации проводимости от температуры и времени изотермического отжига.

4. Результаты по диэлектрическим свойствам стекол на переменном токе.

5. Оригинальная методика и установка для определения вязкоупругих свойств твердых тел зондовым акустическим методом.

Достоверность основных результатов Научные положения, результаты экспериментальных исследований, выводы по диссертации обоснованы и получены с использованием современных методов. Достоверность научных положений подтверждена системным подходом к исследованиям, применением аттестованных измерительных средств, анализом погрешности опытов, воспроизведением экспериментов и сопоставлением полученных результатов с независимыми данными других исследователей. Рентгеноструктурные и рентгенофазовые анализы проводились на установках ЦКП «Рентгеновская диагностика материалов» (КБГУ).

Результаты SEM/EDX получены на установке Hitachi S-570 с системой элементного анализа Quantax 200 (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»).

Личный вклад автора Цель и задачи диссертации были сформулированы и поставлены научным руководителем, доктором физико-математических наук, профессором А.М. Кармоковым, который принимал участие в обсуждении результатов работы. Экспериментальные измерения, научные положения и научные выводы сделаны самостоятельно диссертантом. Соавторы статей принимали участие в обсуждении полученных результатов.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII Всероссийской конференции молодых ученых «Наука XXI веку», Майкоп, 2005; Международном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива 2007», Нальчик, 2007; I Всероссийской научно-технической конференции «Наноструктуры в полимерах и полимерные нанокомпозиты», Нальчик, 2007; Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии и фотоэлектроника», Нальчик, 2008; VIII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 2008; Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике», Нальчик, 2009; IX Международной научной конференции «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии», Кисловодск, 2009; III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2009; Международном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива 2010», Нальчик, 2010; III Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике», Нальчик, 2010; X Юбилейной международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии», Ставрополь, 2010; IV Международной научнотехнической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике», Нальчик, 2011; VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физикохимия и технология неорганических материалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2011.

Публикации По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Объем и структура диссертации Диссертационная работа изложена на 131 страницах, содержит 81 рисунок и 14 таблиц, состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы из 132 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы, формулируются цель и задачи диссертационной работы, описана научная и практическая ценность результатов.

Первая глава диссертации посвящена обзору и анализу литературных данных, посвященных исследованию свойств свинцово-силикатных и боратно-бариевых стекол, применяемых в электронной технике, в частности, используемых в технологических процессах изготовления усилителей пространственно распределенных заряженных частиц и постановки задач исследований.

Во второй главе представлены объекты исследования (С87-2, С78-4, С78-5), а также методика, оборудование и результаты исследования электрических свойств стекол, применяемых в изделиях электронной техники.

Для исследования электропроводности и электромассопереноса в стеклах была собрана экспериментальная установка, электрическая схема которой приведена на рис. 1 а. Установка состоит из вакуумной камеры со съемной измерительной ячейкой (рис. 1 б), системы откачки и измерительного комплекса. Установка позволяет проводить исследования электрофизических параметров в вакууме (до 2 10-5 тор) или контролируемой газовой среде при температурах от комнатной до 600 °C. Установка измерения сопротивления позволяет изучать электропроводность металлов, полупроводников и диэлектриков.

На образец подается разность потенциалов ~ 300 В. С центрального электрода снимается ток, протекающий через образец, преобразователем малых токов с чувствительностью 10-13 А.

Нагреватель в виде меандры, изготовленный электрохимическим травлением из нихромовой ленты толщиной 100 мкм, питается от источника, стабилизированного по току. Температура контролируется хромель-алюмелевой термопарой, подключенной к цифровому вольтметру. На рис.1б приведена структурная схема измерительной ячейки. Ячейка устанавливается на фланце вакуумной камеры. Образец (3) вставляется в ячейку так, чтобы прижимные пружины контактной пластины (2) были расположены на охранном электроде образца. Медная пластина (4) служит для выравнивания теплового поля по всей площади образца.

а) б) Рис. 1. Электрическая схема электрометрической части установки (а) и схема измерительной ячейки (б): 1 – измерительный электрод; 2 – контактная пластина; 3 – образец; 4 – медная пластина; 5 – нагреватель; 6 – керамические пластины Образцы стекол С87-2, С78-4, С78-5, применяемые в производстве МКП, были изготовлены во Владикавказском технологическом центре БАСПИК.

При прохождении постоянного тока через материал с существенной долей ионной проводимости происходит поляризация материала, которая искажает определяемые величины проводимости. Кроме того, для ионных проводников проявляется эффект электромассопереноса, приводящий к обеднению прианодной области основными носителями заряда — ионами натрия, что также приводит к уменьшению проводимости. Если эффект поляризация после отключения напряжения релаксирует, то для обратимости процессов массопереноса необходимо прохождение тока в обратном направлении. С целью устранения влияния эффекта поляризации и массопереноса нами была применена методика измерения проводимости при приложении двуполярного напряжения. При этом к образцу поочередно прикладывается напряжение разной полярности с уравниванием прошедшего через образец заряда.

По результатам измерения электропроводности в процессе нагрева и охлаждения построены температурные зависимости электропроводности материала исследованных образцов, а по данным, полученным в ходе изотермической выдержки, получены кинетические зависимости электропроводности.

Электропроводность стекол имеет активационный характер. На рис. представлены в координатах Аррениуса температурные зависимости удельной электропроводности стекла С87-2, полученные при трех последовательных нагревах образца.

l-7, g См/м 1-й нагрев 2-й нагрев 3-й нагрев ---1,2 1,6 2 2,4 2,8 1000/, 1/К 3,Рис. 2. Температурная зависимость удельной электропроводности стекла С87-2 в процессе трех последовательных нагревов от комнатной температуры до 450 °C Для каждого цикла нагрева на зависимостях выделяются две линейные области. При повторных нагревах, по сравнению с первым, наблюдается увеличение электропроводности на низкотемпературном участке зависимости, причем наклон аппроксимирующей линии, который характеризует энергию активации проводимости, при втором и третьем нагреве меньше, чем при первом. На высокотемпературном участке изменения значений электропроводности во втором и третьем циклах не наблюдается.

При первом нагреве в низкотемпературной области энергия активации проводимости составляет 0,047 эВ, а при повторных нагревах — уменьшается до 0,036 эВ. В высокотемпературной области для всех трех циклов энергия активации проводимости составляет 1,49 эВ. Различие величины электропроводности и энергии ее активации между первым и последующими нагревами может быть объяснено процессами образования и роста новых фаз при отжиге.

На рис. 3 представлены кинетические кривые электропроводности стекла С87-2 и С78-5, полученные при изотермическом отжиге в вакууме при температурах 400, 450 и 500 °C. Как видно из рисунка, при постоянном пропускании электрического тока проводимость стекла при всех температурах отжига со временем уменьшается.

Полученные экспериментальные зависимости t для указанных тем( ) ператур изотермической выдержки стекла с хорошей достоверностью аппроксимируются квадратичной зависимостью вида t = at2 - bt + c. Для всех ( ) случаев непрерывного пропускания тока коэффициенты a > 0, а b < 0, и рассматриваемые зависимости имеют монотонно убывающий характер. При знакопеременном пропускании тока через стекло наоборот: a < 0, а b > 0, и проводимость в зависимости от времени отжига монотонно возрастает.

, Cм/м -7 lg , Cм/м lg ----500 °C 500 °C 450 °C -450 °C 400 °C -400 °C 450 °C перемен 450 °C перемен -9 -0 1 2 3 4 t, ч 0 1 2 3 4 5 t, ч а) б) Рис. 3. Зависимость удельной электропроводности от времени изотермического отжига в вакууме для образцов невосстановленного стекла С87-(а) и С78-5 (б) при различных температурах и непрерывном пропускании тока, а также при температуре 450 °C и знакопеременном токе В процессе изотермического отжига удельная проводимость стекла увеличивается тем интенсивнее, чем выше температура отжига. Уровень проводимости стекла при высокой температуре (500 °C ) стремится к ~ 10-8 См/м. Обращает на себя внимание тот факт, что проводимость кристаллического кварца при 400 °C составляет ~ 10-8 См/м. Возможно, что именно растущие наноразмерные кристаллы диоксида кремния, зафиксированные на рентгенограммах, определяют конечный уровень проводимости.

При помощи уравнений аппроксимации, полученных из зависимости t, определены периоды времени отжига, при которых проводимость со ( ) временем больше не изменяется. Это означает, что структура стекла приходит в равновесное состояние. Для этого, дифференцируя уравнения t по ( ) времени и минимизируя, получим соотношение в виде:

d d t = 2at - b = 0, откуда t = b 2a.

Таким образом, подставляя в последнее выражение значения коэффициентов a и b из табл. 1, получим время установления равновесия в структуре стекла С87-02 в зависимости от температуры отжига. Время установления равновесия в структуре стекла сильно зависит от температуры отжига, и эта зависимость для стекла С87-2 аппроксимируется уравнением:

t=51exp (-0,0054T.

) Подставляя в это уравнение значение температуры изотермического отжига, можно найти оптимальное время, необходимое для полной релаксации стекла при данной температуре и постоянном пропускании тока через образец. Для всех видов исследуемых стекол вышеуказанные данные приводятся в табл. 1.

Таблица Характеристики стекол С87-2, С78-4, С78-Стекло Т,°C a b t,ч Уравнение аппроксимации 44 10-9 510-8 12,t=51exp ) 450 (-0,0054T 6,6 10-9 5,310-8 8,57 10-9 510-8 7,43,6110-11 5,7910-11 t=80exp (-0,0058T ) 47 10-12 2 10-12 5510-10 110-8 4,42 10-12 310-11 t=31exp ) 450 (-0,0029T 110-10 110-9 8,54 10-10 310-9 7,В данной главе также была изучена диэлектрическая проницаемость исследуемых образцов. Измерялась электрическая емкость на частоте 1 МГц. По полученной емкости рассчитаны значения диэлектрической проницаемости. Для образцов боратно-бариевого стекла С78-5 отжиг не приводит к значительным изменениям диэлектрической проницаемости по сравнению с исходным состоянием. При этом пропускание тока через образец (3,5x10-4 Кл за все время отжига) приводит к увеличению на ~15 %.

Для свинцовосиликатных стекол С87-2 и С78-4 пропускание тока во время отжига также приводит к увеличению , но на величину ~20 % и более. Кроме этого, для свинцовосиликатных стекол отжиг без пропускания тока также приводит к увеличению диэлектрической проницаемости, но не столь значительному, как при пропускании тока (на ~5 %).

C87-C78-C78-Среди экспериментальных методов исследования электрических свойств стекол новые перспективы открывает спектроскопия полной проводимости (спектроскопия адмиттанса (проводимости) или импеданса (сопротивления)).

Исследования проводились с помощью измерителя иммитанса Е7-20, предназначенного для измерения при синусоидальном напряжении в частотном диапазоне от 25 Гц до 1 МГц параметров объектов, которые, как правило, заменяются параллельной и последовательной двухэлементной схемой замещения. Частотные зависимости параметров строили в виде диаграмм Коула – Коула (зависимостей реальных и мнимых частей комплексной диэлектрической проницаемости):

0 - = +, где 0 и – значения статической и высокочастотной 1+ (i ) диэлектрической проницаемости; – время релаксации поляризации; – пара метр, который может иметь значения от 0 до 1, = - i – комплексная диэлектрическая проницаемость.

а) б) Рис. 4. Экспериментальные диаграммы Коула – Коула при температуре детектирования 375 оС для образцов С87-2 (а) и С78-5 (б) Как видно из рис. 4, для стекол характерно наличие нескольких времен релаксации, поскольку локальные структуры заметно отличаются друг от друга.

Время релаксации можно в первом приближении связать с энергией ак тивации : ln = + const. Полученные результаты для времени релаксации kT и энергии активации представлены в табл. 2.

Таблица Характеристики стекол С87-2, С78-Стекло Т,°C, с, эВ 0 C87-2 375 10 13 10-6 0,C78-5 375 0,5 2,7 10-8 0,В третьей главе приводятся результаты исследований структурных превращений в стеклах при температурной обработке.

В различных технологических процессах, особенно в процессах, связанных с термическими воздействиями, в стеклах происходят зарождение и рост различных кристаллических фаз. Эти фазы характеризуются разнообразием их состава и нанометровыми размерами. С целью выявления особенностей этого процесса был проведен анализ фазового состава стекол для электронной техники после отжига в различных условиях.

Исследованные образцы представляли собой полированные диски стекол С87-2, С78-5, С74-4. Образцы были изготовлены в ВТЦ БАСПИК и до отжига хранились в вакуумированной упаковке изготовителя. Образцы, предназначенные для анализа, отжигались в вакууме либо в воздушной атмосфере при двух температурах: 400 и 500 °C. Время отжига во всех случаях составляло 5 часов. Кроме отожженных, анализировались контрольные, то есть неотожженные образцы.

Процедура «Предварительная обработка спектрограмм» методики рентгенофазового анализа ориентирована на выявление рентгенодифракционных пиков кристаллических фаз. Вследствие этого так называемое гало от первой координационной сферы аморфной подсистемы образца, имеющее центр при 226°, на представленных рисунках передается с различной интенсивностью, и это различие не должно рассматриваться.

На спектрограммах исходных (неотожженных) образцов всех стекол отмечается значительное содержание кристаллических фаз. Влияние температуры отжига и среды, в которой он производится, имеет сложный характер.

Для обоих свинцово-силикатных стекол С87-2 (рис. 5) и С78-4 минимальное содержание кристаллических фаз отмечается после отжига в вакууме при 500 °C. В противоположность этому боратно-бариевое стекло С78-5 после отжига в тех же условиях имеет максимальное содержание кристаллофаз.

Качественный анализ рентгенограмм показывает, что пики в области углов рассеяния 2 от ~14 до ~18° соответствуют пикам SiO2 с значительным искажением параметров решетки, что проявляется в значительных сдвигах и деформациях. Очевидно, это связано с малыми (нанометровыми) размерами и несовершенной структурой образующихся кристаллических частиц диоксида кремния.

3I, у сл. ед.

I, имп/с 21Воздух, 500 °C Вакуум, 500 °C Воздух, 400 °C 21Вакуум, 400 °C 21Без отжига 22, град Q 5 15 25 35 45 55 65 Рис. 5. Рентгенограммы образцов стекла С87-2, отожженных при различных условиях в течение 5 часов Для выявления особенностей процесса фазообразования был проведен анализ стекол после отжига в различных условиях на сканирующем электронном микроскоп Hitachi S-570 с системой элементного анализа Quantax 200.

До проведения анализа на стекла были нанесены проводящие покрытия методом термического распыления углеродного стержня в вакууме при температуре 800 °C. При этом образцы нагревались до 150 °C. Потом для обеспечения хорошего стока электронов образцы на столик крепились специально приготовленным углеродным скотчем. Результаты SEM/EDX эксперимента образца С78-5 показаны на рис. 6.

а) б) Рис.6. Изображения, полученные сканирующим электронным микроскопом (SEM) в режиме фазового контраста: а) образец после отжига при Т=400 оС, t=5 ч; б) образец после отжига при Т=500 оС, t=5 ч В исследуемых стеклах при термических воздействиях происходят фазовые переходы с образованием кристаллических фаз и их последующий рост. Для выяснения влияния этих образований на морфологию поверхности методами сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) были исследованы поверхности стекол.

Анализ топографии проводился атомно-силовой (АСМ) методикой в полуконтактном режиме. Развертка при сканировании была построчной, вдоль оси абсцисс со скоростью 14,26 мкм/с. Частота модуляции зонда составляла 240,095 кГц.

Как видно из рис. 7а, микрошероховатость поверхности стекла С87-2 в исходном состоянии порядка ~1 нм. Рельеф поверхности характеризуется небольшими наклонами — около 10 нм на 1 мкм длины.

В отличие от этого, после термического и электрического воздействий (рис. 7б), поверхность становится более шероховатой с многочисленными наноразмерными выступами высотой до 50 нм и редкими выступами высотой до 120 нм. Размер этих выступов в основании около 100 и 500 нм соответственно. Очевидно, эти частицы на поверхности являются отражением процессов фазообразования в объеме стекла.

а) б) Рис. 7. АСМ изображения: а) поверхности стекла С87-2 непосредственно после разгерметизации вакуумной упаковки. Общая высота рельефа по площади скана 63 нм; б) поверхности стекла С87-2 отожженного в вакууме при измерении электропроводности. Общая высота рельефа по площади скана 140 нм В настоящей главе также приводится исследование вязкоупругих свойств стекол электронной техники зондовым акустическим методом. Суть метода состоит в измерении акустических сигналов, возникающих при простукивании микрозондом поверхности стекол.

В эксперименте использовался измерительный стенд, принцип работы которого заключается в следующем: с задающего генератора переменный сигнал синусоидальной формы подается на катушку механического осциллятора, упругий элемент которого изготовлен в виде тонкой металлической балки. В результате этого корундовый зонд, закрепленный на балке, совершает механические колебания, нанося удары по поверхности исследуемого образца. Амплитуда колебаний балки зависит от величины прикладываемого к катушке переменного напряжения. Звукосниматель измеряет интенсивность поверхностных звуковых волн, вызванных ударами зонда о поверхность образца. Сигналы с генератора и звукоснимателя подаются на двухканальный компьютерный осциллограф.

В качестве образцов использовались стеклянные пластины марок С87-(плотность = 3,84 г/см3) и С78-5 (плотность = 2,56 г/см3) диаметром 24,8 мм и толщиной 0,42 мм. Кроме исходных образцов брались также боратно-бариевые стекла, которые подвергались термическому отжигу при температурах 400 0С и 500 0С в течение 5 часов. Радиус кривизны кончика зонда равнялся приблизительно 50 мкм. Расстояние между зондом и звукоснимателем было фиксировано и составляло 7 мм. Частота возбуждающего сигнала 24 Гц. Виброизоляция и акустическая развязка позволили надежно избавиться от механических шумов в пределах чувствительности звукоснимателя, которая по напряжению была не хуже 10 мкВ.

На рис. 8 а, б показаны измеренные с помощью стенда осциллограммы на неотожженных стеклах С87-2 и С78-5: синусоиды 1 – сигналы, подаваемые на катушку осциллятора; затухающие сигналы 2 – акустические сигналы.

(а) (б) Рис. 8. Осциллограммы сигналов: 1 – возбуждающие сигналы; 2 – акустические сигналы. Рисунки (а) и (б) относятся к исходным образцам стекол С87-2 и С78-5 без термообработки Можно видеть, что осциллограммы акустических сигналов для исследованных стекол существенно различаются. В моменты времени, соответствующие минимуму и максимуму задающего синусоидального сигнала, происходят смещения балки с зондом. При этом балка с зондом по инерции продолжает совершать затухающие колебания, налетая и отскакивая от исследуемой поверхности с частотой, близкой к собственной частоте. Как продемонстрировали многочисленные эксперименты, степень затухания этих колебаний существенным образом зависит от вязкоупругих свойств стекол.

Максимумам акустических сигналов соответствуют удары зонда о поверхность.

Таблица Характеристики стекол С87-2, С78-Стекло Обработка Скорость зву- Декремент затухания, ка, ct, 103, м/с С87-2 без обработки 1,2 без обработки 2,1 1,отжиг при T=400 0C 1,6 С78-в течение 5 ч.

отжиг при T=500 0C 1,4 2,в течение 5 ч.

Из проведенных экспериментов следует, что модули упругости для исходных образцов стекол С87-2 и С78-5 без термообработки равны соответственно 13 ГПа и 27 ГПа. Эти значения в 2,5 раза меньше расчетных справочных значений. Это объясняется тем, что на свойства стекол критическое влияние оказывают технологические факторы, связанные с внешними термодинамическими условиями обработки.

Из табл. 3 видно, что в случае боратно-бариевого стекла термический отжиг приводит к заметному снижению поперечной скорости звука, что связано, по нашему мнению, с релаксационными явлениями, например с изменением кластерной структуры стекол при сохранении общей степени кристалличности.

Основные выводы 1. Создана установка для исследования температурной зависимости электропроводности в вакууме 2 10-5 тор при температурах до 600 0C. Разработана методика и установка для изучения вязкоупругих свойств (скорость звука, декремент затухания и т.д.) твердых тел зондовым акустическим методом.

2. Температурные зависимости электропроводности стекол С87-2, С78-4, С78-5 имеют излом при температурах 150 – 200 0C. При этой температуре установлено значительное изменение энергии активации проводимости для всех стекол (в высокотемпературной области энергия активации проводимости на два порядка выше, чем в низкотемпературной области).

3. Исследования методами рентгенофазового, атомно-силового и сканирующего электронного микроскопов показали образование и рост наноразмерных кристаллических фаз в объеме аморфной матрицы и на поверхности стекол при различных температурах отжига. Установлена их связь с изменением кинетики электропроводности при изотермическом отжиге.

4. Время стабилизации структурных превращений и электропроводности зависит от температуры изотермического отжига стекол и меняется по экспоненциальному закону в пределах температур от 350 до 500 0C.

5. Для образцов С78-5 отжиг не приводит к значительным изменениям диэлектрической проницаемости по сравнению с исходным состоянием. При этом пропускание тока через образец (3,5x10-4 Кл за все время отжига) приводит к увеличению на ~15 %. Для стекол С87-2 и С78-4 пропускание тока во время отжига также приводит к увеличению , но на величину ~20 % и более.

Получены спектры диэлектрической релаксации стекол и определено время релаксации исследуемых стекол (для С87-2 ~10-6с, С75-5 ~10-8с).

6. Результаты, полученные разработанным методом для определения вязкоупругих свойств твердых тел, показывают, что, с увеличением температуры изотермического отжига, модуль упругости уменьшается в 1,5 раза.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Шомахов З.В. Акустическая эмиссия при взаимодействии зонда с поверхностью металлов / С.Ш. Рехвиашвили, А.М. Кармоков // Нано- и микросистемная техника. – 2009. – № 4. – С. – 19–22.

2. Шомахов З.В. Исследование вязкоупругих свойств стекол для микроканальных пластин зондовым акустическим методом / С.Ш. Рехвиашвили, А.М. Кармоков // Инженерная физика. – 2009. – № 11. – С. 31–36.

3. Шомахов З.В. Температурная зависимость и кинетика электропроводности свинцово-силикатного стекла С87-2 / О.А. Молоканов, С.К. Кулов, А.М. Кармоков // Известия КБГУ. – 2010. – №1. – С.102 – 108.

4. Шомахов З.В. Расчеты механических свойств стекол для микроканальных пластин по их химическому составу / Т.А. Кармоков // В мире научных открытий. – 2010. – №4 (10). – Ч. 10. – С.16 – 17.

5. Шомахов З.В. Электропроводность свинцово-силикатного стекла в процессах нагрева и изотермического отжига / О.А. Молоканов, А.М. Кармоков // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – №7. – С. – 14 – 17.

6. Шомахов З.В. Электропроводность боратно-бариевого стекла в процессе образования и роста нанокристаллов / О.А. Молоканов, А.М. Кармоков, Х.Х. Лосанов, Б.Н. Нагоев // Известия КБГУ. – 2011. – Т.I. – №3. – С. – 102 – 105.

7. Шомахов З.В. Влияние температуры изотермического отжига на образование нанокристаллов в стекле С78-5 / В.И. Альмяшев, А.М. Кармоков, Р.Ш. Тешев, О.А. Молоканов, Х.Б. Шокаров // Известия КБГУ. – 2011. – Т.I. – №4. – С. – 5 – 7.

8. Кармоков А.М., Лосанов Х.Х., Молоканов О.А., Нагоев Б.Н., Шомахов З.В.

Электропроводность свинцовосиликатного стекла С87-2 // Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнология и фотоэлектроника». – Нальчик. – 2008. – С. 13.

9. Шомахов З.В., Лосанов Х.Х., Савенко В.И., Нагоев Б.Н., Молоканов О.А.

Электропроводность и массоперенос в стеклах микроканальных пластин при различных условиях отжига // VIII Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». – Кисловодск — Ставрополь: СевКавГТУ. – 2008. – С. 418—419.

10. Кармоков А.М., Кулов С.К., Макаров Е.Н., Молоканов О.А., Савенко В.И., Широкова С.П., Шомахов З.В. Электропроводность стекол микроканальных пластин в процессе образования и роста нанокристаллов // IX Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». – Кисловодск — Ставрополь: СевКавГТУ. – 2009. – С. 202.

11. Рехвиашвили С.Ш., Шомахов З.В., Кармоков А.М. Исследование вязкоупругих свойств металлов зондовым акустическим методом // III Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». – М.: ИМЕТ РАН. – 2009. – С. 256–257.

12. Шомахов З.В., Молоканов О.А., Кулов С.К., Кармоков А.А. Изотермы проводимости и массоперенос в стеклах для МКП // II Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнология в электронике». – Нальчик. – 2009. – С.126 – 129.

13. Молоканова О.О., Шомахов З.В. Корреляция фазовых превращений и оптических свойств в стеклах для МКП // II Международная научнотехническая конференция «Микро- и нанотехнология в электронике». – Нальчик. – 2009. – С.68 – 70.

14. Шомахов З.В., Молоканов О.А., Кармоков А.М. Электропроводность и электромассоперенос свинцово-силикатного стекла, применяемого в электроно-оптических преобразователях // III Международная научнотехническая конференция «Микро- и нанотехнология в электронике». – Нальчик. – 2010. – С.296 – 301.

15. Шомахов З.В., Нагоев Б.Н., Молоканов О.А. Электропроводность и массоперенос в стеклах микроканальных пластин при различных условиях отжига // X Юбилейная международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». –Ставрополь:

СевКавГТУ. – 2010. – С. 418—419.

16. Шомахов З.В., Молоканов О.А., Кармоков А.М., Лосанов Х.Х., Нагоев Б.Н.

Исследование электропроводности боратно-бариевого стекла в процессе образования и роста нанокристаллов // IV Международная научнотехническая конференция «Микро- и нанотехнология в электронике». – Нальчик. – 2011. – С.95 – 98.

17. Шомахов З.В. Электропроводность боратно-бариевого стекла в процессе образования и роста нанокристаллов // VIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». – М.: ИМЕТ РАН. – 2011. – С.334.

Подписано в печать 27.04.2012 г.

Формат 30 х 42. 1/4. Бумага типографская.

Печать офсетная.

Усл. печ. л. 5. Заказ №55.

Тираж 100 экз.

Отпечатано в соответствии с качеством предоставленных электронных макетов в Издательстве И.П. «Полиграфия» 360005, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 131.







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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.