WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 3 Теплопроводность поликристаллического селенида цинка © Н.В. Лугуева, С.М. Лугуев, А.А. Дунаев Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия Научно-исследовательский технологический институт оптических материалов Всероссийского научного центра „Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова“, 193131 Санкт-Петербург, Россия E-mail: luguev.if@mail.ru (Поступила в Редакцию 14 мая 2002 г.

В окончательной редакции 19 июня 2002 г.) В диапазоне температур 80-400 K выполнено экспериментальное исследование теплопроводности оптически прозрачных поликристаллов селенида цинка, полученных осаждением из паровой фазы, и поликристаллов, подвергнутых деформации в направлении роста кристалла и последующей рекристаллизации.

В низкотемпературной области измерений наблюдается анизотропия теплопроводности в текстурированных образцах ZnSe, которая сохраняется и после их деформации и рекристаллизации. Анизотропия теплопроводности обусловлена рассеянием фононов дислокациями, ориентированными в направлении роста кристалла.

Показано, что в ограничение теплопроводности ZnSe в области температур T > 270 K начинают вносить существенный вклад процессы рассеяния акустических фононов оптическими фононами.

Селенид цинка — широкоспектральный оптический ратурной зависимости для поликристаллического ZnSe материал используемый в качестве элементов кон- и изучение зависимости от структуры материала.

струкционной оптики инфракрасных систем и лазер- Представляет также интерес изучение влияния особенных установок. Известно, что материалы, применяемые ностей фононного спектра ZnSe на величину и темперав ИК-технике, должны обладать, кроме прозрачности турную зависимость.

в широкой области спектра, высокой механической проч- Образцы для исследования были вырезаны из блоков ностью и изотропностью свойств. В наибольшей мере селенида цинка, имевших различную технологическую соответствуют этим требованиям поликристаллические предысторию. Материал, из которого вырезались образоптические материалы [1]. Для получения поликристал- цы 1 и 2, был получен осаждением из паровой фазы лических оптических материалов в последние годы ши- на подогретую подложку в замкнутом контейнере при роко используются методы осаждения из паровой фазы. температуре 1250 K со средней скоростью 0.8 mm / h.

Поликристаллы, выращенные этим методом, отличаются Полученный при этих условиях поликристаллический меньшим количеством примесей и других дефектов, материал имел ярко выраженную столбчатую структуру что существенно улучшает оптические характеристики с преимущественной ориентацией кристаллитов в наобразцов, но появляющаяся при росте кристаллов тек- правлении 111. Средний размер зерна в плоскости стура может существенно влиять на термические и ме- осаждения составляет 2 mm. Фотография микроструктуханические характеристики материала. Снизить негатив- ры поликристалла ZnSe, полученного таким образом, ное влияние текстуры на термические и механические представлена на рис. 1, a. Образцы 3 и 4 вырезались свойства образцов можно, подвергнув их дополнительно из таких же поликристаллических блоков, что и образдеформации и рекристаллизации. цы 1 и 2, но подвергнутых дополнительно деформации Условия эксплуатации элементов конструкционной под давлением в направлении, параллельном направлеоптики в переменном тепловом режиме и больших нию роста кристалла и рекристаллизации. Деформация термических нагрузках требуют знания данных о коэф- и рекристаллизация поликристаллических блоков осуфициенте теплопроводности оптического материала. ществлялись последовательно при температуре 1150 K Теплопроводность монокристаллического ZnSe изучена и давлении 150 MPa в течение 15 min с последующим в работе [2]. Данные о поликристаллического ZnSe отжигом при 1450 K в течение 20 min. Поликристаллы в зависимости от текстуры и деформации образцов в из- ZnSe, подвергнутые деформации и рекристаллизации, вестной нам литературе отсутствуют. Исследование теп- состояли из кристаллитов, не имеющих определенной лопроводности поликристаллов ZnSe, полученных оса- направленности (рис. 1, b). Из полученных описанными ждением из паровой фазы, позволит получить не только выше способами заготовок вырезались образцы в двух справочные данные о, необходимые для технических взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 2) разрасчетов, но также изучить механизмы передачи тепла мером 15 6 6 mm. По данным рентгеноструктурв текстурированных образцах и образцах, подвергнутых ного анализа образцы имели кубическую структуру деформации и рекристаллизации. (сфалерит).

Цель данной работы — экспериментальное иссле- Измерения проводились в диапазоне температур дование коэффициента теплопроводности и его темпе- 80-400 K в вакууме абсолютным стационарным метоТеплопроводность поликристаллического селенида цинка Рис. 1. Микрофотографии поликристаллов ZnSe: a — образца, выращенного из паровой фазы, b — того же образца после деформации и рекристаллизации.

дом на установке, аналогичной установке типа „A“, Температурные зависимости (T ) исследованных обописание которой приведено в [3]. Схема направле- разцов 1-4 в областиT > 300 K практически совпадают.

ний теплового потока в измерительной ячейке прибора В низкотемпературной области измерений эксперименотносительно текстуры образцов и приложенного при деформации давления приведена на рис. 2. Измерения проводились как в условиях, когда тепловой поток через образец и преимущественное направление роста кристаллитов совпадали, так и в условиях их взаимной перпендикулярности. Погрешность определения во всем исследованном диапазоне температур не превышала 2% по отношению к измеряемой величине.

Рис. 2. Схематическое изображение текстуры, направлений теплового потока Q при проведении измерений и деформирующего напряжения P в образцах 1-4.

Полученные экспериментальные данные о коэффициенте теплопроводности образцов ZnSe, имеющих разную технологическую предысторию и разное направление теплового потока относительно текстуры образцов, представлены на рис. 3. Обозначения кривых на рис. соответствует номерам образцов на рис. 2. Данные для монокристаллического ZnSe из работы [2] также приведены на рис. 3. Как видно из этого рисунка, величина Рис. 3. Температурные зависимости коэффициента теплопрои температурная зависимость поликристаллических водности поликристаллических образцов ZnSe. Цифры 1-образцов ZnSe близки к данным для монокристалла на кривых соответствуют нумерации образцов на рис. 2. 5 — ZnSe из работы [2]. монокристалла ZnSe [2].

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 426 Н.В. Лугуева, С.М. Лугуев, А.А. Дунаев тальные результаты обнаруживают наличие анизотро- данные Cv для ZnSe взяты из работы [6], а v —из [7].

пии поликристаллического ZnSe относительно направ- Длина свободного пробега фононов в зависимости от наления роста кристаллитов, из которых состоит образец. правления теплового потока относительно направления При 80 K коэффициент теплопроводности образца 1, роста кристаллитов в исследованных поликристаллах в котором направления теплового потока и роста кри- ZnSe имеет значение l =(1.3-11) · 10-7 m при 80 K сталла совпадают, на 14% выше, чем образца 2, и 2.2 · 10-9 m для всех образцов при 400 K. Сопоставв котором направления теплового потока и роста кри- ление l в поликристаллическом ZnSe с размерами кристалла взаимно перпендикулярны (кривые 1 и 2 на сталлитов 2 mm показывает, что граничное рассеяние не рис. 3 соответственно). Коэффициент теплопроводности оказывает какого-либо заметного влияния на величину поликристаллических образцов, подвергнутых дополни- в исследованной области температур.

тельно деформации и рекристаллизации (образцы 3 и 4), Рассмотрим теперь дислокационную структуру истакже имеет анизотропию в зависимости от направления следованных образцов. Известно, что рост кристаллов теплового потока через образец.

соединений группы A2B6 происходит посредством мехаРассмотрим возможные компоненты, вносящие вклад низма винтовых дислокаций, направление оси которых в общую теплопроводность исследованных образцов.

совпадает с направлением роста кристалла [8], поэтому Поскольку электросопротивление ZnSe велико, вклад и исследованные образцы содержат винтовые дислокаэлектронной компоненты в теплопроводность образцов ции с преимущественной ориентацией в направлении пренебрежимо мал. Ввиду оптической прозрачности роста кристаллов.

ZnSe можно было ожидать наличия в нем переноса Тепловое сопротивление кристаллической решетки W, тепла электромагнитным излучением. Нами проведена связанное с рассеянием фононов на дислокациях, согласоценка величины фотонной составляющей теплопроно [9], можно представить в виде водности в исследованных образцах по формуле phot Генцеля [4]. При расчетах использованы значения Wd = kL sin, (2) phot коэффициента поглощения, вычисленные из экспериментальных данных о прозрачности исследованных образ- где L — длина дислокации, — сечение рассеяния цов. Значения коэффициента преломления взяты из ра- дислокации, — угол между осью дислокации и гработы [5]. Оценка показала, что вклад в низкотемпе- диентом температуры, k — константа для определенной phot частоты фононов. Из (2) следует, что рассеяние фоноратурной области измерений не существен, а при 300 K составляет 2%, при 400 K — 6% от общей теплопро- нов дислокациями уменьшается при уменьшении угла между градиентом температуры и осью дислокации. При водности. Таким образом, в исследованном интервале температур перенос тепла в кристаллах ZnSe осуще- проведении измерений поликристаллические образцы ZnSe ориентировались таким образом, что направление ствляется в основном колебаниями кристаллической винтовых дислокаций, возникших в процессе роста обрешетки; учитывать вклад в образцов необходимо phot разцов, совпадало с направлением теплового потока (облишь в области 300-400 K.

Поскольку исследованные образцы ZnSe имеют куби- разец 1) или было перпендикулярно тепловому потоку ческую структуру, наблюдаемую в эксперименте в низ- (образец 2). Коэффициент теплопроводности образца 1, котемпературной области измерений, анизотропию в котором ориентация дислокаций совпадает с направневозможно объяснить анизотропией упругих свойств лением теплового потока, больше, чем образца 2, кристаллической решетки. Анизотропию в исследо- в котором оси дислокаций и тепловой поток перпендикуванных образцах поликристаллического ZnSe можно лярны друг другу. Таким образом, наличие анизотропии пытаться объяснить наличием преимущественного на- коэффициента теплопроводности поликристаллическоправления межкристаллитных границ и наличием в об- го ZnSe можно связать с наличием в нем дислокаразцах ориентированных дислокаций. Для выяснения ций, ориентированных в направлении роста кристалла.

роли границ в рассеянии фононов и снижении в по- Тепловое сопротивление, обусловленное дислокациями, ликристаллическом ZnSe рассчитана длина свободного определено по экспериментальным значениям теплового пробега фононов этого материала. Решеточная тепло- сопротивления обрзазцов 1 и 2: Wd = W2 - W1, где W1 — проводность диэлектриков, согласно кинетическому тепловое сопротивление образца 1, а W2 —образца 2.

ph соотношению Дебая, равна Для исследованных образцов ZnSe в интервале температур 80-400 K Wd оказалось постоянным.

В поликристаллах ZnSe, подвергнутых дополнительно = Cvvl, (1) ph деформации и рекристаллизации, уменьшается одинагде Cv — объемная теплоемкость кристалла, v — ково как в образцах, в которых направления теплового средняя скорость звука, l — средняя длина свободного потока и деформирующего напряжения совпадают, так пробега фононов. Экспериментальные данные селе- и в образцах, в которых эти направления взаимно ph нида цинка позволяют по формуле (1) оценить вели- перпендикулярны. Следовательно, деформация создает чину средней длины свободного пробега фононов при в кристалле дефекты, которые уменьшают теплопроводразличных температурах. Необходимые при расчетах l ность вне зависимости от направления теплового потока Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Теплопроводность поликристаллического селенида цинка Изменение наклона W (T ), связанное с изменением вклада LA- и TA-фононов в теплоперенос, наблюдалось в однотипном с ZnSe соединении ZnS при температуре, когда возбуждены все TA-фононы, а число LA-фононов продолжает расти с ростом температуры [11]. Из фононного спектра ZnSe [12] следует, что для ZnSe аналогичное изменение доли LA-фононов в теплопереносе должно произойти в области 100-250 K. Однако, как видно из рис. 4, наклон зависимости W (T ) в этой области температур не претерпевает изменений. Отсутствие особенностей на зависимости W (T) исследованных образцов при T < 270 K становится понятным, если рассмотреть величину 2/3 для LA и TA фононных ветвей. Используя значения и из работы [12], мы определили, что величина 2/3 отличается для TA и LA ветвей ZnSe в 1.2 раза. Ввиду этого в ZnSe участие дополнительного числа LA фононов в теплопереносе не изменяет величину B заметным образом в отличие от ZnS, где отношение 2/3 для TA и LA ветвей отличается более чем в 3 раза.

При 280 K в ZnSe полностью возбуждены TA и LA фононные ветви (для TA и LA фононных ветвей равна 101 и 280 K соответственно [12]). В этой области температур начинают возбуждаться оптические фононы, Рис. 4. Температурная зависимость теплового сопротивления для которых характеристические температуры попереч-решетки (W = ) поликристалла ZnSe (образец 1).

ph ных и продольных ветвей соответственно равны и 330 K [12]. Оптические фононы, имеющие малую дисперсию, не вносят заметного вклада в теплоперенос.

Поскольку энергетический зазор между акустическими через образец относительно деформирующего напряи оптическими ветвями ZnSe незначителен, возможжения. Анизотропия же коэффициента теплопроводноно рассеяние акустических фононов оптическими, что сти относительно направления роста поликристалла, может являться причиной повышения теплового сосохраняется и после деформации и рекристаллизации, противления решетки и увеличения наклона зависимочто можно считать свидетельством сохранения преимусти W (T) исследованных образцов в области темперащественной ориентации дислокаций и после процесса тур T > 270 K.

деформации и рекристаллизации образцов.

Pages:     || 2 |



© 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.