WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 4 Влияние импульсного магнитного поля на реальную структуру твердых растворов в системе Sb–As © М.Н. Левин, Г.В. Семенова, Т.П. Сушкова, В.В. Постников, Б.Л. Агапов Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия E-mail: levin@lev.vsu.ru (Поступила в Редакцию 26 июня 2002 г.

В окончательной редакции 20 августа 2002 г.) Впревые исследовано воздействие слабых импульсов магнитных полей (ИМП) на кристаллы твердых растворов Sb1-xAsx. Обнаружен эффект долговременного (месяцы) перераспределения компонентов твердого раствора при комнатной температуре после кратковременного (секунды) воздействия ИМП, включающий этапы обогащения поверхности кристалла сурьмой с образованием кластеров, распада кластеров сурьмы и снижения ее содержания на поверхности с существенным повышением однородности твердого раствора.

Индуцированное ИМП перераспределение компонентов сопровождается понижением температуры плавления кристалла. В качестве возможного стартового механизма эффекта рассматривается разрыв напряженных химических связей в комплексах вакансий мышьяка в результате изменения их мультиплетности при воздействии ИМП.

Известно, что в бинарной системе Sb–As образуется сурьма марки Су-000 и мышьяк ОСЧ-9-5, дополнительно непрерывный ряд твердых растворов с минимальной очищенный от оксидов вакуумной сублимацией. Синтез точкой [1]. Термодинамический анализ, проведенный проводился однотемпературным методом в толстостенв [2] на основании тензометрических данных, показал, ных кварцевых ампулах, вакуумированных до остаточчто при низких температурах имеет место тенденция ного давления 5 · 10-4 Pa. Для гомогенизации твердых к распаду твердого раствора. Однако экспериментальнорастворов и устранения внутрикристаллитной ликвации го подтверждения наличия гетерофазной области в этой проводились направленная кристаллизации слитка и отсистеме получено не было. До настоящего времени жиг в течение 100 h при температуре 823 K. Полученные не была установлена и возможность распада твердых сплавы имели крупноблочную структуру. Исследовались растовров в системе Sb–As за счет каких-либо внешних образцы рамером 5 4 4 mm, вырезанные из центральвоздействий.

ной части одного и того же кристалла.

С другой стороны, ранее неоднократно сообщалось Обработка образцов ИМП проводилась при T = 300 K об уникальной способности слабых (< 1T) импульсных в низкоиндуктивном соленоиде, через который периодимагнитных полей (ИМП) воздействовать на реальную чески разряжалась батарея конденсаторов. Воздействие структуру твердых тел и характер протекающих в них осуществлялось серией из 3000 симметричных треугольпроцессов [3–5]. В частности было обнаружено, что ных импульсов с амплитудой B = 0.3 T, длительностью кратковременные воздействия ИМП инициируют дол = 3 · 10-5 s и частотой следования f = 50 Hz. Обраговременный низкотемпературный распад твердого расботанные образцы между контрольными измерениями твора кислорода в кристаллах кремния, выращенных по хранились при T = 300 K вместе с образцами, не подметоду Чохральского (Cz -Si), приводящий к радикальновергавшимися обработке ИМП.

му изменению всей микроструктуры кристаллов [6].

Исследования воздействия ИМП на кристаллы Указанные выше обстоятельства определили интерес к выяснению возможности возникновения структурных Sb1-xAsx проводились методами рентгеноспектрального изменений в твердых растворах Sb1-x Asx, в результате микроанализа, сканирующей электронной микроскопии воздействия ИМП.

и дифференциально-термического анализа.

Целью настоящей работы является исследование влиМетодом рентгеноспектрального микроанализа исяния ИМП на стабильность и реальную структуру следовалось распределение химических элементов по твердых растворов в системе Sb–As.

поверхности образца. Исследования проводились в растровом электронном микроскопе CamScan S4 с системой рентгеновского энергодисперсионного анали1. Методика эксперимента за Link AN10 / 55S. Планарное распределение элементов определялось в приповерхностном слое толщиной Исследования проводились на кристаллах твердого раствора Sb0.8As0.2, состав которого отвечает мини- 1 µm по характеристическому рентгеновскому излумальной точке на фазовой диаграмме системы сурьма– чению, возбуждаемому при сканировании поверхности мышьяк. В качестве исходных компонентов при по- образца электронным пучком. В том же растровом элеклучении кристаллов твердого раствора использовались тронном микроскопе CamScan получали микроэлектрон3 610 М.Н. Левин, Г.В. Семенова, Т.П. Сушкова, В.В. Постников, Б.Л. Агапов Рис. 1. Планарное распределение элементного состава приповерхностного слоя образца Sb0.8As0.2: до (a), через 5 (b) и через 100 дней (c) после воздействия ИМП. Sb показан черным, As — белым, твердый раствор Sb–As (соизмеримая концентрация элементов) — серым. Размер изображения 500 500 µm.

ные изображения поверхности исследуемых образцов до Процентное содержание скоплений Sb, As и твердого и после воздействия ИМП. раствора Sb0.8As0.2 в приповерхностном слое ( 1 µm) кристалла в различные моменты времени после воздейДифференциально-термический анализ проводился ствия ИМП приведено в таблице.

по стандартной методике на приборах типа ФРУ-и НТР-75. По данным таблицы максимальная концентрация свободной сурьмы, выделившейся в кластеры, наблюдалась через 5 суток после воздействия ИМП, после чего кон2. Результаты эксперимента центрация сурьмы монотонно снижалась почти на порядок до значения, которое существенно ниже исходного.

Результаты исследования образцов Sb0.8As0.2 методом Рентгеноспектральные исследования сопровождались рентгеноспектрального микроанализа представлены на измерениями температуры плавления контрольных обрис. 1.

разцов, приготовленных из тех же слитков.

Исходное распределение элементов показано на Было обнаружено, что воздействие ИМП приводит рис. 1, a. Отметим, что мышьяк, будучи летучим компок заметному уменьшению температуры плавления обнентом бинарной системы, скапливается в процессе синразцов в процессе индуцированного ИМП перераспретеза кристаллов в дефектных областях, которые хорошо деления элементов. Следует отметить, что плавление видны на электронно-микроскопических изображениях сплава состава, соответствующего минимальной точтого же участка образца на рис. 2, a.

ке на фазовой диаграмме (азеотроп), происходит не Кратковременное (секунды) воздействие ИМП на крив интервале температур, как для твердых растворов, сталлы Sb0.8As0.2 инициирует долговременное (тысячи а при фиксированном ее значении (878 ± 3K). После часов при T = 300 K) пространственное перераспредеобработки ИМП температура фазового перехода пониление компонентов твердого раствора. На первом этапе жалась на 25-30 K, однако спустя 300-350 h темперапроисходит обогащение поверхности кристалла сурьмой туры плавления обработанного и контрольного образцов с выделением ее в отдельные кластеры (рис. 1, b, 2, b).

становились практически одинаковыми.

На втором этапе имеет место обратный процесс — растворение образовавшихся кластеров сурьмы (рис. 2, c) и снижение ее содержания в приповерхностном слое 3. Обсуждение результатов (рис. 1, c, 2, c).

Совокупность полученных экспериментальных результатов сводится к следующему. Кратковременное (секунОтносительное содержание мышьяка, сурьмы и твердого расды) воздействие слабых ИМП на кристаллы твердых твора (%) в приповерхностном слое образца Sb0.8As0.растворов Sb1-x Asx приводит к долговременному (тысячи часов при T = 300 K) перераспределению компоВремя после воздействия ИМП, сутки Компо- До воздейстнентов с последовательными этапами обогащения принент вия ИМП 5 10 50 поверхностного слоя кристалла сурьмой с образованием кластеров; распада кластеров сурьмы и снижения ее As 2.1 2.6 1.2 1.6 0.Sb 31.5 42.6 34.6 12.1 4.4 содержания на поверхности кристалла с существенным Sb + As 66.4 54.8 64.2 86.3 95.повышением однородности твердого раствора Sb1-x Asx.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Влияние импульсного магнитного поля на реальную структуру твердых растворов в системе Sb–As Поскольку представленные выше результаты получены впервые и количественные зависимости эффекта от параметров воздействия еще не установлены, на данном этапе исследований возможна лишь качественная интерпретация обнаруженного эффекта.

Сразу отметим, что для использовавшихся ИМП выполняется условие µnB kT (где µn — магнетон Бора, B — индукция магнитного поля), т. е. изменение энергии электрона в магнитном поле за счет эффекта Зеемана пренебрежимо мало по сравнению с кинетической энергией теплового движения, приходящейся на одну степень свободы электрона. Другими словами, энергетическое воздействие ИМП пренебрежимо мало и не может быть причиной наблюдавшихся эффектов.

Напряженность электрического поля, индуцируемого магнитными импульсами, по ранее делавшимся оценкам [5] не превышает 5 · 103 V / m, что также недостаточно для радикальных изменений структуры кристалла.

Согласно имеющимся в настоящее время модельным представлениям, воздействие слабых магнитных полей на формирование и разрыв химических связей имеет спиновую природу. Такие представления, первоначально развитые для объяснения влияния магнитного поля на кинетику радикальных реакций в жидкой фазе [6,7], позднее были успешно использованы для объяснения магнитопластического эффекта (открепления дислокаций от парамагнитных стопоров) в диамагнитных кристаллах [8].

Представления о спин-зависимых процессах индуцированного ИМП распада примесно-дефектных комплексов с высвобождением быстродиффундирующих точечных дефектов рассматривались ранее для интерпретации долговременных изменений параметров гетероструктур Si–SiO2, подвергнутых воздействию ИМП [9].

Эффекты воздействия ИМП на кристаллы твердого раствора Sb–As предлагается интерпретировать с учетом неизбежного присутствия собственных дефектов.

Концентрация вакансий в кристалле зависит от условий его синтеза, но всегда превышает термодинамически равновесную. Учитывая меньшие по сравнению с атомами сурьмы размеры атомов мышьяка и высокую летучесть этого компонента, можно предположить наличие избыточного количества вакансий мышьяка в структуре сплава Sb1-x Asx. Известно, что присутствие Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения поверхновакансий в кристалле энергетически более выгодно не сти кристалла Sb0.8As0.2: до(a), через 5 (b) и через 100 дней (c) в изолированном состоянии, а в составе вакансионных после воздействия ИМП. Участок образца соответствует предкомплексов [10].

ставленному на рис. 1.

Воздействуя на спины электронов, участвующих в образовании напряженных связей в исходных вакансионОбнаруженные структурные изменения сопровождаются ных комплексах, ИМП способствует ослаблению этих временным понижением температуры плавления кри- связей, что в свою очередь может привести к распаду сталлов. части исходных вакансионных комплексов с высвобоТаким образом, объяснения требуют наблюдавшиеся ждением высокоподвижных одиночных вакансий. Обраэффекты обогащения поверхности кристалла Sb1-xAsx зовавшиеся вакансии мигрируют к стокам, основным сурьмой и последующая гомогенизация твердого раство- из которых является поверхность кристалла. Диффузия ра, сопровождающиеся временным понижением темпе- вакансий мышьяка к поверхности эквивалентна „залературы его плавления. чиванию“ их в объеме кристалла атомами мышьяка, 3 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 612 М.Н. Левин, Г.В. Семенова, Т.П. Сушкова, В.В. Постников, Б.Л. Агапов диффундирующими навстречу своим вакансиям с поверхности. Уход атомов мышьяка в глубь кристалла приводит к обогащению приповерхностного слоя вторым компонентом твердого раствора — сурьмы. При этом в образце устанавливается равновесная концентрация вакансий, соответствующая температуре наблюдения.

Далее следует диффузия атомов сурьмы из областей ее повышенной концентрации в глубь кристалла и установление распределения компонентов, более равномерного по сравнению с исходным.

Происходящие в результате воздействия ИМП ослабление и разрыв связей в вакансионных комплексах с последующей потерей диффузионной устойчивости кристалла естественным образом объясняют временное понижение температуры плавления кристалла, наблюдавшееся во время протекания диффузионных потоков компонентов, составляющих твердый раствор.

Список литературы [1] М. Хансен, К. Андерко. Структуры двойных сплавов. Мир, М. (1962).

[2] Я.А. Угай, Е.Г. Гончаров, Г.В. Семенова, В.Б. Лазарев. Фазовые равновесия между фосфором, мышьяком, сурьмой и висмутом. Наука, М. (1989).

[3] Г.И. Дистлер, В.М. Каневский, В.В. Москвин. ДАН СССР 268, 3, 591 (1983).

[4] Yu. I. Golovin, R.B. Morgunov. Chem. Rev. 23, 23 (1998).

[5] М.Н. Левин, Б.А. Зон. ЖЭТФ 111, 4, 1373 (1997).

[6] Я.Б. Зельдович, А.Л. Бучаченко, Е.Л. Франкевич. УФН 155, 1, 3 (1988).

[7] U.E. Steiner, T. Ulrich. Chem. Rev. 89, 51 (1989).

[8] М.И. Молоцкий. ФТТ 33, 10, 3112 (1991).

[9] M.N. Levin, V.M. Maslovsky. Solid State Commun. 90, 12, 813 (1994).

[10] С.В. Булярский, В.И. Фистуль. Термодинамика и кинетика взаимодействующих дефектов в полупроводниках. Наука, М. (1997).




© 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.