WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 6 Гистерезисный гальвано-механический эффект при процессах заряда-разряда ионисторных структур © М.Е. Компан, В.П. Кузнецов, В.В. Розанов, А.В. Якубович Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия ОАО „НИИ Гириконд“, Санкт-Петербург, Россия Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия Лицей Физико-техническая школа при Физико-техническом институте Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 30 июня 2003 г.

В окончательной редакции 23 сентября 2003 г.) Обнаружен эффект изменения размеров ионисторной конденсаторной структуры при процессах накопления-рассасывания на ней электрического заряда. Особенностью данного эффекта, отличающего его от других известных эффектов изменения размеров под действием электрических и магнитных полей (пьезоэффекта и стрикций), является полный гистерезис, т. е. сохранение размера, достигнутого при воздействии, после снятия этого воздействия.

Продвижение техники и технологии в область суб- дополнительную прослойку металла; анод, из материмикронных и нанометровых размеров диктует в том ала которого уходят катионы, изменяет свой размер относительно слабо, поскольку, во-первых, относительчисле необходимость в точно контролируемых методах и ное измерение концентрации катионов в суперионном устройствах для перемещений инструментов и объектов в соответствующем пространственном масштабе. В на- материале остается малым, а во-вторых, размер композиционного анода стабилизируется угольным каркасом.

стоящее время эти функции практически исключительно В итоге процесс заряда (разряда) должен приводить реализуют с помощью пьезоэлектрических движителей, к увеличению (уменьшению) суммарного размера. Факконструкции которых достигли значительного совертически механическое действие процесса заряда/разряда шенства в последнее десятилетие в связи с развитием ионистора обусловлено тем, что электрический ток чеметодов сканирующей зондовой микроскопии, наприрез суперионик одновременно является процессом гальмер [1]. Альтернативные методы реализации управляванического массопереноса. В соответствии с природой емых субмикронных перемещений могут предоставить этого процесса отключение управляющего тока оставлядополнительные технологические возможности.

ет неизменной новообразованную металлическую проВ настоящей работе сообщается об обнаружении слойку на катоде, и размер структуры остается таким, эффекта изменения размеров, который возникает при каким он был в момент окончания воздействия. Как слепроцессах заряда–разряда конденсаторных структур на дует из модели процесса, изменение размера структуры основе суперионных проводников (ионисторов). Эффект формально определяется накопленным на ней зарядом, имеет понятную физическую природу, он наблюдается т. е. пропорционально интегралу от протекшего тока при приложении низких напряжений к ионисторной управления. Именно этот момент качественно отличает структуре и существенно отличается от широко исионисторную структуру как движитель от известных пользуемого пьезоэффекта тем, что достигнутый при устройств, работающих на основе других эффектов.

воздействии размер сохраняется при снятии электричеКроме того, по сравнению с другими возможными ского питания (управляющего сигнала) с ионисторной устройствами на основе гальванического массопереноса структуры.

устройство на основе твердых материалов должно быть Ионистор — устройство для обратимого накопления более удобным и надежным и функционировать в широзаряда, использующее суперионный материал. Ионистор ком диапазоне температур.

состоит из трех слоев: композиционного анода (взаПри практической реализации идеи приходилось учиимопроникающая композиция активированный уголь– тывать, что наиболее технически освоенный суперионсуперионик), суперионной прослойки (RbAg4I5), блокиный материал RbAg4I5 нестоек в условиях обычной рующей протекание через структуру электронной коматмосферы и освещения. Поэтому эксперименты пропоненты тока, и металллического катода. В процесводились с ионисторными структурами, инкапсулиросе зарядки при подаче напряжения соответствующей ванными в тонкую металлическую оболочку, подобную полярности катионы серебра уходят от гетерограницы оболочке часовых батареек. Высота и диаметр использоуголь / суперионный проводник и восстанавливаются на вавшегося в опыте инкапсулированного элемента состаотрицательно смещенном катоде до металлического се- вили 3.5 и 23 mm соответственно. Опыты проводились ребра [2]. Осаждающийся на катоде материал образует при комнатной температуре. Предварительно эффект Гистерезисный гальвано-механический эффект при процессах заряда-разряда ионисторных... (тока заряда/разряда) в процессе сканирования микроскопом верхней поверхности инкапсулированной структуры. В результате микроскоп фиксировал кажущийся сложный профиль поверхности, являвшийся отражением динамического изменения размеров. На рис. 2 внизу приведен один из таких профилей, а в верхней части рисунка показан профиль поверхности, регистрируемый в том случае, когда управляющее воздействие не подается. Наблюдающиеся продольные углубления на верхнем профиле — методические искажения, вызванные предшествующим проходом кантиливера над значительными локальными возвышениями.

На рис. 3 вверху показан график тестовой токовой последовательности, а в нижней части рисунка приведено сечение поверхности (подобной той, что показана Рис. 1. Схема эксперимента.

на рис. 2), которая получена при данном токовом воздействии. Из графика ясно видно, что размер ионисторной структуры действительно является функцией интеграла тока управления. На рис. 2 и 3 также видно, что в периоды отсутствия подачи управляющего сигнала (например, участки A, B) размер структуры не изменяется. Сравнение рис. 2 и 3 убеждает, что некоторый наблюдающийся наклон на этих участках обусловлен изначальным профилем поверхности.

Рис. 2. a — участок поверхности, регистрируемый AFM, при подаче управляющего воздействия на ионисторную структуру.

b — реальный профиль того же участка, регистрируемый в отсутствие воздействий (уменьшено).

изменения размеров был обнаружен интерференционными изменениями. Поскольку наибольший интерес представляла проверка способности ионисторных структур управляемо и обратимо обеспечивать весьма малые изменения размеров, а также возможность сохранения размера при отключении питания, основная часть экспериментов проводилась при малых управляющих воздействиях. Для измерений изменения размеров использовался атомно-силовой микроскоп (AFM).

Схема эксперимента приведена на рис. 1. AFM „СМЕНА“ работал в полуконтактном (теппинговом) Рис. 3. a — тестовая токовая последовательность, использорежиме. Поскольку атомно-силовой микроскоп не рававшаяся для получения рельефа на рис. 2. b — одно из сечеботает непосредственно в режиме измерения разме- ний профиля поверхности, показанной на рис. 2. Буквами A, B ров, в эксперименте использовалась подача управления указаны участки отсутствия управляющего тока.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1080 М.Е. Компан, В.П. Кузнецов, В.В. Розанов, А.В. Якубович Исследовавшиеся образцы имели коэффициент пре- Авторы выражают благодарность предприятию образования размер/заряд в интервале 200-100 nm/C, „NT–MDT“ за предоставление cканирующего атомнов том числе было отмечено, что коэффициент пре- силового микроскопа для лаборатории Лицея ФТШ.

образования заряд-размер заметно выше для малых управляющих токов. Точность измерений ограничиваСписок литературы лась возможностями данной модели AFM „СМЕНА“ и шероховатостью поверхности. В первых экспериментах [1] A. Achuthan, A.K. Keng, W.C. Ming. Smart Materials and было обнаружено, что негладкость материала капсуStructures 10, 5, 914 (2001).

лы не позволяет реализовать возможности имевшегося [2] Ю.Я. Гуревич, Ю.И. Харкац. Суперионные проводники.

AFM, и далее эксперименты проводились по поверхноНаука, М. (1982). 316 с.

сти дополнительно нанесенного на капсулу стеклянного [3] Ю.М. Гербштейн, В.П. Кузнецов, С.Е. Никитин. ФТТ 27, 12, покрытия. Как видно из рис. 2, в этом случае дефекты 2996 (1985).

поверхности все равно наблюдаются, однако достаточно точные измерения изменений размеров становятся возможными.

Хотя природа эффекта в целом ясна, численная оценка ожидаемого эффекта и величина, полученная экспериментально, расходятся. Химическая природа выделяющегося материала не вызывает сомнения, это может быть только серебро, ионы которого являются носителями заряда в RbAg4I5. Оценим толщину новообразованной прослойки (d), которая должна быть в случае, если бы она была образована обычным металлическим серебром. Из элементарных формул электролиза получаем d = µIt/Na eS, (1) где µ — атомный вес серебра; It — заряд, накопленный на ионисторе; — плотность металлического серебра;

Na — число Авогадро; e — заряд электрона; S — площадь катода. Подстановка численных значений в (1) для катода 20 mm дает величину порядка 340 nm/C.

Полученное экспериментально численное значение коэффициента преобразования заряд/размер составило, как указывалось, 200-100 nm/C.

Такое расхождение не может быть оставлено без объяснения. Обнаруженная несогласованность величин означает, что процесс массопереноса в твердотельной композиционной структуре более сложен, чем можно предполагать исходя из элементарной модели электролиза. В нашем случае причиной несколько меньшей величины эффекта по сравнению с оценкой может быть частичное выделение металла в микро- и нанопоры при осаждении его на катоде. Такое поведение осаждаемого материала в системах, подобных исследуемой, известно и изучалось ранее [3]. Кроме того, для точной оценки изменения размеров ионисторной структуры необходимо учитывать вклад уменьшения размеров анода и влияние оболочки. Детали эффекта представляют интерес для дальнейшего исследования.

Итогом работы является обнаружение эффекта изменения размера ионисторной структуры при процессах перезарядки. Характерным отличием является сильная гистерезисность эффекта, т. е. сохранение размера структуры при снятии управляющего напряжения. Такой гистерезисный гальвано-механический эффект предоставляет новые функциональные возможности для создания нанометровых механических приборов и устройств.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.




© 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.