WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 1 05;06;10;12 Проводимость ударносжатого канала пленочной МДМ-структуры в режиме стационарного свечения © Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, Н.Л. Богоявленский Самарский государственный аэрокосмический университет им. ак. С.П. Королева, 443086 Самара, Россия e-mail: semkin@ssau.ru (Поcтупило в Редакцию 23 января 2006 г.) Приведены результаты экспериментов по воздействию частиц на пленочные МДМ-структуры (металл-диэлектрик-металл) с помощью электростатического ускорителя. Проведено дальнейшее исследование эффекта стационарного свечения ударносжатого проводящего канала. Рассчитана температура ударносжатого канала, получены ионные спектры масс материалов и сквозная проводимость МДМ-структуры. Показаны перспективы использования результатов в различных областях техники.

PACS: 81.05.-t Исследуемые структуры металл-диэлектрик-металл датчики 4–8, фотоэлектронные умножители (ФЭУ) 9 (МДМ) находят широкое применение в фундаменталь- и 11, вторичноэлектронный умножитель (ВЭУ) 10, ных областях астрофизики, космохимии и ряде приклад- запоминающие осциллографы 12, пылеударный массных задач [1–3]. спектрометр 13. Люминесцентно-конденсаторный датВ [4,5] были приведены некоторые соотношения для чик состоит из стеклянной подложки 4, люминофора 5, пленочной МДМ-структуры, находящейся в ударносжа- медной обкладки 6, диэлектрической пленки 7, верхней том состоянии, а также результаты ударных эксперимен- обкладки конденсатора 8.

тов с помощью импульсного лазера. Изучение электроВспышка, возникающая в момент высокоскоростного проводности ударносжатых МДМ-структур проводилось взаимодействия в материале люминофора, регистрируавторами [6] путем совместного решения систем уравнеется с помощью ФЭУ (9, рис. 1). Импульсные сигнаний гидродинамики и электродинамики. При проведении лы Us (с МДМ-структуры) и Upmt (с ФЭУ) поступают ударных экспериментов с помощью электростатического на осциллограф 12. Информация с люминесцентного ускорителя авторами [7] был обнаружен эффект стациодатчика и системы регистрации 2, 3, 12 необходима для нарного свечения канала проводимости ударносжатого диэлектрика МДМ-структуры. Эффект свечения ударносжатого канала возникает при напряженности электрического поля, приложенного к МДМ-структуре, выше 2 · 106 V · cm-1 и воздействии на нее частицы из алюминия массой (1-5) · 10-14 g со скоростью2-10 km/s-1.

Было отмечено, что интенсивность свечения канала проводимости определенным образом связана с подаваемым на конденсатор напряжением, сопротивление канала проводимости составляет 104-106, а ток через канал — 10-4-10-3 A.

С помощью известных теорий электропроводности твердых диэлектриков указанный эффект авторам [4] объяснить не удалось. В данной работе экспериментально рассмотрено влияние электрического поля, приложенного к исследуемой МДМ-структуре, на процессы возникновения вспышки и вторично-заряженных частиц (ионов, электронов), изменения электропроводности органических и неорганических диэлектриков при высокоскоростном соударении, а также приведен расчет температуры светящегося канала проводимости в стационарном режиме.

Эксперименты выполнялись с помощью экспериментальной установки, представленной на рис. 1 и содержащей электростатический ускоритель 1, цилиндр Фарадея 2, усилители 3, люминесцентно-конденсаторные Рис. 1. Блок-схема экспериментального стенда.

86 Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, Н.Л. Богоявленский определения характеристик (скорость, масса) взаимодействующей с МДМ-структурой частицы. Изготовленные образцы МДМ-структур используют в качестве диэлектрика пленки полиметилметакрилата, полученные методом полимеризации в ВЧ-разряде в вакууме, МДМ-структуры нанесены на защитную пленку 6 люминофора 5. В целом, такая многослойная мишень является полубесконечной преградой с точки зрения высокоскоростного удара. В режиме стационарного свечения регистрируются сквозной ток через МДМ-структуру и свет фотоэлектронным умножителем 11.

На рис. 2 показана экспериментальная зависимость сквозного тока Is через МДМ-структуру и напряжения фотоэлектронного умножителя Upmt, от подаваемого на нее напряжения Us. Характеристики снимались в Рис. 3. Зависимость зарядов элементов ударносжатого канала диапазоне напряжений 0-400 V в прямом и обратном проводимости от напряжения на МДМ-структуре.

направлениях.

Характеристики обладают достаточно высокой линейностью и повторяемостью. При напряжении более 400 V происходит электрический пробой МДМТаким образом, путем выбора материалов диэлекструктуры. При этом резко повышается (более чем трика, частицы и верхней обкладки структуры можно на порядок) количество ионов, регистрируемых ВЭУ, получать каналы проводимости с различными свойстваи интенсивность света (вспышки). На рис. 3 предми. Температура ударносжатого канала проводимости в ставлены зависимости зарядов различных элементов, режиме стационарного свечения зависит от геометрии, присутствующих в проводящем канале МДМ-структуры, материалов частицы и МДМ-структуры. Знание темпеот напряжения на конденсаторе. Из экспериментов [2] ратуры ударносжатого канала проводимости позволяет известно, что материал ударяющей частицы остается в понять некоторые его свойства.

кратере мишени (в рассматриваемом случае в канале При ударном воздействии частицы температура в зоне проводимости МДМ-структуры в диапазоне скоростей контакта нагревает верхнюю обкладку и диэлектрик кончастиц 0.5-15 km/s-1).

денсатора (МДМ-структуры). При этом увеличивается На рис. 3 видно, что количество эмитируемых с количество свободных носителей (электроны, ионы) в нагретой поверхности ионов H, O, K, C, Al, Na, He области ударносжатого канала проводимости диэлекувеличивается с повышением напряжения. Также наблютрика, а приложенная энергия электрического поля к даются ионы алюминия, принадлежащие как частице, так МДМ-структуре превращает кратковременный процесс и верхней обкладке МДМ-структуры (Al).

взаимодействия в стационарный режим свечения, при При соударении частицы хрома (Cr) с поверхности котором в канале проводимости выделяется энергия МДМ-структуры с помощью времяпролетного масспорядка 10-2... 0.5W, что является достаточным, учиспектрометра 13 (рис. 1) наблюдались ионы Cr и также тывая низкую теплопроводность диэлектрика и малые ионы O, K, Na, H, C.

геометрические размеры канала, для того чтобы нагреть ударносжатый участок диэлектрика до температуры порядка 500-1000C.

Для нахождения температуры ударносжатого канала проводимости рассмотрим случай стационарного теплообмена в МДМ-структуре, изображенной на рис. 4.

Она состоит из верхней алюминиевой обкладки 1, диэлектрика 2 (полиметилметакрилата), нижней медной обкладки 3, регистратора 4. При соударении частицы с обкладкой 1 образуется кратер, а в диэлектрике распространяется ударная волна, энергия которой совместно с энергией электрического поля, приложенного к конденсатору, переводит диэлектрик в полупроводящее состояние.

Исследование стационарного теплообмена в ударносжатой МДМ-структуре, как и любой метод исследоваРис. 2. Зависимость сквозного тока ударносжатой МДМ- ния теплофизических свойств различных классов матеструктуры от напряжения. риалов, основано на решении дифференциального уравЖурнал технической физики, 2007, том 77, вып. Проводимость ударносжатого канала пленочной МДМ-структуры в режиме стационарного свечения тогда dT 2 = SB(T(Z)- T0) T(Z =0)+ T0 T(Z=0)+ T0, (6) dZ Z= T0d = SBT0 T0(2 + )T02 (1 + )2 + 1. (7) dd =Отсюда следует, что d = H =0, d =где SBdTH =0= (2 + ) (1 + )2 + 1. (8) На подложке (3, рис. 4) d Рис. 4. Общий вид МДМ-структуры.

= -, d =где = d/.

нения теплопроводности при определенных начальных и Окончательно уравнение теплопроводности запишем в граничных условиях. Так как исследуемый процесс яввиде ляется стационарным, то уравнение устанавливает связь 1 d d d (, t)E2d + = - (9) между пространственными изменениями температуры T.

d d d TУравнение теплопроводности запишем в виде с граничными условиями (, t)Ed d 2T = -, (1) = H, = -. (10) d =0 d =где 2T — температурный поток, E — напряженность После ряда преобразований получим выражение для электрического поля, — коэффициент теплопроводнотемпературы в виде сти материала, (, t) — проводимость материала:

E2d0e-U/kT, (, z ) =C2 cos(µ1z + 1) ABC. (11) (, t) =, (2) T0, > Здесь cos(µ1z + 1) — базисная функция, где 0 — проводимость материала без внешнего воздействия, U — энергия активации (eV), k — коэффициент H = - arctg, Больцмана, — координата (рис. 4).

µ Краевые условия имеют вид где — фаза базисной функции, µ — собственное dT 4 значение базисной функции, C — нормировочный ко = SB T(Z=0) - T0, (3) dZ Z=эффициент, dT = (TS - T ), (4) A = sin (µ1 + 1) - sin 1, dZ Z=d где — коэффициент черноты, SB — постоянная Стефана-Больцмана, — коэффициент теплоотдачи, B = K0(µ1, ) d I0(µ1, ) ( ), TS — температура подложки, T0 — температура окружающей среды, d — толщина диэлектрика МДМ-струк туры, — координата.

Перейдем к другой системе координат C = I0(µ1, ) d K0(µ1, ) ( ), (12) =, = d. (5) где индекс „1“ относится к первому члену ряда.

d Выражение (11) использовалось для следующей модеДля определенности положим ли МДМ-структуры: толщина верхней обкладки (алюT - T0 миний) d1 = 1, толщина диэлектрического слоя (по =, T = T0(1 + ), лиметилметакрилат) d2 = 1, толщина нижней обкладки TЖурнал технической физики, 2007, том 77, вып. 88 Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, Н.Л. Богоявленский что характер зависимости не зависит от напряжения, меняется только абсолютный уровень температуры. По горизонтальной оси температура в соответствии с расчетом находится в пределах 400-1500C в зависимости от приложенной энергии к МДМ-структуре от источника постоянного тока и сопротивления канала, обусловленного процессами диффузии атомов нагретой зоны, верхней обкладки и частицы в зону ударносжатого диэлектрика, а также процессом его деструкции.

Очевидно, что при таких температурах происходят химические изменения внутри диэлектрика с образованием высокотемпературного соединения. Известно [6], что диэлектрическая пленка полиметилметакрилата выдерживает температуры порядка 250-300C, а далее происходит разрушение полимерной структуры и начинают рваться связи O-O, C-C, C-H, O-H. Совместно с процессом диффузии атомов происходит образование нового металлоорганического соединения. При разрывах межатомных связей возможно образование новых химических соединений: Al4C3, Al2O3, Al(OH)3. Молекулы H2, C2, O, могут испаряться с поверхности нагретого Рис. 5. Зависимость температуры светящегося канала от кратера. При взаимодействии частиц из других материрадиуса и координат z (напряжение 100 V). 1 — z = 0, 2 —1, алов могут образоваться другие соединения. Другими 3 —2, 4 —3, 5 —4, 6 —5, 7 —6, 8 —7, 9 —8, 10 —9, 11 —10 µm. Радиус канала 5 µm. словами, при определенных условиях (материалы частицы и МДМ-структуры, напряжения на ней, скорость частицы) высокоскоростного взаимодействия частицы с МДМ-структурой может произойти синтез какого-либо (медь) в одном случае d3 = 50, в другом — 2 µm. Компьхимического соединения, причем его размеры составляютерное моделирование показало, что температура свеют доли и единицы микрон. Из возможных вариантов тящегося канала сильно зависит от его размеров. Чем соединений алюминия (с учетом полученных удельных больше радиус светового пятна, тем ниже температура сопротивлений канала проводимости) расчетные темпеканала (рис. 5), причем внутри канала наблюдается ратуры может выдерживать соединение Al4C3-карбид резкое падение температуры в направлении к медной алюминия. На основании проведенных исследований подложке (рис. 6) в связи с хорошим отводом тепла.

в дальнейшем представляется возможным получение Если же толщину нижней обкладки уменьшить металлоорганических соединений с заранее заданными (d3 = 2), то температура по вертикали будет в 2-3 раза свойствами на малых площадях (менее 1 µm), что мовыше, чем в первом случае (d3 = 50 µm). Установлено, жет, например, найти применение в микроэлектронике.

Условия получения ударносжатого канала проводимости зависят от ряда факторов, основными из которых являются соотношение энергии частицы и электрического поля конденсатора, их геометрии. Результаты использованы при создании датчиков для регистрации и измерения физико-химических свойств мелкодисперсных частиц и микрометеороидов [8].

Полученные ударносжатые каналы проводимости могут использоваться как ячейки памяти, поскольку они в течение длительного времени не меняют свои свойства, а также как преобразователи „напряжение-свет“ (рис. 2). Дальнейшее продолжение исследований ударносжатых МДМ- и МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник) [7] предполагает более детальное изучение процессов химической кинетики в ударносжатых диэлектриках в момент их перехода в новое состояние. Для этого необходимо совместное решение уравнений гидродинамики, электродинамики и химической кинетики. Проводимые исследования ударРис. 6. Зависимость температуры светящегося канала от координаты z (напряжение 100 V). носжатых структур имеют перспективы для различных Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. Проводимость ударносжатого канала пленочной МДМ-структуры в режиме стационарного свечения областей науки и техники, например, при создании пленочных датчиков [8,9] и космического аппарата [10] для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора, получения металлоорганических полупроводниковых соединений с заданными свойствами.

Список литературы [1] Твердые тела под высоким давлением / Под ред. Л.П. Виноградова. М.: Мир, 1966.

[2] Rauser P. // J. Appl. Phys. 1974. Vol. 45. N 11.

[3] Anamu И., Васюкова З.В., Кощеев Б.Л. „Интеркосмос-14“ и сопутствующие наземные наблюдения метеоров // Космические исследования. 1981. Вып. 5.

[4] Семкин Н.Д. // Изв. вузов. Приборостроение. 1986. № 8.

[5] Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Кондрашов В.Н. Исследование характеристик ионизационно-конденсаторного преобразователя пылевых частиц, полученных с помощью импульсного лазера. Препринт ТРИНИТИ 0040-А.

ЦНИИАТОМЙНФОРМ, 1998.

[6] Семкин Н.Д., Воронов К.Е. // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 8.

С. 63–66.

[7] Семкин Н.Д., Семенчук С.М., Юсупов Г.С. // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. Вып. 6.

[8] Semkin N.D., Novikov J.S., Voronov K.E. et al. // Proc.

of Symp. on Environment Modeling for Space-based Application. ESTEC Nordwik. 18-20 Nov. 1996. ESA.

SP-392.

[9] Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Новиков Л.С., Богоявленский Н.Л. // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 2.

С. 123–129.

[10] Bdlakin V.L., Shakmistov V.M., Semkin N.D. et al. // Proc. of the Second Europ. Conf. on Space Debris. ESOC. Darmstadt.

Germany. 17-19 March. 1997. ESASP-393.




© 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.