WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 4 05;12 Исследование изменения субмикрорельефа поверхности медных образцов при пропускании по ним импульсов электрического тока большой плотности © И.П. Щербаков, Д.В. Чураев, В.Н. Светлов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: sherbakov.mhd@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 30 сентября 2003 г.) Проведено экспериментальное исследование изменения субмикрорельефа поверхности медных образцов при прохождении через них импульса электрического тока плотностью больше Jthr. Установлено, что прохождение через образец тока большой плотности приводит к изменению субмикрорельефа полированной поверхности медных образцов и образованию регулярных периодических структур. Показано, что эти структуры образуются вследствие выхода подвижных дислокаций на поверхность образца.

Введение BN — коэффициент электронного увлечения дислокаций.

Для придания металлам нужной формы используется Таким образом, действие силы (1) эквивалентно припластическая деформация. В некоторых случаях плаложению к образцу механического напряжения стическая деформация оказывается невозможной. Тогда применяют дополнительные воздействия на материал. SN = FN/b, Одним из таких методов, находящим уже сейчас широкое практическое применение, является дополнитель- где b — вектор Бюргерса.

ное воздействие на металлический материал электри- В работах [4–6] показано, что приложение механичеческим током плотностью до 100 kA/cm2. Пропускание ского напряжения к образцам из благородных металлов электрического тока через металлические проводники (Cu, Ag и Au) приводит к тому, что на их поверхности сопровождается многочисленными вторичными явлени- образуются субмикродефекты в виде призм с углом ями. К ним обычно относят джоулев нагрев, возникно- при вершине, равным 70. Известно [7], что Cu, Ag вение электромагнитных полей, рассеяние электронов и Au имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) проводимости на фононах и дефектах решетки и т. д. решетку, угол между плоскостями легкого скольжения Ясно, что если бы ток был такой большой плотности (111) и (111), в которой 70.5. Поэтому естественпостоянным, то металл почти немедленно испарился бы но считать, что эти дефекты образуются вследствие за счет выделения джоулева тепла. Для избежания этого выхода на поверхность металла подвижных дислокаток возбуждают очень короткими импульсами ( 100 µs) ций [5,6].

с низкой частотой ( 1Hz). Такой метод обработки был Можно предположить, что воздействие электриченазван электропластической деформацией [1,2]. Несмот- ского тока на металлические проводники будет также ря на широкое применение, механизм этого явления на сопровождаться характерным изменением их поверхносегодняшний день до конца неясен.

сти. Данная работа поставлена с целью проверки этого Дрейфовое движение электронов проводимости в ме- предположения.

талле под действием приложенного электрического поля создает электрический ток. В идеальном кристалле такое Экспериментальная методика движение происходит без рассеяния (сопротивления).

Отклонение от идеального кристаллического строения Исследовали профили поверхностей медных пла(дефекты, в том числе дислокации, тепловые колебания стин чистотой 99.96%, толщиной 30 · 10-6 m, площадью атомов и пр.) приводит к тому, что возникает взаимо3.3 · 10-2 1.6 · 10-2 m. Изменения рельефа поверхнодействие электронов проводимости с неоднородностями.

сти регистрировали при помощи сканирующего тунПри этом на дислокации будет действовать сила элекнельного профилометра РТП-1, разработанного в НИИ тронного увлечения FN, пропорциональная дрейфовой физики ЛГУ и изготовленного производственным коопескорости электронов V [3], ративом „Эра“.

Для контроля разрешения и стабильности работы FN = BNV, V = - j/(en), (1) прибора и его градуировки использовали дифракционгде j — плотность электрического тока, e — элементар- ную решетку на арсениде галлия (высотой h 0.25 µm ный заряд, n — концентрация электронов проводимости, и шагом решетки L 1 µm), на поверхность которого 140 И.П. Щербаков, Д.В. Чураев, В.Н. Светлов Параметры процесса разряда регистрировались с помощью пояса Роговского (ток разряда I) и омического делителя напряжения (напряжение разряда U), подключенных к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), и заносились в ЭВМ. С помощью специальной программы предназначенной для обработки осциллограмм были получены зависимости величин тока и напряжения от времени.

Результаты измерений На рис. 2 показаны примеры фрагментов трехмерных топограмм поверхности медного образца до (a) и после (b, c) пропускания электрического тока разной плотности, но больше пороговой величины плотности — Jthr 50 kA/cm2 (при длительности 300 µs), до которой никаких изменений субмикрорельефа не наблюдалось. При сравнении топограмм видно, что прохождение электрического тока через образец изменяет субмикрорельеф его поверхности и что рельеф поверхности, которая подвергалась только полировке (рис. 2, a, 1), отличается от рельефа поверхностей, образцы которых подвергались после полировки воздействию тока (рис. 2, b, 1, c, 1). На рис. 2, a, 2 представлен профиль топограммы поверхности медного образца Рис. 1. Топограмма поверхности дифракционной решетки в сечении плоскостью XZ после его полировки. Видна арсениде галлия (высотой h 0.25 µm и с шагом решетки но, что размеры неровностей микрорельефа варьируют L 1 µm), на поверхность которой напылен слой золота.

по высоте (глубине) от 15 до 30 nm, а поперечные размеры — от 50 до 200 nm с плотностью дефектов 2.5 · 10-3 1/nm.

Пропускание тока через образец существенно изменибыл напылен слой золота. На рис. 1, a представлело субмикрорельеф его поверхности (рис. 2, b, 1) и измена трехмерная топограмма поверхности дифракционной нило размеры и плотность дефектов. Так, после пропусрешетки, на которой отчетливо видны ее высота и кания электрического тока плотностью J = 200 kA/cmпериод. На рис. 1, b представлено сечение топограммы из первоначальных дефектов начали формироваться бов плоскости XZ, из которого хорошо видно, что высота лее крупные структуры. Высота (глубина) таких дерешетки h 250 nm, а ее шаг L 1000 nm, что соотфектов увеличилась и стала от 30 до 100 nm, попеветствует параметрам решетки и говорит о правильной речные размеры также увеличились и стали от работе туннельного микроскопа. Для контроля работы до 2000 nm, а плотность дефектов уменьшилась и статуннельного микроскопа и правильного отображения ла 10-3 1/nm (рис. 2, b, 2).

поверхности исследуемых образцов топограмма дифракУвеличение плотности тока до J = 700 kA/cm2 приционной решетки снималась до измерения исследуемой вело к тому, что на поверхности образца образовались поверхности образцов и после. Измерительные острия регулярные периодические структуры (рис. 2, c, 1). При изготовляли из вольфрамовой проволоки электрохимиэтом увеличились их размеры: высота (глубина) от ческим травлением. Их форму оценивали по изобрадо 200 nm, поперечные размеры — от 1800 до 2500 nm, жениям наиболее мелких дефектов на топограммах.

в то же время плотность таких дефектов уменьшилась В профилометре измерительное острие способно переи стала 0.5 · 10-3 1/nm (рис. 2, c, 2). При этом, как мещаться перпендикулярно поверхности не более чем видно, на всех топограммах основными элементами, на 1µm. Чтобы удалить микронеровности, превышаобразующими рельеф поверхности, являются примерно ющие 1µm, образцы полировали алмазными пастами, одинаковые по форме и размерам дефекты, которые при затем промывали ацетоном и спиртом. Для пропускасуперпозиции и создают контуры наблюдаемых сечений ния через образцы электрического тока использовалась исследуемых поверхностей. В увеличенном виде один конденсаторная батарея емколстью 400 µF, напряжением из дефектов представлен на рис. 3. Глубина (высота) заряда до 5 kV, которая разряжалась при достижении этих дефектов варьирует от 15 до 30 nm, а поперечзаданного (нужного) напряжения через исследуемые ные размеры — от 50 до 200 nm. В объеме дефекты медные образцы. выглядят как отпечатки призмы, три стенки которой Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Исследование изменения субмикрорельефа поверхности медных образцов при пропускании... Рис. 2. Фрагменты трехмерных топограмм поверхности медного образца: a — поверхность образца после полировки, b —после пропускания тока плотностью J = 200 kA/cm2, c — после пропускания тока плотностью J = 700 kA/cm2.

приблизительно перпендикулярны поверхности образца, в работах [4,5]. Дефекты на поверхности образца, еще в четвертая составляет с ней угол 30. Угол при не подвергавшейся воздействию тока, также появились вершине дефекта 70 (рис. 3). Ориентация стенок при выходе дислокаций: известно, что при механической дефектов на (рис. 2, b, c) позволяет объяснить их образо- полировке поверхности на нее выходят дислокации по вание выходом на поверхность дислокаций в результате плоскостям легкого скольжения, создавая специфичевозникновения напряжений, как и в случае, описанном ский рельеф, который и проявился на рис. 2, a [7].

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 142 И.П. Щербаков, Д.В. Чураев, В.Н. Светлов Рис. 3. Форма одного из образующихся дефектов.

Выводы Результаты выполненных опытов показывают, что прохождение импульса электрического тока плотностью больше порогового значения Jthr через медные образцы вызывает изменение субмикрорельефа его поверхности.

Эти изменения сопровождаются возникновением новых и перегруппировкой первоначальных дефектов, образованных при полировке, в более крупные регулярные образования, размеры которых связаны с величиной плотности тока.

Форма и ориентация стенок нанодефектов на поверхности согласуются с предположением, что они образовались вследствие выхода на поверхность образца подвижных дислокаций.

Выполненные исследования подтверждают предположение о дислокационном механизме изменения субмикрорельефа поверхности металлических образцов при пропускании по ним импульсов электрического тока.

При этом открывается возможность управлять этими изменениями и создавать на поверхности металлов субмикрорельеф заданной формы.

Список литературы [1] Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985.

[2] Громов В.Е., Зуев Л.Б., Козлов Э.В., Целлермайер В.Я.

Электростимулированная пластичность металлов и сплавов. М.: Недра, 1996. 290 с.

[3] Каганов М.И., Кравченко В.Я., Нацик В.Д. // Успехи физ.

наук. 1993. Т. 11. С. 655–682.

[4] Веттегрень В.И., Гиляров В.Л., Рахимов С.Н., Светлов В.Н. // ФТТ. 1997. Т. 40. Вып. 4. С. 668–671.

[5] Веттегрень В.И., Рахимов С.Н., Светлов В.Н. // ФТТ.

1997. Т. 40. Вып. 12. С. 2180–2183.

[6] Абрамова К.Б., Веттегрень В.И., Щербаков И.П., Рахимов С.Ш., Светлов В.Н. // ЖТФ. 1999. Т. 69. Вып. 12.

С. 102–104. Technol. 1996. N 31. Vol. 4. P. 495–500.

[7] Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М.: Металлургия, 1975. 200 с.

Журнал технической физики, 2004, том 74, 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.