WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2 Электрические и термоэлектрические свойства биоморфного композита SiC/Si при высоких температурах © А.И. Шелых, Б.И. Смирнов, Т.С. Орлова, И.А. Смирнов, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, F.M. Varela-Feria Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Universidad de Sevilla, 41080 Sevilla, Spain E-mail: Igor.Smirnov@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 18 мая 2005 г.) В интервалах температур 100-950 и 100-750 K измерены соответственно удельное электросопротивление и коэффициент термоэдс биоморфного композита SiC/Si, приготовленного на основе пористой углеродной матрицы, полученной путем пиролиза дерева (белого эвкалипта), с последующей инфильтрацией в пустые каналы этой матрицы расплавленного кремния. В результате химической реакции Si с углеродом матрицы образуется 3C-SiC, который формирует с „избытком“ Si, не вступившим в реакцию с углеродом, биоморфный композит SiC/Si. Исследовались образцы SiC/Si с концентрацией „избыточного“ Si 30 vol.% и пористостью 13-15 vol.%.

Измерение проводилось на образцах, вырезанных вдоль ( ) и поперек () направления роста дерева, а величина измерялась на образце, вырезанном вдоль направления роста дерева.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-0333183), программы Президиума РАН (П-28) и технологии Испании (проект MAT 2003-05202-C02-01).

PACS: 72.80.Tm, 72.20.-i Исследование физических свойств биоморфного ком- Образцы для исследования были получены по хоропозита SiC/Si, или, как его еще называют в литерату- шо отработанной методике приготовления биоморфных ре, экокерамики (ecoceramics — environment conscious композитов SiC/Si [1]. Использовалась канальная пориceramics [1]), вызывает в последнее время достаточ- стая углеродная матрица, полученная путем пиролиза но большой научный и практический интерес. Особое (обугливания) в атмосфере аргона при 1300 K дерева внимание привлекает оригинальная методика приготов- (белого эвкалипта), имеющего присущую лишь ему сетления этого материала и заманчивые перспективы его ку „питательных“ каналов (со средними диаметрами от широкого применения. до 65 µm), вытянутых вдоль направления роста дерева.

На первом этапе исследования биоморфных компози- При 1685 K в эти уже пустые сквозные каналы полутов усилия исследователей были сконцентрированы на ченной углеродной матрицы проводилась инфильтрация изучении их структурных и механических свойств [1,2]. расплавленного Si. В результате химической реакции В [1] представлен достаточно полный обзор имеющихся его с углеродом матрицы образовывался кубический в литературе работ, выполненных до 2005 г. В последние 3C-SiC. Затем уже на основе 3C-SiC и „избыточного“ годы большее внимание стало уделяться исследованию (не вступившего в реакцию с углеродом) кремния их основных физических параметров, которые могли бы происходило конструирование биоморфного композита помочь найти новые сферы для практических приложе- SiC/Si [1]. Образцы SiC/Si, использованные для измерений биоморфных композитов. Так, в интервале 5-300 K ний, содержали, согласно оценкам по данным рентгебыли измерены теплопроводность [3] и удельное элек- ноструктурного анализа, 30 vol.% Si, а их пористость тросопротивление [3,4], а в интервале 100-650 K — составляла 13-15 vol.%. Микрофотографии образцов, коэффициент линейного расширения [5]. полученные в сканирующем электронном микроскопе В настоящей работе мы расширили температурные для углеродной матрицы белого эвкалипта и биоморфграницы исследования и провели измерения (T ) SiC/Si ного композита SiC/Si, были аналогичны приведенным в интервале 100-950 K, а коэффициента термоэдс — на рис. 1 работы [2].

в интервале 100-750 K. Измерение (T ) проводилось с помощью стандартБиоморфные композиты SiC/Si получили примене- ной четырехзондовой методики на воздухе на образцах, ние в качестве легких сверхпрочных материалов в вырезанных вдоль ( ) и поперек () направления аэрокосмической и автомобильной промышленности, в роста дерева. Коэффициент термоэдс исследовался медицине (ортопедии). Они используются также для на образце, вырезанном вдоль направления роста дерева.

изготовления высокотемпературных нагревателей и тер- Измерение (T ) и (T ) на воздухе особенно важно для мометров сопротивления. В связи с этим исследования практического использования, поскольку эксплуатация (T ) SiC/Si при высоких температурах представляют не большего числа объектов, выполненных на основе экотолько научный, но и практический интерес. керамики SiC/Si, происходит на воздухе.

Электрические и термоэлектрические свойства биоморфного композита SiC/Si... Рис. 1. Температурные зависимости удельного электросопротивления биоморфного композита SiC/Si (без учета его пористости), полученного на основе белого эвкалипта, измеренные на образцах, вырезанных вдоль (1) и поперек (2) направления роста дерева.

Концентрация Si в образцах 30 vol.%. На вставке a — температурная зависимость анизотропии удельного электросопротивления (T )/ (T ) для измеренных образцов биоморфного композита SiC/Si. На вставке b — сравнение значений удельных электросопротивлений ( ) биоморфных композитов SiC/Si (без учета их пористости), полученных на основе белого эвкалипта (данные настоящей работы и [3]: концентрация Si в образцах соответственно 30 и 15 vol.%) и дерева Sapele [4] с концентрацией Si в образце 30 vol.%.

Данные для (T ) и (T ) исследованных образцов возникает во всем исследованном высокотемпературном SiC/Si представлены на рис. 1. Прямой и обратный ход интервале от 350 до 650 K.

при измерении (T ) и (T ) до высоких температур На вставке b к рис. 1 для сравнения приведены также совпадает. Данный факт указывает на отсутствие каких- имеющиеся в литературе низкотемпературные данные либо изменений при высокотемпературном нагреве в для удельного электросопротивления образцов SiC/Si, образцах. В интервале температур 100-850 K была об- вырезанных вдоль направления роста дерева и приготовнаружена анизотропия в поведении (T ), возникающая, ленных на основе белого эвкалипта [3] (с концентраципо-видимому, из-за наличия дополнительного электро- ей Si 15 vol.%) и дерева Sapele [4] (с концентрацией Si сопротивления на границах слоев Si и 3C-SiC при 30 vol.%).

измерении (T ). При T > 850 K анизотропия исчезает Полученные в настоящей работе экспериментальные ( = ) (рис. 1 и вставка a на нем).

данные для (T ) и (T ) будут, вероятно, весьма Такая же картина (но в несколько ином интервале полезны при разработках новых моделей высокотемпетемператур) наблюдалась при измерении коэффициента ратурных нагревателей.

линейного расширения (T ) SiC/Si [5]. Анизотропия в В то же время до сих пор остается открытым вопрос (T ) у образцов, вырезанных вдоль ( (T )) и поперек о том, какой из материалов, составляющих биоморф((T )) направления роста дерева, имеется в интер- ный композит SiC/Si, вносит основной вклад в веливале 100-350 K. При 200 K / 1.3, что близко чину (T ) композита и отвечает за „металлический“ к величине анизотропии / для исследованных в характер его температурной зависимости. В [3] при настоящей работе образцов SiC/Si (вставка на рис. 1). исследовании (T ) SiC/Si, полученного на основе деПри T > 350 K анизотропия (T ) исчезает и уже не рева белого эвкалипта, было высказано предположение, Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 216 А.И. Шелых, Б.И. Смирнов, Т.С. Орлова, И.А. Смирнов, A.R. de Arellano-Lopez...

движности дырок µ eff для биоморфного композита SiC/Si по формуле µ eff = RH/ 0. (2) Она оказалась небольшой по величине ( 10 cm2/V · s), что, однако, вполне может наблюдаться у сильнолегированных Si и 3C-SiC.

На рис. 2 представлены полученные экспериментальные данные для коэффициента термоэдс образца биоморфного композита SiC/Si, измеренного вдоль направления роста дерева белого эвкалипта ( ). Данные о термоэдс SiC/Si в литературе отсутствуют.

Во всем интервале температур (100-750 K) знак термоэдс был положительным (дырочным), что совпадало со знаком коэффициента Холла, измеренного при 300 K, Рис. 2. Температурная зависимость термоэдс биоморфного а зависимость (T ) SiC/Si имела линейный вид, хакомпозита SiC/Si для образца, вырезанного вдоль направления рактерный для диффузионной термоэдс и вырожденного роста дерева.

состояния носителей заряда с одним типом носителей.

В результате проведенного цикла измерений (T ) и (T ) биоморфного композита SiC/Si можно сделать что за наблюдаемый в эксперименте „металлический“ следующие основные выводы.

ход (T ) может быть ответствен сильнолегированный 1) (T ) и (T ) измерены в области темперакремний (и, возможно, 3C-SiC), поскольку, согласно тур 100-950 K. В интервале 100-850 K наблюдается данным химического анализа, в углеродной матрице анизотропия в поведении (T ) ( > ). При 200 K белого эвкалипта были обнаружены примеси Al, Cu, Fe, / = 1.3. При T > 850 K анизотропия исчезает S, Tl, Ca, P [6].

( = ).

Для проверки этого предположения на образце SiC/Si, 2) В интервале 100-750 K измерен коэффициент тервырезанном вдоль направления роста дерева, нами был моэдс (T ). Знак термоэдс во всем исследованном измерен эффект Холла при 300 K. Знак постоянной интервале температур положительный (дырочный мехаХолла RH соответствовал дырочному характеру провонизм переноса заряда).

димости. Концентрация дырок p,1 вычисленная с его помощью, составила 7.2 · 1019 cm-3, что указывает на 3) При 300 K проведено измерение эффекта Холла, большую степень легирования Si (или 3C-SiC). Сильно- постоянная Холла соответствует дырочному характелегированные Si [7] и 3C-SiC [8,9] могут быть ответ- ру проводимости. Эффективная концентрация дырок в ственными за „металлический“ характер поведения (T ) исследованных образцах составила 7.2 · 1019 cm-3, а SiC/Si. Окончательный же вывод можно будет сделать эффективная подвижность дырок при 300 K оказалась лишь после проведения измерений (T ) на образце 3C- равной 10 cm2/V · s.

SiC, полученном после удаления из биоморфного компоАвторы благодарят Н.Ф. Картенко и Н.В. Шаренкову зита SiC/Si кремния. Такие эксперименты мы планируем за проведение рентгеноструктурного анализа исследопровести в ближайшее время.

ванных образцов и оценку концентрации кремния в них.

На рис. 1 (а также на вставке b к нему) значения (T ) приведены без учета пористости образца. Учет пористости в (T ) можно провести с помощью простого Список литературы соотношения [10] [1] A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, P. Gonzalez, 0 = (1 - m), (1) C. Dominguez, V. Fernandez-Quero, M. Singh. Int. J. Appl.

Cer. Technol. 1, 1, 1 (2004).

где и 0 — соответственно удельные электросопротив[2] Б.И. Смирнов, Ю.А. Буренков, Б.К. Кардашев, F.M. Varelaления без учета и с учетом пористости образца, а m — Feria, J. Martinez-Fernandez, A.R. de Arellano-Lopez. ФТТ величина пористости, равная в нашем случае 0.15.

45, 3, 456 (2003).

Используя полученные таким образом значения для [3] Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Н.Ф. Картенко, Н.В. Шарен 0 при 300 K, мы оценили величину эффективной покова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, Y. Misiorek, A. JezowsПолученные в эксперименте величины RH и p будем называть ki, F.M. Varela-Feria, J. Martinez-Fernandez, A.R. de Arellaэффективной постоянной Холла и эффективной концентрацией носитеno-Lopez. ФТТ 47, 7, 1175 (2005).

лей тока, поскольку они характеризуют композит в целом. В настоящее [4] T.S. Orlova, B.I. Smirnov, A.R. de Arellano-Lopez, время выделить вклад в RH и p от Si и 3C-SiC не представляется возможным. J. Martinez-Fernandez, R. Sepulveda. ФТТ 47, 2, 229 (2005).

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Электрические и термоэлектрические свойства биоморфного композита SiC/Si... [5] А.И. Шелых, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, F.M. Varela-Feria. ФТТ 48, 2, 202 (2006).

[6] P. Gonzalez, J.P. Borrajo, J. Serra, S. Liste, S. Chiussi, B. Leon, K. Semmelmann, A. de Carlos, F.M. Varela-Feria, J. MartinezFernandez, A.R. de Arellano-Lopez. Key Eng. Mater. 254– 256, 1029 (2004).

[7] С.С. Шалыт. Электропроводность полупроводников.

В. 1–2. Ленинградский дом научно-технической пропаганды, ИПАН АН СССР, Л. (1956). 96 с.

[8] Л.С. Айвазова, С.Н. Горин, В.Г. Сидякин, И.М. Шварц.

ФТП 11, 9, 1826 (1977).

[9] Карбид кремния как материал современной оптоэлектроники и полупроводниковой техники. Информационноаналитический обзор по материалам отечественной и зарубежной печати. Экос, М. (1984). 133 с.

[10] Э.А. Бельская, А.С. Тарабанов. В сб.: Теплофизические свойства твердых тел. Наук. думка, Киев (1971). С. 111.

Физика твердого тела, 2006, том 48, 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.