авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 ||

Влияние внешних воздействий на поверхностную энергию и поверхностное сопротивление металлических систем

-- [ Страница 2 ] --

Сравнивая полученные данные с литературными, можно отметить, что за исключением грани (110) натрия наблюдается снижение ПЭ релаксированных поверхностей. Из таблицы 1 видно также, что на рыхлой грани (111) во всех случаях наблюдается сжатие ( < 0), на плотноупакованной грани (110) растяжение ( > 0), а в случае Li и K поверхностная релаксация для этой грани отсутствует ( = 0). Оценки показывают, что ПЭ релаксирующих граней, как правило, ниже нерелаксированных. Для РВЭ такой закономерности не наблюдается.

Далее, в третьей главе изучено влияние электрического поля на ПЭ с учетом поверхностной релаксации.

Самосогласованные расчеты влияния слабых электрических полей на электронные характеристики поверхности были проведены Лангом [2], затем схема Ланга была усовершенствована путем учета дискретности решетки.

В настоящей работе мы приводим вариационные вычисления равновесной ПР во внешнем однородном электрическом поле и ее влияние на ПЭ.

В отличие от известных работ, где в рамках модели Ланга с учетом дискретности решетки было рассмотрено влияние сильных электрических полей на ПЭ, мы учитываем не только дискретность структуры в первом порядке теории возмущений по псевдопотенциалу, но и зависимость маделунговского члена от релаксации первой поверхностной плоскости во внешнем электрическом поле. Мы используем решеточную модель границы раздела Ланга-Кона [3], в которой в качестве нулевого приближения принимается модель однородного положительно заряженного фона, распределение которого на границе раздела задается ступенчатой функцией

, (8)

где – объемная плотность свободных электронов, (–z) – функция Хэвисайда. Вдали от границы раздела в вакууме разместим отрицательно заряженную плоскость с поверхностной плотностью заряда , которая создает поле, направленное от металла (>0). Обозначим равновесное расстояние между плоскостями в объеме через d0 и, будем считать, что релаксирует только первая поверхностная плоскость, отстоящая на расстоянии от границы однородного фона в направлении . Тогда расстояние первой плоскости от границы фона

. (9)

Распределение электронной плотности на границе зададим двухпараметрической функцией, учитывающей асимметричное распределение межфазной границе (3), где гиббсова координата уже зависит от внешнего электрического поля:

– гиббсова координата определяется из условия сохранения заряда:

. (10)

Электрический потенциал (z) найдем из решения уравнения Пуассона c учетом непрерывности на границе и, считая, что на больших расстояниях поле задано:

. (11)

Полевая добавка к электростатической энергии с учетом (10), (11) и распределения (3) имеет вид:



, (12)

. (13)

Вклады в поверхностную энергию, явно не зависящие от внешнего поля, остаются без изменения. Вклад от электрон-ионных взаимодействий (полевая добавка) входит в ПЭ через . Для релаксационной добавки к электрон-ионному взаимодействию в поле с учетом, что находим:

, (14)

где также как в поле учтено в выражении координаты Гиббса . Выражение (14) получено с использованием (3) и псевдопотенциала Ашкрофта.

Изменение вклада в ПЭ от ион-ионных взаимодействий вследствие релаксации, так называемую релаксационную добавку к маделунговской составляющей ПЭ можно найти по формуле (6).

К приведенным выражениям необходимо добавить энергию, связанную с взаимодействием положительно заряженной плоскости с внешним полем и поляризационную добавку, включающую члены, обусловленные поляризацией поверхностных ионов. Считая последнюю малой, имеем:

. (15)

Равновесную ПР для заданного внешнего поля напряженностью Е найдем из условия минимума полной ПЭ.

Расчеты ПЭ в начале проводились в отсутствии поля (Е = 0) для щелочных металлов и представлены в таблице 1.

Наличие поля усиливает поверхностную релаксацию и изменяет значения ПЭ. При Е > 0 ПЭ понижается, при Е<0 увеличивается. Например при Е = 0 (110) натрия 252 мДж/м2. При E = +2.6107 В/см (110) = 243 мДж/м2, а при Е = – 2.6107 В/см (110) = 260 мДж/м2. В сильных полях вследствие ПР различие в анизотропии увеличивается. Например, при E = +2.6107 В/см различие в изменении /0 граней (100) и (110) натрия может достичь 2% (0 – ПЭ в отсутствие поля).

Затем в третьей главе изучается вопрос о влиянии давления на ПЭ металлов.

Зависимость поверхностного натяжения или поверхностной энергии от давления позволяет оценивать поверхностную плотность конденсированной фазы (или автоадсорбцию) на границе с газом.

Однако данных по влиянию давления на ПН (или ПЭ) жидких, а тем более твердых металлов в литературе крайне мало.

Экспериментальные исследования влияния давления на ПН органических жидкостей и воды дают увеличение ПН с ростом давления, а в случае металлов в интервале давлений от 10-3 до 103 Па влияние давления инертных газов не обнаруживается, либо изменения обусловлены наличием кислорода и других примесей в газовой среде и связанным с этим изменением взаимодействия газовой среды (образование окислов, усиление растворения газов в металлах с увеличением давления). Данные о влиянии высоких давлений на ПН металлов в литературе отсутствуют.

В связи с этим нами проводилось исследование влияния давления на ПЭ простых металлов в рамках метода функционала электронной плотности.

Распределение электронной плотности зададим в виде двухпараметрической экспоненциальной пробной функции, описывающей ассиметричное распределение электронной плотности на межфазной границе (3).

Основные вклады в j оцениваются по тем же формулам, что и на границе металл – вакуум в отсутствие давления. Вследствие релаксации поверхностного слоя, вызванной наличием давления, у поверхностного слоя, появляются дополнительные вклады в ПЭ:

 Релаксационный вклад к поправке ps, – это вклад , связанный с изменением межплоскостного расстояния. При рассчитывается по формуле

, (16)

а при

,(17)

где - величина поверхностной релаксации, которая варьируется.

 Поверхностную энергию Маделунга M, связанную с ион – ионным взаимодействием, оценим также с учетом релаксационной поправки:

, (18)

где , hkl – поверхностный аналог постоянной Маделунга, зависящий от структуры кристалла и ретикулярной плотности частиц грани (hkl), Z – число электронов на ячейку Вигнера-Зейтца.

Релаксационная добавка к энергии Маделунга будет зависеть от поверхностной релаксации , которая связана с давлением соотношением:

, (19)

находится путем минимизации и варьируется от 0 до 0,2:

, (20)

где d = d0(1-), n = n0/(1–) – плотность положительного заряда металла под давлением, – положительная плотность заряда в объеме металла, с11 – модуль упругости. В случае натрия с11=0.0731011 Н/м2, ls=1.09. Предварительные оценки для Na показывают, что при давлениях 100 МПа относительное уменьшение ПЭ (/) составляет ~ 10,0%.

Далее, в третьей главе, в рамках термодинамики поверхностных явлений, изучается вопрос о взаимосвязи ПЭ и ПН наночастиц, находящихся в электрическом поле.

Запишем дифференциал для избыточной свободной энергии в случае искривленной поверхности:

, (21)

где – полная работа образования элемента искривленной поверхности. В уравнении (21) и далее принято: по дважды повторяющимся индексам подразумевается суммирование. – электрохимический потенциал, eZi – электрический заряд частицы (е – заряд электрона), F – число Фарадея, – потенциал электрического поля.

Записывая выражение для A в изохорно–изотермических условиях через разность давлений в частице (фаза I) и окружающей фазе (II) [4], после несложных преобразований при T = const получим:

   (22)

где – удельная свободная поверхностная энергия. – выражает размерный эффект поверхностной энергии. Уравнение (22) выражает взаимосвязь между поверхностной энергией и поверхностным натяжением с учетом размерных эффектов поверхностной энергии, натяжения, адсорбции и поверхностной концентрации i–го компонента изотропной, сферической наночастицы сплава, находящейся в электрическом поле.

Уравнение (22) применимо вплоть до размеров частиц, когда еще можно выделить поверхностный слой частицы (в приближении монослоя) и объемную часть наночастицы. При радиусах частицы меньше некоторого критического значения R < RC (RC для металлических частиц ~ 10 нм) термодинамическую систему можно считать гомогенной и, говоря о фазовом давлении, внутри частиц необходимо учитывать расклинивающее давление. В некоторых работах считают, что при R < RC понятие фазового давления и макроскопического поверхностного натяжения теряют смысл [5]. В случае наночастиц щелочных металлов и сплавов при R > RC, размерные эффекты поверхностной энергии и поверхностной концентрации проявляются в интервале размеров 10 нм < R < 20 нм.

Если частица несферична, и имеет место анизотропия ее поверхностных свойств, то для разности фазовых давлений необходимо записать более сложное соотношение, а также учесть тензорный характер поверхностного натяжения, что приведет к более сложному чем (22) соотношению.

Далее рассматривается вопрос о связи поверхностных свойств (ПЭ и ПН) с остаточным электросопротивлением.

На связь поверхностных и электрических свойств указывалось в ряде работ. Например, особенности на изотермах и политермах поверхностной энергии часто коррелируют с особенностями на изотермах и политермах электрического сопротивления. Учитывая связь , , с параметрами электронной структуры, в работе показано наличие корреляций между разностью ПЭ, разностью РВЭ и остаточным сопротивлением /С.

В четвертой главе описываются результаты изучения влияния ультрафиолетового облучения на поверхностное сопротивление металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах.

К числу распространенных технологических операций, применяемых при создании систем металлизации к кремнию, относится фотонный отжиг как когерентным, так и некогерентным излучением, который позволяет модифицировать физико-химические свойства полупроводниковых структур.

В настоящей работе изучается влияние ультрафиолетового излучения на поверхностное сопротивление металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах.

На рис. 1 и 2 в качестве примера показаны зависимости поверхностного сопротивления пленок Cr-Ni на Si и Cr на микроканальных структурах от времени отжига при ультрафиолетовом облучении. Аналогичные зависимости получены и для пленок Al/Si. Показано, что для систем Cr-Ni/Si, Cr на микроканальных структурах оптимальное время отжига составляет 6 и 4 c. соответственно, так как при этих временах отжига поверхностное сопротивление минимально.

На рис. 3 и 4 приведены сканы поверхностей пленок хрома на микроканальных структурах до и после отжига.





Рис. 1. Зависимость сопротивления пленки Cr на МКП от времени отжига.

Рис. 2. Зависимость сопротивления пленки (Cr+Ni)/Si от времени отжига.

Рис. 3. Сканы поверхности хрома на микроканальных структурах до отжига.

Рис. 4. Сканы поверхности хрома на микроканальных структурах после отжига.

Из сравнения сканов пленок до и после отжига видно, что размеры неровностей после облучения уменьшаются. Это связано как с оплавлением неровностей, так и с усилением поверхностной диффузии при облучении. Таким образом, отжиг приводит к образованию более однородной пленки, снижению дефектов и в целом к снижению сопротивления. Фотонный отжиг при соответствующем подборе режима облучения приводит к улучшению морфологии поверхности и, соответственно, к уменьшению поверхностного сопротивления.

В заключении приводятся основные выводы диссертационной работы.

Выводы

  1. В рамках МФЭП с учетом дискретности положительного заряда получены вклады в ПЭ и РВЭ, связанные c поверхностной релаксацией.
  2. На границе низкоиндексных граней щелочных металлов показано, что на рыхлых гранях (111) наблюдается сжатие межплоскостных расстояний ( < 0), на плотноупакованных гранях (110) наблюдается растяжение ( > 0), а в случае Li и K поверхностная релаксация отсутствует ( = 0).
  3. Оценки показывают, что ПЭ релаксирующих граней, как правило, ниже нерелаксированных. Для РВЭ такой закономерности не наблюдается.
  4. Наличие поля усиливает поверхностную релаксацию и изменяет значения ПЭ. При Е > 0 ПЭ снижается, при Е < 0 увеличивается. В сильных полях вследствие ПР различие в анизотропии увеличивается. Например, при E = +2.6107 В/см различие в изменении /0 граней (100) и (110) натрия может достигать 2% (0 - ПЭ в отсутствие поля).
  5. Оценки влияния давления на ПЭ в рамках МФЭП для Na показывают, что при давлениях 100 МПа относительное уменьшение ПЭ (/) составляет ~ 10%.
  6. В рамках термодинамики поверхностных явлений установлена взаимосвязь между поверхностным натяжением и поверхностной энергией в сферической изотропной металлической наночастице, находящейся в электрическом поле.
  7. Установлена корреляция между разностью поверхностных энергий (работ выхода электрона) металла матрицы и примеси и остаточным сопротивлением.
  8. Изучено влияние времени фотонного отжига с помощью ультрафиолетового облучения на поверхностное сопротивление пленок хрома и алюминия на кремнии и микроканальных структурах. Фотонный отжиг при соответствующем подборе режима облучения приводит к улучшению морфологии поверхности и соответственно к уменьшению поверхностного сопротивления пленок.

Цитируемая литература

[1] Дигилов, Р. М. Анизотропия поверхностной энергии и работы выхода щелочных металлов / Р. М. Дигилов, В. А. Созаев, Х. Б. Хоконов // Поверхность. Физика, Химия, Механика. – 1987. – Вып. 6. – С. 13–18.

[2] Lang, N. D. The density–functional formalism and the electronic structure of metal surfaces / N. D. Lang // Solid State Phys. – 1973. – V. 28, № 4. – P. 225–300.

[3] Lang, N. D. Theory of metal surfaces: charge density and surface energy / N. D. Lang, W. Kohn // Phys. Rev. B. – 1970. – V. 1, № 12. – P. 4555–4568.

[4] Задумкин, С. Н. Общие условия равновесия межфазных границ и уравнения капиллярности / С. Н. Задумкин, Х. Б. Хоконов / Методы исследования и свойства границ раздела контактирующих фаз. Киев: Наукова Думка, 1977. – С. 163 – 175.

[5] Самсонов, В. М. Условия применимости термодинамического описания высокодисперсных и микрогетерогенных систем / В. М. Самсонов // ЖФХ. – 2002. – Т. 76, № 11. – С. 2063–2067.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кашежев, А. З. Зависимость поверхностной энергии металлов от давления / А. З. Кашежев, В. К. Кумыков, А. Р. Манукянц, И. Н. Сергеев, В. А. Созаев // Известия РАН, Сер. Физическая.– 2009.– Т. 73, № 8.– С. 1243 – 1245.

2. Гедгагова, М. В. О Высокотемпературных измерениях поверхностного натяжения металлов в условиях вакуума / М. В. Гедгагова, Х. М. Гукетлов, В. К. Кумыков, А. Р. Ману­кянц, И. В. Сергеев, В. А. Созаев // Известия РАН. Сер. Физическая.– 2007.– Т. 71, № 5.– С. 631 – 633.

3. Гукетлов, Х. М. Влияние фотонного отжига на структуру и электрические свойства тонких металлических пленок на крем­нии / Х. М. Гукетлов, А. В. Демченко, В. К. Кумыков, А. Р. Ма­нукянц, В. М. Фетисова // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники.– 2006.– № 3.– С. 77 – 79.

4. Кумыков, В. К. Поверхностное натяжение цветных металлов на границе раздела твердая фаза – собственный пар / В. К. Кумыков, А. Р. Манукянц, М.В. Гедгагова // Известия высших учебных заведений, Цветная металлургия.– 2006.– № 4.– С. 44 – 47.

5. Кашежев, А. З. Взаимосвязь между поверхностным натяжением и поверхностной энергией в сферической изотропной наночастице металлического сплава, находящейся в электрическом поле / А. З. Кашежев, А. Р. Манукянц, В. А. Созаев // Вестник КБГУ, Серия Физические науки.– 2004.– Вып. 9.– С. 42 – 43.

6. Кашежев, А. З. О связи поверхностной энергии и работы выхода электрона с остаточным сопротивлением металлов / А. З. Ка­шежев, А. Р. Манукянц, В. А. Созаев / Сборник научных трудов СО отделения АН и ВШ РФ №4, Владикавказ.– 2006.– С. 18 – 20.

7. Граневский, С. Л. Возможности атомно-силовой микроскопии при изучении поверхности МКП на наноуровне / С. Л. Граневский, Е. Н. Козырев, А. Р. Манукянц, В. А. Созаев / Труды СКГМИ (ГТУ), юбилейный выпуск.– 2006.– С. 125 – 128.

8. Кашежев, А. З. Влияние давления на поверхностную энергию металлов / А. З. Кашежев, В. К. Кумыков, А. Р. Ману­кянц, И. Н. Сергеев, В. А. Созаев / Материалы 1 Международного симпозиума «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS – 2008), п. Лоо.– 2008.– С. 289-292.

9. Козырев, Е. Н. Влияние ультрафиолетового облучения на поверхностное сопротивление металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах / Е. Н. Козырев, П. К. Коротков, В. К. Кумыков, А. Р. Манукянц, В. А. Созаев / Материалы 11 Международного Междисциплинарного симпозиума «Порядок и беспорядок и свойства оксидов (ODPO-11), п. Лоо.– 2008.– Т.2.– С. 153 – 155.

10. Созаев, В. А. Влияние ультрафиолетового облучения на структуру и поверхностное сопротивление металлических пленок на кремнии и микроканальных структурах / В. А. Созаев, П. К. Коротков, В. К. Кумыков, А. Р. Манукянц, Е. Н. Козырев, Х. С. Хосаев // Труды СКГМИ.– 2008.– Вып. 5.– С. 55 – 59.

11. Созаев, В. А. Поверхностная энергия и поверхностная релаксация щелочных металлов во внешнем электрическом поле / В. А. Созаев, В. К. Кумыков, А. Р. Манукянц // Вестник КБГУ, Серия Физические науки.– 2009.– Вып. 12.– С. 3 – 6.

Подписано в печать. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать на ризографе. Усл. п.л. 1. Тираж экз. Заказ.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44.



Pages:     | 1 ||
 

Похожие работы:








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.