Образование поверхностных малоразмерных структур в ЩГК при термоэлектрическом воздействии

УДК 539.2

ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В ЩГК ПРИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© Ю.А. Кочергина, В.А. Федоров, Л.Г. Карыев

Kochergina Y.A., Fedorov V.A., Kariev L.G. Formation superficial small sizestructures in alkalin haloide crystals at thermoelectric influence. Influence of heating in an electric field on a condition of surfaces alkalin haloide crystals is considered. It is shown, that after such processing on a surface of monocrystals appear spherical drops which structure coincides with structure of an initial crystal, and the structure is characterized by existence of the distant order; local irreversible changes of a surface in the form of monocrystal outgrowths are observed.

Изменение физических свойств кристаллических тел под действием различных факторов, в частности влияние электрических полей и термообработки на поверхность и структуру кристалла, легирование кристаллов примесями являются весьма актуальными проблемами физики твердого тела. Основной аспект этих проблем, имеющий большое практическое значение, -создание веществ с улучшенными и новыми свойствами твердых тел.

На поверхности щелочногалоидных кристаллов, активированных переходными металлами, в процессе термодиффузии внутрикристаллических примесей образуются плёнки, состоящие из структур преимущественно переходного материала. Внутрикристаллические примеси концентрируются в тонком слое (не более единиц микрон) [1].

Образование поверхностных малоразмерных структур в ЩГК также происходит под влиянием электрического поля и одновременного нагрева. В работах [2, 3, 4] было показано, что одновременное воздействие нагрева и электрического поля на щелочногалоидные кристаллы приводит к изменениям состояния поверхности скола. Одним из важных факторов, обуславливающих эти изменения, является накопление заряда в областях образца, прилегающих к электродам [5].

Изменения проявляются в виде «капель» вязкого вещества. Выявлено, что появление «капель» связано с накоплением избыточного заряда на поверхности и локальным перегревом, вследствие бомбардировки поверхности ионами среды [6].

Во всех случаях появление капель сопровождалось образованием под ними кристаллографически ограненных лунок [7].

При нагреве ионных кристаллов в однородном электрическом поле в интервале собственной проводимости (выше 823 К) наблюдалось залечивание трещин. При частичном залечивании, на поверхностях, ограничивающих не залеченные участки трещины, наблюдались изменения. Изменения проявлялись также в виде капель вязкого вещества. Исследования скола, перпендикулярного плоскости трещины, показали также наличие изменений (капель вязкого вещества) внутрен-

них областей кристалла, прилегающих к руслу трещины на расстояние до 100 мкм.

Исследования механизма залечивания показали, что на ранних стадиях нагрева и воздействия ЭП на соединяемых поверхностях появляются локальные необратимые изменения в виде монокристаллических наростов [8-11].

Залечивание введенной в кристалл трещины в процессе обработки образца авторы [12] объясняют диффузией материала из внутренних областей кристалла в полость трещины. Направленный дрейф материала обусловлен разностью температур приповерхностного слоя берегов трещины и удаленных областей кристалла. Образование капель вязкой жидкости на поверхности трещины объясняется тем, что по поверхности сила тока значительно больше, чем по объему образца. Это может приводить к локальному перегреву приповерхностных областей.

Изменения, наблюдаемые на поверхностях не-сплошности [7], качественно отличаются при переходе от одного температурного интервала к другому.

1) В температурном интервале примесной проводимости и при небольших временах обработки локальные изменения противоположных поверхностей скола проявляются в виде образования дислокационных розеток, расположенных напротив друг друга. Плотность распределения розеток на поверхности искусственно введенной трещины и их форма зависят от расстояния между поверхностями: плотность по мере удаления от вершины трещины уменьшается, форма становится округлой. При больших временах обработки происходит размытие розеток.

2) В температурном интервале собственной проводимости наблюдалось образование локальных моно-кристаллических наростов. Морфология и структура новообразований также зависят от расстояния между плоскостями, рельефа поверхностей и режимов обработки. Во всех случаях наслоения появляются на положительно заряженных поверхностях в местах существования дислокационных розеток, форма наростов соответствует форме розеток, на которых они образовались. Полигональные стенки вблизи наростов под-

тверждают то, что в этой области была предварительная деформация [7].

Для описания развития трещины в дальнейших исследованиях необходимо использовать понятие зоны предразрушения. Эта область напряженного состояния охватывает большую группу межатомных связей в объеме материала у вершины трещины. Такими областями могут быть структурные неоднородности и участки деформированного состояния, в которых проявляются нелинейные особенности сил межатомного взаимодействия с высокой вероятностью распада напряженных связей [13].

Проблема эмиссии субнаноразмерных [14] и нано-размерных [15] частиц в вершине трещины также должна быть рассмотрена как причина возникновения малоразмерных образований в кристаллах.

Образование капель также может быть связано с миграцией положительного заряда в электрическом поле и, как следствие, с нарушением стехиометрии в приповерхностных областях кристалла. Накопление заряда в поверхностных слоях приводит к увеличению сил кулоновского отталкивания и увеличению межатомных расстояний, при этом возможно понижение температуры плавления поверхностного слоя [16]. Существующая на поверхности жидкая пленка разрывается за счет сил поверхностного натяжения на мелкие капли, которые хотя и переходит в желеобразное состояние при понижении температуры до комнатной, однако частично сохраняют дальний порядок, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа. Кристаллизация капель при вылеживании обусловлена релаксацией объемного заряда и восстановлением стехиометрического состава. Активизация образования капель обусловлена максимальной плотностью поверхностного заряда [7].

Структуры металл-диэлектрик-металл широко используются в оптоэлектронных приборах, в экспериментах по исследованию свойств проводимости высокоомных материалов. В структурах металл-диэлектрик-металл при большой ширине запрещенной зоны диэлектриков (6-14 эВ) на границе металл-диэлектрик возникает неомический контакт, препятствующий переходу электронов из металла в диэлектрик. Свободные носители создаются в самом кристалле, и омический ток связан с движением неравновесных носителей в электрическом поле. Второй контакт диэлектрик-металл позволяет электронам покидать образец. При протекании тока проводимости на границе раздела металл-диэлектрик формируется положительно заряженный слой дырок за счет ухода электронов в глубь образца [17].

Рассмотренные выше явления были изучены на щелочногалоидных кристаллах: №С1, ЦР, КС1 [7]. Экспериментально установлено, что нагрев в электрическом поле приводит к структурным изменениям поверхности ЩГК, проявляющимся в образовании «капель» желеобразного вещества.

Накопление в поверхностных слоях избыточного заряда изменяет стехиометрический состав кристаллов,

вызывает увеличение межатомного расстояния и изменяет физические свойства поверхностного слоя, в частности температуру плавления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брюквина Л.И., Ермолаева Е.А., Пидгурский С.Н., Суворова Л.Ф., Хулугуров В.М. Металлические пленки на поверхности ЩГК, образованные в процессе термодиффузии внутрикристаллической примеси // ФТТ. 2006. Т. 48. №1.

2. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Иванов В.П., Николюкин A.M. Поведение поверхностей сколов щелочно-галоидных кристаллов в электрическом поле при одновременном нагреве // ФТТ. 1996. Т. 38. №2. С. 664-666.

3. Федоров В.А.. Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Влияние теплоэлектрического воздействия на состояние поверхностей ЩГК // Механизмы деформации и разрушения перспективных материалов: сб. тр. XXXV сем. «Актуальные проблемы прочности». Псков, 1999. С. 280-283.

4. Feodorov V.A., Karicv L.G., Mcksichcv O.A. Influence of heat and electrical field on condition of alkali-halidc crystal cleavage surface // Proc. V Russian-Chinese Int. Symp. «Advanced material and processes. Fundamental problems of developing advanced materials and processes of XXI century». Baikalsk, Russia, 1999. Р. 68.

5. Федоров В.А.. Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Аккумуляция электрического заряда у поверхности ионных кристаллов при нагреве в электрическом поле // Физика и химия обработки материалов. 2002. №5. С. 87-89.

6. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Влияние термоэлектрического воздействия на состояние поверхности ЩГК // Механизмы деформации и разрушения перспективных материалов: сб. тр. XXXV семинара «Актуальные проблемы прочности». Псков, 1999. С. 280-283.

7. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Поведение поверхности скола щелочногалоидных кристаллов при нагреве в электрическом поле // Физика и химия обработки материалов. 2005. №3. С. 77-80.

8. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Иванов В.П., Шелохвостов В.П. Структура и морфология поверхностей ЩГК при воздействии электромагнитных полей: тр. II междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы фундаментальных наук», 1994. С. 71-73.

9. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Николюкин A.M., Иванов В.П. Влияние электрического и теплового стационарного полей на поверхности несплошностей в ЩГК, подверженные локальным деформациям // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов: тез. докл. III междунар. конф. 15-17 марта 1994 г. Воронеж, 1994. С. 20.

10. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Николюкин A.M., Иванов В.П. Поведение поверхностей скола щелочногалоидных кристаллов в электрическом поле при одновременном нагреве // ФТТ. 1996. Т. 38. № 2. С. 664-666.

11. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Иванов В.П., Николюкин A.M. Структура и морфология поверхностей скола щелочногалоидных кристаллов в электрическом поле при одновременном нагреве // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 1996. Т. 1. Вып. 1. С. 21-24.

12. Карыев Л.Г., Мексичев О.А., Федоров В.А., Стерелюхин А. А. Влияние поверхностных токов на состояние поверхностей щелочногалоидных кристаллов // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 2003. Т. 8. Вып. 1. С. 184.

13. Уракаев Ф.Х., Массалимов И.А. Флуктуации энергии и эмиссионные явления в устье трещины // ФТТ. 2005. Т. 47. № 9. С. 16141618.

14. Dickinson J.T., Jensen L.C., Langford S.C. // Phys. Rev. Lett. 1991. V. 66. P. 2120.

15. Поздняков О.Ф., Редков Б.П. // Тез. докл. VIII Всесоюз. симпозиума по механоэмиссии и механохимии твердых тел. АН СССР, Таллин, 1981. С. 86.

16. Ковтуненко П.В. Физическая химия твердого тела (Кристаллы с дефектами). М.: Высш. шк., 1993. С. 352.

17. Куликов В.Д. Ток проводимости в структуре металл-диэлектрик-металл // ЖТФ. 2004. Т. 74. № 10. С. 125-127.

Поступила в редакцию 26 декабря 2007 г.