Исследование влияния металла, имплантированного в условиях термоэлектрического воздействия, на свойства ионных кристаллов

УДК 537.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТАЛЛА, ИМПЛАНТИРОВАННОГО В УСЛОВИЯХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, НА СВОЙСТВА ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

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

Ключевые слова: ионные кристаллы; термоэлектрическое воздействие; электрофизические свойства. Исследованы малоразмерные структуры, образующиеся в ионных кристаллах, легированных Аи, при термоэлектрическом воздействии. Обнаружено изменение электрофизических свойств ионных кристаллов.

ВВЕДЕНИЕ

В работах [1-3] было показано, что термоэлектрическое воздействие на щелочно-галоидные кристаллы вызывает на их поверхностях, с различными кристаллографическими индексами, структурно-фазовые превращения. Это проявляется в образовании новой фазы в виде «капель» аморфного вещества, в котором при длительном вылеживании наблюдается рост кристаллов.

Показано также, что методом термоэлектрического воздействия возможна имплантация металла в ЩГК [4]. При этом имеет место изменение механических свойств [5], а на поверхности наблюдаются структурные изменения: образование пор, рост дендритов и мелких кристаллов.

Цель работы: исследование физических свойств кристаллов ЬіЕ с имплантированным в них при термоэлектрическом воздействии металлом, а также определение элементного состава и морфологических особенностей поверхностных структур.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследованию подвергались образцы ЬіГ размером 20*8*(2-3) мм, которые выкалывались из крупных кристаллов по плоскостям спайности. Каждый образец раскалывали на две части по плоскости (001), между которыми помещали проволочку из сплава на основе золота (ЗлНМ 7,5-1,5) диаметром = 40 мкм или фольгу из платины толщиной = 50 мкм. Затем образец закрепляли между электродами. Электрическое поле было ориентировано нормально к плоскости (001). Комплекс «кристалл-металл» помещался в печь, где осуществлялся его нагрев до 873 К со скоростью 200 К/ч. После чего образец в течение часа выдерживали при заданной температуре и напряжении между электродами 400 В. Сила тока при этом составляла 10-20 мА. Охлаждали образцы со скоростью 50 К/ч вместе с печью. После охлаждения образцы раскалывали по плоскости (100) для проведения микроскопических исследований.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

На рис. 1 приведен участок поверхности кристалла в области расположения проволочки из сплава на основе золота.

По линиям Line 1 и Line 2 было исследовано распределение золота и фтора. Эксперименты выполнены на растровом ионно-электронном микроскопе Quanta 200 3 D. В первом участке (line 1) металл практически не «растворился». Это показывает рис. 1б. Au локализовано в области ~ 40 мкм, что соответствует толщине проволочки. Во втором участке произошло практически полное «растворение» металла. Локальное увеличение концентрации золота наблюдается только вблизи границы контакта металла с кристаллом. Этот факт подтверждает наличие в объеме кристалла металлических частиц. Неоднородное распределение наряду с Au матричного элемента (F) говорит об образовании химических соединений.

И в первом, и во втором случае (line 1, line 2) имеет место диффузия Au в объем кристалла. Концентрация Au в кристалле, как показывают исследования, составляет ~ 2-3 At%. На рис. 1г приведено структурное изменение поверхности проволочки из золота, что подтверждает ее растворение за счет протекающих твердофазных реакций с образованием соединений фторидов золота.

Далее проводилось исследование электрофизических свойств кристаллов LiF с имплантированным Au. Получены зависимости диэлектрической проницаемости, проводимости и коэффициента диэлектрических потерь от частоты. Ход зависимостей кристаллов с имплантированным Au по сравнению с контрольными образцами не меняется. Показано, что имеются только количественные изменения вышеперечисленных параметров.

Из графиков видно, что проводимость кристаллов с металлическими частицами возрастает на 48 % для частоты в 1 МГц (рис. 2а), а коэффициент диэлектрических потерь уменьшается на 13 % (рис. 2б), что является следствием улучшения свойств исследуемых об-

разцов. Диэлектрическая проницаемость понижается для соединений LiF-Au на 10 % (рис. 2в).

При исследовании поверхности (001) кристаллов LiF с металлическими частицами обнаружен рост ден-дритов (рис. 3а) и появление зон послойной кристалли-

зации (рис. 3в) в области нахождения металла. Преимущественным направлением роста дендритных структур является направление [110]. Характерной особенностью роста является наличие чередующихся ступеней и террас на фронте (рис. 3б).

а)

г)

в)

Рис. 1. Имплантация металла (Au) в ионный кристалл LiF: а) - поверхность кристалла (100) в зоне расположения металла. Вдоль линий, отмеченных на поверхности, исследовался элементный состав; б, в) - распределение Au и F по направлению [001] (line 1, line 2) соответственно; г) - изменение поверхности проволочки после термоэлектрического воздействия. Окружностью отмечен участок исследования

а)

б)

Рис. 2. Частотные зависимости электрофизических свойств кристаллов LiF и кристаллов LiF с имплантированным Ли: а) - проводимости; б) - коэффициента диэлектрических потерь; в) - диэлектрической проницаемости

а) б) в)

Рис. 3. Морфология поверхности (001) кристалла LiF, образующаяся при имплантации Аи в условиях термоэлектрического воздействия: а) - дендритообразный нарост; б) - ступени на фронте роста дендрита; в) - слоистая кристаллическая структура

ОБСУЖДЕНИЕ

При повышении температуры в ходе эксперимента в исследуемых образцах LiF+Au протекают твердофазные химические реакции, а также процессы диффузии.

В результате образуется фторид Аи в кристаллах ЬіЕ. Очевидно, с появлением этих соединений происходит изменение диэлектрической проницаемости исследуемых образцов. Так как диэлектрическая проницаемость веществ является интегральной характеристикой, то

можно сделать вывод о том, что диэлектрические свойства фторида Ли меньше, чем диэлектрические свойства LiF.

Количественные изменения таких параметров, как проводимость и коэффициент диэлектрических потерь при изменении частоты являются следствием изменения диэлектрических свойств образцов. За счет уменьшения диэлектрической проницаемости образцов LiF+Au происходит увеличение проводимости образцов, а также уменьшение коэффициента диэлектрических потерь, т. к. меньшая мощность электрического тока рассеивается в образце в виде тепла.

Присутствующие на поверхности (001) металлические частицы являются центрами кристаллизации, которые способствуют появлению зон кристаллизации в области нахождения металла.

В случае, показанном на рис. 3а, 3б, при послойном росте новой фазы, а затем при увеличении числа слоев происходит образование трехмерных кристаллических структур на поверхности, что соответствует механизму кристаллизации Странского-Крастанова [6]. Во втором случае наблюдается кристаллизация в виде объемных структур, без послойного роста на фронте в начале кристаллизации, что может быть описано в рамках механизма роста кристаллов Фольмера-Вебера [6].

ВЫВОДЫ

Структурные изменения, возникающие при имплантации металла в ионные кристаллы при термоэлектрическом воздействии, обусловлены протекающими в ходе эксперимента твердофазными химическими реакциями, а также процессами диффузии.

Образующиеся химические соединения оказывают влияние на электрофизические свойства исследуемых кристаллов.

Металлические частицы на поверхности кристаллов с имплантированным металлом являются центрами роста кристаллов в дендритной и слоистой формах.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. 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.

3. 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, 1999. Р. 68.

4. Федоров В.А., Кочергина Ю.А., Новиков Г.В., Карыев Л.Г. Структура и морфология поверхностей щелочно-галоидных кристаллов, формирующаяся при термоэлектрическом и электронном воздействиях // Влияние электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов / под ред. В.Е. Громова. Новокузнецк: Изд-во «СибГИУ», 2011. 229 с.

5. Кочергина Ю.А., Карыев Л.Г., Федоров В.А., Плужникова Т.Н. Образование малоразмерных структур в ионных кристаллах при имплантации металла в условиях термоэлектрического воздействия // Материаловедение. 2011. № 10. С. 38-41.

6. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности: учебник-монография. Долгопрудный: Изд-во «Интеллект», 2008. 568 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 09-01-97514 р_центр_а.

Поступила в редакцию 16 ноября 2011 г.

Kochergina Y.A., Fedorov V.A., Kariev L.G. INVESTIGATION OF EFFECT OF METAL IMPLANTED IN THERMOELECTRIC EFFECTS ON PROPERTIES OF IONIC CRYSTALS Small-sized structures formed in ionic crystals with implanted Au at the thermoelectric effect have been researched in the paper. A change of the electrophysical properties of ionic crystals has been detected.

Key words: ionic crystals; thermoelectric influence; electrophysical properties.