Морфологические и структурные изменения ионных кристаллов с металлом, имплантированным в условиях термоэлектрического воздействия

УДК 537.9

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ С МЕТАЛЛОМ, ИМПЛАНТИРОВАННЫМ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

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

Ключевые слова: ионный кристалл; малоразмерные структуры; термоэлектрическое воздействие.

Несколькими независимыми методами определено распределение имплантируемого в щелочно-галоидные кристаллы металла в условиях термоэлектрического воздействия. На основании исследования спектров пропускания в ИК области сделан вывод об образовании в кристаллах хлоридов и фторидов золота.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование поведения диэлектрических материалов при различных внешних энергетических воздействиях является одним из значимых направлений развития физики диэлектриков, входящих составной частью в фундаментальные исследования физики конденсированного состояния, которые направлены на решение важной задачи - установление взаимосвязи физических свойств, процессов и явлений со структурой материалов, ее особенностями и дефектами.

Цель работы - определить распределение металла, имплантированного в кристалл и установить морфологические особенности поверхностей кристалла после термоэлектрического воздействия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Микроскопическими исследованиями обнаружено, что под действием электрических и тепловых полей при проведении экспериментов с металлом наблюдается диффузия металла в кристалле преимущественно в направлении [001] (направлении напряженности электрического поля).

При исследовании поверхностей (001) кристаллов ЬіЕ с металлическими частицами обнаружено появление зон игольчатой кристаллизации (рис. 1) и рост дендритообразных наслоений (рис. 2) в области нахождения металла. Преимущественным направлением роста дендритных структур является направление [110].

В некоторых случаях на фронте росте дендрита образуются ступени (рис. 2б, 2г).

Кроме того, диффузия металла в кристалл сопровождается образованием полостей в объеме кристалла. Поверхности полостей характеризуются наличием сложного рельефа (рис. 3а) и вкраплениями микрочастиц Au (рис. 3б).

В приграничной области полостей, образующихся при внедрении металла в кристалл, наблюдается образование пор (рис. 4).

Исследование распределения химических элементов проводили на растровом ионно-электронном мик-

роскопе Quanta 200 3D методом анализа спектров характеристического рентгеновского излучения для определения элементного состава образцов. Распределение основных химических элементов по линии Line3 (рис. 5а) в направлении [001] показало, что на некотором расстоянии от вершины полости (~30 мкм) увеличивается содержание металла (до ~40 усл. ед.) (рис. 5в), что связано с внедрением металла в кристаллическую решетку без ее разрушения, не наблюдающегося в случае образования полостей. Видно, что стабильно регистрируются как металл, так и матричные элементы, что может быть следствием протекания химических реакций, а также образования новых химических соединений - фторидов лития. Концентрация Au в объеме кристалла снижается и, как показывают исследования, составляет ~ 2-3 At% (5-6 усл. ед.).

Кроме того, на рис. 5б, 5г показаны морфологические особенности границы перехода металлическое внедрение - кристалл (рис. 5б), а также граница области с дефектной структурой, возникшей в результате

Рис. 1. Поверхность скола (001); игольчатые структуры в кристалле LiF в области имплантации Аи

а)

б)

Ку*1 _

ИРЛ ^

Щ :

i]т%

в)

Рис. 2. Морфологические особенности поверхности

Рис. 4. Скопление пор в приповерхностной области полостей

имплантации металла при термоэлектрическом воздействии и без визуальных изменений (рис. 5г). Подобное изменение поверхности обусловлено протеканием твердофазных химических реакций.Для кристаллов с металлом, имплантированным при термоэлектрическом

воздействии, исследован спектр пропускания в ИК области, сопоставленный с аналогичным спектром для кристаллов в исходном состоянии.

Для получения спектров пропускания (рис. 6) кристаллов ЬШ в исходном состоянии и после термоэлек-

в) г)

Рис. 5. Особенности локализации металла в кристалле ЫБ - а); б) микроструктура переходной зоны металл-кристалл; в) измерение распределения химических элементов - Б, Аи в направлении [00 1 ] по линии, как показано на рис. 5а; г) особенности морфологии поверхности, формирующиеся в приграничной области в результате и мплантации металла

трического воздействия был использован ИК-Фурье спектрометр. Отмечено уменьшение коэффициента пропускания в диапазоне длин волн от 15,7 до 20 мкм, что говорит об увеличении поглощения в этой области длин волн.

Данный факт может быть объяснен образованием в объеме кристалла частиц новой фазы, появляющейся в результате твердофазных химических реакций в условиях термоэлектрического воздействия, диффундирующих в кристалл.

ВЫВОДЫ

Показано, что в результате термоэлектрического воздействия происходит имплантация металла в кристалл, сопровождающаяся образованием за счет твердофазных химических реакций новых фаз, в частности для систем LiF + Аи - образованием фторидов золота. Содержание металла в объеме кристалла достигает 2-

2000 2500 3000 3500 4000

Волновое число, см'1

Рис. 6. Спектры пропускания в инфракрасном диапазоне длин волн кристалла ЫБ с имплантированным Аи и контрольный образец

3 А^/о, что может приводить к изменениям как физических, так и механических свойств.

БЛАГОДАРНОСТИ: Часть исследований выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» Белгородского государственного университета.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 12-01-97519_р_а).

Поступила в редакцию 23 ноября 2012 г.

Kochergina Y.A., Fedorov V.A., Karyev L.G., Vasilyeva S.V. MORPHOLOGICAL AND STRUCTURAL CHANGES OF ION CRYSTALS WITH METAL IMPLANTING IN CONDITIONS OF THERMOELECTRIC INFLUENCE

The distribution of implanted in alkali halide crystals of metal under the thermoelectric effect is defined by several independent methods. Based on the study of the transmission spectra in the infrared region it is concluded about the formation of crystals of gold chloride and fluoride.

Key words: ionic crystal; small-sized structures;

thermoelectric effect.