госы. 1. Периодический закон Д. И. Менделеева фундаментальная основа неорганической химии и
 Скачать 2.79 Mb.
|
|
44. Механические свойства кристаллических материалов: основные параметры; хрупкое и вязкое разрушение Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при: 1. статическомнагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно. 1. динамическомнагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер. 2. повторно, переменном или циклическимнагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению. Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения . Диаграмма растяжения: а– абсолютная, б– относительная;в – схема определения условного предела текучести Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности. Предел пропорциональности ( ) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением. При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения). Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа. Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости,– максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести. Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов. Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести. Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности. В точке вв наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца. Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву). Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом. Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение. Истинное сопротивление разрушению– это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рис. 6.8). Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца. Истинная диаграмма растяжения - конечная площадь поперечного сечения образца. Истинные напряжения определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения в данный момент времени. При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности. Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Характеристики: · относительное удлинения. и – начальная и конечная длина образца. –абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва. · относительное сужение - начальная площадь поперечного сечения -площадь поперечного сечения в шейке после разрыва. Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке. Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения. Разрушение Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение. Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков - благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно. Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю. Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хрупкое). Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям. Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом. По излому можно определить характер разрушения. 45. Размерный эффект механических свойств кристаллических материалов Формирование нанокристаллических структур приводит к изменению свойств по сравнению с массивными аналогами, в частности, к значительному повышению механических характеристик нанокристаллических материалов, среди которых, в первую очередь, необходимо отметить необычайно высокую твердость. Так как твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации при вдавливании в него более твердого тела, например, алмаза, то существует пропорциональная связь между твердостью и пределом текучести материала (σу). Исторически именно предел текучести материала был первым детально проанализирован на его размерную зависимость, в результате чего получено соотношение, называемое законом Холла–Петча: где σ 0 – внутреннее напряжение, препятствующее движению дислокации; k y – коэффициент, связанный с проницаемостью границы зерна движению дислокаций; D – размер зерна; величина n изменяется от 1/2 (классический закон Холла–Петча) до значений, лежащих в интервале 1/4 – 1. Считается, что каждому значению показателя степени n соответствует характерный механизм взаимодействия дислокаций с границами зерен. При размерах зерен, превышающих 10–6 м, для металлов и сплавов наблюдается достаточно хорошее выполнение классического закона с показателем n = 1/2. Идея повышения твердости материалов за счет придания им наноструктурного состояния на самом деле оказалось не такой уж простой. Проведенные исследования твердости материалов в зависимости от размеров зерен выявили аномальную зависимость, а именно снижение твердости с уменьшением размера зерна. На рис. 1. приведена схема изменения твердости, предел текучести при уменьшении размера зерна до критического размера (около 10 нм). При уменьшении размера зерен до 7 нм и ниже вместо повышения твердости наблюдается обратный эффект Холла–Петча, т.е. имеет место разупрочнение с уменьшением размера зерна. Природа экстремальной зависимости показателя прочности нанокристаллических тел от размера зерен оказалась довольно сложной. Чтобы ее понять, необходимо учитывать специфику механизма деформирования наноструктурных материалов, а именно – взаимное проскальзывание зерен по границам (иногда называемое ротационным разупрочнением), которое носит не дислокационный характер. Критичность достижения размера зерна порядка 10 нм для работы дислокационного источника подтверждается данными высокоразрешающей электронной микроскопии. Схема изменения твердости, предела текучести при уменьшении размера зерна В кристаллитах с размером d < 10 нм отсутствуют дислокации, а зернограничная фаза близка по структуре аморфной. Прочность нанокристаллических материалов при растяжении в 1,5 – 2 раза выше, чем у крупнозернистых аналогов. Однако было замечено падение твердости с уменьшением размера зерна ниже некоторого критического размера, что, вероятнее всего, связано с увеличением доли тройных стыков границ зерен. Для больших зерен рост прочности и твердости при уменьшении их размера обусловлен введением дополнительных границ зерен, которые являются препятствиями для движения дислокаций. При малых наноразмерных зернах рост прочности происходит благодаря низкой плотности имеющихся дислокаций и трудности образования новых. Итак, наноразмерные структуры материалов открывают уникальные возможности для получения нового уровня свойств: высокой прочности, твердости, износостойкости при достаточно высокой пластичности. Установление соответствующих размерных закономерностей открывает возможности перехода к новому поколению материалов, свойства которых меняются с помощью регулирования размеров и формы составляющих их структурных элементов. Эти особенности также можно использовать при создании элементов приборных устройств. 46. Размерный эффект электропроводности: классический, квантовый В зависимости от размеров исследуемого образца различают классические и квантовые размерные эффекты, которые могут влиять практически на любые свойства вещества. Понятно, что для нанометровых объектов, где размеры частиц сравнимы с де Бройлевской длиной волны электрона, характерны именно квантовые размерные эффекты, определяющие такие свойства вещества, как теплоемкость, электропроводность некоторые оптические свойства и т.п.явления в тв. телах, наблюдающиеся в условиях, когда размеры исследуемого образца сравнимы с одной из характерных длин — длиной свободного пробега l носителей заряда, длиной волны де Бройля l, диффузионной длиной и т. п. Различают классич. и квант. Р. э. Классич. Р. э. наблюдаются в поведении статич. электропроводности тонких металлич. и полупроводниковых плёнок и проволок, толщина d к-рых сравнима с длиной l свободного пробега эл-нов. При уменьшении d уд.сопротивление r монотонно возрастает, что связано с дополнит. рассеянием эл-нов на границах образца. Величина r существенно зависит от характера рассеяния (зеркального или диффузного). Во внеш. сильном магн. поле Р. э. могут возникать, когда d сравнимо с размерами орбиты эл-нов проводимости в магн. поле Н, т. к. в зависимости от величины напряжённости поля Н орбита может укладываться либо не укладываться в образце. В последнем случае Р. э. проявляются в виде осцилляции электропроводности при изменении магн. поля. Аналогичные эффекты возможны и на высоких частотах (радиочастотные Р. э.). Квант. Р. э. обнаруживаются в случае, когда толщина плёнки или диаметр проволоки сравнимы с де- бройлевской длиной волны l эл-на. Р. э. связаны с квантованием квазиимпульса эл-на, вследствие чего энергетич. зоны электронного спектра расщепляются на подзоны. Квант. Р. э. проявляются в осцилляционной зависимости уд.сопротивления r и др. характеристик (кинетич. коэфф.) от толщины образца d. Анизотропные Р. э. наблюдаются в анизотропных проводниках (как при естеств. анизотропии, так и наведённой магн. полем, давлением и т. д.) с неск. группами носителей заряда (эл-ны и дырки, эл-ны разных «долин» энергетич. спектра и т. п.). Пропускание тока через образец сопровождается пространств.разделением носителей, относящихся к разным группам, в направлении, перпендикулярном к току. Если диффузионная длина носителей сравнима с поперечными размерами образца, такое разделение носителей приводит к существенной размерной зависимости электропроводности и др. кинетич. коэффициентов. Квантово-размерный эффект — эффект связанный с квантованием энергии носителей заряда, движение которых ограничено в одном, двух или трёх направлениях. При ограничении бесконечного кристалла потенциальными барьерами или при создании границ возникают дискретные уровни квантования. В принципе, дискретный спектр возникает в любом ограниченном потенциальными стенками объёме, но практически наблюдается только при достаточно малом размере тела, поскольку эффекты декогеренции приводят к уширению энергетических уровней, и поэтому энергетический спектр воспринимается как непрерывный. Поэтому наблюдение квантово-размерного эффекта возможно только если хотя бы один из размеров кристалла достаточно мал. Например, типичным примером квантово-размерного эффекта может служить двойная гетероструктура AlGaAs/GaAs/AlGaAs с двумерным электронным газом, где электроны находящиеся в слое GaAs ограничены высокими потенциальными барьерами AlGaAs, то есть для электронов формируется потенциальная яма, описываемая дном зон проводимости двух материалов, малого размера (обычно порядка 10 нм) и возникают дискретные уровни, которые соответствуют движению электронов поперёк слоя GaAs, хотя продольное движение остаётся свободным. Эти уровни эффективно сдвигают зону проводимости вверх по энергии. В результате изменяется ширина запрещённой зоны GaAs и соответственно происходит сдвиг в синюю область края межзонного поглощения. Аналогично, но с большим изменением запрещённой зоны квантово-размерный эффект наблюдается в квантовых точках, где электрон ограничен по всем трём координатам. 47. Размерный эффект магнитных свойств материалов: доменная структура, свойства Особенности магнитных свойств наночастиц связаны с дискретностью их электронных и фотонных состояний. Одной их таких особенностей является осцилляционная зависимость восприимчивости наночастиц парамагнитных металлов от напряженности магнитного поля. Кроме того, по причине малых размеров парамагнетизм Кюри может заметно перекрывать парамагнетизм Паули. Так, например, магнитная восприимчивость наночастиц лития диаметром 3,2 нм в области высоких температур соответствует парамагнетизиму Паули, а в области низких температур подчиняется закону Кюри. Размерная зависимость восприимчивости обнаружена на частицах селена и теллура размером от 1 од 1000 нм: уменьшение частиц селена приводит к росту диамагнетизма, тогда как магнитная восприимчивость теллура изменяется в противоположном направлении. Для магнитных свойств размерный эффект проявляется в значительном понижении точки Кюри (Т с ) – температуры перехода от ферромагнитного состояния к парамагнитному. Для наночастиц железа, кобальта, никеля размером менее 10 нм точка Кюри находится на сотни градусов ниже, чем для макроскопических образцов. Магнитные размерные эффекты проявляются очень ярко у кластеров палладия. Макроскопические образцы палладия обладают парамагнетизмом, и их магнитная восприимчивость почти не зависит от температуры вплоть до температуры жидкого гелия. Магнитная восприимчивость гигантских кластеров палладия в несколько раз меньше магнитной восприимчивости макроскопического металла, но они остаются парамагнитными. При значительном уменьшении размеров кластера (до десятков атомов палладия) они становятся диамагнитными. Размер дисперсных частиц влияет также на коэрцитивное поле. Коэрцитивное поле нанокластеров (d< 4 нм) железа почти нулевое. Еще одно важное магнитное свойство высокодисперсных частиц – низкая магнитная анизотропия. В поликристаллических материалах минимальная магнитная анизотропия ферромагнетиков достигается при размерах 10-20 нм. Потери при перемагничивании таких наноматериалов малы. Суперпарамагнетизм — форма магнетизма, проявляющаяся у ферромагнитных и ферримагнитных частиц. Если такие частицы достаточно малы, то они переходят в однодоменное состояние, то есть становятся равномерно намагниченными по всему объёму. Магнитный момент таких частиц может случайным образом менять направление под влиянием температуры, и при отсутствии внешнего магнитного поля средняя намагниченность суперпарамагнитных частиц равна нулю. Но во внешнем магнитном поле такие частицы ведут себя как парамагнетики даже при температуре ниже точки Кюри или точки Нееля. Тем не менее, магнитная восприимчивость суперпарамагнетиков намного больше, чем парамагнетиков. 48. Строение доменных границ в ферроиках различной природы: сегнетоэлектриках, ферромагнетиках Фероики - кристаллы, в которых происходят фаз.переходы с изменением симметрии (меняют группу точечной симметрии). αNa (куб)→βNa (гексагон) Be (гцк) →Be (оцк ) (T=1523 К) Домены - область одинаковых значений параметра порядка. Существуют поворотные и неповоротные домены. Однодоменное состояние Полидоменное состояние сегнетоэлектрика Энергетической причиной образования доменной структуры являются магнитные поля. 2 типа доменных границ: плоские и с поворотом. В пластинах сегнетоэлектриков существуют 90-градусные домены. Если в материале развивается доменная структура, то значение диэлектрической проницаемости высокое. Область, которая разделяет домены, имеет маленькую толщину слоя, меньшую, чем домен. Здесь Е повышена (Больше, чем в объеме). Чем чаще располагаются границы, тем больше величина Е, меньше Е электростат. поля. Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Доменом называется макроскопическая область в кристалле, в пределах которой все элементарные ячейки в сегнетоэлектрике поляризованы одинаково. Направление спонтанной поляризации в соседних доменах составляет определенные углы друг с другом. Отдельные домены отделены друг от друга доменными границами или доменными стенками. Совокупность доменов различной ориентации и называют доменной структурой. Равновесная доменная структура С. отвечает минимуму свободной энергии кристалла. В идеальном кристалле она определяется балансом между уменьшением при образовании доменов энергии за счёт электростатич. вз-ствияразл. частей кристалла и увеличением энергии доменных границ.Число различных доменов, взаимная ориентация их спонтанной поляризации зависят от симметрии кристалла. Энергия же, которую необходимо минимизировать, представляет в случае чистых сегнетоэлектриков сумму энергии деполяризующего поля связанных зарядов спонтанной поляризации на поверхности сегнетоэлектрика и энергии доменных границ. С точки зрения только деполяризующего поля наиболее выгодным является разбиение на все более и более мелкие домены. Но у такого разбиения есть противоборствующий фактор - энергия доменных стенок. Они представляют собой переходной слой между соседними доменами, в пределах которого вектор спонтанной поляризации меняется от его значения в одном домене до значения в другом. В сегнетоэлектриках образование такого слоя связано с возрастанием энергии системы, то есть невыгодно. Таким образом, уменьшение среднего размера доменов приводит к увеличению их числа и, значит, к росту энергии доменных стенок. При нагревании С. спонтанная поляризация, . как правило, исчезает при определённой темп-ре Тс, наз. точкой Кюри. В этой точке происходит фазовый переход С. из полярного состояния (полярной фазы) в неполярную (п а р а э л е к т р и ч е с к у ю) фазу. Другими словами, зависимость энергии деполяризующего поля и доменных стенок от среднего размера домена d противоположная и в равновесии устанавливается баланс между указанными вкладами в энергию, определяющий конкретное значение d = d0 . Количественную оценку величины d0 можно сделать следующим простым образом. Поверхностная плотность энергии деполяризующего поля F1 получается путем умножения объемной плотности энергии деполяризующего поля W на толщину того слоя, в пределах которого это поле существует. В материале, разбитом на домены, как видно из рис. 1, толщина этого слоя равна размеру домена. Поэтому F1 = Wd. Поверхностная плотность энергии доменных стенок, также рассчитанная на единицу поверхности сегнетоактивного материала, перпендикулярной полярной оси, равна соответственно F2 = = gL / d, где g - поверхностная плотность энергии доменной стенки, L - толщина образца в направлении полярной оси. Складывая и минимизируя полученную сумму по d, имеем поскольку g = W*d, где d - толщина доменной стенки. Факторы определяющие структуру доменной стенки: это суммарные энергии каждой из частиц в своем потенциале и энергия натянутых связей - пружинок. Оптимальной ситуации соответствует равенство указанных видов энергий. Суммарной энергии частиц в одночастичных потенциалах складывается из энергии натянутых пружин и кинетической энергии движущихся частиц. В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. Единственным различием между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B= H+I. Ниже некоторой температуры (температуры Кюри) сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется их кристаллическая решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной. Изменение типа кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принято называть фазовым переходом. Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем, что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованы в одном и том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическое поле. Наличие электрического поля повышает энергию системы и для снижения энергии кристалл самопроизвольно разбивается на домены. Домены ферромагнитные - области самопроизвольной намагниченности, намагниченные до насыщения части объёма ферромагнетика, на которые он разбивается ниже критич. температуры . Векторы намагниченности Д. в отсутствии внеш. магн. поля ориентированы т. о., что результирующая намагниченность ферромагн. образца в целом, как правило, равна нулю. Ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых макроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса. Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнетика. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры. Причина разбиения ферромагнетиков на домены – это конкуренция обменных и магнитных сил в них: обменные силы стремятся установить магнитные моменты атомов параллельно, а магнитные силы (размагничивающие) антипараллельно. В результате этого образуется магнитная структура, обладающая минимумом магнитной энергии. 49. Физико-химические подходы к созданию наноструктурированных материалов Процесс «снизу вверх». По сути – направленный хим синтез и/или контролируемое с высокой степенью точности осаждение и рост материалов. Хим синтез может проходить в твердой, жидкой и газовой фазах. Методы осаждения из газовой фазы применяются при изготовлении тонкх пленок, мультислоев, нанотрубок, наночастиц. общая классификация: физическое осаждение из газ фазы; хим осаждение из газ фазы. Физ осаждение. Напыление конденсацией из паровой(газовой) фазы. Стадии процесса: создание газа(пара) из частиц, составляющих напыление; транспорт пара к субстрату; конденсация пара на субстрате и формирование покрытия. Методы испарения: термическое испарение, испарение электронным лучом, испарение электронной дугой, эпитаксия молекулярным лучом. Химосажение.Раеакционное или термическое разложение в газовой фазе при повышенных температурах (500-1000˚С) с последующим осаждением на субстрат. Возможно образование газообразного продукта реакции, выносимого из камеры с потоком газа. Пример: пиролиз аэрозольных спреев из водных растворов солей металлов. Плазменное осаждение. Тлеющий разряд постоянного тока - ионизация атомов газа электронами, эмитированными с нагретой проволоки. После чего ионы разгоняются в плазме, образуя постоянный пучок ионов. Магнетронное распыление – создание плазмы путем приложения напряжения к 2 параллельным пластинами. Основные элементы магнетронной распылительной системы - это катод, анод и магнитная система, предназначенная для локализации плазмы у поверхности мишени – катода. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Эпитаксия – закономерное нарастание одного кристаллического материала на другое, т.е. ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого(подложки). Виды: гетероэпитаксия - вещества подложки и нарастающего кристалла различны (процесс возможен только для химически не взаимодействующих веществ); гомоэпитаксия – вещества подложки и нарастающего материала одинаковы; эндотаксия – ориентированный рост кристалла внутри объема другого кристалла (процесс ориентированного выделения новой фазы в кристаллической решетке имеющийся фазы происходит в результате пересыщения последнего диффундирующими от поверхности вглубь атомами соответствующего вещества или вследствие распада пересыщенного твердого раствора на основе КР подложки); хемоэпитаксия – процесс ориентированного нарастания, в результате которого образование хемоэпитаксиального слоя происходит при хим взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды. При этом полученное соединение отлично по составу как от вещества подложки, так и от вещества, поступающего из внешней среды на ее поверхность. Особенности метода и его возможности: использование сверхвысокого вакуума (5*10 -14 атм); разогреваемая вращающаяся подложка; использование атомных или молекулярных пучков из источников эффузии (эффузия – истекание молекулярного потока через отверстие малого диаметра); твердые и газообразные источники эффузии с задвижками- возможность получения чередующихся гетероструктур. Возможность выращивания одноатомных слоев толщиной 0,2-0,3нм. Напыление структур: полупроводниковые квантовые ямы, сверхрешетки, квантовые проволоки. Золь-гель технология-технология получения материалов с определенными химическими, механическими и физическими свойствами, включающая получение золя и последующий перевод его в гель. Стадии процесса: образование коллоидного раствора – золя; на этой стадии формируется химический состав продукта, размер частиц в золе 10 -9 -10 -6 м. гелеобразование, формирование упорядоченной системы частиц. Обработка геля: высушивание, отжиг, формовка – удаление дисперсионной среды. Электроосаждение. Индуцируется прикладываемой разностью потенциалов химической реакции в водных растворах электролитов. Получают гальванопокрытияю Процессы «сверху вниз». Измельчение. Механическое истирание и механическое сплавление – высокоэнергетический помол в шаровой мельнице. Неоднократная деформация, следствие – сильное уменьшение размера зерен путем формирования границ внутри частиц порошка. Особенности: микроструктуры и микрофазы зачастую оказываются термодинамически нестабильными. Возможности: получение наноструктурированного сплава – мех сплавление различных компонентов(методом холодной сварки); достижение нанометровой дисперсии одной фазы в другой; легкость применения в промышленных масштабах. Проблемы: износ материала мельницы, сложность консолидации без огрубления наноструктур; загрязнение в результате реакции с атмосферой. Механохим обработка.Химпрекурсоры вступают в реакцию либо во время помола, либо сразу после него в результате низкотемпературной обработки. Получаем нанокристаллитный композит, состоящий из ультратонких частиц в соляной матрице. Ультратонкие попрошки отделяются от соли промывкой. Применяются для получения наноструктур: переходных металлов, оксидных керамик, сульфидных полупроводников. литография. Основа метода: видимый или уф свет, рентгеновские лучи, пучки электронов или ионов проицируют нужный рисунок на поверхность, покрытую фоторезистентным материалом. Или сканируя заранее заготовленный шаблон, сфокусированный пучок электронов электронов, ионов или рентгеновских лучей выжигает нужный рисунок на фотопластине. В зависимости от применяемого излучения методы классифицируют: фотолитография, рентгеновская литография, электронно-лучевая или ионно-пучковая литография. Резистентный материал – полимер, металл-галогенид, оксид металла, изменяющийся определенным образом при засвечивании: меняется растворимость или состав облученного резиста. Способы переноса рисунка с поверхности облученного резиста: химич травление-растворение; сухое травление в реактивной плазме; пропитка методом ионной имплантации; напыление тонких пленок. Разрешающая способность варьируется от нескольких сотен при оптических методах до десятков нм при использовании электронных пучков. В настоящее время методами мягкой литографии возможно создание фигурных структур размерами от 10нм. 10 ступеней литографического процесса: 1. Подготовка поверхности (промывка и сушка); 2. Нанесение резиста (тонкая пленка полимера наносится ценрифугированием) 3. Сушка (удаление растворителя и перевод резиста в твердую растворимую фазу) 4. Совмещение фотошаблона и экспонирование (положительныйрезист под действием света переходит в нерастворимую фазу) 5. Проявление резиста (промывка в растворителе, удаляющем неэкспонированныйрезист); 6. Стабилизирующий отжиг (удаление остатков растворителя) 7. Контроль и исправление дефектов. 8. Травление (Непосредственный перенос рисунка маски на поверхность полупроводниковой структуры)9. Удаление фоторезиста.10. Финишный контроль. 50. Спектроскопические методы анализа материалов: принцип, аналитические возможности Существует множество методов, которые можно отнести к классу спектроскопических. Представление об этом дает «диаграмма Пропста». Стрелки на этой диаграмме, направленные к твердому телу, соответствуют первичным частицам. Стрелки, направленные наружу, соответствуют вторичным частицам, по которым можно судить о состоянии твердого тела. Каждому сочетанию падающей и отраженной частицы соответствует экспериментальный метод. Таких сочетаний 36. Однако число возможных экспериментальных методов значительно больше, т.к. каждому данному сочетанию стрелки, направленной внутрь, со стрелкой, направленной наружу, могут соответствовать несколько спектрометрических методов в зависимости от того, какие свойства падающих и вылетающих частиц исследуются. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФС). В этом методе на поверхность падает УФ, и исследуются эмитированные фотоэлектроны. Основной переменной является длина волны УФ, две другие переменные – угол падения и поляризация света. В процессе измерений регистрируется энергетический спектр эмитированных фотоэлектронов, а в некоторых экспериментах также их угловое распределение. Для появления фотоэлектронов должна быть обеспечена возможность электронного перехода с некоторого заполненного энергетического уровня на уровень, находящийся выше уровня свободного электрона; при этом измеренное распределение фотоэлектронов по энергиям отражает плотность заполненных энергетических уровней как объемных, так и поверхностных. Метод УФС применяется при исследовании поверхностных состояний, связанных с взаимодействием в системе адсорбат – твердое тело, и позволяет тело фото ны поле тепло электроны Нейтра льные частиц ы ионы получить ценную информацию о хемосорбции. Важным преимуществом метода является малое возмущение поверхности (практически неразрушающий метод диагностики). Приблизительная глубина составляет 5 нм. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФС). При облучении поверхности вещества фотонами могут протекать различные процессы, в том числе образование фотоэлектронов, рассеяние фотонов, фотодесорбция атомов и молекул с поверхности. Суть метода РФС состоит в получении фотоэлектронных спектров, т.е.измерении кинетической энергии внутреннего или валентного электрона, выбитого квантом известной энергии электромагнитного излучения. Теория метода основана на уравнении для фотоэффекта, которое вывел А. Эйнштейн. В спектрометре монохроматический пучок рентгеновских лучей с энергией фотонов hν падает на исследуемое вещество, атомы которого поглощают фотоны. Связанный электрон переходит в свободное состояние и вылетает за пределы образца, необходимо еще учитывать работу выхода спектрометра А: А Е h кин св Электроны возбуждаются со всех уровней атома, на которых ε св. |