Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск
Том 22, № 3 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-3

149-157 358
Аннотация
Исследована последовательность фазовых превращений в процессе кристаллизации Sr2CrMoO6-δ из стехиометрической смеси простых оксидов SrCO3 + 0,5Cr2O3 + MoO. Установлено, что фазообразование хромомолибдата стронция протекает через ряд последовательно-параллельных стадий. Согласно данным дифференциально-термического и термогравиметрического анализов, обнаружено, что в температурном диапазоне 300—1300 К наблюдается пять ярко выраженных эндотермических эффектов. При изучении последовательности фазовых превращений в процессе синтеза двойного перовскита обнаружено, что основными сопутствующими соединениями являются SrCrO3, SrMoO4 и Sr2CrO4. При этом замечено, что с ростом температуры отжига от 300 до 1270 К в исходной смеси первоначально и практически одновременно появляются сложные соединения SrCrO4, SrCrO3 (350—550 К), а затем и SrMoO4, Sr2CrO4 (600—750 К). Показано, что с последующим увеличением температуры в интервале температур 940—1100 К концентрация фаз SrMoO4, Sr2CrO4 и SrCrO3 резко падает с появлением и ростом двойного перовскита Sr2CrMoO6-δ. При этом в интервале температур до 1120—1190 К основные рентгеновские рефлексы фазы Sr2CrO4 уменьшаются незначительно, тогда как интенсивность рентгеновских рефлексов фаз SrCrO3 и SrMoO4 снижается существенно больше и их содержание в образце при температуре 1170 К составляет не более 7,9 %. Анализ амплитудных значений производной степени превращения фаз SrCrO3, SrMoO4 и Sr2CrO4, при которых скорости их кристаллизации максимальны, показал, что для Sr2CrO4 величина |(dα/dt)|mах соответствует наибольшей температуре T = 1045 К. Это указывает на наличие кинетических трудностей при образовании фазы Sr2CrO4, которая в дальнейшем не исчезает, а при ее появлении наблюдается замедление роста двойного перовскита. На основании результатов, полученных при изучении динамики фазовых превращений для формирования однофазного Sr2CrMoO6-δ со сверхструктурным упорядочением Cr/Mo и улучшенными магнитными характеристиками, были применены прекурсоры SrCrO3 и SrMoO4 с использованием комбинированных режимов нагрева.

Материаловедение и технология. Полупроводники

158-167 212
Аннотация
Усовершенствован процесс выращивания монокристаллов кремния по методу Чохральского, который включает использование двух потоков аргона. Первый, основной поток (15—20 нл/мин) направлен сверху вниз, вдоль растущего монокристалла. Он захватывает продукты реакции расплава с кварцевым тиглем (в основном, SiO), отводит их из камеры через патрубок в нижней части камеры и обеспечивает получение бездислокационных монокристаллов из загрузок большой массы. Аналогичные процессы известны, они повсеместно используются в мировой практике с 1970-х гг. Второй, дополнительный поток (1,5—2 нл/мин) направлен под углом 45о к поверхности расплава в виде струй из сопел, расположенных по кольцу. Этот поток инициирует образование области турбулентного течения расплава, которая изолирует фронт кристаллизации от конвективных потоков, обогащенных кислородом, а также усиливает испарение углерода из расплава. Подтвержден факт, что испаряемый из расплава кислород (в виде SiO) является «транспортом» для нелетучего углерода. Проведение промышленных процессов показало, что в выращенных монокристаллах может быть значительно снижено содержание углерода, вплоть до значений, меньших, чем в исходном сырье. В выращенных с использованием двух потоков аргона монокристаллах зафиксированы также повышенная макро- и микрооднородность распределения кислорода, существенно большая длина кристалла с заданной, постоянной концентрацией кислорода. Достижение концентрации углерода, в 5—10 раз меньшей, чем в исходном сырье, возможно при малых количествах аргона на плавку (15—20 нл/мин по сравнению с используемыми в обычных процессах 50—80 нл/мин). Применение дополнительного потока аргона, имеющего интенсивность истечения в 10 раз меньшую, чем у основного потока, не искажает характер обтекания основным («осевым») потоком поверхности монокристалла, не нарушает рост бездислокационного монокристалла, не вызывает увеличения плотности микродефектов, что свидетельствует об отсутствии изменений температурных градиентов и термоударов, приводящих к возникновению термических напряжений в монокристалле.

Материаловедение и технология. Диэлектрики

168-178 154
Аннотация
Рассмотрены особенности разработки и применения методик выполнения измерений коэффициентов преломления, основанных на многоугловых спектрофотометрических методах отражения. Описано влияние формы, размеров и обработки поверхности образцов на их спектральные зависимости отражения. Показана возможность определения коэффициентов преломления двумя спектрофотометрическими методами: по спектру отражения от одной грани при малом угле падения света, близком к нормальному, и методом отражения при падении света при угле Брюстера. Метод отражения при угле падения, близком к нормальному, может применяться в случае непоглощающего образца, который характеризуется коэффициентом экстинкции не превышающем (10-6—10-4). Этот метод является «экспресс-методом», поскольку позволяет сразу получать дисперсионную зависимость коэффициента преломления. Метод позволяет измерять дисперсионные зависимости коэффициентов преломления для образцов, форма которых исключает многократные отражения: пластин с одной шлифованной стороной; пластин большой толщины, полированных с двух сторон; призм или пластин с неплоскопараллельными гранями. При измерении по методу Брюстера не предъявляются требования к значению коэффициента экстинкции образца (поглощению), можно использовать образцы любой формы, в том числе, полированные с двух сторон пластины малой толщины. Однако получаемые значения коэффициентов преломления дискретны, требуется накопление большого массива результатов измерений. Определена точность измерений обоих методов, которая составляет Δ = ±0,001 при доверительной вероятности P = 0,95. Применимость спектрофотометрических методик измерения показана для образцов гадолиний-алюминий-галлиевого граната, относящегося к кристаллам кубической сингонии и характеризующегося наличием одного коэффициента преломления. Показано, что значения коэффициентов преломления, полученные данными методами, хорошо соотносятся в пределах точности измерений.

Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов

179-189 189
Аннотация
Рассмотрена оригинальная модификация метода направленной кристаллизации в виде многокассетного процесса, которая обладает сравнительной простотой и высокой производительностью. Основой исследования послужили отечественные патенты и технологические исследования, проводимые в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС». В результате были разработаны математические модели многокассетного метода, позволяющие как трехмерный радиационно-кондуктивный анализ тепловых процессов во всем объеме теплового узла, так и двумерный анализ конвективно-кондуктивного теплообмена в отдельной кассете. Проведенные на их основе параметрические расчеты были нацелены на выявление роли расположения и размеров компонентов теплового узла в формировании теплового поля в кассетном блоке; установление влияния вертикальной однородности подвода тепла к кассетному блоку и скорости снижения мощности нагрева в процессе кристаллизации пластины на изменение формы фронта кристаллизации; а также определение влияния малых перекосов в конструкции кассеты и нарушения однородности охлаждения ее донной части на возникновение конвекции и асимметричного теплопереноса. Применение модели кондуктивно-радиационного теплообмена для всей конструкции теплового узла позволило провести параметрические расчеты, на основе которых проанализировано влияние компонентов конструкции теплового узла, их расположения и температуры на условия теплообмена на границах кассетного блока. На основе кондуктивно-конвективной модели в ростовой кассете определено, что асимметрия конструкции и граничных тепловых условий, а также неустойчивый вертикальный градиент температуры приводят к возникновению конвективных вихрей и существенному отклонению фронта кристаллизации от плоской формы. Расчеты по модели конвективного массообмена показали, что увеличение на порядок скорости кристаллизации расплава значительно увеличивает поток теллура в кристалл, тем самым существенно изменяя состав расплава вблизи фронта кристаллизации и, таким образом, являясь потенциальной причиной начала дендритного роста. Достоверность результатов расчетов проверялась на ряде тестов, в которых анализировалось влияние тепломассопереноса на форму фронта кристаллизации при скоростях охлаждения кассеты, соответствующих данным процессов по выращиванию поликристаллов теллурида висмута.
190-196 231
Аннотация
В работе проводится вычисление эффективного коэффициента теплопроводности для бинарной полупроводниковой гетероструктуры на примере сверхрешетки GaAs/AlAs для различных периодов слоев и при различных температурах окружающей среды. На рассматриваемых масштабах использование моделей, основанных на законе Фурье, сильно ограничено, т. к. они не учитывают квантовомеханические свойства материалов, что дает сильное расхождение с экспериментальными данными. С другой стороны, использование методов молекулярной динамики позволяет получить точные решения, но они существенно более требовательны к вычислительным ресурсам и требуют решение нетривиальной задачи подбора потенциала. При рассмотрении наноструктур хорошие результаты показали методы, основанные на решении кинетического уравнения Больцмана для фононов, они позволяют получить достаточно точное решение, при этом обладая меньшей вычислительной сложностью, чем методы молекулярной динамики. Для расчета коэффициента теплопроводности в работе используется модель модального подавления, аппроксимирующая решение кинетического уравнения Больцмана для фононов. Дисперсионные параметры и параметры рассеяния фононов получены из первопринципных расчетов. В работе учитываются двух фононные, связанные с изотопичеким беспорядком и барьерные, и трех фононные процессы рассеяния. Для повышения точности вычислений, в работе учитывается неоднородность распределения материалов по слоям сверхрешетки. Проведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, продемонстрировано хорошее соответствие.
197-201 195
Аннотация
Статья посвящена проблеме решения научных задач в области материаловедения в среде высокопроизводительных вычислительных комплексов. Подходом к решению определенного рода задач в материаловедения является применение технологий математического моделирования, реализуемых специализированными системами моделирования. Наибольшую эффективность системы моделирования проявляют при развертывании в гибридных высокопроизводительных вычислительных комплексах (ГВВК), обладающих высокой производительностью и позволяющих решать задачи за приемлемое время с достаточной точностью. Однако существует ряд ограничений, влияющих на работу научного коллектива с системами моделирования в вычислительной среде ГВВК: необходимость доступа к графическим ускорителям на этапе разработки и отладки алгоритмов в системе моделирования, необходимость применения нескольких систем моделирования с целью получения наиболее оптимального варианта решения, необходимость динамического изменения настроек системы моделирования при решении задач. Решение проблемы вышеуказанных ограничений возлагается на индивидуальную среду моделирования, функционирующую в вычислительной среде ГВВК. Оптимальным решением для создания индивидуальной среды моделирования является технология виртуальной контейнеризации. Предлагается алгоритм формирования индивидуальной среды моделирования в гибридном высокопроизводительном вычислительном комплексе на основе системы виртуальной контейнерезации docker. Индивидуальная среда моделирования создается путем установки в базовый контейнер необходимого программного обеспечения, настройки переменных среды, установки пользовательского ПО и лицензий. Особенностью алгоритма является возможность формирования библиотечного образа из базового контейнера с настроенной индивидуальной средой моделирования. В заключении обозначены направление для проведения дальнейшей исследовательской работы. Представленный в статье алгоритм является независимым от реализации системы управления заданиями и может применяться для любого высокопроизводительного вычислительного комплекса.

Эпитаксиальные слои и многослойные композиции

202-211 150
Аннотация
В полевых транзисторах на основе широкозонных нитридных гетероструктур широко используются диэлектрические слои в качестве как одного из основных элементов в активных областях приборов, так и пассивирующих слоев. К диэлектрикам предъявляются жесткие требования по высокой диэлектрической проницаемости, большой ширине запрещенной зоны, сплошности покрытия. Кроме того, пленки должны выдерживать высокие электрические поля и иметь низкую плотность поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Для этих целей в качестве эффективных покрытий обычно используются низкотемпературные пленки, выращенные с помощью плазмохимического осаждения из газовой фазы, атомно-слоевого осаждения (ALD) и плазменно-стимулированного осаждения. Для гетероструктур AlGaN/GaN наиболее перспективными и чаще всего используемые являются пленки ALD Al2О3, SiNх (Si3N4), SiON, ALD AlN.
Исследовано влияние пассивирующих покрытий ALD Al2O3, SiNx и SiON разной толщины на изменение заряда и плотности состояний гетероструктур AlGaN/GaN. Электрофизические параметры структур оценивались с помощью C—V-характеристик, измеренных на разных частотах, и I—V-характеристик. На основании рассмотренных зонных диаграмм структур при разном управляющем напряжении и оценки элементного состава пленок методом Оже-спектроскопии показано, что причиной образования большого положительного заряда при нанесении пленок ALD Al2O3 и SiNx является возникновение дополнительного пьезоэлектрического заряда в буферном слое AlGaN. Показано, что использование пленок SiON с концентрацией кислорода в них более 3 % не приводит к формированию дополнительного положительного заряда, но может вызывать флуктуации тока при измерении I—V-характеристик. Рассмотрен возможный механизм транспорта носителей в области пространственного заряда, приводящий к таким флуктуациям.

Наноматериалы и нанотехнологии

212-218 242
Аннотация
Рассмотрены перспективные нанокомпозитные материалы на основе углерода и титана. Показано, что особый интерес представляет использование высокопористой матрицы. Материалы на основе таких матриц имеют минимальные весовые и высокие прочностные характеристики. Также в работе охарактеризованы композиты на основе пористых углеродных волокон с оксидами металлов. Направления получения композитов условно можно разделить на три вида: матричный способ, покрытие готовых наночастиц инертной оболочкой, образование наночастиц и матриц в одном процессе. Покрытие наночастиц инертной оболочкой позволяет предотвратить их окисление и сохранить необходимые магнитные свойства. При использовании таких методов как ИК-пиролиз, дуговое испарение образуется сторонние метал-углеродные фазы, которые загрязняют получаемый материал. Чтобы этого избежать, используют восстановители, например водород при закоксовывании наночастиц в токе метановой плазмы восстанавливает частицы металла из его золь-геля и не дает им вступить в реакцию с углеродом. Но при таком способе трудно контролировать размер частиц. Использование же готовой матрицы позволяет контролировать размер наночастиц. Однако, в таком методе используются высокие температуры, а иногда и водород, что усложняет процесс получения. Основной проблемой в области нанокомпозитов является поиск более технологичных, простых, дешевых и экологичных методов получения нанокомпозитов с высокими эксплуатационными характеристиками. Разработанная технология формирования порового пространства исходной углеродной матрицы не имеет вышеперечисленных недостатков. Данная технология имеет простое, дешевое, экологически чистое оформление, в процессе получения нанокомпозитов не применяются высокие температуры и не образуются сторонние металл-углеродные фазы. Полученные нанокомпозитные материалы были использованы в качестве электродов сверхъемких конденсаторных структур. При исследовании емкостных и электрических характеристик образцов было выявлено, что формирование металла на пористой углеродной матрице позволяет существенно уменьшить внутреннее сопротивление ячейки и увеличить удельную энергоемкость.

Физические свойства и методы исследования

219-227 217
Аннотация
Алюминий — металл, сфера применения которого постоянно расширяется. В настоящее время алюминий и его сплавы в ряде областей успешно вытесняют традиционно применяемые металлы и сплавы. Широкое использование алюминия и его сплавов обусловлено в первую очередь такими его свойствами, как малая плотность, высокая коррозионная стойкость и электропроводность, а также возможность нанесения защитных и декоративных покрытий. Все это в сочетании с тем, что запасы алюминия в земной коре велики, а его стоимость относительно невысока  и в течение многих лет практически не меняется, постоянно расширяет область его применения. Одним из перспективных направлений использования алюминия является электротехническая промышленность. Так, проводниковый алюминиевый сплав типа E-AlMgSi (алдрей) отличается высокой прочностью и хорошей пластичностью. Этот сплав при соответствующей термической обработке приобретает высокую электропроводность. Изготовленные из него провода используются почти исключительно для воздушных линий электропередач. В работе представлены результаты исследования температурной зависимости теплоемкости, коэффициента теплоотдачи и термодинамических функций алюминиевого сплава E-AlMgSi (алдрей) с галлием. Исследования проведены в режиме «охлаждения».
Показано, что с ростом температуры теплоемкость и термодинамические функции сплава E-AlMgSi (алдрей) с галлием увеличиваются, а значение энергия Гиббса уменьшается. Добавки галлия до 1 % (мас.) уменьшают теплоемкость, энтальпию и энтропию исходного сплава и увеличивают величину энергии Гиббса.
228-236 340
Аннотация
Актуальным является применение «теплой жидкости» тетраметилсилана (TMС) в ионизационных камерах для измерения дозных профилей в водных фантомах для подготовки ускорителя к сеансу протонной терапии. Одно из перспективных направлений лучевой терапии — протонная терапия. Для повышения конформности процедуры важно точно знать дозные распределения от энерговыделения протонного пучка в водном фантоме перед проведением сеанса протонной терапии. Повысить точность дозного распределения помогает внедренный на ускорителе «Прометеус» детектор телевизионного типа (ДТеТ), измеряющий профили пика Брэгга по глубине пучка в водном фантоме. Предлагается совместное использование многоканальной «пиксельной» ионизационной камеры на теплой жидкости — калибраторе измерителе дозного поля (КИДП), который будет применяться на ускорителе «Прометеус» при режиме работы методом активного сканирования «карандашным» протонным пучком. Применение совместной работы КИДП и ДТеТ, предназначено для моделирования облучения «мишени» в водном фантоме сканирующим «карандашным» протонным пучком для контроля перед сеансом лучевой терапии.
Данная приставка к ДТеТ позволит повысить качество подведения терапевтического пучка, благодаря точному знанию поглощенной дозы подводимой сканирующим пучком к каждому вокселю облучаемой мишени, и поэтому формируемое поле распределения высокой дозы будет соответствовать облучаемому объему у пациента и повысит конформность облучения. Дополнительная приставка к ДТеТ сконструирована на кремнийорганической «теплой жидкости» и представляет собой высокоточную ионизационную камеру с координатной чувствительностью по ширине водного фантома. Полностью отработанная технология получения «теплой жидкости» ТМС, позволяет создать «пиксельную камеру» КИДП работающую совместно с ДТеТ. Рассматриваемая приставка к детектору ДТеТ, КИДП может использоваться независимо от ДТеТ и с большой точность измерять в водном фантоме дозные профили пика Брэгга, как по глубине так и по ширине. Также КИДП может применяться для измерения выходов вторичных «мгновенных» нейтронов и гамма-квантов вылетающих из водного фантома ортогонально направлению протонного пучка.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)