Учебное пособие 1936

УДК 538.9:621.382

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕТВЕЙ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Bi2Te3-Bi2Se3 И Bi2Te3-Sb2Te3 И МЕХАНИЧЕСКИЕ И ДИФФУЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ Mo/Ni

В.А. Дыбов, М.А. Погорелова1, студент гр. ТФ -141, А.О. Росляков1, студент гр. ТФ -141, Д.В. Сериков1, Е.Н. Федорова2

1кафедра физики твердого тела

2кафедра материаловедения и физики металлов

В работе представлены результаты сравнительного исследования фазового состава, морфологии, механических свойств полупроводниковых термоэлектрических ветвей n-типа на основе твердого раствора Bi2Te3-Bi2Se3 и р-типа на основе твердого раствора Bi2Te3-Sb2Te3 после различных вариантов модификации поверхности: механической полировкой (МП); МП с последующей импульсной фотонной обработкой (ИФО) некогерентным светом в атмосфере Ar; МП с последующей электрохимической полировкой (ЭХП) в водном растворе NaOH (КОН) + H2C4H4O6 + C3H5(OH)3. Оценены диффузионные свойства барьерного слоя Mo (0,3 мкм) и механические свойства барьерно-коммутационного слоя Мо/Ni, полученного в процессе магнетронного распыления на поверхности ветвей.

По результатам рентгеновской дифрактометрии (РД) установлено, что МП, ИФО (доза облучения до 140 Дж∙см-2), ЭХП не приводят к изменению фазового состава приповерхностного слоя термоэлектрических ветвей. Установлено, что ИФО ветвей изменяет структуру приповерхностного слоя материалов: собирательная полигонизация снижает концентрацию дефектов, а увеличение эффективной температуры ускоряет первичную рекристаллизацию, что приводит к формированию дисперсной поликристаллической структуры. Определены режимы ИФО, приводящие к упрочнению приповерхностного слоя толщиной несколько мкм механически полированных полупроводниковых ветвей n- и р-типа при практически неизменной шероховатости поверхности: 2-кратная обработка в атмосфере аргона с дозой облучения 125 Дж∙см-2 для ветви n-типа и 100 Дж∙см-2 для ветви р-типа.

На примере ветвей n-типа, модифицированных всеми указанными способами, с барьернокоммутационным покрытием Мо/Ni показано, что в результате изотермического отжига гетероструктур (вакуум (10-2 Па), Т=570 К, 24 ч.) диффузия атомов коммутационных и барьерных слоев (Ni и Mo) в приповерхностный слой твердого раствора Bi2Te3+Bi2Se3 практически отсутствует (доля Ni и Mo на глубине 1 мкм не более 0,1%).

В результате испытаний на сдвиг коммутационно-барьерных слоев на основе Mo/Ni на поверхности ветвей n-типа установлено, что МП ветвей повышает адгезию

коммутационных барьерных слоев Mo/Ni более чем в 4 раза по сравнению с адгезией слоев Mo/Ni на поверхности необработанных ветвей. ИФО практически не изменяет, а ЭХП механически полированных ветвей снижает адгезию слоев Mo/Ni. Установлено, что МП ветвей р-типа повышает адгезию слоев Mo/Ni в 2 раза по сравнению с адгезией слоев Mo/Ni на поверхности необработанных ветвей. ИФО приводит к снижению адгезии в 2 раза, а электрохимическая полировка повышает адгезию слоев Mo/Ni в 1,5 раза по сравнению с ветвями после МП.

22

УДК 538.911

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ АМОРФНОГО СПЛАВА

Fe77B6,94Si13Nb2,15Cu0,9 В ПРОЦЕССЕ ОТЖИГА МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Д.В. Сериков

Кафедра физики твердого тела

Цель работы: выявить связь между изменениями температурной зависимости электросопротивления аморфного сплава (АС) Fe77B6,94Si13Nb2,15Cu0,9 и его структурными преобразованиями.

Исследованный АС состава: Fe – 77, B – 6.94, Si – 13, Nb – 2.15, Cu – 0,9 ат. %, был получен методом закалки из жидкого состояния в виде лент шириной 20 мм и толщиной ~ 35 мкм. Анализ изменения удельного электрического сопротивления проводили двухзондовым методом измерения с использованием четырехпроводной схемы подключения. Нагрев проводили в вакууме не хуже 5,5∙10-5 мм.рт.ст. Скорость нагрева составляла

7-9 ºС/мин.

По данным рентгеновской дифрактометрии (РД) исходный сплав имеет аморфную структуру.

Графики зависимости изменения электросопротивления сплава Fe77B6.94Si13Nb2.15Cu0,9 в процессе нагрева

На рисунке а) приведена кривая изменения электросопротивления сплава

Fe77B6,94Si13Nb2,15Cu0,9 в процессе нагрева. При 450°C ТКС меняет свой знак, что, согласно литературным данным и результатам РД, связано с кристаллизацией сплава, приводящей к

изменению упорядочения на атомном уровне. Особенностью же зависимости ρ = f (T) является её немонотонный характер до Т ~ 450 °C, где нелинейное изменение удельного сопротивления с ростом температуры, не связанное с глобальными изменениями в структуре сплава, можно объяснить эволюцией дефектов, таких как микропоры, внутренние напряжения, флуктуации плотности. Следует отметить также, что отжиг до температуры 340 – 350 °C, с ТКС ≈ 0, приводит к линейному уменьшению удельного сопротивления при охлаждении (рисунок б) и исчезновению гистерезиса при повторном нагреве. Таким образом, в результате отжига при температуре 340 ºС происходит формирование относительно стабильной субструктуры сплава, которая при повторном отжиге не претерпевает изменений, существенно влияющих на проводящие свойства

Полученные зависимости показывают высокую чувствительность проводимости к ранним стадиям кристаллизации и структурной релаксации в аморфном состоянии. Это позволяет рассматривать температурную зависимость электросопротивления как показатель таких структурных изменений, хорошо коррелирующий с результатами РД.

23

УДК 537.9

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА

Д.Ю. Казьмин, студент гр. ТФ-161, М.А. Каширин, С.Ю. Панков

Кафедра физики твердого тела

Среди наиболее часто используемых методов осаждения тонких пленок оксида цинка являются метод химического газофазного осаждения и метод магнетронного распыления [1]. Достоинствами этих методов являются простота легирования и возможность осаждения слоев на большие площади. Другими возможными методами получения тонких пленок являются метод осаждения из водных растворов, метод импульсного лазерного и термического испарения, золь-гель – метод, метод пиролиза и метод атомно-слоевого осаждения [2,3].

Среди химических методов синтеза пленок оксидов активно применяются различные разновидности химического газофазного осаждения (CVD) [3]. Общим достоинством всех CVD-методов является простота реализации. Для получения твёрдых неорганических покрытий повышенной чистоты широко распространен CVD-метод при пониженном дав-

лении (LPCVD).

Золь-гель-метод является довольно простой и недорогой технологией, позволяет точно регулировать химический состав продукта реакции, даже незначительное количество примесей, находящиеся в золе может быть равномерно распределено в конечном веществе. Изначально данный метод использовался для изготовления материалов из коллоидного раствора, который служит исходным веществом для создания геля либо получения дискретных частиц (окислов металлов), и сетчатых полимеров. Исходными веществами химической реакции являются соли металлов (такие, как хлориды, нитраты и ацетаты), которые подвергаются различным формам гидролиза и реакциям поликонденсации. Исходный золь может быть осажден на подложку для образования пленки с помощью погружения или центрифугирования.

Для сравнения экспериментальных особенностей методик в докладе рассмотрены, следующие методы: получения тонких пленок оксида цинка LPCVD-методом [3] по реак-

ции Zn(C2H5)2 (газ) + H2O (пар) → 2C2H6 (газ) + ZnO (тв.) при температуре (~150…200 °C) и давлении (0,5…1 мбар); и данные работы [4] получения тонких пленок ZnO, и ZnO:Al на

стеклянных подложках методом осаждения из паровой фазы и золь-гель-методом.

На основании анализа работ по получению пленок ZnO можно выделить следующие особенности. Для получения тонких пленок оксида цинка целесообразно использовать золь-гель метод так как его основное преимущество заключается в высокой степени гомогенизации исходных компонентов. Данный метод позволяет достичь высокой степени чистоты продуктов на всех стадиях синтеза при минимуме затрат на её достижение. Становится возможным получение данным методом продуктов, которые характеризуются: монофазной кристаллической структурой, обладающей высокой степенью совершенства; строго стехиометрическим составом; отсутствием посторонних фаз.

Литература

1.– Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.bestreferat.ru/referat-116729.html

2.– Электрон. дан.– Режим доступа: http://kirensky.ru/zdoc/dis_tambasov.pdf

3.– Электрон. дан. – Режим доступа:

http://www.itp.nsc.ru/articles/Populjarno_o_nanotehnologijah.html#_CVD- %D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_1

4. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.nanometer.ru/2010/10/17/zol_gel_219461.html

24

УДК 537.323

ПОЛУЧЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ZnO (In)

В.А. Фошин студент гр. ТФ-151, Л.И. Янченко, М.А. Каширин

Кафедра физики твердого тела

Одним из ключевых направлений альтернативной энергетики является прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Это позволяет создавать эффективные автономные источники электроэнергии. Потребность в их широком использовании обусловлена миниатюризацией электроники, а, следовательно, использованием эффективных малогабаритных источников питания.

Термоэлектрическими свойствами обладают металлы и их соединения: оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, фосфиды, карбиды, а также у сплавов металлов, сплавов соединений металлов и у интерметаллических соединений. С технологической точки зрения одним из самых простых решений для выбора оптимального термоэлектрического материала является выбор оптимального уровня легирования, т. е. такого, который обеспечивает максимальное значение термоэлектрической добротности. Заметно больших значений термоЭДС и термоэлектрической добротности можно ожидать в случае полупроводников и полуметаллов в условиях, когда концентрация не слишком мала, но сильное вырождение отсутствует.

Вработе [1] рассмотрены ряд объемные поликристаллические материалов гомоло-

гического ряда In2O3(ZnO)k k = 3, 5, 7 и 9, полученные твердофазным синтезом. Исходные порошки In2O3 и ZnO тщательно перемешивают и прессуют в таблетки, которые прокаливают при 1000 ° C в течение 12 часов на воздухе. После стадии прокаливания таблетки измельчали, затем прессовали и спекали при 1300 °С в течение 24 часов. Наиболее перспективным по мнению авторов статьи является соединение состава In2O3(ZnO)5

Вданной работе была предложена методика синтеза керамических материалов путем двухстадийного спекания. В качестве исходных компонентов были использованы порошок ZnO и стружка металлического In. Расчет шихты был произведен для соотношений Zn: In как 2:1, 3:1, и 4:1. Смешение проводили в керамической ступке в течение 90 минут. Результаты рентгеноструктурного анализа от исходной смеси и от порошка Zn:In (2:1) после спекания при температуре 200 °C не выявили различий, поэтому температуру увеличили до 500 °С. И во втором случае добиться получения однофазных образцов не удалось.

Вдальнейшем планируется заменить ZnO, цинк содержащей солью и провести повторный синтез соединения.

Литература

1. Hopper, E. Mitchell; Zhu, Qimin; Song, Jung-Hwan; et al. Electronic and thermoelectric analysis of phases in In2O3(ZnO)k the Journal of Applied Physics 109, 013713 (2011)

25

УДК 533.51

ПОЛУЧЕНИЕ ВАКУУМА В ШКОЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

А. Д. Буров, И. А. Воробцов, И. Г. Слободенюк учащиеся 9 «а» МКОУ «СОШ №10», г. Лиски

Вакуум означает пространство, свободное от вещества. Обычно техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. В основу получения вакуума положен принцип удаления газа из откачиваемого сосуда за пределы вакуумной системы. Для этого используем насос Камовского, предназначенный для создания пониженного и повышенного давления воздуха.

В ходе эксперимента были:

1. Изучена работа школьного радиометра.

Прибор П. Н. Лебедева состоит из легкого стерженька на тонкой металлической нити, по краям которой прикреплены легкие крылышки. Прибор помещается в сосуд, из которого откачен воздух. Свет падая на крылышки, нагревает их неравномерно. Сторона, обращенная к источнику света, нагревается больше, чем противоположная, «крыльчатка» поворачивается, стерженек закручивается.

2. Показано, что звук не распространяется в вакууме.

Если откачать воздух из-под колокола воздушного насоса, то мы не услышим звучания находящегося там электрического звонка.

3. Доказано: газ производит давление на стенки сосуда.

Прикрепим оболочку воздушного шарика к насосу и установим его в режим «нагнетание», шарик начнет раздуваться, принимая форму шара.

4.Установлено, что давление, производимое неподвижным газом, по всем направления одинаково (закон Паскаля).

По мере откачивания воздуха из колокола воздушного насоса, полунадутый шарик начинает раздуваться, оболочка принимает форму шара, и объем шарика растет до той величины, при которой сила давления воздуха внутри шара не сравняется с силой упругости оболочки.

5.Изучено падение тел в вакууме. Трубка Ньютона.

Наблюдаем падение тел – металлический шарик, пробка, перышко - в трубке Ньютона, содержащей воздух. Откачаем воздух с помощью насоса Камовского. Наблюдаем, практически, одинаковое падение тел - все три тела упали одновременно, т.е. все тела, вне зависимости от массы падают с одинаковым ускорением.

6. Доказано: воздух имеет вес.

Возьмем весы, стеклянный шар с пробкой и резиновой трубкой, из которого при помощи насоса выкачан воздух. Взвешивая шар с воздухом и без него, обнаруживаем разницу в массе. Эта разница и равна массе воздуха в шаре (m=1,932г).

7. Демонстрация проявления атмосферного давления.

Рассматриваем работу поршневого жидкостного насоса на модели. Основа насоса – цилиндр, внутри которого движется плотно прилегающий к нему поршень, поднимаем поршень вверх, между поршнем и поверхностью масла образуется вакуум. По закону Паскаля атмосферное давление действует одинаково по всем направлениям, в том числе и вверх. И масло просто движется из зоны большего давления в зону меньшего.

Литература

1.https://www.kakprosto.ru/kak-105985-chto-takoe-vakuum#ixzz5816HHEyw

2.Косинов Н. В. «Физический вакуум и гравитация», М., «Просвещение», 2000г.

26

УДК 53.023

ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛИ РУССКОЙ ПЕЧИ

С. И. Ягодин, учащийся 11 «а» класса МКОУ «СОШ №10», г. Лиски

Цель: на примере изготовленной модели показать принцип работы и эффективность использования русской печи.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что ранней весной и поздней осенью в дачных домиках достаточно холодно, и для создания комфортных условий можно использовать печь, сделав ее собственными руками.

Гипотеза: известно, что русская печь способна долго сохранять тепло, полученное от сжигания дров. И для ее изготовления используется обычный обожженный красный кирпич. Следовательно, без особых затрат можно не только создать тепло в помещении, но и, например, приготовить пищу.

Теоретическое обоснование: русская печь – нагревательный прибор периодического действия. Во время, не очень продолжительной, протопки, она накапливает в себе тепло, а затем около суток теплится, отдавая его. Чтобы понять ее работу, последуем за током воздуха. Тяга — снижение давления воздуха или продуктов сгорания в каналах сооружений и технических систем, способствующее притоку среды в область пониженного давления (под действием Архимедовой силы). В русской печи безо всяких перегородок и закоулков образуется сложный дымовой канал, по эффективности теплоотдачи, превосходящий любой лабиринтный.

Принцип работы: Кислород, необходимый для поддержания процесса горения, поступает в топливник через поддувало, которое открытой или полуоткрытой дверкой сообщается с помещением. Топливо сгорает в топочном пространстве, которое в нижней своей части через колосниковую решетку сообщается с поддувалом, а в верхней – с системой дымооборотов, служащих для отвода в атмосферу продуктов сгорания.

Вывод: русская печь

1.Функциональна.

2.Проста в использовании.

3.Дешевизна в изготовлении.

4.Экономична (кпд самой простой русской печи превышает 60%).

5.Работает на любом твердом топливе.

6.Безопасносна (огонь в самой глубине топки).

Заключение: создав и испытав модель русской печи, можно сделать вывод о том, что использование русской печи - это один из эффективных и дешевых способов создания комфортных условий в садовом домике. И что русская печь с лежанкой, может служить отличным местом для отдыха, оказывая положительное влияние на весь организм человека. Но при постройке печи нужно помнить, что для русской печи необходим обыкновенный красный кирпич без трещин и других погрешностей. Чтобы проверить, хорошо ли обожжён кирпич, нужно простучать его молоточком. Звук должен быть звонким и отчётливым. Материал для кладки - песок и глина. Песок обязательно нужен сухой, зёрнышко к зёрнышку. Глина должна быть промёрзшая, для этого всю зиму ее выдерживают под открытым небом.

Литература

http:/www.clubpechnikov.ru/

27

УДК 535.6

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ: «ЦВЕТООЩУЩЕНИЕ»

А. Гришанова ученица 11 «а» класса

МКОУ «СОШ №10», г. Лиски

Цветоощущение — способность зрения воспринимать и преобразовывать световое излучение определённого спектрального состава в ощущение различных цветовых оттенков и тонов, формируя целостное ощущение. Цвет является важной частью полученной нами информации через глаза. Таким образом, человек мог многое понять о предмете перед ним. Из этого следует, что люди могут быть более восприимчивы к тем или иным цветам – этим свойством и пользуются дизайнеры при оформлении помещений. Какие же цвета являются комфортными для обучения?

Актуальность работы: Мы решили обратить внимание людей к такому предмету, как цветоощущение. Ведь влияние цветов на людей редко учитывается при проведении ремонтных работ в учебных заведениях и других зданиях. Надеемся, в будущем на цветоощущение будут обращать большее внимание.

Цель работы: исследование цветового восприятия учеников к обстановке и цветам

вшкольных кабинетах.

Вэксперименте участвовали 46 учеников из 9-11 классов. Опрошенным учащимся предлагалось проголосовать за 11 кабинетов в категориях: цвет стен, цвет мебели, цвет занавесок, цвет пола, комфортность (в таблице, в процентах от общего количества, показан процент тех учащихся для кого комфортен существующий цвет).

Таблица результатов

Заключение

Оформление и интерьер кабинета № 18 является наиболее комфортным для учеников. Общую гамму цветов составляют бежевый и коричневый, что действует на учеников успокаивающе и помогает концентрировать внимание.

28

УДК 535.36

ИЗУЧЕНИЕ СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Е. Семенихин, учащийся 9 «а» класса,

МКОУ «СОШ» №10 г. Лиски.

Один из способов определения ускорения опытным путем – стробоскопический метод. Он состоит в том, что движущееся тело в темноте освещают через равные промежутки времени световой вспышкой с помощью прибора называемого стробоскопом.Стробоскоп - это прибор, при помощи которого можно с большой скоростью воспроизводить повторяющиеся яркие световые импульсы. Принцип работы этого прибора основан на стробоскопическом эффекте.

Стробоскопический эффект обусловлен инерцией зрения, то есть сохранением в сознании наблюдателя воспринятого зрительного образа на некоторое малое время после того, как вызвавшая образ картина исчезает. Если время, разделяющее дискретные акты наблюдения, меньше времени «гашения» зрительного образа, то образы, вызванные отдельными актами, сливаются и наблюдение субъективно ощущается как непрерывное.

Стробоскопический метод измерений основан на освещении вращающегося или колеблющегося тела короткими повторяющимися с известной частотой импульсами света и наблюдении при этом освещении специально нанесённых на тело меток. Благодаря способности клеток сетчатки сохранять раздражение в течение приблизительно 0,1 с отражённый от отметки свет, попадая в глаз с частотой более 16 раз в секунду, создаёт непрерывное раздражение сетчатки, и метка кажется неподвижной (при совпадении частот) или движущейся в ту или иную сторону. Зная частоту вспышек, можно определить частоту колебаний или вращения, измерить расстояния, которые проходит шарик по наклонному желобу за последовательные равные промежутки времени.

Используя стробоскопический эффект экспериментально определим ускорение, с которым скатывается шарик по наклонному желобу.

Шарик, скатывающийся по желобу, виден только в тех положениях, в которых он оказывается освещенным. Если шарик фотографировать в процессе его движения (затвор фотоаппарата должен быть открыт в течении всего движения), то на экране будут видны последовательные положения шарика через равные промежутки времени.

1.По стробоскопическому изображению движения шарика по наклонному желобу измерим длины S1, S2, S3 любых трех соседних участков, пройденных шариком между вспышками. Интервал времени между вспышками 0,2 с.

2.Рассчитаем ускорение, с которым движется шарик по формуле:

S=v0t+at2 /2; v0 =0 => S= at2 /2. Откуда следует, что ускорение a=2S/t2.

3. Найдем отношение модулей векторов перемещений, совершаемых телом, движущихся равноускоренно из состояния покоя за последовательные равные промежутки времени (за каждую секунду). Результаты измерений приведены в таблице

Из опытов следует: S1 : S2: S3 как 1: 3 : 5, что доказывает, что модули перемещений, совершаемых телом за последовательные равные промежутки времени, относятся как ряд последовательных нечетных чисел.

Наблюдение стробоскопического эффекта. 1. Наблюдение за колеблющимся на нити маятником.

29

Если период световых вспышек равен периоду колебаний нитяного маятника, то грузик кажется неподвижным. При небольшом несовпадении этих интервалов времени можно добиться эффекта кажущегося замедления движения .

2. Наблюдение за вращающимися лопастями вентилятора.

Меняя частоту вспышек стробоскопа, наблюдали за вращениями лопастей вентилятора. При одной частоте вспышек лопасти казались покоящимися, при другой – вращающимися

впротивоположную сторону.

Входе работы был изучен стробоскопический эффект и работа школьного стробоскопа, а также проведены опыты с использованием стробоскопа. Сделаны фотографии, которые были использованы при расчете ускорения движущегося по желобу шарика.

На основе проделанных опытов убедилась в том, что стробоскопические эффекты необходимо учитывать на производстве, где имеются вращающиеся детали и используется освещение лампами дневного света

Литература

1.http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Стробоскопический%20эффект

2.Кикоин А. «Стробоскопические эффект и изменение ускорения»/Квант,1985, №9 (Электронный ресурс) URL: http://rvant.mirror1.mccme.ru/985/09/stroboskopicheskij_effekt_i_iz.htm

30