Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

лекции / Лекции / физическое мат-ие

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
10.12.2013
Размер:
287.24 Кб
Скачать

Петрозаводский Государственный университет

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Данный практикум представляет собой часть курса «Физическое материаловедение» и включает следующие лабораторные работы:

1.Анодные оксидные пленки

2.Осциллографический метод изучения сегнетоэлектриков

3.Междузонное поглощение света в полупроводниках

4.Специальные электротехнические сплавы

Цель практикума – дать представление о свойствах материалов современной электронной техники – металлов, диэлектриков, полупроводников – и методах их исследования. Представленные работы подобраны исходя из актуальности и практической значимости вышеперечисленных разделов физики твердого тела, а также – с учетом того, что ряд работ, непосредственно относящихся к предмету материаловедения, выполняется в других лабораторных курсах – «Физпрактикум», «Физика полупроводников и диэлектриков», в первой части курса «Физическое материаловедение» и др.

Описания лабораторных работ включают теоретическое введение и задание. Инструкции по порядку выполнения работ и схемы установок находятся на рабочих местах.

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

1. Анодные оксидные пленки

Электрохимическое (анодное) окисление – это процесс получения окисных пленок на поверхности металлов и полупроводников при анодной поляризации в кислородсодержащих средах с ионной проводимостью: в растворах и расплавах электролитов, в плазме газового разряда в кислороде, а также в контакте с твердыми электролитами.

Механизм анодного окисления связан с переносом металла и кислорода через растущий окисный слой под действием электрического поля, возникающего в пленке при приложении напряжения. Теория микроскопического механизма ионного переноса при анодном окислении довольно сложна и находится на уровне модельных представлений. Наиболее разработанными являются модели движения ионных дефектов и механизмы типа «обмена местами» и переключения связей. Описание процесса окисления осложняется наличием границ металл-оксид и оксидэлектролит, а также возможностью протекания побочных реакций: разряда кислорода и растворения окисной пленки. Тем не менее, кинетические закономерности образования анодных окисных пленок (АОП) и их свойства достаточно хорошо изучены.

В гальваностатическом режиме (при постоянной плотности тока, протекающего через электрохимическую ячейку) приращение толщины оксидного слоя происходит линейно по времени:

dx

 

µ

 

j ,

(1.1)

 

 

 

= λ

 

 

dt

 

nz ρF

 

 

где λ – эффективность формовки (отношение ионного тока к полному току), µ и ρ – молярная масса и плотность оксида, nz – валентность реакции, F – число Фарадея, j – плотность тока. Скорость изменения

напряжения на оксидном слое

dU

=

dU

 

dx

тоже постоянна, т.к.

dt

dx

dt

 

 

 

 

напряженность поля Eox = dUdx = const . В результате толщина d пленки,

выращенной до попределенного напряжения Ua, линейно зависит от Ua:

d =α Ua ,

(1.2)

где коэффициент анодирования (постоянная роста) α = 1 зависит от

Eox

материала анода, температуры и, в меньшей степени, от состава электролита. Например, для тантала (Ta) α = 1,5÷1,7 нм/В, для ниобия

(Nb) α = 2,2÷2,4 нм/В.

Необходимо отметить, что с практической точки зрения основной целью изучения анодного окисления всегда было определение условий получения АОП, обладающих высококачественными диэлектрическими

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

свойствами, т.к. главной областью применения этих пленок (в частности, Ta2O5, Nb2O5, Al2O3) является производство оксидно-полупроводниковых и оксидно-электролитических конденсаторов. Анодные пленки используются также в качестве защитных и декоративных покрытий. Методика и теория процесса электрохимического окисления наиболее детально разработаны для так называемых вентильных металлов: в первую очередь это Al, Ta, Nb, а также Ti, Zr, Hf, W, V, Bi, Sb. На этих металлах можно получить достаточно толстые (до 500 нм), плотные, однородные окисные пленки, обладающие хорошими антикоррозионными свойствами и высоким электросопротивлением. Анодные оксидные пленки, как правило, являются аморфными, что обеспечивает более высокую однородность их свойств по сравнению с поликристаллическими (термическими и напыленными) пленками.

Помимо диэлектрических свойств, в некоторых анодных оксидах проявляются также другие интересные и практически важные эффекты: электрохромный эффект в АОП W, Mo, V; электрическое переключение в МОМ-структурах на основе АОП V, Ti, Nb, Fe; переход металлполупроводник в аморфном VO2; электретный эффект.

Задание

1.Провести анодное окисление металлического образца при определенном токе (I=const) до определенного напряжения. В процессе анодирования снять зависимость U(t).

2.Измерить емкость образца C непосредственно в электролите.

3.По прилагаемой цветовой шкале определить металл (Ta/Nb), рассчитать толшину пленки по формуле (1.2) и диэлектрическую проницаемость оксида (зная d, C и измерив площадь заанодированной поверхности).

Отчет должен содержать:

9График U(t) с указанием значения j = SI ;

9Величины S, C, d и ε.

Дополнительное задание

¾Вывести соотношение (1.1) из законов Фарадея.

¾Вывести зависимость удельной емкости (на 1 см2) от напряжения анодирования; рассчитать коэффициенты пропорциональности для

Ta и Nb (в Ф·В).

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

2. Осциллографический метод изучения сегнетоэлектриков

Для сегнетоэлектрических материалов имеется ряд параметров, характеризующих их сегнетоэлектрические свойства – это диэлектрическая проницаемость ε, поляризованность P, тангенс угла диэлектрических потерь (tg(δ)). Характерным свойством сегнетоэлектриков является диэлектрический гистерезис. Это явление выражается в неоднозначной зависимости состояния поляризации от поля E: в каждый данный момент времени это состояние определяется не только величиной E, но и историей его изменения в предыдущие моменты времени (рис. 1).

Рис.1. Зависимость поляризации от поля и основные характеристики сегнетоэлектрика: спонтанная (Pсп), индуцированная (Pинд), остаточная (Pост) поляризация и коэрцитивная сила (Ek)

Полная поляризация сегнетоэлектрика во внешнем поле складывается из двух процессов – роста индуцированной поляризации и изменения удельного веса областей, спонтанный момент которых ориентирован в направлении поля. Таким образом, установление полной поляризации в сильном поле является довольно сложным процессом, т.к. в общем случае и Pсп, и Pинд являются нелинейными функциями напряженности поля. Если, однако, поля таковы, что спонтанная поляризация достигает насыщения, то становится возможным разделение этих областей, как это показано на рис. 1. Максимальная величина Pсп для большинства сегнетоэлектриков составляет 10÷100 мкКл/см2.

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

Рис. 2. Схема установки

Схема установки для исследования петель гистерезиса осциллографическим методом приведена на рис. 2. Высокое напряжение U подается на последовательно соединенные емкости Cи и Cэ. Отклонение

луча по X пропорционально напряжению Uи и полю E = Udи (d – толщина

образца). Отклонение по Y пропорционально напряжению Uэ на эталонной емкости. Так как

CиUи = CэU э = q ,

(2.1)

где q – заряд на обкладках конденсаторов, то

 

Cи =

 

CэU э

.

 

(2.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U и

 

 

Тогда ε сегнетоэлектрика

 

 

 

 

 

 

 

ε =

Cиd

 

=

CэU э

,

(2.3)

ε0 S

 

Eε0 S

 

 

 

 

 

где S – площадь образца, ε0 = 8,85·10-12 Ф/м. Поскольку P = ε·ε0·E, то

P =

CэU э

 

 

(2.4)

 

 

 

 

 

 

S

 

 

и, следовательно, отклонение луча осциллографа по Y пропорционально поляризованности, т.е. при периодической развертке на экране будет отображаться зависимость P(E).

Петля гистерезиса отражает также зависимость q(U), т.к. P = σ (σ – поверхностная плотность заряда): q = σ·S = P·S. Это позволяет исследовать диэлектрические потери, поскольку электрическая энергия

W ~ U 2 C ~ U q .

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

Задание

1.Получить на экране осциллографа ряд петель гистерезиса при различных напряжениях и по их вершинам определить максимальную

поляризацию для каждой петли. Построить графики Pmax(E) и

ε(E) = PEmax .

2.Для наибольшей петли определить Pинд, Pсп, Pост, и Eк.

(Осциллограмму необходимо перенести на кальку, а затем – на миллиметровку).

Отчет должен содержать графики Pmax(E), ε(E), и график P(E) с отмеченными на нем значениями Pинд, Pсп, Pост и Eк.

Дополнительное задание

Рассчитать tg(δ) по формуле tg(δ) =

Sq

, где Sq – площадь петли

 

 

πU0 q0

q(U), а U0 и q0 – максимальное напряжение и заряд. Качественно обоснуйте (или выведите) формулу (2.5).

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

3. Междузонное поглощение света в полупроводниках

Процессы поглощения света классифицируются по тому, на что расходуется энергия поглощенных фотонов. Можно выделить следующие механизмы:

1.Решеточное поглощение (генерация оптических фононов)

2.Поглощение свободными носителями заряда (энергия расходуется на создание тока высокой частоты и, в конечном счете, передается решетке)

3.Примесное поглощение (возбуждение электронов, локализованных на атомах примеси)

4.Собственное междузонное поглощение (создание пары электрондырка)

Впоследнем случае край поглощения λm соответствует ширине запрещенной зоны полупроводника Eg.

Всоответствии с законом Бугера-Ламберта коэффициент поглощения равен:

A =1exp(αd) ,

(3.1)

где α – линейный коэффициент поглощения (измеряется в см-1), а d – толщина поглощающего слоя. Непосредственно в эксперименте измеряются отражение R и/или пропускание T, связанные соотношением

T = (1R) exp(αd) .

 

(3.2)

Спектр поглощения состоит из резкого края вблизи

ωm =

 

c

и

 

 

 

 

 

λm

длинноволнового хвоста. В области края α(ω) подчиняется обычно степенному закону. Например, для прямых разрешенных переходов

α(ω) =

1

ω ωm .

(3.3)

 

ω

 

 

Спектральная зависимость поглощения в области хвоста часто подчиняется правилу Урбаха:

α(ω) ~ exp(h

(ωm ω)

), E0 = const

(3.4)

 

 

E0

 

Для точного определения ωm (и Eg) обычно измеряют отдельно R и T, по (3.2) находят α(ω) и, строя эту зависимость в определенных координатах (например – в соответствии с (3.3)), определяют ωm.

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

Задание

1.С помощью фотометра КФК-3 измерить спектральную зависимость пропускания монокристалла CdS в диапазоне от 400 до 900 нм. В области края поглощения измерения проводить с шагом 5 нм. Построить график T(hν).

2.Определить положения края собственного поглощения и оценить ширину запрещенной зоны.

Отчет должен содержать график, значение Eg и его сравнение со справочными данными.

Дополнительное задание

Определить абсолютную величину α для λ = 400÷500 нм, пользуясь экспериментальными результатами и формулой (3.2). В области сильного поглощения (λ < λm) R не зависит от α и определяется только показателем преломления:

R= n 1 2 .

n +1

Провести расчеты для n = 2 и оценить влияние погрешности ∆n на точность определения α.

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

4. Специальные электротехнические сплавы

Свойства чистых металлов и простых сплавов (сталь, бронза, латунь и т.п.) часто не удовлетворяют необходимым требованиям, поэтому в электронной технике широко применяются особые сплавы. Эти контактные материалы, проводниковые материалы, сплавы высокого сопротивления («реостатные материалы») и специальные магнитные сплавы. Если первые две группы материалов включают и, в том числе, чистые металлы (например, в качестве проводников используются в основном Al, Cu, Ag), то необходимые реостатные и магнитные свойства реализуются только в специальных сплавах. Например, несмотря на широкий выбор элементарных ферромагнетиков (Fe, Co) и простых соединений (различные стали, CoSm и др.), некоторые важные для применения свойства могут быть получены только при использовании сложных сплавов. К их числу относятся: высококоэрцитивные магнитножесткие сплавы для постоянных магнитов (например, алнико: Fe+Al+Co+Ni); инварные магнитные сплавы (инвар, ковар); специальные магнитно-мягкие материалы (пермаллой и т.п.). Многие сплавы имеют многофункциональное назначение. Так, ковар используется для соединения металлов со стеклом, а пермаллой – для экранирования электромагнитных полей.

К наиболее распространенным сплавам высокого сопротивления относятся: константан (58,5% Cu, 40% Ni, 1,5% Mn), копель (56,5% Cu, 43% Ni, 0,5% Mn), нихром (Ni+Cr+Mn), хромель (Cr+Ni) и алюмель

(Al+Ni). В последних трех содержание компонентов не нормировано (варьируется в определенных, хотя и достаточно узких пределах). Данные сплавы обладают относительно высоким (по сравнению с простыми металлами) электросопротивлением и слабой зависимостью сопротивления от температуры. Они используются для изготовления реостатов, магазинов и эталонов сопротивления, потенциометров, нагревательных элементов. Согласно правилу Маттисена, сопротивление металлических твердых растворов ρ = ρl(T) + ρi(N), где ρ(T) обусловлено рассеянием электронов на фононах, а остаточное сопротивление ρi зависит от типа примесей и их концентрации N: ρi ~ Nz2 (z – валентность атомов примеси). Так как ρi пропорционально N, то сопротивление сплавов, как правило, значительно больше, чем сопротивление простых металлов.

Кроме высокого сопротивления, эти материалы обладают также достаточно высокими значениями коэффициента термо-ЭДС и применяются для изготовления термоэлектрических преобразователей (термопар) для измерения температуры.

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»

Петрозаводский Государственный университет

Задание

1.С помощью миллиомметра измерить сопротивление провода спецсплава (копель, хромель, алюмель) и рассчитать удельное сопротивление. Измерить также удельное сопротивление меди и сравнить их.

2.Изготовить дифференциальную термопару данного сплава с медью и измерить ее коэффициент термо-ЭДС (в мкВ/˚C) в диапазоне температур от комнатной до 100˚C (кипящая вода). Нелинейностью α(T) можно пренебречь. Зафиксировать знак (+/-) горячего спая.

(Обычно термопары соединяются спайкой или сваркой, но для кратковременных измерений можно обойтись простой скруткой).

Отчет должен содержать измеренные значения удельного сопротивления сплава и меди, и термо-ЭДС термопары, и их сравнение со справочными данными (с указанием источника).

Дополнительное задание

Определить абсолютное значение термо-ЭДС образца (с учетом знака). Термо-ЭДС меди α = 3,1 мкВ/К.

Практикум по курсу «Физическое материаловедение»