CC BY
0
УДК 614.84
ДЕФЕКТОСТОЙКОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕПЛОДОЗЕ ТЕХНОГЕННОГО ПОЖАРА
А. В. МОЗЖЕРИН, Н. Н. ПАКЛИН
Сибирский федеральный университет, Российская Федерация, г. Красноярск E-mail: Amozzherin@sfu-kras.ru, Npaklin@sfu-kras.ru
Проведено комплексное научное исследование влияния кратковременной импульсной тепло-дозы от 100 °С до 1000 °С, возникающей в зонах теплового воздействия техногенных пожаров переменной интенсивности на полупроводниковые тонкоплёночные образцы теллурида кадмия, перспективных и активно используемые сегодня в различных приборах и устройствах. Методами просвечивающей электронной микроскопии изучены отдельные процессы образования дефектов, возникающих в процессе теплового воздействия с последующим построением теоретической модели эволюции дефектной сети. Установлены границы применимости оборудования на основе теллурида кадмия и относительное время работы в экстремальных условиях чрезвычайной ситуации.
Ключевые слова: техногенный пожар, импульсное тепловое воздействие, теллурид кадмия, дефекты
DEFECT RESISTANCE OF EQUIPMENT BASED ON CADMIUM TELLURIDE UNDER PULSED HEAT DOSE OF INDUSTRIAL FIRE
A. V. MOZZHERIN, N. N. PAKLIN
Siberian Federal University, Russian Federation, Krasnoyarsk, E-mail: Amozzherin@sfu-kras.ru, Npaklin@sfu-kras.ru
A comprehensive scientific study of the effect of a short-term pulsed heat dose from 100 °С to 1000 °C, which occurs in the zones of thermal impact of man-made fires of variable intensity, on semiconductor thin-film samples of cadmium telluride, promising and actively used today in various devices and devices, has been carried out. Transmission electron microscopy was used to study individual processes of the formation of defects that occur during thermal exposure, followed by the construction of a theoretical model for the evolution of a defective network. The limits of applicability of equipment based on cadmium telluride and the relative time of operation in extreme conditions of an emergency are established.
Key words: man-made fire, pulsed thermal impact, cadmium telluride, defects
Введение
Активное использование в городских агломерациях различных приборов на основе полупроводниковых материалов значительно возрастает в последнее время, стратегически важным материалом в этой сфере является теллурид кадмия ^Те). Современный город имеет сотни камер, датчиков, детекторов и других приборов, работа которых может протекать не всегда в условиях стабильной температуры окружающей среды. Нередки случаи возникновения возгораний, пожаров и других событий, в результате которых те или иные устройства испытывают тепловое воздействие, значительно превышающее установленные границы их нормальной работы.
Как правило, тушение возникшего пожара начинается спустя 20-30 минут, когда поражающие факторы, в частности температурное воздействие достигают максимальных значений. Критической температурой в помещении является значение более 70 °С, когда становятся невозможными жизнедеятельность и устойчивая работа отдельных приборов и устройств. Если воздухообмен не ограничен, то интенсивность горения увеличивается и возрастает тепловое воздействие, однако, приходящий поток воздуха имеет низкую температуру и в отдельных местах температура начинает снижаться1. В подобной ситуации
1 ГОСТ 2.1.004-91 «Пожарная безопасность». [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://docs. cntd.ru/document/9051953 (дата обращения 28.06.2023)
© Мозжерин А. В., Паклин Н. Н., 2023
возникает так называемое кратковременной импульсное тепловое воздействие, когда за несколько секунд температура может повышаться до 100-1000 °С и стремительно падать. В этих условиях актуальным является вопрос предельной устойчивости оборудования, оказавшегося в зоне теплового воздействия, а также отдельных особенностей его деградации в результате нелинейного кратковременного воздействия теплодозы пожара.
Материалы и методы
Настоящее исследование было проведено на образцах тонких плёнок теллурида кадмия предназначенных для использования в солнечных батареях различных устройств (фонарей, камер наблюдения и т.п.).
Практическая часть работы включала электронно-микроскопические исследования образцов до и после внешнего воздействия с целью установления плотности дефектной сети, энергии дефекта упаковки и наличия иных артефактов. Оптимально необходимая толщина исследуемых образцов на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) в 20-40 нм была достигнута поэтапной пробоподготовкой, включавшей: формирование диска диаметром 3 мм, утончение его до толщины ~ 1 мм и заключительное утончение центральной части до толщины 10-30 нм. Дополнительная информация по методике и ПЭМ-исследованию приведена в [1-3].
Рис 1. Экспериментальная установка и процесс имитации теплового воздействия пожара.
Внешнее воздействие на образец представляло импульсную теплодозу до ~1000 °С в течение до 10 секунд, имитирующее воздействие в зоне техногенного пожара переменной интенсивности. Установка и процесс теплового действия представлен на рис.1.
Теоретическое исследование включало усовершенствование математической модели физико-химических и тепловых превращений при импульсном воздействии тепла от 127 °С до 1027 °С, с шагом в 100 °С в течение не более 10 секунд. Импульс моделировался формулой: Т=27°С + Aexp(-t2) (колокол Гаусса). Моделирование осуществлялось в программном пакете «Maple». Используемая математическая модель процессов дефектообразования в CdTe представлена в наших предшествующих работах [4-5].
Результаты и обсуждения
При изучении образцов теллурида кадмия, подвергавшихся тепловому импульсному
воздействию от 20 до 400 °С на ПЭМ иЕОЬ ивМ-7000Р, обнаружено незначительное присутствие структурных дефектов, плотность которых не превышала 101 -1017 см-3, при исследовании образцов, подвергавшихся тепловому излучению более 600°С, обнаружены линейные и объемные дефекты: дислокации, дислокационные стенки и дефекты упаковки (рис. 2, слева), что вероятно объясняется объединением комплексов точечных дефектов. Плотность дефектов значительно увеличилась до 1019 см-3. Полученные данные свидетельствуют о некоторой устойчивости тонких пленок С^е в условиях теплодоз до 400 °С, возрастание дефектной сети до указанных температур не носит критического характера и не должен приводить к быстрому отказу оборудования. Импульсное кратковременное тепловое воздействие свыше 400 °С приводит к деградации материала, что видно по значительному росту числа дефектов и формировании трещин на образцах (рис. 2, справа)
Рис. 2. ПЭМ-фотография дефектов структуры CdTe после воздействия кратковременного импульсного теплового воздействия свыше 400 °С.
В рамках теоретического исследования проведено моделирование образования меж-доузельных атомов и вакансий, а также их скоплений в виде дислокационных петель и пор в CdTe при кратковременном импульсном тепловом воздействии, имитирующем действие техногенного пожара.
В основу модели физико-химических превращений в образцах CdTe под действием различных теплодоз легла группа модифицированных уравнений эволюции концентраций структурных точечных нарушений:
dn ~dt
с2п
= P + D1 —П - c0R(nV + 2nw- 2Vm)- 2c0Aj (n2 + nm)+ 2Pm
dz
(1)
dv ~dt
= P + D
д 2V
V dz2
- cQR(nV - 2nW + 2Vm ) - 2cn A^ ( V
О V
2
+ VW J + 2 DVW (2)
dm ~Dt
c0Aj (n2 - 2nm)-2c0RVm - Pm
(3)
dW
~дГ
c0Av (v2 - 2VW)- 2c0RnW - DVW
(4)
где
^ =
C,
cr
n
Cr
c, W =
О
C
V t
C
c О
время;
с0 - концентрация узлов теллурида кадмия; CI и CV - эффективные концентрации междоузельных атомов и вакансий; Cm и Cw - эффективные концентрации димеждоузлий и дива-кансий; DI и DV - коэффициенты диффузии (миграции) междоузельных атомов и вакансий; AI и AV - коэффициенты агломерации (присоединения) междоузельных атомов и вакансий,
соответственно; R - коэффициент рекомбинации, P - коэффициент диссоциации решетки кристалла, отвечающий эффективной энергии теплового рождения пар Френкеля Ep.
Для решения уравнений необходимо учитывать диффузию, влияющую на тонкие плёнки значительнее, чем на макроскопические образцы. Численные значения ряда параметров, используемых в процессе расчёта, представлены в табл.
Графическое решение уравнений (1)-(4) представлены на рис.3-4.
Таблица. Численные значения ряда параметров кристалла С^е [2, 6-8]
Со DI DV AI Av R и Ep P T (шаг 100°С)
см-3 см2/с см2/с см3/с см3/с см3/с Гц эВ см3/с °С
1.5-1022 4.2107 8.3102 7.5104 1.1 -104 1.7-108 С1 3 1.4 2.6^ 1С-11 от 27 до 1027
Рис. 3. Концентрации точечных дефектов (вакансий и междоузлий) при резком кратковременном тепловом воздействии
Рис. 4. Концентрации комплексов точечных дефектов (димеждоузлий и дивакансий) при резком кратковременном тепловом воздействии
Заключение
В условиях кратковременного импульсного теплового действия, имитирующего зону теплового воздействия техногенного пожара от 127 °С до 1027 °С, проведено комплексное исследование тонких плёнок теллурида кадмия, входящего в состав значимых приборов и систем современного города. Теоретические и практические результаты показали хорошую
согласованность в вопросах предела устойчивости и деградации из-за возникновения внешнего кратковременного воздействия теплодо-зы. Показана устойчивость тонкоплёночного полупроводника до температур в 400-500 °С, что даёт временной запас до начала тушения пожара и работу оборудования в экстремальной среде некоторое время.
Список литературы
1. Логинов Ю. Ю., Мозжерин А. В., Брильков А. В. Электронно-микроскопические исследования дефектообразования в легированных примесями монокристаллах CdTe, ZnS, ZnSe // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева. 2013. Вып. 3 (49). С. 209-211.
2. Логинов Ю. Ю., Браун Пол Д., Дью-роуз Кен. Закономерности образования структурных дефектов в полупроводниках А2В6 . М.: Логос, 2003. 304 с.
3. Loginov Yu. Yu, Mozzherin A. V., Paklin N. N. Modeling structural defect formation in cadmium telluride during electron irradiation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 467, issue 1.
4. Паклин Н. Н., Логинов Ю. Ю., Мозжерин А. В. Равновесное распределение дефектов в теллуриде кадмия до воздействия внешних факторов // Сибирский аэрокосмический журнал. 2022. Т.23. № 2. С. 315-320.
5. Мозжерин А. В., Паклин Н. Н. Теплостойкость устройств на основе теллурида кадмия при пожарах в условиях переменной температуры // Пожарная безопасность. 2023. № 2 (111). С. 42-48. https://doi.org/10.37657/ vniipo.pb.2023.111.2.003
6. Unfaulting of dislocation loops in the GalnNAs alloy: An estimation of the stacking fault energy / M. Herrera, D. Gonzalez, J. G. Lozano [et al.]. Applied Physics Letters, 2005, vol. 98, 023521, pp. 1-7.
7. Glas Frank. A simple calculation of energy changes upon stacking fault formation or local crystalline phase transition in semiconductors. Journal of Applied Physics, 2008, vol. 104, 093520. pp. 1-6.
8. Физика и химия соединений А2В6 / под ред. С. А. Медведева. М.: Мир, 1970. 624 с.
References
1. Loginov Yu. Yu., Mozzherin A. V., Bril'kov A. V. E'lektronno-mikroskopicheskie is-
sledovaniya defektoobrazovaniya v legirovan-ny'kh primesyami monokristallakh CdTe, ZnS, ZnSe [Electron microscopic studies of defect formation in CdTe, ZnS, ZnSe single crystals doped with impurities]. Vestnik Sibirskogo gosudarstven-nogo aerokosmicheskogo universitetata imeni akademika M. F. Reshetneva, 2013, vol. 3 (49), pp.209-211.
2. Loginov Yu., Braun Pol D., D'yurouz Ken. Zakonomernosti obrazovaniya strukturnyh defektov v poluprovodnikah A2B6 [Patterns of formation of structural defects in A2B6 semiconductors]. Moscow: Logos Publ., 2003, 304 p.
3. Loginov Yu. Yu, Mozzherin A. V., Paklin N. N. Modeling structural defect formation in cadmium telluride during electron irradiation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 467, issue 1.
4. Paklin N. N., Loginov Yu. Yu., Mozzherin A. V. Ravnovesnoe raspredelenie defektov v telluride kadmiya do vozdejstviya vneshnikh faktorov [Equilibrium distribution of defects in cadmium telluride before the impact of external factors]. Sibirskiy aerokosmicheskiy zhurnal, 2022, vol. 23, issue 2, pp. 315-320.
5. Mozzherin A. V., Paklin N. N. Tep-lostojkosr ustrojstv na osnove tellurida kadmiya pri pozharakh v usloviyakh peremennoj tempera-tury [Heat resistance of cadmium telluride devices in variable temperature fire]. Pozharnaya Be-zopasnost', 2023, vol. 2 (111), pp. 42-48. https://doi.org/10.37657/ vniipo.pb.2023.111.2.003
6. Unfaulting of dislocation loops in the GalnNAs alloy: An estimation of the stacking fault energy / M. Herrera, D. Gonzalez, J. G. Lozano [et al.]. Applied Physics Letters, 2005, vol. 98, 023521, pp. 1-7.
7. Glas Frank. A simple calculation of energy changes upon stacking fault formation or local crystalline phase transition in semiconductors. Journal of Applied Physics, 2008, vol. 104, 093520. pp. 1-6.
8. Fizika i khimiya soyedineniy A2B6 [Physics and chemistry of A2B6 compounds] / pod red. S. A. Medvedeva. Moscow, Mir Publ., 1970, 624 p.
Мозжерин Александр Владимирович Сибирский федеральный университет, Российская Федерация, г. Красноярск
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии»
E-mail: Amozzherin@sfu-kras.ru
Mozzherin Aleksandr Vladimirovich
Siberian Federal University,
Russian Federation, Krasnoyarsk
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the UNESCO Chair «New Materials and Technologies» E-mail: Amozzherin@sfu-kras.ru
Паклин Николай Николаевич Сибирский федеральный университет, Российская Федерация, г. Красноярск
кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической физики
и волновых явлений
E-mail: Npaklin@sfu-kras.ru
Paklin Nikolaj Nikolaevich
Siberian Federal University,
Russian Federation, Krasnoyarsk
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Theoretical Physics and Wave Phenomena E-mail: Npaklin@sfu-kras.ru.
