CC BY
44
УДК 621.372.8
В.Я. Подвигалкин
ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОЦЕССАХ СИНТЕЗА И ФОРМИРОВАНИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ СРЕД
Представлен механизм возникновения связей наночастиц с матрицей с точки зрения квантовой механики, при формировании нанокомпозитной среды. Приведён набор ориентировочных эксплуатационных характеристик разрабатываемых нанокомпозитных материалов.
Физические эффекты, химический синтез, нанокомпозитная среда, интегральная схема, эксплуатационные характеристики.
V.Ya. Podvigalkin PHYSICАL EFFECTS IN PROCESSES OF SYNTHESIS AND FORMING OF A NANOCOMPOSITE MEDIA
The paper presents a mechanism of nanoparticles appearance coupling with the matrix from the quantum physics point of view. A kind of approximate features for some applications for nanocomposite materials is offered.
Physical effects, chemical sinthes, medium, chips,
signatures.
На композиционные структуры субмикронных размеров, предназначаемых для радиоэлектронных систем, требования различных стандартов не распространяются по причине малоизученности. Вместе с тем, в процессе создания таких сред необходимо помнить одно важное правило. Любая конструкция основывается на двух главных положениях: функциональных параметрах и конструктивно-технологических
ограничениях. Когда эти два основополагающих обстоятельства хорошо согласованы, конструкция отвечает всем вопросам технологичности [1, 2], будет иметь удовлетворяющий нас объёмный коэффициент интегральности, что позволит создавать наноблочные гибридные конструкции оптоэлектронных и радиоэлектронных систем с повышенной плотностью размещения функциональных элементов по всему объёму подложки - носителя. Причём, наноблоки - это более высокий уровень основ интегральных схем (ИС) более сложных сборок, наносборок, компонентами которых могут быть практически любые элементные базы: НЧ, СВЧ, оптоэлектронная.
При разработке нанокомпозитных структур, как хаотически формируемых, так и топологически упорядоченных, структурированных, необходимо представлять динамику физико-химического синтеза таких композитных материалов, представлять физические эффекты, как при этом синтезе, так и при вероятных условиях эксплуатации. Необходимо подкреплять представления количественными значениями. Эти количественные значения для разработчиков новейших опто- и радиоэлектронных систем станут базовыми.
Например, комплексная миниатюризация ИС на базе нанокомпозитных сред позволит: снизить массу и габариты; упростить трудоёмкость сборки элементов.
При сравнении общей тенденции повышения плотности упаковки [3] опто- и радиоэлектронных систем путём совершенствования как корпусированных микросборок, микроблочной конструкции на бескорпусных микросборках с одной стороны, так и нанокомпозитных структур, в качестве базы наноблоков с другой, получим выгодную возможность миниатюризации оптоэлектроники и радиоэлектроники в сторону нанометровой шкалы.
В литературе о получении нанокомпозитов отсутствует достаточно простое и подробное изложение основ теории их формирования с точки зрения физики и требований технического применения.
Цель настоящей работы - восполнение пробела в изложении теории нанокомпозитных сред с точки зрения физики и требований разрабатываемой техники.
Электронно-топологическая рекомбинация фазовых переходов наночастиц в конечные каналы матричных полимеров
Электронно-топологическая рекомбинация фазовых переходов наночастиц в конечные каналы, например, матричных полимеров достигается посредством локализации и совместимости проводимых ионных процессов, при постоянном объёме композиций, путём простого изменения вида энергии и дозы ингредиентов, для достижения химических связей, то есть ион-электронной релаксации - термодинамического и статистического равновесия в физической системе. При этом будем иметь в виду структуру атома, которая, по существу, является динамической системой.
Рассмотрим электронно-топологическую рекомбинацию фазовых переходов наночастиц в конечные каналы (ламели) матричных полимеров на частном примере аналога -рекомбинации электрона и иона.
Рекомбинация электрона и иона - процесс, ответственный за исчезновение появившихся заряженных частиц при синтезе композиций новейших структур на уровне наноразмеров. Такой процесс определяет баланс заряженных частиц в явлениях, протекающих в возбуждённой среде. Основные механизмы рекомбинации можно проиллюстрировать на рис. 1, где представлены термы системы в начальном и конечном состояниях [4]. Электрон захватывается в автоионизационное состояние, отвечающее отталкиванию ядер. Последующее размещение ядер приводит к стабилизации этого состояния, т. е. к рекомбинации. На рисунке стрелками отмечены переходы при рекомбинации электрона и иона.
При формировании наноструктур существует много возможностей для возбуждения внутренних степеней свободы. Такая ситуация может осуществиться, например, при рекомбинации с участием матричного иона. Рекомбинация, например, несложных молекулярных ионов протекает по прямому механизму.
Поскольку атом имеет большое число возбуждённых состояний, возможно большое число каналов рекомбинации. При большом выборе конечных каналов матрицы материала данный процесс протекает достаточно эффективно по ограниченному числу оптимальных путей [5].
Мсагьядсрнос расстояние К la.ii.)
Рис. 1. Прямой механизм процесса рекомбинации в возбуждённой среде: А + В - невозбуждённое состояние; В + А - возбуждённая молекула
При рассмотрении динамики возникновения наноструктур сделаем два замечания:
- энергия электрона совпадает с энергией наночастиц в системе центра инерции;
- возбуждениями называют состояния среды, температура которой отлична от нуля
[6].
При объяснении топологического состояния электронов, которые образуют непрерывный энергетический спектр, учтём дискретность состояний, возникающих из-за конечных размеров самих наночастиц и матричного материала. Любое произвольно малое количество энергии, сообщаемое компонентам нашего материала, может вызвать возбуждение, которое состоит в переходе отдельно взятого электрона из основного состояния газа Ферми в состояние с более высокой энергией.
Электроны в покое окружены кулоновским полем, с которым они взаимодействуют, а также и поляризованным электронным вакуумом, в котором электроны частично, из-за отталкивания, удалились на сколь угодно большое расстояние, а положительный избыток заряда протянулся к электрону и в известной мере экранирует его заряд, снижая начальный заряд электрона \ во \ до величины \е \ = \ео\ +8е < 0.
Картина изменяется при внесении возбуждения в систему.
Полезно рассмотреть способ описания возбуждённых состояний электронной системы с помощью операторов кет-векторов [7].
Состояния с энергией, большей энергии Ферми Ер , обозначают а, а с энергией, меньшей энергии Ферми, - р. Основное состояние записывают в виде кет-вектора | Б). Возьмём наш электрон в состоянии Р. внутри поверхности Ферми, переместим в состояние аг-, как на рис. 2, и тогда новое возбуждённое состояние можно представить в виде кет-вектора |а, в).
Операторы кет-векторов описывают функцию «уничтожения» электрона в состоянии Р/ и «рождения» электрона в состоянии аг-, то есть, когда происходит введение электрона в состояние химической связи. Эти состояния можно обозначить как Ср и Са
а,;Р/) = Са,С/И. (1)
Энергия этого состояния больше энергии основного состояния на величину Еа - Ер . Таким образом, энергия состояния (1) по отношению к энергиям основного
I р/
состояния может быть представлена в виде
Е=(Еа ~ЕР)-(Ер. ~ЕР)=(ЕР-Ер. )+(Еаг ~ЕР). (2)
Отсюда следует, что энергия, необходимая для возникновения возбуждённого состояния |аг-, Р.), является суммой энергии, необходимой для переноса электрона из состояния Р/ до уровня энергии Ферми, то есть (Ер - Ер ), и энергии, необходимой для
переноса электрона от уровня Ферми до состояния аг-, то есть (Еа - Ер)- состояния
химической связи. Энергия же возбуждения всегда положительна.
Целесообразно обратить внимание на два важных обстоятельства.
Рис. 2. Возбуждённое состояние |а,, р;)
С кинетической точки зрения, в процессе, например, проводимости
участвуют все электроны; они движутся с небольшой скоростью их. Согласно другим точкам зрения, можно считать, что в этом процессе не участвуют те электроны, состояния которых находятся внутри сферы Ферми, вдали от её поверхности. Только те электроны, которые находятся в тонком слое вблизи поверхности Ферми, движутся в направлении от задней к передней части фазовой области, занимаемой газом Ферми (см. рис. 3).
В кинетическом представлении понятие средней энергии связывается со сдвигом сферы Ферми; таким образом, их = h Ak/m, так как проводимость jk = nehAk/m, здесь n - число электронов, e - заряд электрона, m - масса электрона, h = h/2n - постоянная Планка. Если же в процесс включаются только электроны, находящиеся вблизи поверхности Ферми, то на передней стороне сферы существует группа электронов со скоростью uF cos 0, а на задней стороне - группа дырок, обладающих скоростью - uF cos 0. Каждая из них несёт ток одного и того же знака. Их средние скорости в направлении X равны 2uF / 3. Число электронов в правом секторе на рисунке равняется 3nAk/4kF, а на другой стороне сферы находится такое же число дырок. Вместе они создают ток с плотностью Jx = neuFAk / kF = nehAk / m, то есть тот же, что и в кинетическом представлении. С этой точки зрения роль внутренних электронов заключается в увеличении скорости находящихся на поверхности электронов, которые несут ток. Поэтому проводимость и выражается в виде интеграла по поверхности Ферми
а = e2 / 12 п3 h J l0 dSF , (3)
где lo =tuf; т - время релаксации импульса возбуждения.
Если приведённая теория рекомбинации недостаточна или неубедительна, то можно обратиться, например, к теоретическим основам полупроводниковых сред.
Теперь, имея сколь-нибудь удовлетворительное физическое представление о механизме возникновения химических связей наночастиц и наномерного носителя этих частиц (подразумевая полимерную матрицу), мы можем перейти к количественным характеристикам. При создании принципиально нового материала, на базе которого необходимо разработать оригинальные устройства, всегда следует иметь в виду перечень нагрузок, которым будет подвергаться эксплуатационная система.
Ориентировочные требования при эксплуатации нанокомпозитных сред
Механические характеристики
Практика показывает, что наиболее часто отказы ИС бывают из-за механических напряжений. Для устранения и предупреждения их на этапе проектирования необходим анализ напряжённо-деформированного состояния ИС, возникающего вследствие механических или тепловых воздействий [8].
Усадочные явления, присущие полимерным материалам, увеличивают напряжения, даже если полимеризация происходит при комнатной температуре. Коэффициент усадки составляет для типичных полимерных материалов 0,3, ..., 0,6%.
Рис. 3. Смещение сферы Ферми от стационарного состояния под влиянием возбуждения
Благодаря склонности полимеров к ползучести с течением времени происходит релаксация (перераспределение) напряжений. Такого же эффекта достигают, применяя специальные режимы нагрева и охлаждения, при термообработке полимеров, что говорит в пользу полимеров, их применения на практике. В процессе эксплуатации ИС, на базе нанокомпозитных сред, изделия должны сохранять работоспособность при ускорениях ударного типа. Удар сопровождается неустановившейся вибрацией на частотах собственных колебаний элементов конструкции. С целью проверки стойкости ИС к такого вида механическим нагрузкам предусмотрены испытания на удар с применением ударных стендов однократного и многократного действия. Устойчивость ИС к действию линейных нагрузок с постоянным ускорением проверяют на центрифугах.
Значения амплитуды, частоты и времени действия механической нагрузки вибрационного, ударного и постоянного типа для некоторых степеней жёсткости [9] приведены в табл. 1.
К этому необходимо добавить немаловажные требования к механическим характеристикам для использования нового материала в качестве подложек - носителей интегральных наносхем (ИНС), приведённые в табл.2.
Таблица 1
Нагрузки при механических испытаниях ИС
Степень жёсткости Значения нагрузок
Вид нагрузки диапазон частот, Гц максимальное ускорение, д, м/с2 длительность удара, мс
Вибрация Х ХМ XIX 100 1000 100 2000 100 5000 10(100) 20(200) 40(400) -
Многокр атные I II III IV - 15(150) 40(400) 75(750) 100(1000) 2, ..., 15 2, ..., 10 2, ..., 6 1, ..., 3
Удары Одиноч ные I II III IV V VI VII VIII - 4(40) 20(200) 75(750) 100(1000) 500(5000) 1000(10000) 1500(15000) 3000(30000) 40, ..., 60 20, ., 40 2, ., 6 1, ..., 3 1, ..., 2 0,2, ., 1 0,2, ., 0,5 0,2, ..., 0,5
Линейные нагрузки VII XII XIV - 500(5000) 10000(100000) 20000(200000) -
Таблица 2
Механические характеристики
Наименование Обозначение Единица измерения Численные значения, ориентировочные
1. Удельный вес Р Н/м2 > 104-3,96-104
2. Плотность Р г/см3
3. Предел прочности при центральносимметричном изгибе Па < 3-107
4. Предел прочности при статическом изгибе Па > 32-106
Термодинамические характеристики
Особые требования предъявляются к носителям ИС и к тем материалам, которые сопрягаются с ними. К таким характеристикам относят термодинамические характеристики (см. табл. 3).
Таблица 3
Термодинамические характеристики
Наименование Обозначе ние Единица измерения Численные значения, ориентировочные
1. Коэффициент термического линейного расширения в диапазоне температур от +20 до +200°С а; к-1 (60±5)-10-7
2. Температурный коэффициент сопротивления, при +20°С ТКС Ом/град
3. Коэффициент теплопроводности X Вт/мкм 3,4, ..., 17106
Окончание табл. 3
Наименование Обозначе ние Единица измерения Численные значения, ориентировочные
4. Удельная теплоёмкость при +20°С С кал/г°С
5. Температура испарения Іусл °С
6. Коэффициент распыления Ф г/м3
7. Температура порога рекристаллизации Трекр °С
8. Температура плавления Т °С
Игнорировать понятия, которые скрываются за этими характеристиками, значит отодвинуть успех при достижении поставленных целей разработок.
Оптические параметры
При создании оптоэлектронных элементов быстродействующих радиоэлектронных систем необходимо иметь в виду требования к эксплуатации таких элементов. Такие оптические параметры приведены в табл. 4.
Таблица 4
Оптические параметры
Наименование Обознач ение Единица измерения Численные значения, ориентировочные
1. Оптические постоянные, при V (Гц) = 1015: - показатель преломления; - показатель поглощения п к
2. Процент отражения света, падающего 1 к поверхности: - ультрафиолетовые волны, Ао, от 1800 до 3570; - видимые волны, Ао, от 5000 до 7000; - инфракрасные волны, Ао, от 8000 до 100000 % % %
Постоянные пик зависят от длины волны, поэтому материалы некоторых мелкодисперсных частиц, где эта зависимость велика, страдают ярко выраженной окраской в видимой области. При падении световой волны на поверхность нанокомпозитной среды изменяется её интенсивность.
Незаполненные в табл. 3 и 4 строки в столбцах свидетельствуют о проблеме создания композитной наноразмерной среды, на основе пластических материалов. Эти и последующие таблицы при благоприятных условиях могут расширяться, дополняться и
уточняться, что и подтверждает малоизученность создаваемых композитных сред в нанометровой шкале.
Электрические характеристики
Как правило, разработчиков ИС на основе различных материалов интересуют электрические параметры. Такие параметры сведены в табл. 5.
Таблица 5
Электрические параметры
Наименование Обознач ение Единица измерения Численные значения, ориентировочные
1. Тангенс угла диэлектрических потерь: - на 1 = 1 МГц; - на 1 = 106 Гц, при Т = +20°С; - на 1 = 1010 Гц, при Т = +20°С ^ ^ ^ СО СО СО О О О < 30-10-4 < 6-10-4 < 1 -10-4
Окончание табл. 5
Наименование Обознач ение Единица измерения Численные значения, ориентировочные
2. Диэлектрическая проницаемость при:
- ^ = 106 Гц, Т = +20°С; е < 10 ± 3
- II 0 Г , 1 1 е 9,6 ± 2
3. Удельное электрическое сопротивление:
- при Т = ±100°С; р Омм > 6-10-4
- при Т= + 150±5°С р Омм > 2-10-4
4. Резистивность Я Ом < 1012
5. Удельная электрическая ёмкость С пФ/см < 220
6. Температурный коэффициент сопротивления при + 20°С ТКС Ом/град
7. Электрическая прочность Епроб Вт/мм < 8
8. Глубина проникновения полей - скин-эффект, удельная магнитная д мкм
От приведённых граничных параметров нанокомпозитного материала будут зависеть параметрические характеристики создаваемых технических устройств, предполагая его использование в конкретной области человеческой деятельности.
Восприимчивость к поглощениям
Характеристики создаваемой нанокомпозитной среды относительно восприимчивости к поглощениям различных физических воздействий относят к специальным. Эти характеристики определяют устойчивость к действию различных физических эффектов, то, какие при этом будут ожидаемые отклонения параметров разрабатываемой опто- и радиоэлектронной системы (табл. 6). Известны такие характеристики атомов, как, например, магнитные моменты, силы сцепления, спектры и т. д., которые могут изменяться, если в процессе эксплуатации возникают возмущающие воздействия.
При необходимости ужесточения можно обратиться к ГОСТ 16019; ГОСТ 17672; ГОСТ 22579.
Таблица 6
Восприимчивость к поглощениям
Наименование Обознач Единица Численные значения,
ение измерения ориентировочные
1. Водопоглощение 0 % < 0-0,02
2. Вакуумная проницаемость (растворимость газов), при давлении газа 1 атм в Н см3/100 г
3. Содержание наночастиц в матричном носителе в %
4. Устойчивость к солнечной радиации: - интегральная интенсивность; - плотность ультрафиолетовой части спектра; - длина волны Л ст X Вт/м2 Вт/м2 мкм 1125 42 0,28, ..., 0,4
5. Устойчивость к нейтронному облучению: - перенос ионизирующих частиц ПИЧ кол-во/см2 2 0 і 1"- "о
6. Устойчивость к у-излучению: - поглощённая доза излучения ПДИ рад 108-1024
Окончание табл. 6
Наименование Обознач ение Единица измерения Численные значения, ориентировочные
7. Акустические шумы: - уровень; дБ 130-390
- рабочая частота Гц 50-3000
8. Воздействие тумана: - при температуре; 00 К -33°С ± 5°С
- с дисперсностью А; А мкм < 20
- влажностью Б; Б г/м3 2-3
- время выдержки ^выд. сут. 10-30
9. Воздействие повышенной влажности: Вл % 93-100
- при температуре; 0 К до 500
- время выдержки Івьід сут. 4-21
Таким образом, при согласовании ориентировочных эксплуатационных характеристик разрабатываемых ИНС мы сможем себе представить (см. рис. 4) уровень миниатюризации быстродействующих оптоэлектронных и радиоэлектронных систем и определить области применения таких системных устройств.
микросборка микросборка Рис. 4. Тенденция повышения плотности упаковки электронных систем
Для достижения этих целей необходимы специалисты, которые были бы заняты исследованием технических механизмов формирования таких материалов, а также проектированием и эксплуатацией этих материалов. Им необходимо за сравнительно короткий срок получить не только какой-то минимум знаний по фундаментальным вопросам формирования, например наноструктур, но выйти на современный уровень понимания и знания прикладных аспектов таких нанокомпозитных материалов.
Для получения оптимальных конструкторско-технологических решений недостаточно простого знания современного технологического арсенала. Необходимо выявление противоречий, которые являются причиной рождения новых технологических методов и направлений. Анализ противоречий и их причинных обусловленностей позволит выделить из новых направлений действительно прогрессивные и эффективные, в определённых условиях черпая полезные прецеденты и аналоги из накопленного производственного опыта [10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Амиров Ю.Д. Технологичность конструкции изделия: справочник /
Ю.Д. Амиров, Т.К. Алфёрова, П.Н. Волков; под общ. ред. Ю.Д. Амирова; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. 768 с.
2. Подвигалкин В.Я. Технологичность автоматизированного комплекса в системе управления производством проволоки / В.Я. Подвигалкин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2005. № 2. С. 122-132.
3. Подвигалкин В.Я. Оптоэлектронные объёмные интегральные схемы как базовые элементы для быстродействующих систем управления / В. Я. Подвигалкин, Н. М. Ушаков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. № 3. Вып. 1.
С. 100-106.
4. Елецкий А.В. Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона / А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов // Успехи физических наук. 1982. Т. 136. Вып. 1. С. 25-59.
5. Кособудский И.Д. Введение в химию и физику наноразмерных объектов / И. Д. Кособудский, Н.М. Ушаков, Г.Ю. Юрков. Саратов: СГТУ, 2006. 182 с.
6. Дузер Т. Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей / Т. Ван Дузер, Ч.У. Тернер. М.: Радио и связь, 1984. 344 с.
7. Дирак П.А.М. Лекции по квантовой теории поля / П.А.М. Дирак; под ред. А. А. Соколова. М.: Мир, 1971. 244 с.
8. Напряжения и деформация в элементах микросхем / В. С. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летягин. М.: Радио и связь, 1987. 89 с.
9. Глудкин О.П. Технология испытаний элементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем / О.П. Глудкин, В.Н. Черняев. М.: Энергия, 1980. 93 с.
10. Парфёнов О. Д. Технология микросхем: учеб. пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство ЭВА» / О. Д. Парфёнов. М.: Высшая школа, 1986. 320 с.
Подвигалкин Виталий Яковлевич -
кандидат технических наук, главный специалист лаборатории субмикронной электроники Саратовского филиала ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН
Podvigalkin Vitaliy Yakovlevich -
Candidate of Technical Sciences, Senior Specialist of the Laboratory of Submicron Electronics of Saratov Branch of the Institute of Radio engineering and Electronics in the name of V.A. Kotelnikov of Russian Academy of Sciences
Статья поступила в редакцию 14.10.09, принята к опубликованию 25.03.10
