CC BY
9
natural transformations and the transformations caused by the food preparation:
Thus, the technology or technology cycle of food preparation in the closed volumes determined by the equipment or the kitchenware contains the processing products of a vegetable or animal origin, the intermediates and the end products that are to a certain extent the depositing mediums in respect to the impurities, especially heavy metals. The final contents of heavy metals (toxic metals - TM) in food depends on the prehistory of their accumulation along the natural food chain and the level of ecological safety of the food preparation technology.
In other words, the contents of TM in food is an integral value that is determined by the natural processes of substance transformation in the objects of biosphere and the level of techogenesis pressure both on the natural links of the food chain and on the processes of food preparation. All the stated above makes it reasonable to suggest a new ecological concept techogenesis dependent food chain that takes into account change of the contents of the toxic substances (including heave metals, carcinogens, poisons of a natural and artificial origin) both in th< natui il mediums and at the stage of preparation ot nutriment products and food.
Since nutriment products used by human as food are a set of ingredients represented by plants, products of processing of the vegetable and animal raw materials, and some chemical substances including water, it is necessary to consider the behavior of TM not in the food chains, which very often depend on each other, but in the food webs (similar to trophic webs) . However, this is beyond the scope of the problem of the ecological food preparation. The concept of techogenesis dependent food chain is seemed to be acceptable and sufficient in discussion of the questions of the ecological food production. At the same time these questions should be considered in view of chemical mechanisms of the surrounding medium, which determine behavior of both organic and inorganic substances in the biosphere, in view of techogenesis pressure on the regions where raw materials of a vegetable or animal origin are produced or procured.
References
1. Odum E.P. Basic ecology. V, 1, M„ 1986. P. 328.
2. Ivlev A.M. Biochemistry. M„ 1986. P. 128.
3. Cobata-Pendias A., Pendias H. Microdevices in soils and plant. M., 1989.
М.Б. Хаскельберг*, C.C. Крамор**
УДК 537.521+593.5:539.213
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРВОЙ СТАДИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ
СИСТЕМ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ
Томский государственный педагогический университет "Schwab Capitel Markets L.P., USA
Под формовкой тонкопленочных систем ме-талл-диэлектрик-металл (МДМ) (нижний электрод базовый массивный, верхний электрод имеет толщину 10-120 нм, рабочий диэлектрик с толщиной в диапазоне 20-1200 нм) принято считать процесс образования локальных высокопроводя-щих областей, являющихся центрами эмиссии электронов и называемых «формованными каналами» или «каналами повышенной проводимос-
ти». Этот процесс является следствием помещения обозначенных структур в откачную вакуумную систему и приложения к ним напряжения с амплитудой 5-15 В в течение некоторого времени. Процесс формовки делится на две стадии [1]. Во время первой, называемой основной, создаются дефекты со структурой, сходной с той, которую имеют каналы пробоя. Во время второй стадии, называемой адсорбционностимулирован-
ной, на поверхность дефектов осаждаются компоненты остаточной атмосферы откачной вакуумной системы (в основном вода [2]), что приводит к сильному и необратимому увеличению проводимости дефектов, сопровож-дающемуся появлением эмиссии электронов в вакуум, электролюминесценции и ряда других свойств, характерных для формованных каналов и нехарактерных для системы в наформованном состоянии. Первая стадия формовки определяет важные параметры формованных МДМ-систем (формованная МДМ-система по существу является эмиттером электронов и потому называется МДМ-катодом) такие, например, как плотность эмиссионных центров. Несмотря на определяющую роль первой стадии формовки в формировании МДМ-катода и, соответственно, создании эффективных эмиттеров электронов, в литературе отсутствуют сколько-нибудь детальные исследования этого процесса. Отсутствует также и удовлетворительная модель процесса первой стадии формовки, хотя имеется большое число экспериментальных свидетельств, указывающих на то, что существует достаточно близкая аналогия между этим процессом и зависящим от времени пробоем, модели для описания которого хорошо разработаны.
В данной работе исследуются закономерности первой стадии формовки тонкопленочных МДМ-систем.
Экспериментальные образцы и методика измерений
Для экспериментов использовались МДМ-си-стемы А1-810-№. Базовый электрод толщиной 0,5-1,0 мкм наносился на стеклянную подлоак) В качестве рабочего диэлектрика использовались пленки ЗЮ толщиной 35 нм. Верхний металлический электрод имел толщину 20 нм. Все пленки наносились методом термического испарения в вакууме при давлении остаточной атмосферы 2x10-5 Тогг.
Формовка образцов осуществлялась путем приложения постоянного напряжения к МДМ-системе. Исследовалось поведение сквозного тока через МДМ-систему в зависимости от различных параметров. Измерения сквозного тока производились в квазистационарном режиме. Этот аспект является важным, так как колебания тока в тонкопленочной структуре, не достигшей своего равновесного состояния, могут быть значительными. Напряжение на структуре увеличивалось или уменьшалось ступенчато (размер ступеньки составлял 200 мВ), при этом интервал времени между соседними ступеньками выбирался достаточно большим (15 мс) и исследуемая структура при этом достигала равновесного состояния. Константа интегрирования тока амперметра была равна 1 с.
Экспериментальные результаты
При приложении к свежеприготовленной МДМ-системе напряжения, превышающего 1,5-2,0 В, начинается необратимый рост тока во времени через систему, характеризующий первую стадию формовки. На рис.1 (кривая 1) приведена зависимость сквозного тока (/) через свежеприготовленную МДМ-систему от времени, снятая при напряжении ЗВ и отрицательной полярности на верхнем электроде. Эту зависимость можно разбить на 3 участка, на первом из которых ток не изменяется со временем, на втором -начинает быстро возрастать и на третьем - возрастает с относительно небольшой скоростью. Необходимо отметить, что на третьем участке, несмотря на уменьшение скорости роста тока, не наблюдается полного насыщения.
I , мкА
С
0,2
, мА
900 1200 1500
1, мин
0 100 200 300 400 500
Рис.1. Зависимости сквозного тока через МДМ-систему от времени, снятые при напряжении 3 В (кривая 1) и 11 В (кривая 2) и отрицательной полярности верхнего электрода
Этот факт иллюстрируется кривой 2. Из зависимости видно, что насыщение тока отсутствует даже после 9-часовой выдержки системы под напряжением. Увеличение напряжения, приложенного к системе, приводит к уменьшению протяженности первого участка и увеличению скорости роста тока на втором и третьем участках. Зависимость времени I , при котором начинается рост тока через МДМ-систему, от величины приложенного напряжения, показана на рис. 2. Из рисунка видно, что при напряжениях меньших чем 2 В наблюдается резкое увеличение величины 1кр. При напряжениях ниже 1 В на зависимости / от времени »с наблюдалось участка роста тока, из чего следует существование порога напряжения, ниже которого процесс формовки сильно замедляется или прекращается вовсе. С учетом сказанного за приблизительное значение этого порога можно принять величину 1.5 В. Приложение напряжения к МДМ-системе дает результат уже на первом участке зависимости / от времени (кривая 1 на рис. 1). На рис. 3 приведены типичные зависимости 1с через МДМ-систему от напряжения, снятые после выдержки
123456789 10 11.
и, В
Рис. 2. Зависимость критического времени от величины приложенного напряжения
Ыс, А
Рис. 3. Зависимости сквозного тока через МДМ-систему от напряжения (1, 3 до выдержки, 2 после 3-минутной выдержки при напряжении 2,4 В; после ТО-минутной выдержки 4 - при 1,4 В, 5 - при 1,8 В, 6 - при 2,0 В)
0,5 1
2,5 3 3,5
у1й1 Вш
Рис. 4. Зависимости сквозного тока от напряжения для •системы, выдержанной при напряжении 11 В (1 - после 15-минутной выдержки, 2- после 9 ч выдержки)
объекта при различных напряжениях в течение различных промежутков времени. Из кривых 1 и 2 видно, что результатом такой выдержки является рост тока через систему в диапазоне 0-2 В (при этом величины токов, измеренные до и пос-
ле выдержки, при напряжении 2,4 В практически совпадают, что и соответствует первому участку ток-временной зависимости). Из кривых 3-6 видно, что рост тока через МДМ-систему происходит уже при напряжении 1,4 В; при этом в процессе роста наблюдается уменьшение угла наклона зависимости 1с от напряжения. На рис. 4 также приведены зависимости 1с от напряжения после выдержки ее при напряжении 11 В, которое является фактически рабочим напряжением МДМ-системы. Из сопоставления кривых видно, что в результате длительной выдержки МДМ-системы под напряжением наблюдается рост тока через нее, при этом угол наклона зависимости тока от напряжения практически не изменяется. Данный результат может указывать на то, что в процессе длительной выдержки МДМ-системы под напряжением в ней продолжают образовываться каналы повышенной проводимости, при этом проводимость уже образовавшихся каналов слабо изменяется со временем. Кривые 1 и 2 (рис. 5) представляют собой начальные участки кривых 1 и 2 рис. 4, построенные в двойных логарифмических координатах. Видно, что в диапазоне 0-0,5 В имеет место линейная зависимость между током и напряжением.
Дополнительную информацию о процессах, происходящих во время первой стадии формовки, можно получить из температурной зависимости сквозного тока. На рис. 6 показана температурная зависимость сквозного тока через МДМ-систему после прохождения в ней первой стадии формовки, снятая при разных напряжениях. Из рисунка видно, что энергия активации проводимости уменьшается с увеличением приложенного к МДМ-системе напряжения. Следует также отметить, что полученные значения энергий активации являются значительно меньшими по сравнению с энергией активации проводимости для неформованных систем.
Ыс,А -11,5--12--12,5--13--13,5--14 -14,5--15--15,5--16--16,5-
. У ш
Т
аС
-1,5
-0,5
0 0,5 1_п и, В
Рис. 5. Начальные участки кривых, приведенных на рис. 4
Lni„, А
. J. --т*^!--А
- 8- 6,0 В
-10-
-14~ «-^^ОД в .15J-,-..... ■-
2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6
1000/Т, К'
Рис. 6. Температурные зависимости сквозного тока через
МДМ-систему после прохождения 1-й стадии формовки
Еще одной особенностью зависимости сквозного тока через МДМ-систему, в которой прошла первая стадия формовки, от напряжения является ее симметрия относительно начала координат во всем диапазоне прикладываемых напряжений (0-12 В). Применение в качестве нижнего и верхнего электродов различных металлов позволяет сделать вывод о том, что проводимость МДМ-системы после прохождения первой стадии формовки ограничивается не электродами, а объемом диэлектрика.
Проводимость МДМ-системы после прохождения первой стадии формовки
В работе [3] экспериментально и теоретически исследовалась проводимость формованной МДМ-системы в широком диапазоне температур в условиях неискаженных сорбционными эффектами. Однако значительный интерес представляет изучение проводимости МДМ-системы в обычных условиях (вакуу м 10 "5 Torr после диффузионного насоса) на различных стадиях процесса формовки. Проводимость МДМ-системы после прохождения первой стадии формовки никогда ранее не исследовалась. Детальный анализ известных механизмов проводимости в аморфных и поликристаллических пленках показал, что зависимость сквозного тока от напряжения на МДМ-системе невозможно описать одним законом; по-видимому, присутствует несколько механизмов токопереноса. Мы уже выяснили, что при напряжениях 0-0,5 В на графиках зависимости сквозного тока от напряжения (см. рис. 5) наблюдается линейная зависимость. При этом температурная зависимость сквозного тока (рис. 6) может быть описана активационным законом с постоянной энергией активации 1=1 0 exp(-EJkT), причем энергия активации уменьшается с ростом напряжения. Данные результаты, а также анализ вольт-амперной характеристики сквозного тока указывают на то, что механизмом, ответственным за токоперенос в МДМ-системе после прохождения первой стадии формовки при низких напря-
жениях (0-0,5 В) является прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка. Величина Еа в этом случае будет приблизительно равна ширине зоны локализованных состояний, расположенной в окрестности уровня Ферми диэлектрика, по которой осуществляется токоперенос. Существование зоны локализованных состояний с большой плотностью может быть обусловлено созданием в процессе первой стадии формовки структурных дефектов в локальных областях диэлектрика.
Анализируя диапазон напряжений выше 0,5 В мы пришли к выводу, что механизмом, ответственным за токоперенос в указанном диапазоне, является прыжковая проводимость в условиях сильного поля. Этот механизм основан на теории перколяции и впервые предложен Шкловским в работе [4]. Согласно этому механизму проводимости зависимость плотности тока от напряженности электрического поля и температуры описывается следующим образом: ДЕ, Т)=0(Т)Есехр(сош1(еЕЬо/(кТ))1/(1+п)). (1)
Здесь Е=к Т/(еЬГ1), Ц=1(Т)?п=4КпаЛ где о(Т) - омическая проводимость в слабых полях, Ес - значение напряженности поля, при котором происходит переход от омической к неомической зависимости 1(Е), Ц - радиус корреляции критической подсетей прыжковой проводимости, 1(1) - характерная длина прыжка, а 1 -радиус локализованных состояний, 4 - показатель экспоненты омической проводимости, п=0,9 -критический индекс радиуса корреляции.
Для области высоких температур выражение (1) принимает следующий вид: 1(Е, Т)=сг0ехр( Е /(кТ))а(кТ)2+п/ (еЕа 1 +п)ехр(сош1(еЕ/(кТа))1/(1+п)Еа/(кТ)). (2)
Выражения (1) и (2) справедливы для полей в диапазоне от Ес до кТа/е. При Е=Ес выражение (1) переходит в «обычное» выражение для проводимости а=ст0ехр(- Еа/кТ). Из выражения (2) следует, что энергия активации проводимости должна уменьшаться с ростом электрического поля. Рассмотрим эту зависимость более подробно. На основании формулы (2) зависимость энергии активации от поля может быть представлена в следующем виде:
Е(Е)=Еа(1~С(еЕ/(кТа))"2), (3)
где Еа - энергия активации в области слабых полей, С - константа.
Полученное выражение может быть преобразовано в более удобную для сопоставления с экспериментальными результатами форму:
(Е-Е.(Е))/Е=С(еЕ/(кТа))1Я). (4)
На рис. 7 представлена экспериментальная зависимость относительного изменения энергии активации (Еа-Еа(Е))/Еа от и1'2. Из рисунка видно, что эта зависимость является прямой линией, как и следует из (4).
Еа-Е(Ш Еа
иИ| В1/2
Рис. 7. Экспериментальная зависимость относительного изменения энергии активации
В соответствии с моделью, предложенной в [4], можно дать следующее качественное объяснение зависимости энергии активации прыжковой проводимости от величины приложенного поля. Величина энергии активации прыжковой проводимости в области полей, где наблюдается зависимость проводимости от температуры вида ст=сг0ехр(-Еа/кТ), определяется средней разницей энергий <Е> соседних локализованных состояний. При увеличении поля вследствие наклона зоны разница энергий конечных ф и начальных (О состояний при прыжках с поглощением фоно-на уменьшается, что приводит к уменьшению энергии активации прыжка.
Таким образом, экспериментальные результаты по зависимости сквозного тока через МДМ-систему после прохождения в ней первой стадии формовки от напряжения и температуры для диапазона напряжений 0,5-12 В могут быть удовлетворительно объяснены с помощью модели неомической прыжковой проводимости в сильных электрических полях.
Оценим возможность применения модели неомической прыжковой проводимости для описания результатов, приведенных на рис. 3. В рассмотренной модели присутствует два параметра, которые определяют величину тока I и угол наклона Ь зависимости натурального логарифма тока от и|/2 при данном напряжении, а именно характерная длина прыжка 1 и энергия активации в области слабых полей Еа. Используя формулу (2) и полагая, что а0~п=Н , легко получить следующее выражение, связывающее отношение токов 12/1, двух зависимостей рис. 3 (кривые 3-6), отношение углов наклона этих зависимостей Ь2/Ь, и соответствующие энергии активации: 1п(1,/11(Ь2/Ь1)8(Еа|/Еа,)3)=и1/2(Ь,-Ь1)+ +Еа/(кЧТ)-Еа2/(кТ), ' " (5)
где Ь - угол наклона зависимости натурального логарифма тока от и"2.
Приведенное выражение позволяет определить значения энергии активации для кривых 3-6, изображенных на рис. 3, в случае, если известно значение энергии активаций для какой-либо одной кривой. В данном случае известным является значение Еа для кривой 6 - оно равно 0,12 эВ при напряжении 1,5 В. Определенные с помощью (5) значения энергий активации для кривых 5,4 и 3 оказались равными 0,126; 0,233 и 0,318 эВ; при этом наблюдается очень хорошее соответствие между экспериментальными 1р 1фиками и значениями, полученными на основании формулы (5) для всех значений напряжений, превышающих 0,5 В.
Таким образом, модель неомической прыжковой проводимости позволяет описывать не только проводимость МДМ-системы после прохождения в ней первой стадии формовки, но также и изменение проводимости, наблюдаемое в процессе этой стадии. В рамках этой модели увеличение величины сквозного тока во время первой стадии формовки, сопровождающееся постепенным уменьшением угла наклона зависимости сквозного тока от напряжения объясняется уменьшением характерной длины прыжка и энергии активации проводимости. В свою очередь, уменьшение характерной длины прыжка и энергии активации, очевидно, связаны с тем, что во время первой стадии формовки в диэлектрике образуются и накапливаются некоторые дефекты, отвечающие за проводимость МДМ-системы. Наиболее характерными особенностями этого процесса, отраженными на рис. 1 (кривая 1) и 2, являются наличие скрытой стадии на зависимости сквозного тока от времени (рис. 1), а также сильная зависимость продолжительности скрытой стадии от величины приложенного напряжения и существование порогового напряжения, ниже которого рост тока со временем не наблюдается (рис. 2).
Заключение
Проведенные исследования позволили выявить основные закономерности и описать физический механизм первой стадии электрической формовки МДМ-системы и проводимость системы после ее прохождения. Проводимость МДМ-системы после прохождения в ней первой стадии формовки имеет активационную зависимость от температуры с низкой энергией активации, уменьшающейся с ростом напряжения. При этом на зависимости сквозного тока от напряжения в МДМ-системе можно выделить два участка: омический - при и<0,5 В и участок с экспоненциальной зависимостью вида 1~ехр(1Л'2) в диапазоне 0,5<и<12,0 В. Анализ зависимости сквозного тока от напряжения и температуры после прохождения первой стадии формовки позволяет сделать
вывод о том, что проводимость такой системы обусловлена прыжковым переносом электронов по зоне локализованных состояний, расположенных вблизи уровня Ферми, Процесс роста проводимости МДМ-системы во время прохождения
в ней первой стадии формовки вызван увеличением концентрации дефектов с энергетическими уровнями, расположенными вблизи уровня Ферми, и может быть описан в рамках модели неомической прыжковой проводимости.
Литература
1. Pagnia Н„ Sotnik N, // Phys, Stat. Sol. 1988. V. 108. N. 11. P. 11-65.
2. Lubsanov R.B, Water adsorption influence on the conductivity and emission properties in formed MIM devices: Abstracts of the 5*1 Int. Vacuum Microelectronics Conf. Vienna. 1992. P. 1-16.
3. Баренгольц Ю.А. и др. // РЭ. 1992. Т. 37. № 2. С. 334-339.
4. Шкловский Б.И. // ФТП, 1979. Т.13. № 1. С. 93-97.
УДК 620.22
Г. П. Пилипенко
ПРОБЛЕМЫ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ И СЕБЕСТОИМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ
Министерство экономического развития и торговли Российской Федерации
В современном машиностроении ковкой, штамповкой и литьем в большинстве случаев получают только заготовки Окончательная обработка производится в механических цехах и заключается в снятии с поверхности заготовки слоя металла (припуска) при помощи разнообразных режущих инструментов. В результате такой обработки заготовка приобретает требуемую форму, точные размеры и необходимую чистоту поверхности, т.е. превращается в деталь.
Рациональность выбора заготовки
Основным критерием при выборе заготовок для механической обработки является коэффициент использования материала, определяемый от-
в
ношением К =—~,где (} - вес готовой детали,
кг; (7 - вес взятой заготовки, кг.
Чем больше значение указанного коэффициента использования материала, тем меньше количество металла, подлежащего удалению, тем производительней и экономичней обработка резанием.
Из этого следует, что форма и размеры заготовки должны максимально приближаться к форме и размерам окончательно обработанной детали, а это возможно лишь при уменьшенииири-пусков на заготовке. Однако повышение точности заготовки увеличивает ее себестоимость, поэтому необходимо выбирать заготовки с такими припусками, которые обеспечивали бы не только хорошее качество детали (отсутствие брака по черноте), но и имели бы наименьшую себестоимость обработки как в механических, так и в заготовительных цехах.
Общий припуск на обработку представляет сумму межоперационных припусков и межоперационных допусков, за исключением допуска на окончательную обработку (последнюю операцию),
побР =п,+пг +п3+...+пп +А, + А2+...+Ап_,, где я,
оор"
общий припуск на обработку; п{, п2, пу ..., пп-припуски на 1, 2,..., и операции; А,, Д2,..., Дл- - межоперационные допуски (кроме последней операции).
Припуски и допуски устанавливаются по соответствующим таблицам ГОСТа или по техническим справочникам.
Режимы резания
Снятие припуска производится при помощи резания. Обработка резанием бывает двух видов: слесарная (ручная) и механическая (станочная). Последняя производится на металлорежущих станках. Так как обрабатываемые заготовки, а следовательно, и получаемые детали имеют различную форму, размеры, назначение, то обработка их производится разными способами и инструментами при различной относительности движений заготовки и инструмента. Эта относительность и определяет вид обработки. Основные виды обработки резанием: точение, строгание, фрезерование, сверление, протягивание и шлифование.
Процесс станочной обработки характеризуется определенными показателями - режимами резания. К режимам резания относят скорость и глубину резания, подачу, сечение снимаемой стружки, силу резания и ряд других. Правильный выбор этих показателей обеспечивает не только
