Образование поверхностных малоразмерных структур в ионных кристаллах, легированных металлами при термоэлектрическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.3

ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛАМИ ПРИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© Ю.А. Кочергина1*, В.А. Федоров1*, Л.Г. Карыев2), И.А. Третьяков1*, Г.А. Барышев3)

^ Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru 2) Ямало-Ненецкий филиал Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Новый Уренгой, Россия, e-mail: jukova_knp@mail.ru 3) Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Россия

Ключевые слова: малоразмерные структуры; ионные кристаллы; термоэлектрическое воздействие.

В работе исследованы малоразмерные структуры, образующиеся в кристаллах при их легировании металлом под действием электрического поля и одновременного нагрева. Обнаружено появление микроканалов и различного рода металлических включений в кристаллах, образование которых обусловлено диффузией металла, а также «ан-тидендритов» на границе металл-кристалл.

Исследования любых сложных процессов проводят обычно на наиболее простых в структурном отношении и достаточно хорошо изученных материалах, т. н. модельных. К ним относятся ионные кристаллы. Исследование свойств ионных кристаллов в электрических полях ведется на протяжении многих лет. Однако интерес к этим материалам как модели диэлектрика с ионной связью не ослабевает, т. к. дальнейшие перспективы практического применения материалов на основе ионных и суперионных проводников определяются глубиной понимания природы формирования физико-химических свойств, выявлением закономерностей изменения последних в кристаллических соединениях, нахождением возможности их целенаправленного модифицирования. Изменение физических свойств кристаллических тел под действием различных факторов, в частности, влияние электрических полей и термообработки на поверхность и структуру кристалла, легирование кристаллов примесями являются весьма актуальными проблемами физики твердого тела. Основной аспект этих проблем, имеющий большое практическое значение, - создание материалов с улучшенными и новыми свойствами [1].

Экспериментально установлено, что под действием электрического поля и нагрева происходит изменение поверхностей ионных кристаллов [2-4].

Цель работы - исследование морфологии поверхностей ионных кристаллов, подвергнутых легированию металлами при воздействии электрического поля и одновременного нагрева.

Исследовали образцы №01, ЫЕ размером 20*8*(2-3) мм, которые выкалывались из крупных кристаллов по плоскостям спайности. В образцах искусственно зарождали трещину по плоскости (100) длиной = 15 мм, в которую вводили металлические фольги из алюминия, свинца или сплава на основе Ее (73,5 %) толщиной = 20 мкм, перекрывающие = 20 % поверхно-

сти трещины от вершины, или проволоку из золота диаметром = 30 мкм. Затем образец помещался между электродами с напряжением 400 В, электрическое поле было ориентировано нормально к плоскости (100). Комплекс «кристалл-металл» помещался в печь, где осуществлялся его нагрев до 873 К со скоростью 200 К/ч. После чего образец в течение часа выдерживали при заданной температуре и напряжении между электродами 400 В. Сила тока при этом составляла 1020 мА. Охлаждали образцы со скоростью 50 К/ч вместе с печью. Напряжение на образце и температуру контролировали прибором «Н 307/2».

После охлаждения в образцах ЫаС1 наблюдали трещины по плоскости (010). Растрескивание кристалла происходило в области нахождения фольги. На поверхностях, образующихся при растрескивании, обнаружены множественные ступени скола.

Появление трещин связано с тем, что Ее и А1 имеют размеры радиусов ионов меньше, чем Ыа. В результате диффузии под действием электрического поля и одновременного нагрева происходит замещение ионов Ыа,

Рис. 1. Микроканалы по [011] под поверхность трещины (NaCl)

а) б)

Рис. 2. Внедрение частиц металла (Аи) в кристаллическую решетку. Стрелками отмечены частицы золота в кристалле со стороны катода - а; плоские сложнокристаллические образования - б

Рис. 3. Поверхность скола (100) кристалла LiF с «антидендритом»

что приводит к смещению ионов С1 и, как следствие, возникновению растягивающих напряжений.

Диффузия металла в кристалле имеет преимущественное направление от анода к катоду, что также подтверждает наибольшее растрескивание в этих областях.

Локализация металла в кристалле происходит различным образом: в плоскости (100) сопровождается образованием сильно деструктурированных областей (рис. 1) в виде диспергированных микрочастиц сферической формы по (010) (рис. 2, а), также может сопровождаться появлением плоских образований сложной формы в объёме кристалла (рис. 2, б).

В образцах ЫГ (при выдерживании их при температуре 893 К и напряжении 400 В в течение часа) наблюдали образование «антидендритов» (рис. 3), трёхмерных объёмных сложнокристаллических образований, уходящих вглубь кристалла [5].

Это связано с локальным разогревом приповерхностных областей в ходе эксперимента и миграцией ионов под действием электрического поля вглубь образца.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кочергина Ю.А., Федоров В.А., Карыев Л.Г. Образование поверхностных малоразмерных структур в ЩГК при термоэлектрическом воздействии // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 2008. Т. 13. Вып. 1. С. 65-66.

2. Федоров В.А.. Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Влияние теплоэлектрического воздействия на состояние поверхностей ЩГК // Механизмы деформации и разрушения перспективных материалов: сб. тр. XXXV семинара «Актуальные проблемы прочности». Псков, 1999. С. 280-283.

3. Feodorov V.A., Karicv L.G., Mcksichcv O.A. Influence of heat and electrical field on condition of alkali-halidc crystal cleavage surface // Advanced material and processes. Fundamental problems of developing advanced materials and processes of XXI century: Proc. V Russian-Chinese Int. Symp. Baikalsk, 1999. P. 68.

4. Федоров В.А.. Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Аккумуляция электрического заряда у поверхности ионных кристаллов при нагреве в электрическом поле // Физика и химия обработки материалов. 2002. № 5. С. 87-89.

5. Кочергина Ю.А., Зайцев С.А. Образование поверхностных малоразмерных структур в ионных кристаллах под действием тепловых и электрических полей // Сб. материалов Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Владивосток, 27-29 апр. 2009 г. Владивосток, 2009. С. 45-46.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 09-01-97514-а.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Kochergina Yu.A., Fedorov V.A., Karyev L.G., Tretyakov I.A., Baryshev G.A. Formation of superficial structures of the small size in the ionic crystals alloyed by metals at thermoelectric influence In work the small size formed structures in crystals at alloying by metal under the influence of electric field and simultaneous heating were investigated. Occurrence of microchannels and any metal inclusions in the crystals which formation is caused by metal diffusion, and also “antidendrite” on border metal-crystal is revealed.

Key words: structures of the small size; ionic crystals; thermoelectric influence.