CC BY
27
УДК 669.71
ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ УДАРНОСЖАТЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МДМ-СТРУКТУР В РЕЖИМЕ СТАЦИОНАРНОГО СВЕЧЕНИЯ ПРОВОДЯЩЕГО КАНАЛА
© 2001 В.Л. Балакин, И.В. Белоконов, Н.Д. Семкин
Самарский государственный аэрокосмический университет
В работе приведены результаты экспериментов по воздействию частиц на пленочные МДМ-струк-туры (металл-диэлектрик-металл) с помощью электростатического ускорителя. Проведено дальнейшее исследование эффекта стационарного свечения ударносжатого проводящего канала. Рассчитана температура ударносжатого канала, получены ионные спектры масс материалов и сквозная проводимость МДМ-структуры. Показаны перспективы использования результатов в различных областях техники.
Исследуемые МДМ-структуры находят широкое применение в фундаментальных областях астрофизики, космохимии и ряде прикладных задач [1, 2, 3].
В [4, 5] были приведены некоторые соотношения для пленочной МДМ-структуры (металл-диэлектрик-металл), находящейся в ударносжатом состоянии, а также результаты ударных экспериментов с помощью импульсного лазера. Изучение электропроводности ударносжатых МДМ-структур проводилось авторами [6] путем совместного решения систем уравнений гидродинамики и электродинамики. При проведении ударных экспериментов с помощью электростатического ускорителя авторами [7] был обнаружен эффект стационарного свечения канала проводимости ударносжатого диэлектрика МДМ-струк-туры. Эффект свечения ударносжатого канала возникает при напряженности электрического поля, приложенного к МДМ-струк-туре, выше 2-106 В-см"1 и воздействии на нее частицы из алюминия массой (1...5) -10"14 грамм со скоростью 2... 10 км-с"1. Было отмечено, что интенсивность свечения канала проводимости определенным образом связана с подаваемым на конденсатор напряжением, сопротивление канала проводимости составляет 104... 106 Ом, а ток через канал -10-4...Ю-3 А.
С помощью известных теорий электропроводности твердых диэлектриков указанный эффект авторам [4] объяснить не удалось. В данной работе экспериментально рассмот-
рено влияние электрического поля, приложенного к исследуемой МДМ-структуре, на процессы возникновения вспышки и вторично-заряженных частиц (ионов, электронов), изменения электропроводности органических и неорганических диэлектриков при высокоскоростном соударении, а также приведен расчет температуры светящегося канала проводимости в стационарном режиме.
Эксперименты выполнялись с помощью экспериментальной установки, показанной на рис.1 и содержащей электростатический ускоритель 1, цилиндр Фарадея 2, усилители
3, люминесцентно-конденсаторные датчики 4-8, фотоэлектронные умножители (ФЭУ) 9 и 11, вторичноэлектронный умножитель 10, запоминающие осциллографы 12, пылеударный масс-спектрометр 13. Люминесцентноконденсаторный датчик состоит из стеклянной подложки 4, люминофора 5, медной обкладки 6, диэлектрической пленки 7, верхней обкладки конден-сатора 8.
Вспышка, возникающая в момент высокоскоростного взаимодействия в материале люминофора, регистрируется с помощью ФЭУ (9, рис.1). Импульсные сигналы и (с МДМ-структуры) и иф (с ФЭУ) поступают на осциллограф 12. Информация с люминесцентного датчика и системы регистрации 2, 3, 12 необходима для определения характеристик (скорость, масса) взаимодействующей с МДМ-структурой частицы. Изготовленные образцы МДМ-структур используют в качестве диэлектрика пленки полиметилметакри-лата, полученные методом полимеризации в ВЧ-разряде в вакууме. МДМ-структуры нанесены на защитную пленку 6 люминофора 5. В целом такая многослойная мишень является полубес-конечной преградой с точки зрения высокоскоростного удара. В режиме стационарного свечения регистрируются сквозной ток через МДМ-структуру и свет - фотоэлектронным умножителем 11.
На рис.2 показана экспериментальная зависимость сквозного тока 1с через МДМ-структуру и напряжения фотоэлектронного умножителя Иф от подаваемого на нее напряжения ис. Характеристики снимались в диапазоне напряжений 0.. .400В в прямом и обратном направлении. Характеристики обла-
Рис.2. Зависимость сквозного тока ударносжатой МДМ - структуры от напряжения
Рис.3. Зависимость зарядов элементов ударносжатого канала проводимости от напряжения на МДМ - структуре
дают достаточно высокой линейностью и повторяемостью. При напряжении более 400В происходит электрический пробой МДМ-структуры. При этом резко повышается (более чем на порядок) количество ионов, регистрируемых вторично-электронным умножителем (ВЭУ), и интенсивность света (вспышки). На рис.3 представлены зависимости зарядов различных элементов, присутствующих в проводящем канале МДМ-струк-туры, от напряжения на конденсаторе. Известно из экспериментов [2], что материал ударяющей частицы остается в кратере мишени (в рас-сматриваемом случае в канале проводимости МДМ-структуры) в диапазоне скоростей частиц 0,5.15 кмс-1.
На рис.3 видно, что количество эмитируемых с нагретой поверхности ионов Н, О, К, С, А1, Ка, Не увеличивается с повышением напряжения. Также наблюдаются ионы алюминия, принадлежащие как частице, так и верхней обкладке МДМ-структуры (А1).
При соударении частицы хрома (Сг) с поверхностю МДМ-структуры с помощью масс-спектрометра 13 (рис.1) наблюдались ионы Сг и также ионы О, К, Ка, Н, С.
Таким образом, путем выбора материалов диэлектрика, частицы и верхней обкладки структуры можно получать каналы проводимости с различными свойствами. Температура ударносжатого канала проводимости в режиме стационарного свечения зависит от геометрии и материалов частицы и МДМ-
структуры. Знание температуры ударносжатого канала проводимости позволяет понять некоторые его свойства.
При ударном воздействии частицы температура в зоне контакта нагревает верхнюю обкладку и диэлектрик конденсатора (МДМ-структуры). При этом увеличивается количество свободных носителей (электроны, ионы) в области ударносжатого канала проводимости диэлектрика, а приложенная энергия электрического поле к МДМ-структуре превращает кратковременный процесс взаимодействия в стационарный режим свечения, при котором в канале проводимости выделяется энергия порядка 10-2.. .0,5 Вт, что является достаточным, учитывая низкую теплопроводность диэлектрика и малые геометрические размеры канала, для того, чтобы нагреть ударносжатый участок диэлектрика до температур порядка 500.1000 °С.
Для нахождения температуры ударносжатого канала проводимости рассмотрим случай стационарного теплообмена в МДМ-структуре, изображенной на рис.4. Она состоит из верхней алюминиевой обкладки 1, диэлектрика 2 (полиметилметакрилата), нижней медной обкладки 3, регистратора 4. При соударении частицы с обкладкой 1 образуется кратер, а в диэлектрике распространяется ударная волна, энергия которой совместно с энергией электрического поля, приложенного к конденсатору, переводит диэлектрик в полупроводящее состояние.
Исследование стационарного теплообмена в ударносжатой МДМ-структуре, как и любой метод исследования теплофизических свойств различных классов материалов, основано на решении дифференциального уравнения теплопроводности при определенных начальных и граничных условиях. Так как исследуемый процесс является стационарным, то уравнение устанавливает связь между пространственными изменениями температуры Т.
Уравнение теплопроводности запишем в виде:
У 2^г = °(р,0Е
1 ’
(1)
где V Т - температурный поток, Е - напряженность электрического поля, 1 - коэффициент теплопроводности материала, а( p,t) - проводимость материала:
о{р,і ) =
Ое кт,р<р0, 00 ,р > р0 ’
(2)
где <70 - проводимость материала без внешнего воздействия, и - энергия активации (эВ), х - коэффициент Больцмана, р - координата (рис.4).
Краевые условия имеют вид:
<№_
І2
єо
СБ
\т4(2 = 0) - То
),
(3)
1-
ііт_ ' І2
а
(Тп - Т ),
(4)
где, є - коэффициент черноты, о СБ - постоянная Стефана-Больцмана, а - коэффициент теплоотдачи, Тп - температура подложки, Т0 -
температура окружающей среды, і - толщина диэлектрика МДМ - структуры, 2 - координата (рис.4).
Перейдем к другой системе координат
= Р ’ і
р = %й.
Рис. 4. Общий вид МДМ - структуры
Для определенности положим
тогда dT
dZ
0 = T-70 ,T = T0 (1 + 0)
= £SCB (t (z)-T0) (z Ф 0)+'
H
+To)To2 (z = 0)+ To2 )
(6)
AT^d0
d dX
X=o-
где
' й0л
P~T dp \ ’ /
1 d p dp
с граничными условиями
d0 s( p,t)E2 d2
+ =---------1To, (9)
d0
dX
d0
dX
X=o
H0
-g0
(10)
X=1
22
E2 d
0( p.z) = Ci2 cosimiz+«1 )if-A •B •C. (ii)
Здесь C cos(z + a)
- базисная функция,
a = - arctg ,
m ’
где a - фаза базисной функции, m - собственное значение базисной функции, С - нормировочный коэффициент.
A = sin[(m1 + a1)- sin a1 ],
B = K0 (m,p)ldp'p'1 o (iP'Mp'). (12)
■■ееСБТ„в(т 0 (2 + в)Т 2 ((1+в)2 +1) (7)
Отсюда следует, что
ёв
= вн ^ 1-0 1-1'
Н{.„ ((2 т) + в)2 +1) (8)
На подложке (3, рис.4)
^ . в аё
,г = , где Г = —.
Х=1 1
Окончательно уравнение теплопроводности запишем в виде:
После ряда преобразований получим выражение для температуры в виде:
с = 10 (лр'МрО,
где индекс "1" относится к первому члену ряда.
Выражение (11) использовалось для следующей модели МДМ-структуры: толщина верхней обкладки (алюминий) ё1= 1 мкм, толщина диэлектрического слоя (полиме-тил-метакрилат) ё2= 1 мкм, толщина нижней обкладки (медь) в одном случае ё3=50 мкм, в другом - ^=2 мкм. Моделирование на ЭВМ показало, что температура святящегося канала сильно зависит от его размеров. Чем больше радиус светового пятна, тем ниже температура канала, причем внутри канала наблюдается резкое падение температуры в направлении к медной подложке (рис.5) в связи с хорошим отводом тепла. Если же толщину нижней обкладки уменьшить (ё3=2 мкм), то температура по вертикали будет в 2-3 раза выше, чем в первом случае (^=50 мкм). Установлено, что характер зависимости не изменяется от напряжения, а меняется только абсолютный уровень температуры. По горизонтальной оси температура в соответствии с расчетами находится в пределах 400 .1500 0С в зависимости от приложенной энергии к МДМ-структуре от источника постоянного тока и сопротивления канала, обусловленного процессами диффузии атомов нагретой зоны, верхней обкладки и частицы в зону ударносжатого диэлектрика, а также процессом его деструкции.
Очевидно, что при таких температурах происходят химические изменения внутри диэлектрика с образованием высокотемпературного соединения. Известно [6], что диэ-лект-рическая пленка полиметилметакрила-
Z =0
Т°к
1400
1200
1000
800
S00
400
■
-—-2
~^В - 7
/1°
т
0.2
0,4
0,6
Рис. 5. Зависимость температуры светящего канала от радиуса и координаты Z при напряжении 100 В
та выдерживает температуры порядка 250.300 0С, а далее происходит разрушение полимерной структуры и начинают рваться связи О-О, С-С, С-Н, О-Н. Совместно с процессом диффузии атомов происходит образование нового металлоорганического соединения. При разрывах межатомных связей возможно образование новых химических соединений: А14С3, А12О3, А1(ОН)3. Молекулы Н2, С2, О2 могут испаряться с поверхности нагретого кратера. При взаимодействии частиц из других материалов могут образоваться другие соединения. Другими словами, при определенных условиях (материалы частицы и МДМ-структуры, напряжения на ней, скорость частицы) высокоскоростного взаимодействия частицы с МДМ-структурой может произойти синтез какого-либо химического соединения, причем его размеры составляют доли и единицы микрон. Из возможных вариантов соединений алюминия (с учетом полученных удельных сопротивлений канала проводимости) расчетные температуры может выдерживать соединение А14С3 - карбид алюминия. На основании проведенных исследований в дальнейшем представляется
возможным получение маталлоорганических соединений с заранее заданными свойствами на малых площадях (менее 1 мкм), что может, например, найти применение в микроэлектронике. Условия получения ударносжатого канала проводимости зависят от ряда факторов, основными из которых являются соотношение энергии частицы и электрического поля конденсатора, их геометрии. Результаты использованы при создании датчиков для регистрации и измерения физико-химических свойств мелкодисперсных частиц и микрометеороидов [8].
Полученные ударносжатые каналы проводимости могут использоваться как ячейки памяти, поскольку они в течение длительного времени не меняют свои свойства, а также как преобразователи "напряжение - свет" (рис.2). Дальнейшее продолжение исследований ударносжатых МДМ и МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник) [7] предполагает более детальное изучение процессов химической кинетики в ударносжатых диэлектриках в момент их перехода в новое состоние. Для этого необходимо совместное решение уравнений гидродинамики, электродинамики и химической кинетики. Проводимые исследования ударносжатых структур имеют перспективы для различных областей науки и техники, например, при создании пленочных датчиков [8] и космического аппарата [9] для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора, получения металлоорганических полупроводниковых соединений с заданными свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Твердые тела под высоким давлением / Под ред. А.П. Виноградова. М.: Мир, 1966.
2. Rauser P Microparticle detector based on the energy gap disapperance of semiconductors (Se, J, Te, Bi, Ge, Sm, Si, and In, Sb) at high pressure. J. Appl Phys. 1974. V.45. №11.
3. Апати И., Васюкова З.В., Кащеев Б.Л. "Интеркосмос-14" и сопутствующие наземные наблюдения метеоров // Космические исследования. 1981. Вып.5.
4. Семкин Н.Д. Исследование характеристик конденсаторного датчика для регистрации
твердых частиц с помощью импульсного лазера // Известия вузов СССР. Приборостроение. 1986. № 8.
5. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Кондратов В.Н. Исследование характеристик ионизационно-конденсаторного преобразователя пылевых частиц, полученных с помощью импульсного лазера. Препринт ТРИНИТИ 0040-А. ЦНИИАТОМИН-ФОРМ. 1998.
6. Семкин Н.Д., Воронов К.Е. Проводимость ударносжатых МДМ-структур на основе полиметилметакрилата // ЖТФ. Т.68. 1998. № 8.
7. Семкин Н.Д., Семенчук С.М., Юсупов Г.Я. Эффект стационарного свечения канала
проводимости ударносжатого диэлектрика МДМ-структуры // Письма в ЖТФ. Т.14. 1988. Вып.6.
8. Semkin N.D., Novikov J.S., Voronov K.E. Enather. Meassuriment of Solid Micro-Particle Fluxes in Geosynchronus Orbit. Procedings of symp. on Environment Modelling for Space-based Application. ESTEC Nordwik. 18-20. Nov. 1996. ESA. SP-392. 1996.
9. Balakin V.L., Shakmistov V.M., Semkin N.D., Chochua G.G., Voronov K.E.. Prospects of study of pollution of terrestrial space be natural and artificial particles. Proceeding of the Second European conference on Space Debris. ESOC. Darmstadt. Germany. 17-19 March, 1997 (ESA SP-393, May, 1997).
WAYS OF STUDYING SHOCK - COMPRESSED FILM MDM - FRAMES IN THE STATIONARY GIOW CONDITION OF THE CONDUCTING CHANNEL
© 2001 V.L. Balakin, I.V. Belokonov, N.D. Semkin
Samara State Aerospace University
Experiment results are given describing the influence of particles on film MDM (metal-dielectric-metal)-frames by means of electrostatic accelerator. The stationary glow effect of the shock-compressed conducting channel is investigated. The temperature of shock-compressed channel is calculated, ion spectres of material masses and through conduction of MDM-frames are obtained. Possibilities of profiting by the results for different fields of technology are described.
1б1
