CC BY
51
УДК 539.3
ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
© М.А. Алиев, Х.Ш. Чартаев
Махачкалинский филиал Московского автомобильно-дорожного института, г. Махачкала, Россия, е-таП: [email protected]
Ключевые слова: электропластичность; деформация; упрочнение; скорость деформации; прерывистая текучесть; структуроформирование.
Применен новый электростимулированный метод обработки кристаллов при их пластическом деформировании, заключающийся в прохождении постоянного электрического тока высокой плотности по деформируемому образцу. Структура кристалла лучше модифицируется при наличии дополнительных параметров порядка.
Одной из перспективных и привлекательных идей для технологий структуроформирования в кристаллах является идея управления механическим поведением твердых тел и их структуры с помощью электрического поля [1].
Идея управления свойствами твердых тел, используя их структурные превращения с помощью электро-пластической деформации (ЭПД), является одной из перспективных и привлекательных в том плане, что в процессе участвуют такие фундаментальные явления, как диссипации, расщепление электронных связей между атомами вплоть до поляризации их спинов. Понимание роли структурных дефектов в формировании и изменении свойств кристаллов важно не только для проблемы пластичности и прочности материалов, но и для микроэлектроники, приборы которой основаны на их взаимодействиях, включая нанотехнологические идеи.
В настоящее время вопросы прочности и пластичности, кристаллизации, фазовых и структурных превращений в твердом состоянии и многие другие проблемы современного материаловедения рассматриваются с использованием представления о дислокациях, их зарождении, движении, взаимодействии и распределении в кристаллах [2].
В материаловедении важной задачей считается выяснение различных механизмов протекания деформационных процессов, в частности механизмов диссипации энергий, и нахождение новых удачных способов воздействия на структуру кристаллов, обеспечивающих неразрушающий характер их структурообразования [3].
Длительное время единственным способом реконструирования кристаллов был термофлуктуационный способ возбуждения кристалла, воспринимаемый всей атомной системой. А задача металловедов состоит в том, чтобы научится реконструировать кристалл с помощью механического способа его возбуждения, т. е. механофлуктационно, принимаемого дефектами структуры, являющимися сдвиговыми пластическими составляющими кристалла. Механофлуктационный способ возбуждения кристалла реализуется только при таких температурах, при которых диффузионные про-
цессы невозможны за время пластического деформирования. Представления о природе пластичности наглядно можно продемонстрировать на примере полу-продниковых монокристаллов кремния с ковалентными межатомными связями, являющимися хрупкими при комнатных температурах.
Нами предложен новый способ структуроформирования и исследования механических характеристик полупроводниковых материалов, отличающийся от традиционных тем, что процесс пластической деформации кристалла сопровождается одновременным прохождением по нему постоянного электрического тока значительной плотности. В предлагаемой работе эксперимент проводился в специально сконструированной деформирующей машине прессового типа, в вакуумной камере с сапфировыми штоками и опорами, обеспечивающей режим «мягкого» нагружения. Такая методика «мягкого» нагружения, в отличие от «жесткой», позволяет устранить отрицательную обратную связь между машиной и образцом. При «жесткой» методике нагружения, инициированное внешним воздействием разупрочнение приводит к уменьшению нагрузки на образец и приостановке пластического течения, «замаскировывая» эффект разупрочнения.
Деформацию производили двумя способами: в условиях внешнего нагрева образца (термопластическая деформация - ТПД-способ), в условиях прохождения электрического тока через образец (электропластиче-ская деформация - ЭПД-способ) [4].
Объектом исследования были монокристаллы п-кремния с удельным сопротивлением р = 18 А*см при комнатной температуре. Образцы брались двух типоразмеров - 17x8x5мм и 15x8x5мм, и двух разных кристаллографических ориентаций. Длинные ребра совпадали с направлениями [111] и [110], которые одновременно служили и направлениями сжатия. На рис. 1 приведена схема ориентации образца.
Постоянное электрическое поле и ток для нагрева образца обеспечивал мощный источник напряжения. Деформация осуществлялась одноосным сжатием в вакууме при Т = 750 °С в режиме динамического нагружения, с постоянной скоростью нагружения.
Применение нового методико-технологического способа электростимулирования к проблеме пластичности при изучении взаимосвязи между структурой, составом и свойствами в алмазоподобных полупроводниковых структурах позволило получить результаты, существенно отличающиеся от термопластического способа деформирования.
При изучении механических свойств мы использовали уравнение, описывающее соотношение между приложенной к кристаллу величиной сдвиговой деформации и кинетическими структурными составляющими, которое имеет вид:
а = -
Ца
У
с
кТ т 1-------1п—
Ц0 т0
Л
(1)
где То - период межатомных колебаний, и0 - энергия механических связей, у - коэффициент активационного объема. Здесь С/о / у - верхний предел прочности -атермическая механофлуктуационная часть, а
1 - кТ 1п-1
и0 т0
термофлуктуационная часть. При по-
С
становке ио = X—0, где С0 - теплоемкость, а - ко-а
эффициент линейного расширения, X - структурный коэффициент пропорциональности,
аТ т
с = 1-----1п— = 1 - В (термофлуктуационная часть).
3Х То При а ^ 0 р исчезает.
На рис. 2 (кривые 1, 2, 3) приведены зависимости напряжение-деформация а(е) для трех образцов моно-кристаллического кремния п-типа проводимости, при двух различных режимах их реализации - ориентационном и типоразмерном. Следует заметить, что кривые
по ТПД-способу не приведены ввиду отсутствия заметных величин деформации при примененных для ЭПД-способа деформационных параметрах воздействия. Для термического способа нужны значительно большие величины нагрузки, температуры и времени деформирования.
Как видно по ходу кривых (1-3) рис. 2 наблюдается заметные изменения таких, казалось бы, грубых параметров кристаллической решетки, как прочность и пластичность. Изменяется и упругая область с изменением и высоты, и ориентации образцов. Если упругая область первого образца с к = 17 мм доходит до а = 1,3 кг/мм2, то у образца с к = 15 мм она составляет а = 0,2 кг/мм2.
Для достижения общей величины пластической деформации є = 0,5 % для первого образца понадобилось усилие а = 3,8 кг/мм2, тогда как для второго
а = 1,75 кг/мм2, а для третьего а = 0,83 кг/мм2. Сравнение хода кривых трех образцов показывает, что заметное различие наблюдается и в коэффициентах упрочнения (у), и в скоростях деформирования (є) и общей величине достигнутой деформации (є).
Следует подчеркнуть, что на кривых зависимости а(є) нет заметной ступенчатой прерывистости протекания процесса. Изменение коэффициента упрочнения, судя по кривым (1-3) рис. 2, на различных участках образца колеблется незначительно, а между собой - на полпорядка. Анализируя ход кривых (1-3) зависимости а (є) рис. 3 замечаем проявление ступенчато-стадийного характера и, как следствие, различие в скоростях деформирования на этих участках, доходящем до одного порядка на одном образце.
Все вычисленные по кривым (1-3) рис. 2, 3 деформационные параметры приведены в таблице. Одно из ярких проявлений преимущества нового способа пластического деформирования заключается в том, что значительно облегчились условия реализации процесса структуроформирования.
Рис. 1. Схема эксперимента
Рис. 3. Зависимость величины деформация є(Г) в режимах: 1. к = 17 - [110]; 2. к = 15 - [110]; 3. к = 15 - [111]
Отличительными и преимущественными особенностями нового подхода деформирования являются появление возможности значительного понижения основных параметров внешнего воздействия на кристалл -стартового напряжения, температуры и времени деформирования. Спектр проявлений свойств структур в неравновесных условиях значительно шире, чем в равновесных, особенно при синергетическом (многопараметрическом) воздействии на деформационный процесс.
Сопротивление деформации кристаллической структуры определяется распределением препятствий движению дефектов различной природы. Эти препятствия могут преодолеваться как термоактивационным, так и механоактивационным способами. В случае ЭПД-способа удается снизить термический вклад, увеличив атермическую компоненту. При применении ЭПД-спо-
соба структура кремния испытывает довольно сложную эволюцию, зависящую от многих факторов, включая эволюцию и самих дефектов, сопровождающуюся изменением и размеров, и энергии. Экспериментально показано, что монокристаллы при электропластической деформации сокращаются не непрерывно, а скачкообразно, что приводит кривые зависимости а(є) и є(^ к ступенчатому ходу, характерному для волнообразного процесса пластической деформации.
Полученные нами результаты носят качественный характер и не позволяет на данном этапе произвести прямое количественное сопоставление теории и эксперимента. Синергетика рассматривает пластически деформируемое твердое тело (ПДТТ) как открытую систему т. е. как неравновесную, активную, а процесс пластической деформации - как диссипативный процесс уменьшения запаса внутренней упругой энергии [5].
Таблица 1
Деформационные параметры
a 3 & IQ О Способ деформации Температура деформации Т, °С Ориентация по оси сжатия S ю и S ч и с Скорость нагружения V, г/с Время деформирования t, с Коэффициент уп-ния у = da/de Скорость деформирования по участкам 8 = de/dt, с-1 Величина деформации е, %
режим
* динамический динамический
1 g О 750 [III] 4 100 1600 5 4 1) 4,4-10-6 2) 7,6-10-6 0,56
ЭПД 1) 14 1) 8,4-10-6
2 750 [II0] 2,5 80 1300 2) 1,5 3) 2 2) 2,5-10-5 3) 5-10-6 0,9
3 g Э 750 [II0] 2,5 80 1300 1) 1,2 2) 0,8 1) 1,038 10-5 2) 4,5410-5 2,5
Допуская, что дислокации являются энергетически пульсирующими дефектами, важно реализовать меха-нофлуктуационную (низкотемпературную) часть деформации, где преобладает чисто дислокационный вклад в отличие от термофлуктуационной. Поэтому имеется значительная анизотропия пластических свойств по различным кристаллографическим направлениям. Наибольшая пластичность наблюдается в направлении [110].
Кроме этого, если в процессе традиционной термопластической деформации (ТПД) полупроводников в стационарном температурном поле электронно-дислокационные взаимодействия присутствуют как независимые факторы, то при электропластическом способе деформирования (ЭПД) имеется возможность целенаправленного внешнего воздействия на эти факторы. В этом случае электронный газ из пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую направленный дрейф, и поэтому ускоряет движение и взаимодействие дислокаций.
Отличие нового подхода в обработке кристаллов от традиционно применявшихся ранее состоит в том, что в ЭПД-способе все структурные носители перестраиваются в динамические потоки и силы определенного направления. В электрическом поле на дефекты действуют две силы - механическая и электрическая, и высота потенциального барьера оказывается пониженной. Структурные носители, приобретая направленное движение, могут влиять на характер движения и взаимодействия всех участников процесса. В результате таких обменных взаимодействий изменяется динамика скольжения и деформационные характеристические
параметры, которые приведены в таблице деформационных параметров.
При применении новой технологии обработки кристаллов, возможно, структура испытывает сложную эволюцию, зависящую от многих факторов, включая и эволюцию самих дефектов. Предложенная новая технология пластического деформирования с применением электростимулированной обработки кристаллов позволит обогатить их физические свойства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баранов Ю.В, Троицкий О.А, Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы. М., 2001. 850 с.
2. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов // УФН. Т. 169. № 9. С. 979-1008.
3. Влиев Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 271 с.
4. Алиев М.А, Селезнев В.В. Электропластический способ деформации полупроводниковых кристаллов. Препринт ИФ ДНЦ РАН. Махачкала, 1989. 6 с.
5. Иванова В. С. Перспективы использования синергетического подхода в решении проблем наноматериаловедения // МиТОМ. 2005. № 7. С. 55-61.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Aliyev M.A., Chartaev H.S. The strength and plasticity of crystals in conditions of external electric influences. New elec-trostimulating method of treatment of crystals with their plastic deformation, which consists in passing a constant electric current of high density on the deformed specimen, was used. Crystal structure is better modified with additional order parameters.
Key words: appliances plasticity; deformation; hardening; strain speed; intermittent flow; structure formation.
