CC BY
35
УДК G21.373.121.11, 539.143.44
хандожко в. о. термометричні властивості моноселеніду галію
В роботі показано, що в GaSe спостерігається значна температурна залежність частоти ЯКР 69Ga, яка в області температур 250—390 К є лінійною с крутизною перетворення 1,54 кГц/град. Для слідкування за температурою реалізовано термометр на автодинному спін-детекторі, виконаному на витоковому повторювачеві. Точність слідкування за температурою становить ±0,05 °С.
Ключові слова: температурна залежність, моноселенід галію, ЯКР, автодинний спін-детектор.
1. Вступ 2. яКр-термометрія
Відомо, що сполуку GaSe можна застосовувати в ролі датчика температури, принцип якого заснований на температурній залежності електричного опору напівпровідникового кристалу. Температурній залежності електричних параметрів селеніду галію, присвячено ряд наукових робот, наприклад, [1—3]. В роботі [1] спостерігається залежність питомого опору від температури, що особливо сильно виражена в інтервалі 10—110 К (рис. 1). При подальшому зниженні температури зміна опору кристалу різко слабшає. В роботі [2] показано, що електропровідність неопроміненого електронами кристалу GaSe монотонно змінюється більш ніж на порядок в інтервалі 100—500 К. Залежність електропровідності від температури може використовуватися для створення термометра опору на основі нелегованого напівпровідникового кристалу GaSe, що випливає також з роботи [3].
Конструкція і температурна залежність опору датчика, виготовленого з селеніду галію представлена в роботі [4].
Р, Ом
10° 101 102 103
рис. 1. Температурна залежність опору датчика, виготовленого з селеніду галію
Хоч розглянутий в [4] датчик на основі шаруватого кристалу GaSe має високу чутливість в широкому інтервалі температур, його результати вимірювання є не-відтворюваними через наявність поперечних провідних містків між атомними шарами. Включення їх у процес провідності при підвищених температурах призводить до нелінійної температурної залежності та нестабільності показів термометра опору на шаруватому кристалі GaSe.
Також в залежності електроопору кристала від геометрії зразка і технології нанесення струмознімальних контактів необхідно калібрування кожного виготовленого датчика за допомогою еталонного зразку.
Відомо, у ряді твердих речовин спостерігається температурна залежність резонансної частоти ядерного ква-друпольного резонансу (ЯКР), що дає можливість однозначно пов’язати вимірювану частоту з температурою досліджуваного об’єкта [5]. Перевагою ЯКР-термометра є його не обмежена в часі стабільність, так як залежність частоти від температури визначається тільки молекулярними властивостями речовини і залишається незмінною для всіх зразків цієї хімічної речовини. В даному випадку, шарувата напівпровідникова сполука GaSe володіє ізотопами 6^а і 7^а, які в анізотропній структурі кристала забезпечують ефект ЯКР. Наші дослідження показали, що в GaSe спостерігається відносно сильна температурна залежність частоти згаданих квадрупольних ядер, а виміряна частота є показником температури. В області температур 250—390 К температурна залежність частоти близька до лінійної і тільки при подальшому зниженні (до температури рідкого азоту) спостерігається помітне відхилення від лінійної залежності.
Найбільш відомим прикладом застосування термо-чутливої речовини для ЯКР-термометра є хлорат калію КСЮз [6]. Незважаючи на очевидні переваги, висока чутливість і широкий температурний діапазон вимірювань, використання хлорат калію в термометрії має недоліки. Технологія приготування робочої речовини потребує обережності через її детонуючі властивості. При механічній обробці, підвищених температурах, а також потраплянні сторонніх домішок, хлорат калію (бертолетова сіль) стає вибухонебезпечною хімічною сполукою [7].
3. Експериментальна частина
Для приготування робочих зразків в якості термометричної речовини в ЯКР-термометрі кристал GaSe вирощується розплавними методами, наприклад, методом Стокбаргера — Бріджмена. Вирощений нелегований кристал відпалюється у вакуумі за схемою: 400 °С протягом 4 годин; 200 °С — 6:00; 150 °С — 10 годин. Проведений відпал при зазначених температурах призводить до впорядкування структурних дефектів — політипії і стабілізує їх склад. Останнє відображається на якості спектрів резонансних ліній ЯКР — число ліній резонансного поглинання зменшується а роздільна здатність спектру збільшується [8]. Спектр, отриманий імпульсним методом ЯКР з швидким Фур’є-перетворенням для
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 5/5(13), 2013, © Хандожко В. О.
ISSN 222Б-3780
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
відпаленого кристалу GaSe, представлений на рис. 2. Через наявність в кристалі політипії є-і у-модифікацій спектр складається з двох груп ліній, що зміщені за шкалою частот на відстань 52,14 кГц.
19.08 19,10 19,12 19.14 19,16 19,18 19,20 19,22
К, МГц
Рис. 2. Спектр ЯКР для ізотопу 6^а в GaSe: інтенсивність резонансних ліній на шкалі резонансних частот: для лінії а — 19110 кГц; для лінії б — 19162 кГц
Температура, °С
Рис. 4. Температурна залежність частоти ЯКР 115Іп в ІпБе для лінії спектра а з урахуванням низьких температур (рідкий азот)
Предметом вимірювання температури є частота найбільш інтенсивної лінії з першої або другої групи (рис. 2, а, б). Частота резонансу при Т = 20 °С становить: для лінії а — 19110 кГц; для лінії б — 19162 кГц. На рис. 3 приведена залежність частоти двох ліній спектру (а і б) від температури, звідки видно, що в інтервалі 250—400 °К вона лінійна з крутизною перетворення 1,54 кГц/град. При подальшому зниженні температури (до температури рідкого азоту) залежність відхиляється від лінійної (рис. 4). Для точного відліку температури в широкому діапазоні температур необхідний інтерполяційний графік. Для стеження за температурою може застосовуватися або стаціонарний метод ЯКР, або імпульсний з швидким Фур’є-перетворенням.
Оскільки частота ЯКР при постійному тиску навколишнього середовища залежить тільки від температури і визначається фундаментальними константами даної речовини, то дана термометрична речовина не потребує калібрування. При будь-яких конфігураціях геометрії зразка — датчика співвідношення «частота — температура» пов’язані однозначно і температурна шкала визначається вибором первинного еталона температури. Точність вимірювання температури залежить від ширини лінії і в наведеному прикладі становить ±0,05 °С.
Температура,°С
Рис. 3. Температурна залежність частоти ЯКР для ліній а і б для спектру наведеного на рис. 2
З пониженням температури точність поліпшується до ±0,025 °С у зв’язку зі зменшенням ширини резонансних ліній. Перевірений інтервал вимірюваних температур становить 77—400 К.
Термометр на основі ЯКР ядер галію в GaSe може знайти застосування при калібруванні контактних термометрів виготовлених з термопар або виконаних на основі напівпровідникових термометрів опорів, а також в інших випадках, де необхідна відтворена температурна шкала для прецизійного стеження за зміною температури об’єкта або навколишнього середовища.
4. Апаратна реалізація ЯКР-термометра на GaSe
До теперішнього часу широке застосування в термометрії ЯКР отримали автодинні схеми як найбільш прості та зручні для схемотехнічної реалізації. Давач ЯКР-термометра являє собою ампулу з речовиною, розміщену всередині котушки індуктивності, включеної в контур ІС-генератора. При збігу частоти генератора з частотою ЯКР відбувається поглинання енергії з контуру ІС-генератора. Для періодичного поглинання енергії електромагнітне поле модулюється напругою низької частоти. Отримані на контурі генератора періодичні зміни напруги подаються на індикатор резонансу і служать сигналом до відліку частоти генератора частотоміром. Для автоматизації вимірювання та безперервності стеження за температурою в нашому випадку застосоване синхронне детектування промодульованої лінії ЯКР. Отримана крива першої похідної лінії поглинання 6^а використовується для керування частотою автодинного генератора. У цьому випадку в колі оберненого зв’язку здійснюється захоплення резонансної частоти ЯКР. Для модуляції резонансу застосовується магнітне поле, що змінюється у відповідності з виразом Н = Нм(1 + зіпю£), при цьому проводиться реєстрація лінії спектру на першій гармоніці частоти Земан — модуляції [9]. Схема автодинного спін-детектора представлена на рис. 5.
Генератор слабких коливань виконаний на витоково-му повторювачі, підключеного до ємнісного навантаження. Досвід експлуатації такої схеми автодину показав, що при відповідних налаштуваннях параметрів кола оберненого зв’язку і виборі польового транзистора вона
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 5/5(13), 2013
володіє найкращою чутливістю у порівнянні з відомими схемами — Паунда — Найта і Робінзона [10, 11]. Приклад розміщення зразка в конструкції термометра показаний в роботі [12]. Для ослаблення теплопередачі «зразок — електронний блок» і зменшення наведень від Земан — модуляції котушка автодина розміщена на деякій відстані від реєструючої схеми і модулятора подібно до того, як це виконано в роботах [13, 14].
Рис. Б. Схема модифікованого автадиннага детектора для ЯКР-термометра
5. Висновки
1. Показано, що напівпровідникову сполуку GaSe можна застосувати у якості термометричної речовини із застосуванням ядерного квадрупольного резонансу Відмінність від аналогів застосування інших речовин полягає в лінійній залежності частоти резонансу від температури в інтервалі температур 250—390 °С з крутизною перетворення 1,54 кГц/град. Це дає можливість застосувати безпосередньо цифровий відлік температури без складних інтерполяційних формул.
2. Стабільність і відтворюваність показів гарантуються незмінністю структури GaSe, приготованого за спеціальною технологічною схемою відпалу вирощеного кристалу методом Бріджмена.
3. Для детектування сигналу ЯКР ізтопу 69Ga використовується автодинний генератор слабких коливань, виконаний на польовому транзисторі із застосуванням низькочастотної Зеєман-модуляції. Автодинний давач має кращу чутливість у порівнянні з відомими схемами, що застосовуються в методах ЯКР
Література
1. Pashayev, A. M. Hopping conductivity in GaSe monocrystals at low temperatures [Text] / A. M. Pashayev, A. R. Gadji-yev, T. B. Tagiyev, T. M. Abbasova // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. — 2001. — Vol. 4, No. 4. — P. 287—289.
2. Исмаилов, А. А. Влияние генерационно-рекомбинационных процессов на электропроводность монокристаллов GaS и GaSe, облученных електронами [Текст] / А. А. Исмаилов, Г. И. Исаков, Н. Д. Ахмедзаде, М. М. Ширинов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», НТЦ «ТАТА». — 2010. — № 6(86). — С. 48—51.
3. Гейдаров, А. Электрические свойства СаSe полученного косвенным методом из газовой фазы [Текст] / А. Гейдаров // Журнал неорганической химии. — 2007. — Т. 52, № 10. — С. 1618—1620.
4. Іларіонов, О. Є. Твердотільні давачі температури та їх практичне використання [Текст] : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : спец. 05.27.01 «Твердотільна електроніка» / О. Є. Іларіонов. — Чернівці, 2001. — 20 с.
5. Горбатий, В. Р. Сучасний стан ЯКР термометрії [Текст] / В. Р Горбатий // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции SWORLD. — Національний університет «Львівська політехніка». — 2010. — Т. 2, № 3. — С. 48—50.
6. Merilnik temperature in temperaturnih gradientov v majhnih vzor-cih z metodo jedrske kvadrupolne resonance [Text] : Patent SI 22594 A / LuÉnik Janko, Pirnat Janez, Trontelj Zvonko. — 2009.
7. Филов, В. А. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов V—VIII групп [Текст] : справочник / В. А. Филов. — Л.: Химия, 1989. — 592 с.
8. Ластивка, Г. И. Влияние отжига на спектры ЯКР и характеристики гетерофотодиодов GaSe-InSe [Текст] / Г. И. Ластивка, О. Н. Сидор, З. Д. Ковалюк, А. Г. Хандожко // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. — 2010. — № 4/5(46). — С. 28—34.
9. Гречишкин, В. С. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах [Текст] / В. С. Гречишкин. — М.: Наука, 1973. — 264 с.
10. Makarov, B. Advance of marginal oscillator [Text] / B. Makarov, V. Ryzhov // Proceedings of XXII Russian Particle Accelerator Conference RuPAC-2010. — Protvino, Russia, 2010. — P. 122—124.
11. Robinson, F. N. H. A sensitive nuclear quadrupole resonance spectrometer for 2-60 MHz [Text] / F. N. H. Robinson // J. Phys. E: Sci. Instrum. — 1982. — Vol. 15, No 8. — P. 814—824.
12. Брайловский, В. В. Оптимизация конструкции датчика для термометрии ядерного квадрупольного резонанса [Текст] / В. В. Брайловский, О. Е. Иларионов, Е. И. Слынько, А. Г. Хандожко // Приб. и техн. эксперимента. — 2002. — Т. 45, № 5. — C. 158—159.
13. Верига, А. Д. Стокове детектування на МОН транзисторі з вмонтованим каналом [Текст] / А. Д. Верига, Л. Ф. По-літанський // Східно-Європейський журнал передових технологій. — 2011. — T. 2, № 5(50). — С. 41—45.
14. Верига, А. Д. N-канальний d-мон транзистор з подвійною дифузією дециметрового діапазону частот [Текст] / А. Д. Верига, Л. Ф. Політанський // Східно-Європейський журнал передових технологій. — 2010. — T. 5, № 5(47). — С. 9—12.
ТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОСЕЛЕНИДА ГАЛЛИЯ
В работе показано, что в GaSe наблюдается значительная температурная зависимость частоты ЯКР 69Ga, которая в области температур 250—390 К является линейной с крутизной преобразования 1,54 кГц/град. Для слежения за температурой реализован термометр на автодинном спин-детекторе, выполненном на истоковом повторителе. Точность слежения за температурой составляет ±0,05 °С.
Ключевые слова: температурная зависимость, моноселенид галлия, ЯКР, автодинный спин-детектор.
Хандожко Віктор Олександрович, аспірант, кафедра радіотехніки та інформаційної безпеки, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Україна, e-mail: khand@chv.ukrpack.net.
Хандожко Виктор Александрович, аспирант, кафедра радиотехники и информационной безопасности, Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Украина.
Khandozhko Victor, Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Ukraine, е-mail: khand@ch-v.ukrpack.net
I 54
технологический аудит и резервы производства — № 5/5(13), 2013
