CC BY
28
УДК 528.67:539.216
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА МИКРОПЛАСТИЧНОСТЬ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ ПРИ 300 К
© А.И. Дрожжин, А.П. Ермаков, С.Н. Яценко
Россия, Воронеж, Государственный технический университет
Drozhzhin A.I., Ermakov A.P., Yatsenko S.N. The influence of current pulses on the micro-plasticity of silicon whiskers at 300 K. Initially, dislocation-free silicon whiskers are influenced by current pulses and small axis strain loading at 300 K. In over-cut-off conditions one can observe an «incubation» period and the phenomenon of electric-stimulate micro-plasticity.
Внешние энергетические воздействия на исходно бездислокационные кристаллы сопровождаются сложной эволюцией внутренних полей (упругих, электрических, магнитных и др.). Определенная роль в формировании этих полей принадлежит свободной поверхности и ее дефектам [1, 2], которые, таким образом, оказываются включенными в число факторов, влияющих на кинетику и динамику пластической деформации [2, 3]. При микроскопическом характере двух либо трех линейных размеров и большей на 1-3 порядка, в сравнении с массивными монокристаллами, удельной поверхности в микрокристаллах в условиях воздействия внешних упругих и тепловых полей обнаружены и описаны [2-4] яркие проявления специфических особенностей пластической деформации. Известно также влияние электромагнитных полей и электрических токов на механические свойства твердых тел [5-7]. Цель настоящих исследований - получение новых данных об особенностях явления микропластичности в упруго деформированных при комнатной температуре исходно бездислокационных нитевидных кристаллах (НК) кремния в условиях дополнительного воздействия на них импульсов электрического тока.
Таблица 1
Время Номер партии образцов
циклирования 1 2 3 4 5 6
Исходное электросопротивление НК, R, Ом 740 375 600 730 440 330
После воздействия
импульсами тока: одной серии (4 часа) Р + + + + +
М = 1,44-106
пяти серий (20 часов) М = 7,20-106 + Р + + +
п = 44 серий (176 часов) - + + + +
М = 1,27-108 п = 45 серий (179 часов) Мп = 1,31-108 - + - 1100 + +
Примечание: «+» - сопротивление НК сохраняет исходную величину, указанную в первой строке; Р - разрушение нитевидного кристалла
В качестве образцов для исследования использовались только исходно бездислокационные НК кремния, которые являются уникальными модельными объектами для экспериментов. Выращивание НК, создание к ним омичных контактов, исследование их структуры и свойств проводились по методикам [6, 7].
В работе исследован надпороговый режим воздействия импульсами электрического тока I на упруго деформированные НК кремния при комнатной температуре, которому соответствуют токи, лежащие в диапазоне 10 < 1и < 1кр, приводящие к разрушению образца через N часов воздействия (где 10 - постоянный электрический ток, при котором образец не разогревается выше температуры окружающей среды, 1кр - ток, при котором образец вязко разрушается во время действия первого импульса).
Данные о результатах исследования влияния импульсов тока и постоянной осевой нагрузки растяжения на электросопротивление и другие физические свойства НК р^і <111> приведены в таблице 1.
В условиях надпорогового режима воздействия импульсов электрического тока экспериментально обнаружен «инкубационный» период, определяемый временем ґз задержки начала пластичности исходно без-дислокационного НК кремния. Подобный эффект, но в отсутствие импульсов электрического тока, наблюдался и ранее [2, 4] на бездислокационных НК кремния [2] и германия [4] в условиях воздействия на них только механических и тепловых полей. При токовом воздействии, как и в образцах без тока, время задержки ґз начала пластичности сильно зависит от выбора начальных условий эксперимента. На время задержки ґз оказывают влияние параметры НК и импульсов, режим воздействия, механическое и тепловое поле. Экспериментально получено, что время ґз минимально в наиболее жестких (близких к критическому режиму, когда 1и < 1кр) условиях испытаний, а с облегчением их (приближение к пороговому режиму, когда 1и > 10) время ґз резко возрастает. Например, при некоторых условиях эксперимента уменьшение среднего значения напряжения растяжения <стр> и плотности электрического тока всего на единицы или десятки процентов приводит к увеличению ґз в несколько раз. Эти экспериментальные факты, полученные на различных образцах, находят подтверждение в экспериментах на одном и
том же НК кремния, имеющем конусность по длине. На таких образцах получено, что в более жестких условиях испытаний не только время ґз начала пластичности, но и все другие процессы, сопровождающие пластическую деформацию и разрушение, протекают в НК кремния более быстро, т. е. с опережением подобных процессов, но развивающихся в более легких условиях испытаний. Подтверждением сказанному являются наши наблюдения областей с различной степенью пластической деформации на длине одного и того же опытного образца с малой конусностью (рис. 1).
В наиболее легких условиях эксперимента (область I) в НК кремния, в пределах ошибки использованных методов исследования (рентгенографии, селективного травления, металлографии), не обнаруживалось нарушений кристаллической структуры по сравнению с исходной. В то же время в соседних областях НК обнаруживалась микро- (область II), макропластичность (область III) либо разрушение (область IV). Этот экспериментальный факт, на наш взгляд, свидетельствует о том, что созданные условия соответствовали такому уровню внешнего энергетического воздействия, когда время ґз инкубационного периода в области I оказалось больше даже времени ґр до разрушения того же самого НК кремния в области IV, но оказавшегося в условиях более жесткого режима внешнего энергетического воздействия.
Полученные экспериментальные результаты исследования кристаллической структуры опытных образцов позволяют заключить, что в упруго деформированном при 300 К НК кремния, в зависимости от режима и времени воздействия импульсами электрического тока, процесс отклика НК на внешнее воздействие (процесс развития деформации) будет соответствовать одной из четырех экспериментально выявленных стадий: «инкубационному» периоду, микро- или макропластичности либо разрушению. Выявлено, что границу перехода от упругого поведения к пластическому определяет эффект генерации дислокаций в микрообъемах концентрации упругих напряжений у наиболее эффективных поверхностных концентраторов. Экспериментально обнаружено, что рождение первых дислокаций не приводит к их массовому размножению и необратимой пластической деформации всего объема НК. При этом в локальном микрообъеме наиболее эффективного концентратора образуется градиент плотности дислокаций, который может достигать до 1017 м-3, а в образце появляется первый очаг сдвиговой деформации, свидетельствующий о начале пластичности. Исследования показали, что в условиях воздействия импульсов тока процесс генерации дислокаций существенно (на ~ 100-300 К) сдвинут в область меньших температур либо упругих напряжений, по сравнению с образцами без тока. Обнаруженный эффект электростимулированной пластификации, выражающийся в дополнительной пластической деформации под влиянием электрического тока, назван нами явлением электростимулированной микропластичности. Основные установленные закономерности ее приведены ниже.
Методами металлографии и селективного травления установлено, что микропластичность носит резко гетерогенный характер и локализована в поверхностном слое НК толщиной менее 0,4Л, особенно в местах поверхностных дефектов. Выявлено, как и в [7], до семи наиболее характерных уровней процесса зарождения и эволюции микропластичности. Обнаружено, что очагами пластической деформации являются наиболее
Ер_____________________________________^
•ё <
1 : : —і ¡J _|
2 I II III IV Y 3
4 5
<------------------------------------>
Рис. 1. Схема пластичности и разрушения НК кремния
эффективные концентраторы напряжений, среди которых поверхностные дефекты играют наиболее важную роль. В пользу сказанного свидетельствует и тот факт, что поверхностные концентраторы при растяжении работают более эффективно, чем при сжатии. В экспериментах при растяжении и прочих равных условиях число очагов сдвиговой деформации оказалось в 2,5 раза больше, чем при сжатии. Полученные методом селективного травления результаты нарушения структуры, деформированных на стадии микропластичности НК Si, подтверждаются методами рентгенографии (методы Лауэ и дифрактометрии), внутреннего трения, ротационной ползучести и др.
Установлено, что основные закономерности элек-тростимулированной микропластичности качественно согласуются с закономерностями микропластичности, наблюдаемой в НК кремния в отсутствие электрического тока [2, 4]. Однако обнаружены некоторые количественные отличия. Например, начало пластического формоизменения в исходно бездислокационных НК при токовых воздействиях, по сравнению с образцами без токового воздействия, смещено к более низким температурам. Обнаружена зависимость смещения начала пластичности по температуре от выбранных параметров механического и немеханического воздействия. Полученные результаты электростимулирован-ной микропластичности находят удовлетворительное объяснение в рамках модели, учитывающей вклады дефектов свободной поверхности НК в концентрацию механического и электромагнитного полей, способствующих зарождению дислокаций, и электронных связанных состояний по модели Б.М. Даринского [8], способствующих росту подвижности дислокаций. Кроме того, полученные результаты позволяют отнести обнаруженную микропластичность к одной из возможных разновидностей электропластического эффекта, еще никем не наблюдаемого в упругой области [9] даже для таких кристаллов, которые обнаруживают заметную пластичность и в отсутствие электрического тока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Eshelby J.D. // Boundary Problems. Amsterdam: Nort Holland Publ., 1979. V. 1. P. 107-220.
2. Пластическая деформация нитевидных кристаллов / А.М. Беликов, А.И. Дрожжин, А.М. Рощупкин, С.А. Антипов, М.И. Старовиков, И.Л. Батаронов, А.П. Ермаков. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1991. 204 с.
3. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. 280 с.
4. Дрожжин А.И., Ермаков А.П. // Изв. вузов. Физика. 1996. № 6. С. 58-64.
5. Головин Ю.И. // Вестн. ТГУ. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 1996. Т. 1. Вып. 1. С. 3-20.
6. Дрожжин А.И., Ермаков А.П., Яценко С.Н. // Изв. РАН. Сер. Физ. 1997. Т. 61. №5. С. 1012-1018.
7. Дрожжин А.И., Ермаков А.П., Яценко С.Н., Беленов Г.Н. // Вестн. ВГТУ. Сер. Материаловедение. Воронеж, 1999. Вып. 1.5. С. 95-100.
8. Белявский В.И., Даринский Б.М., Шалимов В.В. // ФТТ. 1981. Т. 23. В. 1. С. 326-328.
9. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 160 с.
Вестник ТГУ, т.З, вып.З, 1998
