CC BY
38
ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ
Вейсман В.Л. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОРЕЗИСТОР1
1. Разработка высокотемпературных терморезисторов (ТР) является сложной задачей, трудность решения которой возрастает по мере увеличения рабочей температуры ТР. Материалы, пригодные для этих целей, должны не только обладать стандартными свойствами [1], но и удовлетворять ряду дополнительных требований. К важнейшим из них можно отнести следующие:
а) Электропроводность материалов в интервале рабочих температур должна быть достаточно высокой при возможно большой величине энергии активации проводимости ДЕ. При минимальных рабочих температурах величины о должны быть не менее 10-5-10-6 ом-1см-1, так как иначе ТР будут слишком высокоомными, что сильно затруднит измерения. По значениям о при комнатной температуре такие материалы относятся скорее к диэлектрикам, а не к полупроводникам. Величины ДЕ должны обеспечивать значения температурного коэффициента сопротивления (ТКС) при максимальной рабочей температуре не менее -1%0С, иначе преимущества ТР перед другими датчиками температуры в значительной степени теряются. Удобно, если в интервале рабочих температур сопротивление меняется при изменении температуры строго по экспоненциальному закону, так как это значительно облегчает градуировку ТР и их характеристик.
б) Вопрос о химической и структурной стабильности высокотемпературных материалов приобретает особое значение. Химический состав и кристаллическая структура материалов должны быть стабильными при всех температурах вплоть до максимальной рабочей температуры ТР.
Однако, как показано в [1], предложенные высокотемпературные ТР как правило не удовлетворяют как стандартным, так и дополнительным требованиям: разброс по величине Яг до 30%, малое значение ТКС, зависимость от скорости охлаждения от высоких температур (закалка или медленное охлаждение), увеличение же температурной чувствительности кадмий-титано-вых ТР требует применения очень чистых материалов (с суммарным содержанием примесей не более 0,02 вес. %) и т.д.
1 Материалы статьи были доложены на международной конференции “Диэлектрики - 2008” (г. Санкт-Петербург, июнь 2008 г.)
2. Целью наших исследований являлось создание такого материала, сопротивление которого в некотором интервале температур практически не зависело бы от химической предыстории образца, обладающего высокой температурой плавления и дающего возможность изготовлять из него ТР, работающие при температурах выше 4000С.
Для достижения указанных целей было использовано ранее обнаруженное проф. Я.Н. Першицем и автором сообщения на основе сравнительных полярографических, кондукто-метрических и оптических измерений интересное физическое явление, а именно двоякое распределение примеси в системах №С1: С^+, КВг:С^+, КС1: С^+ [2,3]. В этих кристаллах уже при малых концентрациях основная часть примеси локализована в неточечных дефектах кристаллической структуры, примером которых могут являться эпитаксиальные встройки примеси в структуре основного кристалла или дислокации [4], не генерируя при этом добавочных (примесных) катионных вакансий. Особый интерес представляет исследование системы КВг +CdBr2. По мере увеличения концентрации примеси кадмия в кристалле проводимость его растет, и кривые 1яо=:1( 1/Т) приобретают вид, характерный для кристаллов с добавкой двухвалентных катионов (участок 2 -участок постоянства концентрации катионных вакансий). Но, начиная с концентрации ионов Cd2+ 8 • 10-6 моля, не наблюдается значительного увеличение проводимости кристалла. При дальнейшем увеличении концентрации примеси (от 1 • 10-5 до 20-10-5 моля) проводимость кристаллов КВг +CdBr2 практически остается постоянной (рис.1, кривая 1). По-видимому, это обусловлено ограниченной растворимостью примеси Cd2+ в решетке кристалла при образовании твердого раствора замещения.
5
11 7
о 1 Й -
1
Рис.1. Изотермы проводимости для температуры 4030С кристаллов KBr+CdBr2 (1), NaCl+CdCl2 (2) и KCl+CdCl2 (3)
Данный тип кристалла (KBr+Cd2+ с концентрацией ионов Cd2+ в кристалле > 10-5 моля) мы и предлагаем в качестве материала ТР для диапазона температур от 4000С (673 К) до 5500С (823 К). Действительно, в этом случае
к _и^ _в_
о = о0 ■ е кТ = п • е • т0е кт = о0е т, (1)
где Ит = 0,67 ± 0,01 (эВ) - энергия миграции катионных вакансий для кристаллов КВг с примесью двухвалентных катионов металлов, определенная в нашей лаборатории из многочисленных экспериментов с учетом влияния на проводимость тепловых вакансий [5]; п- концентрация катионных вакансий, которая для всех образцов является постоянной. Следовательно, о определяется однозначно температурой кристалла.
МОШ 7‘
_ 7768
а = 4 • 10~2 • е ~ (ом-' см-1) (2)
Величина температурного коэффициента нашего термосопротивления
ГТТГГ1 7768
ТКС = аТ =_~ТГ (3)
а 676 К = _ 2% /К , а823К =_ 1,15%/К , Ла »_0,1%/К
3. Конструктивное оформление ТР может быть выполнено по примеру рис. 148 [1].
Предварительно необходимо по методу Киропулоса из шихты, содержащей химически чистую соль КВг (марки Х.Ч.) и легирующей добавки СЖг2 (не менее 1 мол.%) вырастить монокристалл КВг+С^+ (рис. 2).
Концентрация CdBr2 в виде одномолярного процента в расплаве позволяет уверенно получать монокристаллы, содержащие не менее 10-3мол.% примеси CdBr2 в кристалле. Концентрацию ионов Cd2+ в кристалле всегда можно проверить с большой точностью полярографическим методом на электронном полярографе ПА-3. Электроды наносят методом вжигания платины из соответствующей пасты или методом термического испарения А1, Р1 в высоком вакууме на достаточные по площади поверхности пластин монокристалла. Из приготовленных таким образом монокристаллов, изготовляют прямоугольные штабики размером 3мм х 3мм х 1,5мм. От атмосферных влияний образцы защищают специальной изоляционной огнеупорной глазурью.
При использовании стабилизированных источников постоянного тока, а также измерительных приборов высокого класса точности нами установлено, что практически во всем диапазоне рабочих температур полная ошибка измерения о не превышает 1% (До/о=0,01) для всех образцов, содержащих различную концентрацию примесных ионов Cd2+. Используя уравнения (2) с учетом ДВ=116К, мы имеем для
е = » 0,01 при измерении температуры дан-
ным термистором.
В заключение заметим, что подобные термисторы все же не следует использовать в схемах, где требуется постоянный рабочий режим.
Дело в том, что кристалл KBr+Cd2+ является твердым электролитом, а потому процесс электролиза неизбежен, что приведет к нарушению стехиометрического состава материала ТР. Наш расчет показывает, что, находясь в постоянном Рис.2. Монокристалл КВ^Сё
электрическом поле с Е=100В/см при температуре 5500С, сопротивление резистора за 8000 часов уменьшается на 10% (для многих других ТР в этой области температур ДЯГ достигает 30% от номинала по причинам неодинакового химического состава).
Итак, мы предлагаем материал для нового ТР с достаточно хорошими параметрами (ТКС, ДТ/Т), при этом экономический эффект достигается за счет более дешевого исходного материала, простоты выращивания монокристаллов, исключением затрат на разбраковку по величине электрического сопротивления и подгонку параметров термистора к заданным номинальным значениям.
Литература
1. Шефтель И.Г. Герморезисторы. М.: Наука, 1972, 415 с.
2. Першиц Я.Н., Вейсман В.Л. Физика твердого тела, 1970, 12, вып. 4, 1285-1288.
3. Мурин А.Н. Химия несовершенных ионных кристаллов. Л.: изд-во ЛГУ, 1975, 252-253.
4. Шамовский Л.М. Кристаллофосфоры и сцинтилляторы в геологии. М.: Недра, 1985, 239 с.
5. Першиц Я.Н., Павлов Е.В. Физика твердого тела, 1968, 10, вып. 5, 1420-1424.
Осташев В.В., Петров С.В.
ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ МИКРОПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА МЕЗОУРОВНЕ
1. Общие положения. Известные физические представления о пластической деформации в поликристаллах на мезоуровне позволяют определить ее как защитную реакцию в деформируемом поликристаллическом материале (ДПМ) на воздействие внешней среды, а сами механизмы пластичности сводятся к нескольким моментам [1]:
- пластическая деформация есть результат нелинейных взаимодействий крупномасштабных деформационных дефектов, называемых мезодефектами, в представительном объеме по схеме “сдвиг-поворот”;
- мезодефект определяется как масштабное пространственно-временное образование, существующее в дискретной или непрерывной форме в виде отдельных функционально-структурных единиц, взаимодействующих кластеров или целостной структуры.
- мезодефекты различного уровня, содержащие как сдвиговую, так и поворотную компоненты деформации, делают возможным перемещение в деформируемом поликристалличес-ком материале структурных элементов различного масштаба;
- ведущим механизмом деформации является первичное скольжение, которое всегда порождает первичный материальный поворот- все остальные механизмы деформации являются аккомодационными, обеспечивающими релаксацию поля поворотных моментов, действующих на мезодефект со стороны окружающего материала.
Принципиально такой подход может быть реализован только в рамках замкнутой системы определений, когда деформируемый поликристаллический материал представляется как система открытая, нелинейная динамическая, грубая, многоуровневая иерархическая, диссипативная, самоорганизующаяся, информационная [2].
Для ДПМ, работающего в режиме самоорганизации, время имеет определенную энергетическую стоимость - можно сказать, что мезодефект призван решать экстремальные задачи преобразования энергии и информации в материальных потоках. Предположение о том, что мезодефект, выбирая свои действия, пытается максимизировать определенную целевую функцию с учетом всей имеющейся у него информации, называем гипотезой рационального поведения. Согласно этой гипотезе мезодефект, прежде всего, должен выжить в условиях стесненной релаксации, а разряд “сдвиг-поворот” или отдельный акт (сдвиг или поворот), рассматриваем как финальный этап решения этой задачи. При этом установление связей с другими мезодефектами на одноименном уровне или по иерархическому принципу служит средством оптимальной организации таких разрядов и всегда носит общий компенсационный характер.
Мезодефект каждого иерархического уровня образуется в результате когерентных энергетических и информационных взаимодействий на предыдущем структурном уровне - при этом энергия является мерой интенсивности процесса, а информация мерой его упорядочения. Одновременно интенсивность сдвигов определяет процессы массопереноса и объем поступления энергии и информации в систему, а интенсивность поворотов меняет скорость их поступления
