твёрдые растворы

Введение Актуальность работы. Исследования полупроводниковых твердых растворов связаны с практическим интересом получения новых материалов с более высокими физико-механическими свойствами в сравнении с исходными соединениями. Особый интерес в этом ключе представляют твердые растворы на основе карбида кремния, что обусловлено уникальными свойствами SiC, наследуемыми создаваемыми твердыми растворами на его основе.Специфика термомеханических, электрофизических, физико-химических свойств SiC предопределила разнообразие областей применения материалов на основе этого соединения.

Развитие и широкое применение электронной техники в промышленности вызвало необходимость в создании нового вида керамических композиционных материалов, проявляющих различные электрофизические свойства.Сознательное управление процессами их синтеза должно основываться на всестороннем физико-химическом исследовании свойств индивидуальных компонентов, а также позволять проводить модифицирование свойств с точным количественным учетом влияния искусственно вводимых добавок.

Создание непрерывных твердых растворов карбида кремния с нитридами алюминия и галлия представляет большой интерес в связи с возможностями получения прямозонного материала для полупроводниковых инжекционных лазеров.В свою очередь твердые растворы карбида кремния с карбидами переходных металлов могут привести к получению узкозонных материалов, также расширяющих класс материалов электронной техники. Керамика основе этих материалов также является весьма перспективным материалом для подложек интегральных микросхем, благодаря высокому электросопротивлению и теплопроводности.

Поликристаллические твердые растворы на основе SiC (карбид кремния) являются перспективными материалами для электронной техники. Наличие качественных подложек SiC позволило бы изготавливать приборы, которые применялись бы в таких сферах деятельности как атомная энергетика, топливно-энергетический комплекс, военная техника.Во многих случаях применения полуп��оводниковых твердых растворов, в нашем случае на основе карбида кремния, большое значение имеет величина их электропроводности (удельного сопротивления). Вводя различные добавки в состав керамики на основе SiC возможно управлять различными электрофизическими свойствами, в частности, теплопроводностью, электропроводностью, удельным сопротивлением, энергией активации и т.д. Важность и актуальность отмеченной проблематики определили цель работы.

Целью данной работы было исследование растворимости примесей в SiC и их влияние на электрофизические свойства (в частности, электропроводность) твердых растворов на его основе, наследующих свойства, и значительно расширяющих класс материалов для электронной техники.

Для достижения поставленной цели проведены: Подборка и анализ экспериментальных и справочных данных в рамках компенсационной теории.Оценка возможности образования твердых растворов на основ е карбида кремния и соединений типа А3В5 и некоторых карбидов переходных металлов.

Изучение влияния различных примесей на электрофизические свойства твердых растворов на основе SiC. На защиту выносятся результаты анализа растворимости элементов в карбиде кремния в рамках компенсационной теории и ее влияние на электрофизические свойства твердых растворов на основе карбида кремния.В магистерской работе использовались следующие методы исследований: - четырехзондовый метод исследования температурной зависимости удельного сопротивления твердых растворов на основе SiC; - определение удельного сопротивления керамики на основе карбида кремния и расчеты температурных коэффициентов удельного сопротивления твердых растворов на основе SiC с различными добавками; - определение оптимальных составов твердых растворов на основе SiC с различными добавками, имеющих минимальные . При анализе температурных зависимостей удельного сопротивления использовались метод наименьших квадратов для о пределения энергий активации проводимости и уравнения Аррениуса для коэффициента диффузии.

Практическая значимость работы заключается в создании научно – технологического задела в области разработок и создания устройств на твердых растворов на основе SiC: Получены образцы твердых растворов на основе SiC. Исследованы некоторые электрофизические свойства твердых растворов на основе SiC, в частности величина удельного сопротивления.

Определены составы твердых растворов на основе SiC;, обладающие минимальным значением , т.е. керамические материалы, обладающие термостабильными свойствами В настоящее время развитие электроники направлено на исследование и применение материалов, обладающих необходимыми свойствами, такими как высокая термическая, химическая и радиационная стойкость.

Причем наряду с этим они должны отличаться доступностью и низкой стоимостью, быть нетоксичными и невзрывоопасными.Одним из таких материалов являются твердые растворы на основе SiC;, позволяющая управлять, в частнос ти, величиной удельного сопротивления в широких пределах.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые в рамках теории компенсационных уравнений проведены оценка диффузии и растворимости и определены условия образования твердых растворов на основе SiC с соединениями типа А3В5 и некоторых карбидов переходных металлов.Защищаемые положения: 1. В системе SiC - АlN образуются упорядоченные твердые растворы с упорядочение м кристаллической структуры при 70% АlN. 2. Добавки NbС в карбидкремниевую керамику приводят к образованию неупорядоченных твердых растворов с максимумом удельного сопротивления при 30%NbС в керамике, спеченной при температуре 2200оС. 3. Электрофизические свойства керамики с добавками бора зависит от политипа карбида кремния, формы вхождения добавки в керамику и содержания. 4. Определены составы твердых растворов на основе SiC, обладающие минимальным значением , т.е. керамические материалы, обладающие термостабильными свойствами.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты, полученные в магистерской работе могут быть использованы при разработке устройств на основе карбидкремниевой керамики. Апробация работы. Материалы, содержащие в дипломной работе, докладывались и обсуждались на научно – практической конференции преподавателей и студентов ДГУ 2013 г. Объем работы. Дипломная работа состоит из 3 глав, общих вывод ов, списка литературы и приложений.Работа изложена на 40 стр. текста; содержит 21 рисунков; 9 таблиц.

Список литературы содержит 46 наименований. Глава 1. Обзор литературы Материалы на основе SiC очень широко применяются в современной технике в качестве огнеупоров, активных элементов электронных и электротехнических устройств, конструкционных элементов химической и энергетической аппаратуры. Процесс растворимости элементов связан непосредственно с диффузией атомов в веществе.Пр оцессы диффузии наиболее ярко проявляются при окислении металлов, образовании интерметаллических соединений и в реакциях твердофазного синтеза многокомпонентных соединений.

В ряде случаев, чаще всего проявляющиеся в тонких пленках, определяющую роль могут играть гетерогенные реакции на межфазных границах.Диффузия очень распространена и играет важную роль во многих технологических процессах (кристаллизация, легирование и т.д.), а также в фазовых и структурных превращениях (распад пересыщенных растворов, растворен ие и коагуляция части дисперсных фаз, синтез сложных соединений спеканием порошков и т.д.). Особо важное значение имеют диффузионные процессы, протекающие в тонкопленочных композициях, состоящие из нескольких материалов. §1. Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния.

Авторы [1] обобщение имеющихся в настоящее время данных по параметрам ГЦ в 6Н 4Ни 3C-SiC и анализ их свойств с точки зрения возможного влияния на характеристики разрабатываемых на основе карбида кремния приборных структур.Карбид кремния относится к наиболее ярким представителям политипных соединений.

Собственно термин ”политипизм” был специально введен для карборунда, вследствие того, что различные кристаллические формы SiC структурно очень близки друг к другу.В настоящее время известно свыше 140 кристаллических модификаций SiC Рис.1. Расположение атомов Si и C (светлые и темные кружки соответственно) в плоскости (112 0) для политипов SiC 3C, 4Н и 6Н. Обозначения А, В, C соответствуют различным положениям атомов в плотноупакованной гексагональной структуре.

Значки h и к отмечают гексагональные и кубические положения атомов в решетке соответственно.Все известные политипы карбида кремния кристаллизуются по законам плотной шаровой упаковки и представляют собой бинарные структуры, построенные из идентичных слоев, отличающихся как порядком расположения кубического C или гексагонального Н слоя, так и числом этих слоев в элементарной ячейке. Для характеристики политипа часто используют обозначения Рамсдела, состоящие из натурального числа, равного числу слоев в периоде, в направлении, перпендикулярном базовой плоскости, и буквенного символа, характеризующего сингонию решетки Браве: C — кубическая, Н — гексагональная, R — ромбоэдрическая.

Наиболее распространенными являются политипы 6Н, 4Н, 15R, 3C (рис. 1). Хотя расположение ближайших из соседних атомов одинаково для каждого атома кремния или углерода в о всех политипах, расположение более далеких соседей отличается, что приводит к наличию кристаллографически неэквивалентных положений в решетке SiC (4Н — одно кубическое и одно гексагональное, 6Н — два кубических и одно гексагональное). В настоящее время не существует удовлетворительной во всех отношениях теории, способной объяснить, почему SiC кристаллизуется в виде большого количества политипов.

Нет полной ясности и в том, какие факторы благоприятствуют образованию того или иного политипа. Известно, что к арбид кремния представляет собой полупроводник с непрямой зонной структурой.При этом величина запрещенной зоны существенно зависит от политипа и изменяется от 2.39 эВ для 3C-SiC и до 3.3 эВ для 2Н -SiC. Согласно результатам экспериментальных и теоретических работ, максимум валентной зоны находится в центре зоны Бриллюэна, а минимум зоны проводимости расположен на ее границе.

С этим связывается сильная зависимость ширины запрещенной зоны от структуры политипа.Согласно спиноорбитальное расще пление валентной зоны составляет 10мэВ. В более сложных политипах, чем 2Н и 3C, существует еще одна особенность зонной структуры.

При анализе электронных спектров чередование слоев в длиннопериодных политипах можно рассматривать как действие на электрон, помещенный в кристалл кубической модификации, некоего сверхпериодического потенциала. При таком рассмотрении зона проводимости разбивается на серию подзон. На основании таких представлений может быть объяснена анизотропия эффективных масс в политипах, ее зависимос ть от конкретной структуры кристалла.