Результаты исследования морфологии поверхности обработанных образцов и их поперечного сечения выявили, что микрорельеф характерен для быстрозатвердевшей жидкости. Таким образом, высокоэнергетическое воздействие компрессионного плазменного потока приводит к расплавлению покрытия никеля и части кремниевой подложки, перемешиванию их компонент за счет жидкофазной диффузии и конвекции. Толщина переплавленного слоя составляет 10-15 мкм.
Рис.3 Микрофотография дендритной структуры (а) и распределения интенсивностей характеристических рентгеновских излучений кремния и никеля вдоль линии АА (б) системы Ni/Si(100), обработанной одним импульсом при плотности энергии потока 8 Дж/см2
В приповерхностном слое было обнаружено формирование дендритной структуры. Характерный размер дендритов составляет 2-20 мкм. Преимущественная ориентация дендритов соответствует направлению (100). Особенностью пространственного распределения элементов в дендритных областях является повышенное содержание кремния внутри дендритов (рис. 1). Формирование данного вида структуры описывается в рамках модели концентрационного переохлаждения [6]. При быстром затвердевании кремния происходит вытеснение никеля за границу кристаллизации. В результате этого образуется область жидкости, обогащенной никелем, которая, согласно диаграмме состояния, имеет меньшую температуру кристаллизации, т. е. имеет место переохлаждение. При этом любой случайный выступ на границе жидкой и твердой фаз, попадающий в область переохлажденной жидкости, становится устойчивым образованием и при дальнейшем развитии перерастает в дендрит. Ориентация дендритов, главным образом, определяется направлением движения фронта кристаллизации. Увеличение плотности энергии плазменного потока приводит к более интенсивному образованию дендритов ввиду увеличения градиента температуры и скорости кристаллизации. Рост дендрита сопровождается диффузией никеля за границу кристаллизации, вследствие чего в междендритных областях, закристаллизовавшихся позднее, концентрация никеля выше, чем внутри дендритов. В данных областях наиболее вероятно образование силицидов, обогащенных никелем, а также моносилицида, в то время как формирование дисилицида наиболее интенсивно происходит внутри дендритов, а также возле их границ.
Таким образом, было выявлено, что воздействие компрессионных плазменных потоков на систему «никелевое покрытие-кремний» приводит к перераспределению компонент покрытия и подложки в приповерхностном слое толщиной 10-15 мкм, формированию силицидов никеля Ni2Si, NiSi, NiSi2, а также к образованию дендритной структуры с характерным размером ветвей 2-20 мкм. Установлено, что при воздействии импульса компрессионной плазмы происходит расплавление покрытия никеля и части кремниевой подложки, жидкофазное перемешивание и быстрая кристаллизация, сопровождаемая концентрационным переохлаждением.
Твердые растворы Hg1-xMnxS должны быть полупроводниками со сменной в зависимости от состава шириной запрещенной зоны (Eg) и принадлежат к полумагнитным полупроводникам. Наличие в кристаллах атомов Mn с нескомпенсированным магнитным моментом дает возможность контролировать состав (х) и наличие в образцах включений второй фазы магнитными методами (в частности с помощью измерений магнитной восприимчивости кристаллов).
Полумагнитные полупроводниковые твердые растворы Hg1-xMnxS (область существования которых (0<х≤0,375) [1]), полученные нами методом Бриджмена, владеют проводимостью n-типа (концентрация электронов n~1018см-3).
Исследование магнитной восприимчивости (χ) образцов Hg1-xMnxS проведено методом Фарадея в интервале Т=77-300К и Н=0,25-4кЭ. Установлено, что зависимости χMn-1 = f(T)) состоят из прямолинейных участков, которые описываются законом Кюри или Кюри-Вейсса:
;(1)
где С - постоянная Кюри:
;(2)
Отрицательные значения парамагнитной температуры Кюри (θ<0) указывают на то, что в кристаллах Hg1-xMnxS между атомами Mn возникает обменное взаимодействие антиферромагнитного характера. Рассмотрим возможные типы включений второй фазы и кластеров (которые им соответствуют по характеру обменного взаимодействия, но в отличие от фаз не владеют собственной кристаллической структурой, а образуются в рамках кристаллической структуры кристалла, в котором они существуют) в кристаллах Hg1-xMnxS. К таким фазам, которые могли бы образоваться в исследуемых кристаллах, относятся MnS2 (TN=60K, q= -592K), MnS (TN=155K, q= -982K), Mn (TN=100K) (фаза MnО с TN=120 K, или соответствующие ей кластеры менее вероятны, чем рассмотренные). Все эти фазы являются антиферромагнетиками и если бы они присутствовали в Hg1-xMnxS, то это привело бы к особенностям на температурной зависимости магнитной восприимчивости при указанных температурах Нееля (ТN). В кластерах, которые отвечают этим фазам, обменное взаимодействие антиферромагнитного характера (антиферромагнитное упорядочение) проявляется слабее или сильнее, в зависимости от размеров кластеров и температуры. С увеличением размеров кластеров парамагнитная температура Кюри (q) и температура излома (ТС) на зависимости χMn-1= f(T), которые их характеризуют, будут возрастать, приближаясь к соответствующим параметрам, которыми владеют соответствующие этим кластерам фазы: MnS2, MnS, Mn, а при выделении этих фаз параметры совпадут. Так особенность на зависимостях χ= f(T) и χMn-1= f(T) для хм=0,025 находится при Т~155К, что может свидетельствовать о наличии включения второй фазы (MnS) в кристалле Hg1-xMnxS.
Учитывая вышесказанное, можно допустить, что наиболее вероятными в кристаллах Hg1-xMnxS есть кластеры типа Mn-S-Mn-S, которые по характеру обменного взаимодействия подобны фазе MnS, поскольку образуются они в кристаллах Hg1-xMnxS в результате изовалентного замещение атомами Mn атомов ртути.
Таким образом наличие изломов на зависимостях χMn-1= f(T) (при Т=ТС) обусловлено переходом в парамагнитное состояние при повышении температуры кластеров типа Mn-S-Mn-S (разного размера), в которых между атомами Mn через атомы серы осуществляется непрямое обменное взаимодействие антиферромагнитного характера (аналогично, как в Hg1-xMnxSе [2, 3]). Увеличение эффективного магнитного момента (μэф.) атомов Mn, при повышении температуры, подтверждает то, что при Т=ТС кластеры переходят из “антиферромагнитного” в парамагнитное состояние (табл. 1).
Таблица 1.
Магнитные параметры образцов Hg1-xMnxS
|
хм. |
θ, К |
μэф.(μБ) |
ТС, К |
|
0,017 |
0 |
5,92 |
- |
|
0,046 |
-12 -63 |
5,05 6,05 |
125 |
|
0,069 |
-15 -85 |
4,81 5,90 |
135 |
Экстраполяция до нуля усредненных в области высоких температур зависимостей χMn-1=f(T), которые описываются законом Кюри-Вейсса, дает значение q для образца с составом “хм”, полученным на основе зависимостей χMn-1=f(T) и формул (1, 2).
Авторы работы [4] в рамках высокотемпературного приближения (kБТ>>eA, где eA) - энергия обменного взаимодействия между атомами, которые владеют собственными магнитными моментами) получили такое выражение для величины парамагнитной температуры Кюри:
,(3)
где Jp - интеграл обменного взаимодействия для пары соседей, Zp - количество катионных состояний в р- координационной сфере. Константа q0 отвечает предельной величине q(х) для гипотетического магнитного полупроводника с х=1 и структурой полупроводников типа АІІВVI.
Выражение (3) разрешает определить величину обменного интеграла (J1) пары соседей в первой координационной сфере (Z=12):
(4)
Экспериментальная зависимость q(х), которая получена для Hg1-xMnxS является прямой линией. Экстраполяция этой зависимости к х= 1 дает q0= - 990К. Полученное значение q0 разрешает определить величину обменного интеграла (для пар Mn-S-Mn) J1/kБ=-14,1К.
В таблице 1 приведены параметры, которые определены на основе полученных χMn-1=f(T) для образцов Hg1-xMnxS, а именно: содержание магнитной компоненты (хм) (полученое на основе “усредненных” высокотемпературных участков χMn-1=f(T) при Т~300К), парамагнитная температура Кюри (θ), температура излома (ТС), значение эффективного магнитного момента атомов марганца (μэф). Для данного хм нижняя строка параметров относится к более высокотемпературному участку зависимости χMn-1=f(T).
При термообработке кристаллов Hg1-xMnxS, которые владеют довольно выраженной как дефектной, так и кластерной подсистемами, создаются возможности для диффузии в кристалл атомов паров компонент (при отжиге) и вырывания из узлов и миграции атомов по кристаллу и занятия ими разных мест в кристаллической решетке: вакансий, междоузлий, узлов.
Дефектная система в этом случае может способствовать как уменьшению, так и увеличению размеров кластеров и образованию новых кластеров, что проявляется как в изменении кинетических коэффициентов кристаллов (дефекты - электрически активные), так и в изменении магнитных параметров образцов (парамагнитной температуры Кюри (q) и эффективного магнитного момента атомов марганца (mэф.)) (табл. 2), а значит и зависимостей χMn-1=f(T), на основе которых они определяются.
Таблица 2.
Магнитные параметры образцов Hg1-xMnxS
|
xм |
n, см-3 (при Т=300К) |
θ, К |
µэф, µБ (на атом Мn) |
|||
|
|
до отжига |
после отжига |
до отжига |
после отжига |
до отжига |
после отжига |
|
0,025 |
до и после отжига в парах ртути |
|||||
|
|
8,6۠۠۠∙ 1017 |
1,2∙ 1018 |
-15 -29 |
-18 -54 |
5,08 5,75 |
5,41 6,03 |
|
0,046 |
до и после отжига в парах серы |
|||||
|
|
8,7۠۠۠∙ 1017 |
3,1∙ 1017 |
-12 -63 |
-30 -146 |
4,96 5,95 |
5,01 6,31 |
Таким образом термообработка образцов в парах компонент приводит к изменению размеров существующих в кристалле кластеров (размеры кластеров пропорциональные величине θ) и даже к “рассасыванию ” включений второй фазы (т.е. к уменьшению их размеров и преобразованию включений второй фазы MnS в кластеры Mn-S-Mn-S).
Исследование кинетических коэффициентов кристаллов проведены в интервале Т=77-300К и Н=0,5-6 кЭ. Коэффициент Холла (RH) в исследуемых кристаллах почти не зависит от температуры, что указывает на вырождение электронного газа. Электропроводность (σ) кристаллов имеет металлический характер (т.е. уменьшается с ростом температуры), что обусловлено уменьшением подвижности электронов (μН) при увеличении Т. Термо-эдс (α) увеличивается с ростом температуры, что обусловлено уменьшением вырождения электронного газа.
Термообработка образцов Hg1-xMnxS в парах серы приводит к понижению концентрации электронов и увеличению их подвижности, а отжиг в парах ртути увеличивает концентрацию электронов в образцах.
Литература
1. В. А. Грибков, Ф. И. Григорьев, Б. А. Калин, В. Л. Якушин. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов. Круглый год, М. (2001). 528 с.
2. В. М. Асташинский, В. В. Ефремов, Е. А. Костюкевич, А. М. Кузьмицкий, Л. Я. Минько.Физика плазмы 17 (1991). С. 1111-1115.
3. В. В. Углов, В. М. Анищик, Ю. А. Петухов, В. М. Асташинский, А. М. Кузьмицкий, Н. Т. Квасов. / 5th International Conference “New Electrical and Electronic Technology and their Industrial Implementation”, Zakopane, Poland (2007). P.63
4. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Т. 3, Кн. 1 / Под ред. Н. П. Лякишева. Машиностроение, М. (1997). 576 с.
5. Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. Мир, М. (1982). 176 с.
6. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов. Мир, М. (1967). 160 с.
Страницы: 1, 2
