Материал: Методические указания к лабораторным работам по специальным вопросам микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Косилов А.Т

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра физики твердого тела

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по курсу

«Специальные вопросы микро- и нанотехнологий»

для студентов направления 16.04.01 «Техническая физика» (направленность «Прикладная физика твердого тела»)

очной формы обучения

Воронеж 2017

Составитель д-р физ.-мат. наук О.В. Стогней УДК 621.38

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Специальные вопросы микро- и нанотехнологий» для студентов направления 16.04.01 «Техническая физика» (направленность «Прикладная физика твердого тела») очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. О.В. Стогней. Воро-

неж, 2017. - 39 с.

В работе приводятся краткие теоретические сведения, схемы, лабораторные задания и контрольные вопросы.

Издание предназначено для студентов первого курса магистратуры.

Методические указания подготовлены в электронном

виде и содержатся в файле «СпецВопрМикро-НаноТех_Лаб-ы.pdf».

Табл. 1, Ил. 16.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Исследование температурной зависимости электросопротивления аморфных металлических сплавов при нагреве.

Определение температуры кристаллизации

Цель: Ознакомиться с особенностями температурной зависимости электросопротивления аморфных металлических сплавов и с основными параметрами, которые могут быть получены на основе анализа такой зависимости.

Исследовать процесс кристаллизации аморфного сплава, определить значение температуры кристаллизации.

1. Общие сведения Температурная зависимость электросопротивления

аморфных сплавов, имеющих неупорядоченную атомную структуру, отличается от поведения электросопротивления кристаллических веществ, характеризующихся наличием атомного порядка. На рис. 1 приведена температурная зависимость электросопротивления типичных сплавов металл - ме-

таллоид Pd81Si19 и Nb40Ni60, находящихся в жидком (l), аморфном (g) и кристаллическом (c) состояниях.

Рис.1. Температурная зависимость электросопротивления жидких (l), аморфных (g) и кристаллических (с) сплавов Pd81Si19 и

Nb40Ni60

Как видно из представленных данных, электросопротивление аморфных сплавов выше (обычно = 100 - 300 мкОмсм), чем кристаллических, причем изменение электросопротивления при переходе от жидкого к аморфному состоянию происходит непрерывно (это становится вполне очевидным, если проинтерполировать участки кривых (Т), отвечающих жидкому (l) и аморфному (g) состояниям). Кроме того, электросопротивление аморфных сплавов, в отличие от кристаллических, слабо изменяется с температурой - температурный коэффициент электрического сопротивления (TKC) имеет значения не превышающие 10-5 – 10-4 К-1. Знак ТКС может быть как положительным, так и отрицательным, то есть сопротивление аморфных металлических сплавов может уменьшаться при росте температуры, чего, как правило, не наблюдается в кристаллических сплавах.

Аморфное состояние является неравновесным - с повышенным значением внутренней энергии относительно более равновесного – кристаллического состояния. Нагрев аморфного материала приводит к тому, что в нем начинаются процессы структурной релаксации, приводящие к относительной стабилизации структуры. При дальнейшем нагреве до температуры, которая называется температура кристаллизации, происходит переход аморфный структуры в кристаллическую. При кристаллизации аморфного сплава наблюдается резкое изменение большинства его физических свойств. Очевидно, что, исследуя температурную зависимость этих свойств, можно установить численное значение температуры, при которой протекает процесс кристаллизации. Наиболее простой и эффективный способ определения температуры кристаллизации – это исследование электросопротивления аморфных сплавов. Для подавляющего числа аморфных сплавов процесс кристаллизации сопровождается резким уменьшением электросопротивления, причем это уменьшение может достигать нескольких десятков процентов. Это очевидное следствие кристаллизационного процесса, поскольку в результате его в сплаве

2

формируется упорядоченная структура и носители заряда, двигаясь в периодическом потенциальном поле, в меньшей степени рассеиваются на фононах, нежели в случае неупорядоченной структуры.

Важно отметить, что для большинства исследуемых характеристик аморфных сплавов (в том числе и для электросопротивления) достаточно корректным является предположение о том, что величина измеряемой характеристики изменяется линейно с изменением количества кристаллической фазы. Данное обстоятельство позволяет количественно оценивать степень «закристаллизованности» аморфного сплава, конечно, если при этом известны значения измеряемой характеристики для полностью кристаллического сплава.

2. Корреляция Муиджи

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по результатам исследования электросопротивления аморфных сплавов. В зависимости от химического состава можно выделить три группы аморфных сплавов:

1)простой металл - простой металл (к этой же группе относятся и сплавы благородных металлов). Типичные значения удельного электросопротивления сплавов этой группы обычно не превышает 100 мкОмсм, а ТКС у сплавов этой группы может быть как положительным, так и отрицательным;

2)переходный металл - металлоид. Электросопротивление аморфных сплавов этой группы имеет величину 100 - 200 мкОмсм, знак ТКС меняется от положительного на отрицательный, когда сопротивление превышает ~ 150 мкОмсм;

3)переходный металл - переходный металл (или редкоземельный элемент). Сплавы третьей группы являются самыми высокорезистивными, их удельное сопротивление всегда больше чем 200 мкОмсм. Кроме того, знак ТКС у этих сплавов отрицательный.

3