Розмірні ефекти в електрофізичних властивостях нанокристалічних плівкових систем в умовах взаємної дифузії та фазоутворення

Встановленню загальних закономірностей розмірного ефекту в ТКО багатошарових систем присвячений другий підрозділ. Зокрема, використання спрощеного співвідношення (1) моделі дім міха виразу для ТКО, що отримане нами у рамках макроскопічного підходу, дозволило провести розрахунок залежностей ТКО від товщини окремих шарів (d_i) (системи загального типу), фрагменту (d_ф) і їх кількості (N) (системи періодичного типу), тенденція яких підтверджується експериментально.

Узагальнення отриманих експериментальних і розрахункових результатів показало наступне. У багатошарових системах періодичного типу значення ТКО від товщини може збільшуватися (якщо та ), зменшуватися (при зворотній нерівності) або осцилювати. Наприклад, для тришарової плівки останнє буде мати місце, якщо і , а і або і , а і . Від загальної товщини фрагмента періодичної системи величина ТКО може як збільшу ватися, так і зменшуватися, у той час як від кількості фрагментів вона не залежить.

Найкраще узгодження експериментальних значень ТКО з розрахунковими на основі співвідношень моделі Дімміха і макроскопічної моделі спостерігається для плівкових систем, де після термовідпалювання зберігається індивідуальність окремих ша- рів (плівки на основі Со і Сr та Cu, Cr і Sc).

Для систем, в яких відбувається утворення інтерметалідів (Ti/(Ni або Co)) лише біля межі поділу, розрахункові значення відповідають експери ментальним з точністю до 40-50%. Подібна ситуація має місце для багатошарових плівок на основі Ni і Co, в яких після відпалювання утворюється твердий розчин в усьому об'ємі. Найгірша відповідність експериментальних значень ТКО спостерігається для плівок на основі Ni і V або Cr, у яких термообробка призводить до часткової або повної втрати індивідуальності шарів і виникнення високоомних твердих розчинів. Для них, як і для систем на основі Ni і Co, прогноз величини ТКО можна проводити з використанням формули для ТКО плівкових сплавів.

Один із недоліків розглянутих вище моделей для ТКО пов'язаний із неврахуванням ними розсіювання носіїв на межах поділу шарів. Останнє можна коректно здійснити у рамках напівкласичної моделі, отриманої на основі теорії Маядаса-Шатцкеса. Асимптотичний вираз (б<<1) для ТКО багатошарової плівки за умови, що P_ij=P_ji=P, Q_ij=Q_ji=Q, має такий вигляд:

.(5)

Проведена нами апробація зазначеної моделі для ТКО двошарових плівок і багатошарових структур періодичного типу (двошарова плівка тут є фрагментом) на основі металів з низькою взаємною розчинністю показала наступне. По-перше, краще узгодження розрахункових і експериментальних значень ТКО ( з точністю до 30%) має місце при припущені, що коефіцієнт розсіювання на межі поділу (Р) дорівнює не параметру дзеркальності р, а коефіцієнту розсіювання на межах зерен R. По-друге, дані розрахунку на основі співвідношення (5) більш якісно узгоджуються з експериментом за умови, якщо значення параметра б_і збільшити на декілька відсотків. Така ситуація можлива коли, прозорість меж зерен знижується внаслідок взаєм ної дифузії. Тоді слід очікувати зменшення ТКО за рахунок збільшення зерномежового і, як наслідок, загального опору плівки. Аналіз розрахункових з використанням виразів цієї моделі розмірних залежностей ТКО свідчить, що тенденція зміни з товщиною узгоджується з отриманими з використанням співвідношень (1) і макроскопічної моделі.

У рамках напівкласичної моделі складно отримати робоче співвідношення, яке б враховувало зміну з температурою параметрів електроперенесення. З цієї причини врахування зазначених ефектів проводилося в рамках феноменологічної моделі, як це було здійснено у випадку тензочутливості (розділ 6). Температурні ефекти в параметрах електроперенесення враховано відповідними термічними коефіцієнтами:

, , та .

Отримане співвідношення для ТКО на прикладі тришарової плівкової системи (за умови, що і-1=0, 1, 2; і+1=2, 3, 4) має такий вигляд:

(6)

Розрахунок термічних коефіцієнтів параметрів електроперенесення і похідних, які входять у (6), проводився шляхом обробки експериментальних даних з розмірної залежності для ТКО одношарових плівок при декількох температурах. У результаті було отримано, що значення в_p та в_r порядку 10^-4-10^-3 К^-1, тобто сумірні з ТКО. Оскільки межі зерен та поділу шарів структурно подібні, то при апробації запропонованого співвідношення вважалося, що величини Q_ij і в_Qij приблизно дорівнюють r_i і в_ri. Запропонована модель добре описує експериментальні результати (таблиця 4) для систем, де зберігається індивідуальність окремих шарів, оскільки відхилення від експериментальної величини розрахункового значення ТКО не перевищує 22%.

Таблиця 4. Порівняння експериментальних і розрахункових на основі (6) величин ТКО

Одна із причин, яка впливає на експериментальну величину ТКО та, як наслідок, на відповідність із розрахунковими значеннями на основі розглянутих вище моделей, обумовлена зерномежовою дифузією. У зв'язку з цим в останньому підрозділі проведено аналіз і узагальнення власних і літературних експериментальних даних про вплив на параметри електроперенесення дифузії чужорідних атомів по межах зерен у плівках з покриттям. У результаті було показано, що сегрегація на межах зерен атомів із покриття може призводити як до збільшення, так і до зменшення коефіцієнта розсіювання на межах зерен. Це пов'язано із утворенням або заліковуванням чужорідними атомами дефектів на МЗ, що узгоджуються з результатами аналізу в рамках термодинамічного підходу.

Якщо заліковування дефектів відбувається, то кількість дефектів, яка залишилася після заліковування , буде менша від рівноважної концентрації вакансій на межі зерна , а це можливо лише за умови, коли енергія заліковування дефекту чужорідним атомом більша за енергію утворення дефекту атомом базисної плівки, тобто е>E.

Шостий розділ “Тензорезистивний ефект” містить в собі результати вивчення розмірних ефектів у тензочутливості одно- та багатошарових плівок металів. На початку розділу наведені деформаційні залежності ДR/R_П від поздовжньої деформації е_l, використовуючи які проводився розрахунок коефіцієнтів поздовжньої тензочутливості. З цих результатів випливає, що у більшості випадків величина г_l не змінюється після другого -третього циклів “деформації-зняття навантаження” зразків.

Отримані експериментальні розмірні залежності КТ для одношарових плівок показують, що із збільшенням товщини його значення може монотонно зменшуватися (плівки Cr, Cu, Sc і Ni) або збільшуватися (плівки Co і Ti), асимптотично наближуючись до . Розділення внеску поверхневого, зерномежового і об'ємного механізмів розсіювання на основі співвідношень:

, (7)

(- КТ зразка, виражений через питомий опір) ? показують, що величина КТ, яка обумовлена поверхневим розсіюванням (), найменша у великокристалічних плівках Cu. Останнє пов'язане з найвищою, порівняно з іншими плівками металів, дзеркальністю зовнішніх поверхонь. Значення , яке обумовлене зерномежовим розсіюванням, найбільше у плівках Со. Таким чином, ефективність прояву зерномежового або поверхневого розсіювання спричиняє відповідний характер розмірних залежностей КТ.

Обробка розмірних залежностей КТ від товщини для одношаровах плівок проводилася в рамках тривимірної моделі Тельє-Тоссе-Пішар. У результаті був підтверджений на прикладі плівок Cu і Со відомий висновок, отриманий для плівок Cr, що досягти узгодження експериментальних і розрахункових значень КТ можна лише за додаткової умови, що деформаційний коефіцієнт середньої довжини вільного пробігу (_l) ? розмірно залежна величина. Цей висновок також підтверджується при апробації напівкласичної моделі тензоефекту одношарових плівок, яка отримана у рамках теорії Маядаса-Шатцкеса. Наприклад, для плівок Sc товщиною від 30 до 250 нм досягти відповідності експериментальних і розрахункових даних можна лише у випадку, якщо _l також змінюється від _l = -0,23 (для d=30 нм) до _l = -0,91(для d=250 нм).

Для прогнозу тензорезистивних властивостей багатошарових плівкових систем зручно користуватися, як і у випадку ТКО, макроскопічною моделлю, у рамках якої співвідношення для КТ може бути подано у вигляді:

. (8)

Незважаючи на свою простоту, ця модель забезпечує узгодження з експериментальними даними з точністю до 30% (таблиця 5).

Таблиця 5. Порівняння експериментальних та розрахункових на основі (8) значень КТ

Аналізуючи експериментальні і розрахункові дані про вплив товщини окремих шарів багатошарової структури загального типу та товщини фрагмента і їх кількості в періодичних системах, можна зазначити наступне. Збільшення загальної товщини приводить до того, що розмірний ефект у КТ стає менш вираженим. Величина КТ монотонно зменшується зі збільшенням товщини фрагмента та не залежить від їх кількості.

Розрахунок значень коефіцієнтів тензочутливості багатошарових плівок на основі феноменологічної моделі показує, що вони відповідають експериментальним даним з точністю до 25% (таблиця 6). Відмітимо, що методика визначення деформаційних коефіцієнтів параметрів електроперенесення полягала у обробці результатів про розмірну залежність ТКО для недеформованих і деформованих одношарових плівок у рамках лінеаризованої та ізотропної моделей Тельє-Тоссе-Пішар. Отримані значення p і r використовуються для розрахунку деформаційних коефіцієнтів _pl і _rl. Ре зультат, наведений у таблиці 6, свідчить на користь того, що зміна з деформацією параметрів електроперенесення відіграє суттєву роль у тензочутливості, і це дозволяє використовувати співвідношення феноменологічної моделі для прогнозування тензорезистивних властивостей багатошарових систем.

Таблиця 6. Експериментальні та розрахункові, на основі феноменологічної моделі значення КТ

*- з урахуванням деформаційних дефектів; ** - без урахування деформаційних дефектів

Аналізуючи розрахункові розмірні залежності КТ, відмітимо, що при збільшенні товщини окремих шарів системи загального типу спостерігається зменшення значення коефіцієнта поздовжньої тензочутливості. Зроблений висновок узгоджується з відповідними результатами, які отримані на основі макроскопічної моделі.

В останньому підрозділі було проаналізовано результати дослід-ження тензорезистивного ефекту під кутомзору можливого використання плівкових систем як чутливих елементів тензодатчиків. Таблиця 7 ілюструє, яким чином співвідносяться значення коефіцієнтів поздовжньої тензочутливості в одно- (г_l1, г_l2 і г_l3) та багатошарових (г_l), плівках однакової товщини.

Таблиця 7. Порівняння величини КТ одно- та багатошарових плівок однакової товщини

Порівнюючи ці дані, відмітимо, що багатошарові плівкові системи за рахунок появи у них додаткового механізму розсіювання електронів мають кращі тензорезистивні характеристики порівняно з одношаровими плівками. Тому плівкові системи, у яких зберігається індивідуальність шарів, можуть розглядатися як матеріал для чутливого елемента тензодатчика. Такі сенсори пружних механічних деформацій зможуть використовуватися у тих місцях, де контроль за допомогою традиційних напівпровідникових тензодатчиків неможливий або неефективний.

Для прогнозування тензорезистивних властивостей чутливих елементів на основі багатошарових систем можуть бути використані апробовані нами теоретичні моделі, які забезпечують досить високу точність співвідношення з експериментальними результатами.

У висновках подано перелік та стислу характеристику основних результатів роботи.

ВИСНОВКИ

Проведене у дисертаційній роботі комплексне дослідження дало можливість здійснити подальший експериментальний та теоретичний розвиток наукового напряму “Розмірні явища в кристалічній структурі та електрофізичних властивостях багатошарових плівкових систем” щодо нанокристалічних зразків, в яких проходять процеси взаємної дифузії і відбувається фазоутворення. В результаті були сформульовані такі узагальнюючи висновки:

1. На основі дослідження розмірних і термодинамічних ефектів у механічних властивостях тонких плівок Cr, Cu, Ni, Co та ін. можна говорити про такі закономірності:

- макронапруження структурного походження мають величину, що на порядок більше за макронапруження термічного походження;

- із збільшенням товщини (середнього розміру кристалітів) величина структурних макронапружень зменшується, що узгоджується з теоретичними розрахунками на основі моделі взаємодії зерен;

- за рахунок зміни внеску міжфазної поверхневої енергії у силу тертя ковзання величина тангенціальної складової адгезії більша нормальної у 1,5-3 рази;

- величина адгезії зменшується при збільшенні поверхневої енергії плівки і підкладки, і товщини зразків, що можна пояснити на основі уявлень про вільну енергію адгезії і розмірну залежність поверхневої енергії.

2. Вивчення структурно-фазового та елементного складу нанокристалічних багатошарових плівкових систем дозволило встановити такі закономірності:

- у свіжоосаджених зразках спостерігається індивідуальність окремих шарів, хоча в них і відбувається взаємне проникнення компонентів (переважно по межам зерен) за рахунок конденсаційно-стимульованої дифузії, кількісною характеристикою якої є ефективна температура, еквівалентна температурі термодифузії;

- у плівкових системах на основі Ni і (Co, Ti, V або Cr) та Ti і Co у результаті термостимульованої дифузії при Т_в >700-900 К відбувається утворення твердих розчинів (плівки Ni/(Co, V або Cr)) переважно на основі ГЦК-решітки Ni та проміжних фаз Ni₃Ti, NiТі, NiTi₂, Ті₂Со, ТіСо, ТіСо₂ і NiV₂ (плівки Ni/(V або Ті) і Со/Ті) відповідно до діаграми стану спочатку біля межі поділу шарів з подальшим поширенням фазоутворення на увесь зразок у міру збільшення температури і часу відпалювання;

- у плівкових системах на основі Co і Cr та Co, Cu і Sc, що пройшли термообробку до 650-800 К до великої міри спостерігається індивідуальність окремих шарів, хоча у них і відбувається взаємна зерномежова дифузія; різні варіанти дво- і трикомпонентних плівкових зразків на основі зазначених металів являють собою зручні об'єкти для апробації теоретичних моделей розмірного ефекту у електрофізичних властивостях багатошарових систем;

- величина ефективного коефіцієнта термодифузії має величину (D~ 10^-18 м²/с) для систем з необмеженою взаємною розчинністю компонентів (плівки на основі Ni і Co) і зменшується до D~10^-20 м²/с у міру зниження ступеня розчинності (плівки на основі Cu і Cr).

3. Вперше експериментально показано, що у багатошарових плівкових системах на хід температурних залежностей електричного опору та ТКО впливають дифузійні процеси в об'ємі зразків, які викликають концентраційні ефекти. Зокрема, особливості при характерних температурах (Дебая, Кюрі і Неєля) на температурних залежностях електрофізичних властивостей можуть як проявлятися чітко, так і бути розмитими і повністю вироджуватися, що пов'язано із ступенем взаємного проникнення компонентів системи.

4. На основі вперше запропонованої методики проведено розрахунок внеску в питомий опір, ТКО і КТ об'ємного, поверхневого і зерномежового розсіювання електронів для плівок Ti, V, Cr, Ni, Cо, Cu і Mo. Встановлено, що внесок кожного механізму є розмірно залежною величиною від товщини і розміру кристалітів.

5. Вперше проведений порівняльний аналіз величини параметрів електроперенесення в металевих зразках (плівки товщиною до 500 нм і дроти діаметром 0,03-0,5 мм) показав, що їх значення визначається ступенем дисперсності кристалітів. Із зменшенням розміру зерен від 600 до 10 нм величини параметра дзеркальності і СДВП зменшується (від р?0,6 до р?0 і від л₀ ?90 до л₀ ?10 нм відповідно), а коефіцієнта розсіювання на міжкристалітних межах зростає (від R?(0,1-0,2) до R?(0,6-0,7)).

6. Встановлено, що одна із причин, яка суттєво впливає на експериментальну величину ТКО багатошарових плівкових структур та узгодження її з теоретично розрахованим значенням, пов'язана з процесами взаємної дифузії і фазоутворення. У системах з низькою взаємною розчинністю (на основі Co і Cr та Co, Cu і Sc) за рахунок зерномежової дифузії змінюються умови розсіювання на межах зерен, що викликає зміну електрофізичних властивостей зразків. Для плівкових систем (на основі Ni і (V, Cr або Co)), в яких утворюються тверді розчини в усьому об'ємі зразка, найкращу відповідність експериментальним даним забезпечує формула для ТКО плівкового сплаву.

7. Вперше на основі теоретичних розрахунків та експериментальних результатів встановлено загальні закономірності у розмірних залежностях ТКО і КТ для багатошарових плівкових систем загального і періодичного типу. Показано, що в межах фрагмента значення ТКО і КТ із збільшенням товщини окремих шарів можуть залежно від співвідношення між собою їх асимптотичних величин і монотонно збільшуватися, зменшуватися або осцилювати. Величини ТКО і КТ не залежать від кількості фрагментів і монотонно змінюються із збільшенням їх товщини.

8. Вперше проведено апробацію асимптотичних співвідношеннь для ТКО одно-, дво- та багатошарових плівок металів, що отримані з використанням модифікованої теорії Маядаса-Шатцкеса. Показано, що для дво- і багатошарових зразків періодичного типу, у яких зберігається індивідуальність шарів (на основі Co і Cr та Co, Cu і Sc), експериментальні та розрахункові значення ТКО узгоджуються з точністю до 30%.

9. Врахування температурних і деформаційних ефектів для параметрів електроперенесення у рамках феноменологічних моделей для ТКО і КТ дозволило досягти узгодження експериментальних даних з розрахованими з точністю до 22-25%, що свідчить про суттєвий вплив зазначених явищ на електрофізичні властивості.

10. Вперше експериментально показано, що багатошарові плівкові системи мають у декілька разів вищу (від 1,4 до 16,7) чутливість до деформації, ніж одношарові металеві плівки, що обумовлено появою у них додаткового механізму розсіювання носіїв заряду - меж поділу між шарами. У зв'язку з цим багатошарові металеві плівки на основі металів Co і Cr та Co, Cu і Sc з низькою взаємною розчинністю можуть бути використані як чутливі елементи для тензодатчиків.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Protsenko I., Odnodvoretz L., Chornous A. Electroconductivity and tensosensibilyty of myltilayer films // Металлофиз. новейшие технол.-1998.-Т.20, №1.- С. 36-44.

2. Проценко И.Е., Чорноус А.Н., Шовкопляс О.В. Исследование електрофизических свойств двухслойных пленочных систем на основе титана, кобальта, никеля // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1998.-№2(3)-3(4).- С. 102-106.

3. Lasyuchtnko O.B., Protsenko I.Yu., Chornous A.M. Contribution of the grain-boundary and surfase scattering of conductivity electrons to the size effect of tensosensibility // Functional Materials.- 1999.-V.6,№5.- P. 880-883.

4. Проценко С.И., Чорноус А.Н. Методика разделения вклада зернограничного и поверхностного рассеяния электронов в величину удельного сопротивления и термического коеффициента сопротивления металлических пленок // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1999.-№2(10).- С. 107-109.

5. Белоус Е.А., Чорноус А.Н. Зернограничное рассеяние электронов в пленках меди // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1999.-№1(9).- С. 76-78.

6. Однодворець Л.В., Проценко С.I., Чорноус А.М. Про можливостi макроскопiчної апроксимацiї мiкроскопiчної моделi Дімміха // Вісник СумДУ.- 1999.- № 2(13).-С. 18-21.

7. Experimental test of a three-dimensional model for electrophysical properties of metal films / A.М. Chornous, N.М. Opanasyuk, A.D. Pogrebnjak., I.Yu. Protsenko // Jpn. J. Appl. Phys.- 2000.- V.39, №12В.- L1320-L1323.

8. Бiлоус О.А., Дехтярук Л.В., Чорноус А.М. Розмiрно-кiнетичнi ефекти у полiкристалічних металевих плiвках Cu та Ni// Металлофиз. новейшие технол. -2001.- Т.23, № 1. -С.43-50.

9. Розмiрнi ефекти в термiчному коефiцiєнтi опору та коефiцiєнтi розсiювання електронiв на межi зерна в тонких металевих плівках / О.А. Бiлоус, Л.В. Дехтярук, С.І. Проценко, А.М. Чорноус // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка.- 2001.- № 3(24),4(5).- С.-67-73.

10. Проценко І.Ю., Чорноус А.М., Шпетний І.О. Електрофізичні властивості двошарових плівок на основі Со, Сr, Ni в умовах взаємної дифузії атомів // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика.--2001. - № 10. - С. 199-206.

11. Вплив дифузійних процесів на електрофізичні властивості металевих плівок з покриттям / І.Ю. Проценко, Ю.М. Овчаренко, А.М. Чорноус, Т.П. Говорун // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. - 2002. - №5-6. - С.50-56.

12. Проценко С.И., Токмань В.В., Чорноус А.Н. Формирование многослойных пленочных структур с отрицательным термическим коэффициентом сопротивления и увеличенным коэффициентом тензочувствительности // Вестник Воронежского ГТУ. Серия Материалловедение.- №1.11.- 2002.- С.-17-19.

13. Фазоутворення та структурні зміни в двошарових плівкових системах Ti/Co і Ni/(Ti, V, Co, Cr) у процесі ізохронного відпалу / І.Ю. Проценко, В.В. Токмань, А.М. Чорноус, І.О. Шпетний // Металлофиз. новейшие технол. -2003.- Т.25, № 3.-С.319-331.

14. Проценко С.І., Чорноус А.М. Дослідження і прогнозування тензорезистивних властивостей плівкових систем на основі Cr, Cu, i Sc // Металлофиз. новейшие технол. -2003.- Т.25, №5 .-С.587-601.

15. Білоус О.А., Чорноус А.М. Електрофізичні властивості плівок молібдену в умовах внутрішнього розмірного ефекту // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-2003 .-№5.- С.146-151.

16. Проценко І.Ю., Чорноус А.М., Шпетний І.О. Дифузійні процеси у двошарових металевих плівках // Вісник Львівського університету. Серія Фізична.-2003.-Вип.36.-С.116-122.

17. Білоус О.А., Проценко І.Ю., Чорноус А.М. Вплив ступеня дисперсності кристалітів на параметри електропереносу металевих матеріалів // ФХТТ .-2003.-Т.4,№1.-С.48-57.

18. Проценко C.І., Чорноус А.М. Температурні ефекти в термiчному коефiцiентi опору багатошарових плівкових систем // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка.-2003.-№10(56).-С.43-51.

19. Вплив розсіювання електронів на міжфазній межі на величину коефіцієнта тензочутливості металевих плівок / Є.О. Забіла, Л.В. Однодворець, C.І. Проценко, А.М. Чорноус // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка.-2003.-№.8(54)-С. 71-78.

20. Conductivity and temperature coefficient of resistance of two-layer polycrystalline films / L. Dekhtyaruk, S. Protsenko, A. Chornous, I. Shpetnyi // Ukr. J. Phys. .-2004.-V. 49, № 6.-P.587-597.

21. Chornous A., Protsenko I., Shpetnyi I. Electrophysical properties of double-layer nickel-base and vanadium-base films within the intermediate temperature range // Cryst. Res.Technol.- 2004 .-V.39,№7 .- P.602-610.

22. Ефект тензочутливості у тонких металевих полікристалічних плівках / Л.В. Дехтярук, Є.О. Забіла, C.І. Проценко, А.М. Чорноус // Металлофиз. новейшие технол. -2004.- Т.26, № 10.-С.-1333-1345.

23. Some thermodynamic effect in thin films adhesion / A.M. Chornous, G.V. Kirik, I.Yu. Protsenko, O.D. Stadnik // Functionals Materials.-2005.-V.12,№1.-P.51-54.

24. Стадник А.Д., Кирик Г.В., Чорноус А.Н. Технология получения и свойства покрытий на композиционных материалах // Металлофиз. новейшие технол.-2005.-Т.27, №8.- С. 1027-1037.

25. Проценко С.І., Синашенко О.В., Чорноус А.М. Внесок температурних ефектів у термічний коефіцієнт опору багатошарових плівкових систем // Металлофиз. новейшие технол.-2005.-Т.27, №12.- С.1621 -1633.

26. Conductivity and temperature coefficient of resistance of multilayer polycrystalline films / L. Dekhtyaruk, I. Protsenko, A. Chornous, М. Marszalek // Cryst. Res.Technol.- 2006 .-V.41,№4.- P.388-399.

27. А.с. 0031144А Україна, 6G01B7/16. Чутливий елемент тензодатчика / Л.В Однодворець, С.I. Проценко, А.М. Чорноус.- № 98073761; Заявлено 14.07.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. N 7-II.- С. 1.190.

28. Электрофизические свойства одно- и многослойных пленок металлов. I. Удельное сопротивление и тензочувствительность однослойных пленок / Л.В. Однодворец, Ю.М. Овчаренко, Н.Н. Опанасюк, И.Е. Проценко, А.Н. Чорноус // Вісник СумДУ .- 1996.- № 1(5).-С.9-17.

29. Однодворец Л.В., Проценко И.Е., Чорноус А.Н. Тензочувствительность многослойных металлических пленок // Труды Украинского вакуумного общества.- Харьков: УВО, 1996.- Т.2 - С. 225-229.

30. Чорноус А.М. Тензочутливiсть тонких плiвок на основi перехiдних d-металiв // Вісник СумДУ.- 1997.- № 1(7).-С.87-94.

31. Особливостi розмiрного ефекту в електропровiдностi двошарових плiвок з вiдмiнним температурним коефiцiєнтом опору / А.М. Чорноус, Ю.М. Овчаренко, С.I. Проценко, О.В. Шовкопляс // Вісник СумДУ.- 1997.- № 1(7).-С.95-99.

32. Chemical transformations in metal films under influence of electrons / I. Protsenko, A. Chornous, L. Odnodvoretz, N. Opanasyuk, O. Shovkoplyas // Materials International Conference on Electron Beam Techologies. -Varna: IE, 1997.- P. 239-244.

33. Chemical and structure transition in metallic films under influence of electrons / I. Protsenko, O. Shovkoplyas, A. Chornous, Y. Ovcharenko // Materials International Sumposium IIST97.- Lublin: TUL, 1997.-P. 160-164.

34. Розмiрнi ефекти в електричних властивостях тонких плiвок титану / О.В. Шовкопляс, А.М. Чорноус, О.Б. Ласюченко, I.Ю. Проценко //Труды Украинского вакуумного общества.- Харьков: УВО, 1997.- Т.3 - С.533-536.

35. Електрон-фононна взаємодiя у конденсатах мiдi / О.А. Бiлоус, В.С. Кшнякiн, В.О. Черкаська, А.М Чорноус // Вісник СумДУ .- 1999.- № 2(13).-С. 22-25.

36. Бiлоус О.А., Токмань В.В., Чорноус А.М. Вплив товщини конденсатiв Ni,Cu та Mo на структурнi характеристики // Тонкие пленки в электронике. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2001.- С. 177-181.

37. Вплив статичної деформацiї на фiзичнi процеси у металевих плiвках О.Б. Ласюченко, I.Ю. Проценко, В.А. Хворост, А.М. Чорноус // Тонкие пленки в электронике. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2001.- С. 122-125.

38. Токмань В.В., Проценко И.Е., Чорноус А.Н. Особенности кристаллической структуры и електрофизических свойств пленочных материалов на основе Ni, Ti и Со // Тонкие пленки в электронике. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2001.- С.23-26.

39. Проценко И.Е., Чорноус А.Н., Хворост В.А. Фазообразование, диффузионные процессы и электрофизические свойства многослойных металлических пленочных структур // Тонкие пленки в оптике и электронике.- Харьков:ННЦ ХФТИ, 2002.-С. 6-22.

40. Проценко С.И., Чорноус А.Н. Особенности размерного эффекта тензочувствительности в одно и трехслойных пленках на основе Cr, Cu и Sc // Тонкие пленки в оптике и электронике. - Харьков:ННЦ ХФТИ, 2002.-С. 136-140.

41. Маршалек М., Проценко С.И., Чорноус А.Н. Структурно-фазовое состояние двухслойных пленок Co/Cu и Co/Cr // Тонкие пленки в оптике и электронике.-Харьков:ННЦ ХФТИ, 2003.-С. 205-208.

42. Чорноус А.М. Загальні закономірності розмірного ефекту в електрофізичних властивостях багатошарових металевих плівок // Материалы 6-й Международной конференции ''Физические явления в твердых телах''.- Харьков: НУ, 2003.-С.27.

43. Диффузионные процессы в нанопленочных системах на основе Cr и Cu, Cr и Fe / В.В Бибик, Л.В. Дехтярук, С.И. Проценко, А.Н. Чорноус // Материалы V Международной конференции “Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении”.- Воронеж: ВГТИ, 2004. - Т.1. -С.163-164.

АНОТАЦІЯ

Чорноус А.М. Розмірні ефекти в електрофізичних властивостях нанокристалічних плівкових систем в умовах взаємної дифузії та фазоутворення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07-фізика твердого тіла.-Сумський державний університет.? Суми, 2006.

Дисертація присвячена встановленню загальних закономірностей у структурно-фазовому стані та електрофізичних властивостях (температурний коефіцієнт опору (ТКО) і коефіцієнт поздовжньої тензочутливості (КТ)) багатошарових металевих плівкових систем. Комплексне дослідження фазового складу, кристалічної структури і дифузійних процесів для систем, які у масивному стані характеризуються різним типом взаємної розчинності компонент, показало, що у плівкових зразках на основі Ni і Co, Ti, V або Cr та Ti і Co у результаті дифузії після відпалювання до температури Т_в >700-800 К відбувається утворення твердих розчинів (плівки Ni/(Co, V або Cr) та Co/Cu)) та інтерметалідів (плівки Ni/(V або Ті) і Со/Ті) у відповідності до діаграми стану спочатку біля межі поділу шарів з подальшим поширенням твердофазних реакцій на увесь зразок у міру збільшення температури і часу відпалювання. У плівках на основі Со і Cr та Cu, Sc і Cr за таких умов термообробки зберігається індивідуальність шарів. На основі запропонованої методики проведено розрахунок внеску в питомий опір, ТКО і КТ одношарових плівок об'ємного поверхневого і зерномежового розсіювання електронів. Проведений порівняльний аналіз величин параметрів електроперенесення, з якого випдиває, що їх значення визначається ступенем дисперсності кристалітів. Встановлено загальні закономірності у розмірних залежностях ТКО і КТ для багатошарових металевих систем загального і періодичного типу. Показано, що в межах фрагмента значення електрофізичних властивостей залежно від співвідношення між собою їх асимптотичних величин зі збільшенням товщини окремих шарів можуть монотонно збільшуватися, зменшуватися або осцилювати. Встановлено, що існує кореляція між величинами електрофізичних властивостей і структурно-фазового стану плівкових систем. На основі порівняльного аналізу результатів апробації макроскопічних, напівкласичних і феноменологічних моделей для ТКО і КТ зроблено висновок, що врахування температурних і деформаційних ефектів для параметрів електроперенесення дозволяє досягти кращого узгодження експериментальних даних з теоретично розрахованими.

Ключові слова: розмірний ефект, багатошарові плівкові системи, фазоутворення, дифузійні процеси, температурний коефіцієнт опору, коефіцієнт тензочутливості, параметри електроперенесення.

АННОТАЦИЯ

Чорноус А.Н. Размерные эффекты в електрофизических свойствах нанокристаллических пленочных систем в условиях взаимной диффузии и фазообразования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07-физика твердого тела .-Сумский государственный университет.? Сумы, 2006.

Диссертация посвящена установлению общих закономерностей в структурно-фазовом состоянии и электрофизических свойствах (температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и коэффициент продольной тензочувствительности (КТ)) многослойных металлических пленочных систем. Комплексное исследование фазового состава, кристаллической структуры и диффузионных процессов для систем, которые в массивном состоянии характеризуются различным типом взаимной растворимости компонентов, показало, что у пленочных образцах на основе Ni и Co, Ti, V или Cr а также Ti и Co в результате диффузии после отжига до температуры Т_о >700-800 К происходит образование твердых растворов (пленки Ni/(Co, V или Cr); Co/Cu)) и интерметаллидов (пленки Ni/(V или Ті) и Со/Ті) в соответствии с диаграммой состояния сначала возле границы раздела слоев с дальнейшим распространением твердофазных реакций на весь образец при увеличении температуры и времени отжига. У пленках на основе Со и Cr, а также Cu, Sc и Cr при таких условиях термообработки сохраняется индивидуальность слоев. С использованием предложенной методики произведено расчет вклада в удельное сопротивление, ТКС и КТ однослойных пленок объемного, поверхностного и зернограничного рассеивания электронов. Сравнительный анализ величин параметров электропереноса показал, что их значения определяются степенью дисперсности кристаллитов. Установлено общие закономерности в размерных зависимостях ТКС и КТ для многослойных металлических систем общего и периодического типа. Показано, что в границах фрагмента значения ТКС и КТ, в зависимости от соотношения между собой их асимптотических величин, с увеличением толщины отдельных слоев могут монотонно увеличиваться, уменьшаться или осцилировать. Установлено, что существует корреляция между величинами электрофизических параметров и структурно-фазовым составом пленочных систем. На основе сравнительного анализа результатов апробации макроскопической, полуклассической и феноменологической моделей для ТКС и КТ сделан вывод, что учет температурных и деформационных эффектов для параметров электропереноса позволяет достичь лучшего согласования экспериментальных данных с теоретически рассчитанными.

Ключевые слова: размерный эффект, многослойные пленочные системы, фазообразование, диффузионные процессы, температурный коэффициент сопротивления, коэффициент тензочуствительности, параметры электропереноса.

THE SUMMARY

А.М. Chornous. Size Effects in Electrophysical Properties of Nanocrystalline Film Systems under the Conditions of Interdiffusion and Phase-Formation. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree of physical and mathematical science by speciality 01.04.07- solid state physics. - Sumy State University, Sumy, 2006.

This thesis is devoted on determination of the general principles of structural and phase state and electrophysical characteristics (the thermal coefficient of resistance (TCR) and the coefficient of longitudinal deformation (CD)) of multilayer metal film systems. Comprehensive research of phase structure, crystalline structure and diffusion processes for the systems, which in bulk state are characterized by various types of mutual solubility of the components, showed that in film specimens on the basis of Ni and Co, Ti, V or Cr, as well as Ti and Co, as a result of diffusion after annealing up to the temperature Т_a > 700-800 K, formation of solid solutions (Ni/(Co, V or Cr) films; Co/Cu films) and intermetallides (Ni/(V or Ti) films and Со/Ti films) takes place close by the boundary of layers from the beginning with subsequent spread of solid-phase reactions through the whole specimen when increasing the temperature and time of annealing in accordance with the constitution diagram. In the films on the basis of Со and Cr, as well as Cu, Sc and Cr, individuality of layers remains under such conditions of thermal treatment. Using the proposed technique, calculation of influence of volume, surface and grain-boundary scattering of electrons on the resistivity, TCR and CD of single-layer films was performed. Comparative analysis of the electron transfer parameters proved that their values depend upon the degree of dispersion of crystallites. General regularities of size effects on TCR and CD for the general-type and periodic-type multilayer metal film systems are stated. It is shown in this thesis that within the boundaries of a fragment, the values of TCR and CD, depending on the interrelation of their asymptotic values, may monotonically increase, decrease or oscillate с увеличением толщины отдельных слоев It is stated that there exist correlation It is also stated that there is correlation between the values of the electrophysical parameters and the phase-structure of the film systems. On basis of the comparative analysis of the approbation results of macroscopic, semiclassical and phenomenological models for TCR and CD the following conclusion is drawn that taking into account temperature and deformation effects for the electron transfer parameters gives opportunity to obtain better agreement of the experimental data with the theoretically calculated data.

Key words: size effect, multilayer metal film systems, phase formation, diffusion processes, thermal coefficient of resistance, coefficient of deformation, electron transfer parameters.

Размещено на Allbest.ru