Материал: Метод микротвердости для исследования распространения электроакустических сигналов миллиметрового диапазона

Метод микротвердости для исследования распространения электроакустических сигналов миллиметрового диапазона

Содержание

Введение

1.      Литературный обзор

1.1 Эффект дальнодействия при ионном и фотонном облучении       

1.2    Модели эффекта дальнодействия

1.3 Метод микротвердости, как способ регистрации эффекта дальнодействия

1.4 Эффект дальнодействия в кремнии при низкотемпературном нагреве

1.5 Биологическое действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (КВЧ)        

2. Методика эксперимента

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Зависимость относительного изменения микротвердости от длительности облучения светом

3.2 Эффект дальнодействия при облучении светом в системе «кремний- водный раствор NaCl»

3.3 Эффект дальнодействия в системе кремниевый диод - водный раствор NaCl - кремниевый детектор

Выводы

Список литературы

Введение

Эффект дальнодействия (ЭД) заключается в изменении структуры и свойств твердых тел на больших расстояниях от области выделения энергии при внешних воздействиях. ЭД был исследован при различных способах воздействия на поверхность металлов и полупроводников [1, 2, 3]. Одним из наиболее изученных видов ЭД является изменение микротвердости пластин кремния и фольг металлов на стороне, противоположной облучаемой, при облучении светом [1]. Была предложена модель ЭД при световом облучении, согласно которой под действием потока фотонов в естественном окисле (ЕО), покрывающем поверхность твердого тела, происходит энергетическое и пространственное перераспределение носителей заряда, вызывающее переменное электрическое поле, генерирующее , благодаря пьезоэффекту, гиперзвуковые волны (ГВ) с частотами ~1011-1012 Гц [2]. Проникая вглубь образца, эти ГВ изменяют дефектную структуру твердого тела, что фиксировалось обычно путем измерения микротвердости (Н) на стороне, противоположной облучаемой.

Диапазон частот в котором, согласно модели, генерируются ГВ, - это область миллиметровых волн, или крайне высоких частот (КВЧ). Этот диапазон весьма интересен с практической точки зрения. Начиная в 80-х годов прошлого века в Институте радиоэлектроники АН СССР (теперь ИРЭ РАН) под руководством чл.-кор. АН СССР Н.Д. Девяткова проводились исследования биологического действия КВЧ, и на этой основе был создан ряд приборов терапевтического назначения [4]. Согласно современным воззрениям, влияние КВЧ на живые объекты обусловлено способностью клеток организма излучать волны КВЧ и резонансно откликаться на их воздействие. Ключевая роль в биологическом действии КВЧ принадлежит водным растворам солей NaCl и KCl, которые присутствуют внутри и вокруг каждой клетки и участвуют в формировании, амплитудно - частотном преобразовании, усилении волн КВЧ [5].

При этом было установлено, что в клетках и водных растворах электромагнитные волны КВЧ могут преобразоваться в акустические волны с теми же частотами (~100 ГГц), т.е. в гиперзвуковые волны и обратно, подобно тому, как в нашей модели ЭД это происходит при облучении светом [2].

Водные растворы солей фигурируют не только в предложенных теориях биологического действия КВЧ, но и применяются на практике в некоторых приборах для терапевтического (полевого) воздействия, когда между источником поля и телом пациента помещается промежуточная среда в виде сосуда с водным раствором NaCl, по-видимому, служащая для усиления поля. Таким образом, возникла интересная перекличка идей, возникших в связи с исследованиями ЭД в твердых телах, и идей, лежащих в основе медико-биологических применений КВЧ-излучения.

Целью работы, в связи со сказанным, является изучение возможности практических применений ЭД в медико-биологических целях. В качестве первого шага было решено предпринять изучение прохождения дальнодействующих сигналов, испускаемых кремнием при воздействии света и регистрируемых путем измерения микротвердости, через «водный раствор NaCl , помещенный в сосуд из фторопласта», поскольку эта система аналогична, используемой в медико-биологических исследованиях. При этом пластины кремния нами использовались как в качестве источника поля (согласно нашей модели - это электрические поля КВЧ и гиперзвука ГВ), так и в качестве чувствительного элемента - детектора (приемника) поля. Оказалось, что измерение микротвердости Si позволяет успешно регистрировать распространение ЭД в данной комбинированной системе, включающей твердофазные и жидкофазные объекты. Наряду с возбуждением в Si КВЧ и ГВ полей светом, использовался и другой способ возбуждения - путем протекания прямого тока через кремниевый диод. Этот способ как оказалось можно обосновать, пользуясь обнаруженным ранее в НИФТИ явление ЭД в Si при низкотемпературном нагреве [3]. Чтобы использовать при изучении ЭД в системе (Si-фторопласт-водный раствор NaCl) широких интервалов времен воздействия и выяснить вопрос о том, в какой области времен следует ожидать дальнодействующего влияния света в указанной системе, в данной работе измерена зависимость относительного изменения микротвердости при облучении одиночных образцов светом в более широком интервале времен, чем ранее исследовалось.

1. Литературный обзор

.1 Эффект дальнодействия при ионном и фотонном облучении

Под эффектом дальнодействия ( ЭД ) первоначально подразумевалось аномально глубокое проникновение зоны влияния ионного облучения на структуру и свойства твердых тел [6-8]. Позднее выяснилось, что похожая аномалия наблюдается и при других видах облучения (например, электронными пучками [9] или плазмой [10]), а также при иных способах обработки поверхности (химическом травлении [11], механической шлифовке или полировке [12,13], ультразвуковой очистке [14] и др). Поэтому эффектом дальнодействия стали называть необычно далекое распространение зоны измененных свойств твердых тел при различных обработках поверхности.

Впервые [15] сообщалось об аномальном глубоком проникновении зоны изменения параметра решетки и времени жизни неосновных носителей заряда при относительно малой интенсивном ионном облучении кремния. В дальнейшем это явление было изучено более подробно при помощи прецизионных рентгенодифракционных методов и измерения микротвердости Н [16-20]. ЭД в полупроводниках наблюдался и другими группами исследователей [21,22]. Наиболее яркое проявление эффекта состоит в изменении свойств образца со стороны, противоположной облучаемой. Этот вид ЭД был детально изучен для случая ионного облучения металлических фольг и назван малодозным ЭД [23].

Было предложено качественное объяснение ЭД, заключающееся в генерации упругих, или акустических ( в общем случае - деформационных ), волн и трансформации системы протяженных дефектов твердых тел под действием этих волн [24]. Предполагалось, что акустические волны ( АВ) генерируются в каскадах атомных смещений [20]. Однако позднее выяснилось [9], что похожие закономерности имеют место и при облучении электронами с энергией, недостаточной для смещения атомов. Это стимулировало постановку экспериментов по ЭД с применением еще более «мягких» лучей - световых. И действительно, оказалось, что при определенных условиях облучение светом вызывает изменения микротвердости на обратной стороне металлических фольг [25] и пластинок кремния [26].

ЭД при облучении светом был наиболее подробно исследован методом микротвердости. В результате были установлены следующие основные закономерности.

Необходимым условием существования ЭД при облучении светом является наличие естественного оксида ( ЕО) на облучаемой стороне образца (наличие или отсутствие ЕО на обратной стороне не оказывает существенного влияния).

Изменения Н при облучении нефильтрованным светом лампы накаливания происходит только с обратной стороны образца. Однако, исключение из спектра коротковолновой части приводит к тому, что величина Н изменяется с обеих сторон. Отсутствие изменения Н с облучаемой стороны было названо полярностью или блокировкой ЭД.

Величина ∆Н/Н немонотонно зависит от дозы (длительности) облучения - стремясь к нулю при больших дозах; следовательно, существует «окно» доз, при которых в материале происходят структурные изменения.

При облучении светом значения ∆Н/Н релаксируют после засветки, как правило, приближаясь к нулю в течение нескольких десятков минут (при комнатной температуры среды); процесс релаксации ускоряется экспоненциально с ростом температуры.

Кроме, облучения одиночных образцов, проводились облучения «стопок», состоящих из наложенных друг на друга образцов. При облучении стопок из двух образцов (например, Al/Al, Si/Si, Al/Si, Si/Al) изменения Н обнаруживаются не только для верхнего, но и для нижнего образца (на его нижней стороне), причем в ряде случаев изменения для него даже сильнее, чем в случае облучения одиночного образца. (Предполагается, что свет падает на стопку сверху). Важную информацию дали исследования по облучению стопок, состоящих из образцов Аl и Si [27,28].

Установленные закономерности позволили предположить, что причиной изменений свойств при облучении светом является генерация акустических (гиперзвуковых) волн, действующих на систему протяженных дефектов. Эти волны возникают вследствие процессов, связанных с наличием на облучаемой поверхности слоя ЕО, поскольку для образцов с удаленным ЕО эффект не имеет места.

.2 Модели эффекта дальнодействия

Модель эффекта дальнодействия, предложенная в [1], заключается в том, что диэлектрический слой играет в нем важную роль. Естественный окисел представляет собой совокупность беспорядочно ориентированных блоков (в целом это аморфное вещество), каждый из которых обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способностью испытывать деформацию под воздействием электрического поля. При прохождении через ЕО фотонов или ионов происходит перераспределение электронов в блоках. Это создает электрическое поле и деформацию блоков, вследствие пьезоэлектрического эффекта. Накопление зарядов на гранях блоков в конце концов приводит к разряду, при этом поле и деформация исчезают. Далее все повторяется. Это иллюстрирует рис.1.

(а)

(б)

Рис.1. Модель перераспределения электронов в ЕО (а) и возникновение пульсирующих механических напряжений, связанных с пьезоэффектом (б)

(1 - ловушки электронов, 2- ловушки дырок, 3 - электрическое поле).

Таким образом, возникает пульсирующая деформация блоков. Далее она распространяется в кристалл в виде гиперзвуковых волн. В работе [29] приводятся аргументы в пользу того, что гиперзвуковые волны в кристалле распространяются преимущественно вдоль дислокаций. При этом они взаимодействуют с точечными дефектами (ТД), находящимися в окрестности дислокаций (атомосферах Коттрелла), «выталкивая» ТД из атмосфер и насыщая объем. В результате торможения дислокаций, возникающих при вдавливании индентера при измерении микротвердости, последняя возрастает. Данная модель ЭД изображена на рис.2.

Рис. 2. Модель эффекта дальнодействия.

Штриховые линии обозначают линейные дислокации, точками обозначены ТД в атмосферах Котрелла, дугами обозначены гиперзвуковые волны.

Рассмотрим подробнее механизм распространения гиперзвуковых волн по дислокациям [29], который может обеспечить передачу энергии упругого возбуждения к обратной стороне образца с сохранением высокой плотности энергии в упругой волне. В основе этого механизма лежит идея о волноводном эффекте линейных дислокаций при распространении гиперзвуковых волн. Дело в том, что в окрестности дислокаций плотность вещества понижена относительно плотности в объеме. Поэтому скорость звука в окрестности дислокации ниже, чем в объеме. В лучевой модели распространении волн используется понятие траектории. Расчет по этой модели показывает, что приблизительно 10-3 от всей энергии, генерированной в ЕО в виде сферически расходящейся волны захватывается дислокациями. Доля интенсивности волны, доходящей до задней границы образца, на 5-6 порядков больше, чем без волноводного эффекта. Подчеркнем, что эффект «выталкивания» ТД в этом случаи усиливается благодаря тому, что волна, идущая в волноводе, постоянно движется через область занятую дефектами атмосферы Котрелла.

.3 Метод микротвердости как способ регистрации эффекта дальнодействия

До сих пор основным методом, применяемым для изучения ЭД, был (и пока остается) метод микротвердости. Эта одна из важнейших характеристик твердого тела, которая характеризует его механические свойства. Эта величина не является строгой константой, она чувствительна к различным факторам, связанным с энергией кристаллической решетки. Микротвердость может быть измерена, в частности, с помощью прибора ПМТ-3. Данный прибор имеет алмазную пирамидку (индентер), которая под действием нагрузки вдавливается в поверхность образца. В результате вдавливания на поверхности образца остается отпечаток, размер которого определяется величиной нагрузки и микротвердостью.

Метод микротвердости является простым и универсальным, он удобен тем, что чувствителен к любым изменениям реальной структуры твердого тела. Например, в монокристаллах типа кремния микротвердость зависит от концентрации дефектов, способных служить стопорами для движения дислокаций. Таким образом, образцы с повышенным содержанием дефектов окажутся более подверженными изменению микротвердости.

Из выше сказанного следует, что важным параметром, определяющим параметр микротвердость, является дефекты, сосредоточенные в атмосферах Коттрелла дислокаций.

.4 Эффект дальнодействия в кремнии при низкотемпературном нагреве

В работе [3] было показано влияние низкотемпературного нагрева (20 - 60 оС) кремния на его микротвердость. Как выяснилось, зависимость относительного изменения микротвердости от длительности качественно аналогична той, которая ранее была установлена для облучения светом. А зависимость относительного изменения микротвердости от температуры демонстрирует, что в случае облучения светом изменение Н не связано с нагревом. В случае образцов с предварительно удаленным ЕО изменения Н отсутствовали, как и при облучении светом, что показывает ключевую роль ЕО. Полученные результаты дают основание полагать, что механизмы влияния на дефектную систему кремния в целом аналогичны при обоих видах воздействия (низкотемпературным термическим и световом), а именно, эти механизмы обусловлены возбуждением и перезарядкой ловушечных центров в ЕО. Только в случаи облучения светом это происходит под действием фотонов, а в случае нагрева теплового фактора т.е. фононов.

.5 Биологическое действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (КВЧ)

Как видно из предыдущего обзора, в основу интерпретации ЭД в твердых телах положено представление о генерации в ЕО переменного электрического поля с частотами порядка 1011-1012 ГЦ, которые в свою очередь генерируют гиперзвуковые волны с теми же частотами. Как уже было сказано во введении, этот диапазон частот, называемый в радиотехнике диапазоном крайне высоких частот (КВЧ), применяется в медико-биологических исследованиях.

Первая научная публикация, посвященная необычным эффектам воздействия низкоинтенсивных ( менее 10 мВтсм2) электромагнитных волн миллиметрового (ММ) диапазона на биологические объекты, была сделана в 1966 г. [4]. Материальной базой для проведения такого эксперимента было изобретение т запуск в серийное производство в НПО «Исток» г. Фрязино первых в мире широкодиапазонных генераторов на основе вакуумных приборов СВЧ типа ламп обратной волны [4].

Примерно в тоже время (1968 г.) была опубликована работа Г. Фрёлиха, в которой из общих биологических соображений была обоснована возможность когерентного возбуждения гиперакустических колебаний мембран клеток или ее отдельных участков в диапазоне частот 1011-1012 Гц, что соответствует ММ-волнам (3х1010-3х1011 Гц).

К этому времени рядом отечественных ученых (Н. Д. Девятков, М. Б. Голант, Э. А. Гельвич) была высказана идея о том, что низкоинтенсивные ММ-волны играют важную информационную роль в процессах жизнедеятельности биологических объектов и могут быть использованы в медицине для лечения различных заболеваний. Несмотря на отсутствии понимания биофизических механизмов воздействия ММ-волн на биологические объекты, в начале 70-х годов по инициативе Н. Д. Девяткова в ряде медицинских учреждений страны была принята программа по использованию ММ-волн для лечения различных заболеваний.