НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ

імені Г.В.Курдюмова

КОВАЛЮК

Богдан Павлович

УДК 539.12.04, 621.378.325

ДЕФЕКТОУТВОРЕННЯ І ЕЛЕКТРОННІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

НА ОСНОВІ ЗАЛІЗА ТА КРЕМНІЮ,

ОПРОМІНЕНИХ ЛАЗЕРОМ В РЕЖИМІ ГЕНЕРАЦІЇ УДАРНИХ ХВИЛЬ

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

доцент Нікіфоров Юрій Миколайович,

Тернопільський державний технічний

університет імені Івана Пулюя,

професор кафедри фізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор Романюк Борис Миколайович,

Інститут фізики напівпровідників

ім. В.Є.Лашкарьова НАН України,

провідний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук,

Філатов Олександр Валентинович,

Інститут металофізики

ім. Г.В.Курдюмова НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М.Францевича НАН України, м.Київ,

відділ досліджень і атестації матеріалів

ракетно-космічної техніки

Захист відбудеться “22“ травня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.168.02 при Інституті металофізики ім. Г.В.Курдюмова НАН України за адресою: 03680, Київ-142, бульвар Акад. Вернадського, 36.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В.Курдюмова НАН України за адресою: 03680, Київ-142, бульвар Акад. Вернадського, 36.

Автореферат розісланий “20” квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д26.168.02

к.ф.-м.н., с.н.с. Сизова Т.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Керування електронними властивостями та дефектністю матеріалів за допомогою різноманітних видів термомеханічного впливу та різних типів концентрованих потоків енергії, включаючи лазерне випромінювання, є одним з сучасних напрямків покращення їх характеристик. Останнім часом актуальним є дослідження поведінки матеріалів під дією лазерних ударних хвиль (ЛУХ), які значно відрізняються за своїми параметрами від ударних хвиль (УХ), що збуджуються в твердому тілі за допомогою вибухових речовин або високошвидкісного удару. Тривалість фази стиску при лазерному навантаженні на 3 порядки менша, ніж при класичних способах отримання УХ. Точність, технологічність та безпека ЛУХ обробки є більш високими в порівнянні з вищевказаними методами. ЛУХ викликає зміну властивостей матеріалу і може служити основою для цілеспрямованої модифікації його властивостей шляхом очищення поверхні, генерації та відпалу дефектів, перерозподілу домішок, стимуляції хімічних реакцій і фазових переходів аж до синтезу штучних алмазів.

Сукупність явищ в матеріалах, які піддаються впливу лазерного випромінювання, вивчено ще недостаньо детально, незважаючи на велику кількість публікацій по окремих питаннях. Це в першу чергу відноситься до вивчення впливу ЛУХ на дефектоутворення та електронні властивості матеріалів.

З великої кількості публікацій по лазерному опромінюванні в основному відомо про структурні зміни в матеріалах під дією ЛУХ та деякі можливості їх практичного застосування, перш за все, як аналога механічної обробки.

Практично відсутні роботи, в яких би порівнювався вплив ЛУХ на матеріали, що суттєво відрізняються своїми пластичними властивостями, електронною будовою, концентрацією домішок і дислокацій, тобто вихідною дефектністю. Не вивчено особливості механізмів дефектоутворення в матеріалах при дії ЛУХ в залежності від температурних умов опромінення. Не встановлено глибину області дефектоутворення.

Зовсім немає відомостей про вплив ЛУХ на приповерхневі шари кремнію, захищеного екраном від прямої лазерної дії, не досліджено вплив трансформації акустичної хвилі в ударну на електропровідність приповерхневих шарів кремнію, що є важливим та актуальним не тільки з позицій модифікації властивостей матеріалів, а і для вивчення їх поведінки при високошвидкісних навантаженнях.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до планів наукової діяльності кафедри фізики Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя та в рамках госпрозрахункових тем “Дослідження властивостей конструкційних матеріалів для термоядерних реакторів після впливу потужного лазерного випромінювання” (замовник: Інститут металургії ім. А.А.Байкова, Москва. Здобувач – відповідальний виконавець теми), “Вивчення впливу потужної імпульсної дії на конструкційні матеріали та малогабаритні елементи і вироби на їх основі” (замовник: КБ “Салют”, Москва. Здобувач – відповідальний виконавець теми), та з науковими держбюджетними темами Міністерства освіти і науки України ”Дослідження впливу лазерного випромінювання на матеріали, що використовуються в науковому приладобудуванні“ (№ ДР 0193U09355 Здобувач – відповідальний виконавець теми), “Дослідження фізико-технічних основ лазерної ударно-хвильової обробки матеріалів в прозорому конденсованому середовищі“ (№ ДР 0194U030621. Здобувач – відповідальний виконавець теми), “Електронні кореляції у вузьких енергетичних зонах: магнетизм та термо-магніто-електричні властивості” (№ ДР 0103U003516).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було встановлення основних закономірностей впливу ЛУХ на електронні властивості, дефектність структури, фазові перетворення, виявлення механізмів дії ЛУХ на металеві сплави на основі заліза і легований кремній. Об’єктом досліджень були процеси викликані взаємодією ЛУХ з армко-залізом, нержавіючою сталлю марки Х18Н10Т-ВД, легованим кремнієм. Предметом дослідження - фізико-технологічні особливості ЛУХ обробки, можливість керування параметрами ЛУХ, вплив ЛУХ на електрофізичні параметри і властивості об’ємного та плівкового матеріалу, зокрема, на структуру границь розділу та приповерхневі шари такого матеріалу. Для досягнення поставленої мети використовувались такі методи експериментальних досліджень, як вимірювання високочастотних (1 МГц) вольт-фарадних характеристик, електроопору (чотирьох зондовий), вольтамперних характеристик (ВАХ), ядерної гамма-резонансної спектроскопії (ЯГРС), електронно-позитронної анігіляції (ЕПА). Матеріали дисертаційної роботи визначили такі основні задачі досліджень:

- розробити нові та вдосконалити існуючі методики дослідження ЛУХ впливу на матеріали;

- дослідити механізм та ефективність впливу ЛУХ на електронні властивості приповерхневих шарів і границь розділу та дефектоутворення в кремнієвих структурах в залежності від густини потоку, температурних умов та сумарної поглинутої енергії лазерного випромінювання;

- вивчити процес перенесення енергії ЛУХ в об’єм матеріалу, механізм утворення дефектів, їх розподіл по глибині в армко-залізі;

- дослідити електронні властивості, фазовий стан, корозійну стійкість сталі Х18Н10Т-ВД під впливом ЛУХ.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше методом ЕПА показано, що глибина впливу ЛУХ на три порядки перевищує глибину області термічного впливу наносекундного лазерного імпульсу.

2. Вперше виявлено, що переважаючі гідростатичні напруження при дії ЛУХ приводять до зворотнього перетворення в сталі Х18Н10Т-ВД.

3. Запропоновано механізм для пояснення встановленого ефекту підвищення корозійної стійкості сталі Х18Н10Т-ВД, що грунтується на селективному розсіянні ЛУХ на границях зерен та переважно стискаючому характері виникаючих напружень.

4. Виявлено, що чутливими до ЛУХ дії є електроопір приповерхневих шарів кремнію, вольт-фарадні та вольтамперні характеристики структур з p-n переходами.

5. Знайдено, що ефективність дії лазерних ударних хвиль суттєво залежить від температурних умов опромінення та глибини переходу акустичної хвилі в ударну.

6. Встановлено можливість нетермічної модифікації електронних властивостей пластичних і малопластичних матеріалів за допомогою ЛУХ малої амплітуди.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Показано можливість модифікації електронних властивостей матеріалів на основі заліза та кремнію під впливом УХ фактора лазерної дії.

2. Показано перспективність ЛУХ, як ефективного способу підвищення міцності металу, заліковування мікротріщин та мікропор, гомогенізації структури і підвищення корозійної стійкості та процесів стимуляції фазових переходів.

3. Показано можливість селективних змін електронних властивостей багатошарових структур на основі кремнію під дією ЛУХ малої амплітуди, що може мати практичний інтерес на певних етапах технологічних процесів виготовлення напівпровідникових приладів.

4. Розроблені і виготовлені датчики контролю тиску УХ можуть використовуватись при лазерній обробці в режимі генераціїї УХ малої амплітуди

Особистий внесок здобувача полягає в безпосередній участі в постановці задач, їх виконанні та отриманні результатів. Експериментальні дослідження та теоретичні розрахунки, викладені в роботі, виконані автором особисто або за його прямої участі. Дисертантом було проведено пошук та узагальнення наукових публікацій по темі дисертації, особисто розроблені та впроваджені окремі вузли при виготовленні комбінованої лазерної установки для генерації ЛУХ та дослідження їх впливу на матеріали. Автор провів експерименти по опромінюванні досліджуваних зразків і матеріалів та виконав вимірювання їх електрофізичних параметрів, результати яких приведені в роботі, а також в співдружності з співавторами відповідних друкованих праць, брав участь в інтерпретації отриманих результатів експериментів та виявлених закономірностей. Дослідження зразків методами ЕПА та ЯГРС проводилось спільно з відділом електронної структури та електронних властивостей Інституту металофізики ім. Г.В.Курдюмова НАН України. Одержані результати представлені автором особисто на вітчизняних та міжнародних наукових семінарах та конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, представлених у дисертації, доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях, наукових школах і семінарах, зокрема: IV Всес. симп. по физике акустогидродинамических явлений и оптоакустике с секциями молекулярной акустики и геоакустике.- Ашхабад, 1985; Радиационная физика твердого тела. Первое международное совещание стран СЭВ.- Сочи, 1989; Республіканському науково-практичного семінарі “Променева обробка композитних матеріалів в техніці”.- Тернопіль, 1990; ІХ міжнародній конференції по фізиці та технології тонких плівок,- Івано-Франківськ, 2003; VI –VIII наукових та ХІІ міжнародній науковій школі-семінарі “Фізика імпульсних розрядів в конденсованих середовищах” - Миколаїв (1993, 1995, 1997, 2005); European Materials Research Society “E-MRS 2004 Fall Meeting”.- Warsaw (Poland) – 2004, а також на щорічних відкритих науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” (2003, 2005, 2006) та Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2003 - 2006).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 6 статтях та 19 тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел.

Дисертація викладена на 123 сторінках і містить 26 рисунків та 4 таблиці, а також список цитованої літератури із 164 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, її зв'язок з науковими програмами, планами і темами, сформульована мета і визначені задачі досліджень, показана наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Так само приведені відомості, пов’язані з апробацією результатів дисертації.

У першому розділі наведено аналіз механізмів утворення ЛУХ, розглядається критерій та глибина їх утворення. Дається огляд сучасних уявлень про різноманітні фізичні моделі та механізми дефектоутворення при наносекундному лазерному опроміненні з наголосом на роль ЛУХ як різкого стрибкоподібного збільшення тиску в опромінюваному матеріалі, що поширюється в ньому із надзвуковою швидкістю та стійкий по відношенню до малих збурень свого профілю, як методу впливу на структуру та електронні властивості матеріалів.

Огляд літературних джерел обгрунтовує актуальність поставленої задачі та визначає завдання, які необхідно виконати для досягнення мети дисертаційної роботи.

У другому розділі подано основні параметри лазерної установки, оптичну схему опромінення зразків і реєстрації параметрів лазерного імпульсу та електричних сигналів з досліджуваних зразків. Описана розроблена методика опромінення матеріалів у прозорому конденсованому середовищі (ПКС) з контролем амплітуди імпульсу тиску та візуалізації області ЛУХ впливу. Опромінення зразків здійснювалось за допомогою модернізованої лазерної установки на базі ГОС-1001, з Li-F модулятором добротності. Для реєстрації імпульсу тиску ЛУХ сконструйовано датчик тиску. Діапазон амплітуд імпульсів тиску в експериментах знаходився в межах 0,5 – 5,6 ГПа. Для підсилення тиску, в якості ПКС, перевага надавалась епоксидній смолі та спирту. Виявлене збільшення прозорості фторопластових плівок типу ФУМ в діапазоні довжин хвиль 0.4 – 1 мкм, захищених від прямої лазерної дії екраном, використано як експрес-метод візуалізації області поширення і затухання ЛУХ. Збільшення прозорості пояснюється нами зменшенням пористості матеріалу внаслідок дії УХ, глибина затухання якої становить не менше 2,5 мм. Це узгоджується з дослідженнями, що проводились нами методами ЕПА на армко-залізі (див розділ 4).

Електронні процеси, що відбуваються під дією ЛУХ в кремнієвих структурах, вивчались на основі електроопору, вольт-фарадних характеристик та ВАХ, знятих до і після УХ впливу, та після ізохронного відпалу при 373, 423, 473 К.

Методами ЯГРС та електроопору вивчався вплив термообробки, пластичної деформації та ЛУХ на фазові перетворення в нержавіючій сталі Х18Н10Т-ВД.

У третьому розділі розглядається ефективність впливу ЛУХ на електронні властивості приповерхневих шарів кремнієвих структур, захищених екраном від прямої лазерної дії, в залежності від густини потоку та сумарної поглинутої енергії лазерного випромінювання і залежність залишкової відносної зміни електроопору приповерхневих шарів кристала від надлишкової сили, що діє з боку генерованої лазером УХ на центри розсіяння, як функції температури, а також електронні процеси в кремнієвих структурах з p-n- переходом при ЛУХ обробці.

Встановлено, що зміни електроопору приповерхневих шарів монокристалічного кремнію, легованого бором, з питомим опором 10 Ом см, захищених екраном від теплової лазерної дії, спостерігаються в усіх випадках опромінення і лежать в межах 2,5–11% при однократній дії. ВАХ зразків після обстрілу з різними густинами потоку, яким відповідають різні значення тисків та глибин переходу акустичної хвилі в ударну, залишаються практично лінійними до моменту появи мікротріщин, викликаних значною концентрацією введених ЛУХ точкових дефектів.

Встановлено пороговий характер введення точкових дефектів та збільшення відносних змін електроопору. Так як зростання густини потоку призводить до зростання тиску , то можна чекати, що з ростом буде зростати концентрація введених дефектів і, як наслідок, зростати , як це і спостерігається, коли досліджуються зміни в об’ємі зразка. Однак, наші експерименти показують, що в діапазоні густин потоку (1,1 108 – 2,4 108 )Вт/см2 приріст електроопору приповерхневого шару кремнію, захищеного від прямої лазерної дії екраном, із зростанням зменшується, і навіть може бути від’ємним. Щоб пояснити цей факт, як додатковий фактор, ми розглянули особливості трансформації акустичної хвилі в ударну при опроміненні неоднорідних мішеней, які складаються з декількох шарів матеріалів, що перебувають в акустичному контакті між собою, і розрахували залежність глибини утворення ЛУХ S (глибину формування розриву при переході акустичної хвилі в ударну) від складу мішені та густини потоку q. В такому випадку, в залежності від q, УХ може виникнути в одному з шарів мішені: ПКС, екрані, акустичному контакті, кремнієвому зразку. Глибину її утворення можна оцінити, користуючись співвідношенням:

,

де Xj - визначена для попереднього шару товщиною hj глибина утворення УХ, Cj, Zj, Гj швидкість звуку, ударний імпеданс та коефіцієнт Грюнайзена для j шару, а Cj+1, Zj+1, Гj+1 аналогічні величини для j+1 шару.

Таким чином, враховуючи цей фактор, можна впливати на зміну електронних властивостей приповерхневих шарів зразків шляхом вибору типу та товщини ПКС і екрану.

Якщо розглядати ЛУХ як спрямований потік елементарних збурень гратки - нерівноважних фононів, то додаткова енергія, яку може отримати будь-який атом на її фронті по відношенню до своїх сусідів, а відповідно і надлишковий імпульс , отриманий центром розсіяння в порівнянні з оточуючою граткою, буде визначатись, в першому наближенні, різницею тисків фононного газу, ефективним перерізом розсіяння та часом дії (Янушкевич В.А., Полянинов А.В., Пруцков Е.Г., Полыгалов Г.А. Механизм образования и ионизации точечных дефектов в полупроводниках при импульсном лазерном облучении // Изв. АН СССР. Сер. физич. – 1985. – Т. 49, № 6. – С. 1146-1152). Сила фононного тиску на центри розсіяння, що зв’язана з надлишковим імпульсом, залежить як від властивостей матеріалу, що опромінюється, з врахуванням його структурних особливостей, так і від умов проведення експерименту.

Проведені нами розрахунки показали, що за кімнатної та більш високої температури, надлишковий імпульс і надлишкова сила, що діє на центр розсіяння і приводить до утворення дефектів в кристалах збільшується з ростом температури, а проведеними експериментами встановлено, що при дії ЛУХ максимум змін електроопору приповерхневих шарів кремнію також залежить від температури опромінення зразка (рис. 1). При цьому діють два конкуруючих фактори: зростання надлишкової сили, що діє на центр розсіяння з боку ЛУХ і приводить до зростання концентрації дефектів, та відпал введених дефектів. Останній проявляється помітніше, починаючи із температури вище 350 К.

Експерименти показали, що при наявності в кремнієвій структурі p-n-переходу, область просторового заряду помітно реагує на вплив ЛУХ. На рис. 2, 3 представлені результати впливу імпульсу тиску, генерованого лазером наносекундного діапазону, на p-n- структури кремнію з лінійним розподілом домішок. Лінійність розподілу домішок оцінювалась по залежності , де С – бар’єрна ємність переходу, U – прикладена напруга.

Рис. 2. Залежність бар’єрної ємності

p-n –переходу від прикладеної напруги.

1 – до і після (2) ударно-хвильового впливу,3 ,4, 5 – після 10-хвилинного ізохронного відпалу при 473 К 423 К

та 373 К відповідно | Рис. 3. Пряма гілка ВАХ

1 -до та після(2, 3) ударно-хвильового опромінення

2 – одноразова дія лазера, 3 – двохразова дія при тій же густині потоку.

Як видно з рис. 2, де показана така залежність для типового зразка до і після лазерного впливу, його електроємність збільшується, лінійність залежності зберігається, а нахил лінії збільшується. Це свідчить про те, що характер розподілу дефектів у p-n-переході залишився лінійним, а градієнт концентрації домішок, в залежності від інтенсивності лазерного імпульсу тиску та числа імпульсів, змінювався для серії зразків з однаковими початковими характеристиками. Якщо до лазерної дії градієнт концентрації домішок для усієї серії бувсм-4, то після впливу він складав 1,3 1018 - 3,7 1018 см-4 при тих же значеннях напруги на p-n-переході.

В результаті ізохронного відпалу опромінених зразків при температурах 373К, 423К, 473К спостерігалось значне відновлення вольт-фарадних характеристик, що відповідає вирівнюванню градієнта концентрації домішок. При нагріванні зразків до температури 473 К градієнт наблизився до величини 2,5 1018 см-4. Нахил прямої вітки ВАХ дещо зменшився (рис.3), що може бути пов’язано з ростом рекомбінаційного струму в області об’ємного заряду, із-за зменшення часу життя носіїв, збільшення контактної різниці потенціалів після впливу імпульсу тиску. Зворотня вітка ВАХ p-n-структури до і після впливу практично не змінилась (в межах точності експерименту), а напруга пробою зменшилась.

У четвертому розділі розглянуто перенесення енергії ЛУХ в об’єм матеріалу, механізми утворення дефектів, їх розподіл по глибині в -Fe та зміни фазового стану нержавіючої сталі Х18Н10Т-ВД під впливом ЛУХ. Дослідження проводились на зразках армко-заліза прямокутної форми розміром 1212 мм, що мали товщину: 0.08; 0.30; 0.45; 1.0; 1.7; 2.7; 3.8; 4.4 та 5.8 мм. Перед дослідженням зразки відпалювались у вакуумі 10-5 Па (з безмасляним відкачуванням) при 1173 К впродовж 1 години, після чого повільно охолоджувались до кімнатної температури. Опромінення зразків проводилось тільки з однієї сторони моноімпульсами з енергією Е0=(132) Дж та тривалістю імпульсу фі=510-8 с. Експериментально (калориметричним методом) було визначено, що частина енергії, поглинутої зразком, виділялась після закінчення імпульсного впливу у вигляді тепла і становила близько Еп=1.3 Дж. Крім цього, частина енергії лазерного імпульсу відбивається (Е0R), виноситься при випаровуванні та екранується утвореною плазмою (Ев). Тоді енергію лазерного імпульсу можна представити у вигляді , де R – коефіцієнт відбивання світла.

Експериментальне визначення глибини УХ дії за межами зони термічного впливу на армко-залізо проводилось по кривих розподілу анігіляційних фотонів. За спектрами кутової кореляції розраховувався анігіляційний параметр S/W, що рівний відношенню площі центральної частини спектра шириною 4.0 мрад (симетричної відносно =0) до площі хвостових частин спектра в інтервалах [+7; +8.5] і [-8.5; -7] мрад. Він характеризує рівень дефектності матеріалу. Мінімальне значення S/W=3.00 спостерігається для зразка -Fe, відпаленого при 1173 К впродовж 1 год. Із збільшенням концентрації дефектів параметр S/W росте. Глибина зони зондування дефектної структури позитронами, в якій вони переважно анігілюють, складає 100 мкм.

На рис.4 показана залежність S/W-параметра для досліджуваних зразків від їх товщини при зондуванні позитронами як зі сторони опромінення, так і з протилежної сторони. Видно, що для всіх зразків S/W вищий при вимірюваннях з опроміненої сторони, причому найбільше значення спостерігається для тонких зразків. Для останніх результати, які отримані при вимірюваннях з різних сторін, мало відрізняються. Із збільшенням товщини зразків до значення d=4.4 мм розходження (S/W) лінійно зростає (рис.4, б), при більш високих значеннях d ріст (S/W) зупиняється. Значення товщини в точці згину при d=4.4 мм відповідає максимальній глибині, на якій виявляються дефекти при лазерному ударному навантаженні. Зменшення S/W-параметра, виміряного із тильної сторони опромінених зразків, від значення 3,22 для тонкого (d=0.08 мм) зразка до 3,00 для зразків товщиною більше 4 мм, свідчить про те, що виміряна із тильної сторони концентрація дефектів, які утворюються при ударній дії, зменшується нелінійно із збільшенням товщини зразка, а відповідно, хвиля напружень доходить до тильної поверхні зразка при товщинах ?4.4 мм. При зондуванні позитронами зразків з сторони опромінення на кривій S/W=f(d) спостерігається широкий мінімум. Видно (рис.4, а), що інтервал значень d (0.08 - 4 мм), в якому знаходиться мінімум кривої (S/W)опр, співпадає з інтервалом товщин, в якому проходить зменшення параметра (S/W)зв. Тому поява мінімуму на кривій (S/W)опр, ймовірно, зумовлена взаємодією хвиль напруження в зразку: хвильової розгрузки первинної та відбитого фронту хвилі від тильної сторони зразка.

а б

Рис. 4. Залежність параметру ЕПА (S/W) від товщини зразків при вимірюванні із опроміненої і неопроміненої сторін (а) і різниці цих значень (б)

Після опромінення поверхні -Fe лазерними імпульсами тривалістю 50 нс виявлено, що за границями зони поверхневого термічного впливу утворюється область об’ємного дефектоутворення, зумовлена проходженням ударної хвилі, яка досягає глибини до 4 мм. Це на 3 порядки більше глибини області термічного впливу наносекундного лазерного імпульсу і показує, що основним механізмом затухання ударної хвилі в -Fe є зародження та міграція дефектів. Зародження дислокацій відбувається на фронті УХ під дією зсувових напруг, що виникають при одновісній деформації. Особливістю утворення дислокацій при ударному навантаженні є їх більш рівномірний розподіл, ніж при пластичній деформації.

Обробка лазерними імпульсами всієї поверхні зразка сталі Х18Н10Т-ВД, який містив 95% мартенситу, приводить до появи в центрі спектру інтенсивної одинокої лінії на фоні ліній мартенситу, що свідчить про неповне перетворення (рис. 5, б). При цьому інтенсивність центрального парамагнітного піка аустенітної фази збільшується на порядок. При обробці лазерними імпульсами зразку з меншим ступенем (=22%) деформації, який містив приблизно 50% мартенситу, ефект впливу лазерної ударної хвилі на -перетворення стає визначальним: (рис. 5, в) кількість утвореного аустеніту росте майже до 100%.

Після опромінення зразків, попередньо відпалених при 873 К або 1273 К, які містили тільки аустенітну () фазу, мартенситне перетворення не відбувається і повністю зберігається аустеніт.

Встановлений зворотній () мартенситний перехід, який спостерігається при ЛУХ обробці, є результатом дії двох конкуруючих факторів - великих стискаючих напружень (2ГПа) та низького ступеня (0.01) пластичної деформації.

Після ЛУХ обробки сталі Х18Н10Т-ВД практично не виявлено її корозійного руйнування в сильно агресивному середовищі рідкого літію впродовж 100 годинної витримки при 873 К. Отриманий таким способом аустеніт має більш високу корозійну стійкість у рідкому літії в порівнянні з аустенітом, що утворився в результаті термообробки. Це пояснюється очисткою границь зерен від домішок внаслідок селективного розсіяння на них ЛУХ.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

У роботі вивчено вплив лазерних ударних хвиль, що генерувались за допомогою наносекундного лазерного випромінювання, на армко-залізо, сталь Х18Н10Т-ВД та легований кремній.

Згідно з науковими положеннями, висунутими на захист, на основі результатів проведених експериментів та теоретичних розрахунків можна зробити такі узагальнення та висновки:

1. Досліджено дефектоутворення та електронні властивості матеріалів на основі заліза та кремнію під впливом лазерних ударних хвиль. Підсилення тиску лазерних ударних хвиль забезпечувалось шляхом обмеження розширення плазми прозорим конденсованим середовищем.

2. Визначено, що глибина області впливу лазерних ударних хвиль на метали може досягати декількох мм без видимих змін поверхні, що на три порядки більше глибини області термічного впливу наносекундного лазерного імпульса.

3. Встановлено, що зародження та міграція дефектів є основним механізмом затухання лазерних ударних хвиль, генерованих в залізі та його сплавах. При цьому діапазон тисків лежить в межах, близьких до границі Гюгоніо, тобто на границі пружності, в межах тих тисків, де більші значення відіграють стискуючі напруження, спрямовані в глибину матеріалу при низькому ступені пластичної деформації, а ефективними розсіючими центрами служать власні дефекти та домішки.

4. Показано залежність характеру змін електроопору кремнію внаслідок трансформації акустичної хвилі в ударну при багатошаровій структурі опромінюваного зразку. При цьому можливе не тільки збільшення, але і зменшення кількості дефектів в матеріалі.

5. Встановлено, що проходження лазерної ударної хвилі в нержавіючій сталі Х18Н10Т-ВД приводить до зворотнього мартенситного перетворення. Механізм ударно-хвильового утворення аустеніту пов’язується з конкуруючою дією двох факторів: великих стискаючих напружень (2 ГПа) та низьким ступенем (~0,01) пластичної деформації.

6. Встановлено, що особливо чутливими до лазерної ударно-хвильової обробки є приповерхневі шари, границі зерен та області p-n переходів, через те, що вони є ефективними центрами розсіяння лазерної ударної хвилі. Ефективність розсіяння можна регулювати шляхом зміни фононної складової сили, яка зумовлена ударною хвилею та залежить від температурних умов опромінення.

7. Запропоновано механізм для пояснення встановленого ефекту підвищення корозійної стійкості сталі Х18Н10Т-ВД, обробленої лазерними ударними хвилями наносекундного діапазону, що ґрунтується на селективному розсіянні ударної хвилі на границях зерен та переважно стискаючому характері напружень при ударно-хвильовій дії.

8. Наведені експериментальні результати вказують на можливість керування властивостями як пластичних матеріалів (металів), так і приповерхневих шарів малопластичних (напівпровідникових) матеріалів, захищених від прямого лазерного випромінення, за допомогою лазерних ударних хвиль малої амплітуди.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ковалюк Б.П., Лихторович С.П., Никифоров Ю.Н., Нищенко М.М. Распределение дефектов в армко-Fe по глубине при воздействии ударных волн, вызванных лазерным облучением // Металлофизика.- Т. 14, № 12.- 1992.– С. 43-49.

2. Берченко М.М, Ковалюк Б.П., Нікіфоров Ю.М., Яковина В.С. Особливості впливу лазерних ударних хвиль на приповерхневі шари та границі розділення твердих тіл // Електроніка. Вісник Національного університету “Львівська політехніка”.- Львів, 2003.- № 482.– С. 33–38.

3. Нищенко М.М., Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н. Влияние ударных волн, генерируемых при воздействии наносекундных лазерных импульсов на фазовые превращения в стали Х18Н10Т / Металлофиз. новейшие технол.-2004.- Т.26, № 9.- С.1227-1240.

4. Ковалюк Б.П., Нікіфоров Ю.М. Керування дефектністю приповерхневих шарів кремнієвої структури через зміну фононного тиску, викликаного проходженням через кристал лазерної ударної хвилі.- Вісник національного університету „Львівська політехніка”.- № 532: Електроніка.- Львів, 2005.- С. 28-33.

5. Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Янушкевич В.А. Диффузионные процессы в структурах с p-n-переходом при действии лазерных ударных волн // Физика и химия обработки материалов.- № 4.- 1993.- С. 14-17.

6. А.с. 1429477 СССР, МКИ В 23 К 26/00. Устройство для лазерной наплавки / Ю.Н. Никифоров С.Г. Нагорняк, Л.И. Иванов, В.А. Янушкевич, Б.П. Ковалюк (СССР).- № 4188253; Заявл. 28.01.87; Опубл. 8.07.88.

7. Kovalyuk B.P., Nikiforov Yu.N. and Nischenko M.M. The phase conversion in stainless steel under LSW processing // Rev.Adv.Mater.Sci.- 8 (2004).- P.34-40.

8. Стухляк П.Д., Шкодзинский О.К., Мытник Н.М., Шовкун А.П., Ковалюк Б.П Электрические свойства оксидосодержащих эпоксидных композиционных материалов.- Пластические массы.- № 4.– 1995.- С. 5-9.

9. Stukhlyak P.D., Shkodzinskii O.K, Mytnik N.M., Shovkun A.P., Kovalyuk B.P. Electrical properties of oxide-containing epoxy composite materials // Rev. International polymer science and technology. – 1996 – Vol. 23, № 6.

10. Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Янушкевич В.А. Исследование генерации ударных волн в прозрачных конденсированных средах при облученни лазером с различной длиной волны // Тезизы докладов IV Всес. Симпозиума по физике акустогидродинамических явлений и оптоакустике с секциями молекулярной акустики и геоакустике.- Ашхабад, 1985.- С. 19-20.

11. Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Янушкевич В.А Диффузионные процессы в структурах с p-n переходом при действии лазерного импульса давления // Тезисы докладов І Всесоюзного постоянного семинара ”Низкотемпературное легирование полупроводников и многослойных структур микроэлектроники”.- Устинов, 1987.- С. 56.

12. Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Янушкевич В.А Нищенко М.М. Обработка лазерным импульсом давления металлических фольг // Тезисы докладов Всес. конф. “Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации” (11-13 ноября 1987).- Таллин, 1987.- Ч.I.- С. 131-132.

13. Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Янушкевич В.А. Деградация p-n переходов под действием импульса давления с высокой крутизной фронта // Конструктивно-технологическое обеспечение качества микро- и радиоэлектронной аппаратуры при проектировании в производстве.- Ижевск, 1988.- С. 164.

14. Гадасин И.М., Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н. Исследование распространения ударной волны в многослойной системе // Тезисы докладов обл. научно-практического семинара “Композиционные материалы в машиностроении”.- Тернополь, 1989.- С. 114-115.

15. Иванов Л.И., Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Нищенко М.М., Харитонский С.Я., Янушкевич В.А. Низкотемпературные реакции в металлах, обусловленные радиационными дефектами, образующимися при лазерном воздействии // Радиационная физика твердого тела. Первое международное совещание стран СЭВ.- Сочи, 1989.- С. 14.

16. Иванов Л.И., Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Нищенко М.М., Янушкевич В.А. Обратное мартенситное превращение в нержавеющей стали Х18Н10Т-ВД при прохождении ударной волны, генерируемой лазерными импульсами // Материалы республиканского научно-практического семинара “Лучевая обработка композиционных материалов в технике”.- Тернополь, 1990.- С. 21-23.

17. Янушкевич В.А., Полянинов А.В., Никифоров Ю.Н., Ковалюк Б.П. Исследование дефектов, образованных лазерной ударной волной в кремниевых структурах, методом емкостной спектроскопии // Материалы республиканского научно-практического семинара “Лучевая обработка композиционных материалов в технике”.- Тернополь, 1990.- С. 28-29.

18. Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Янушкевич В.А. Экспресс-методика для оценки лазерной ударно-волновой обработки материалов // Тезизы докладов “Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов”.- Пенза, 1991.- С. 39-40.

19. Ковалюк Б.П., Лихторович С.П., Никифоров Ю.Н., Нищенко М.М., Эволюция структуры армко-железа при лазерном ударно-волновом воздействии // Тезисы докладов VI научной школы Физика импульсных воздействий на конденсированные среды.- Николаев, 1993.– С. 70.

20. Ковалюк Б.П., Ліхторович С.П., Нікіфоров Ю.Н., Ніщенко М.М. Утворення сполук MoFe2 та Fe4N при наносекундному лазерному опроміненню зразків в рідкому азоті // Тези доповідей Першої міжнародної конференції “Конструкційні та функціональні матеріали” КФМ’93.- Львів, 1993.– С. 153-154.

21. Ковалюк Б.П., Малюта С.І., Нікіфоров Ю.М. Термо ерс в телуриді вісмута при лазерному опроміненні через прозоре конденсоване середовище // Тезисы докладов VII научной школы Физика импульсных разрядов в конденсированных средах.- Николаев, 1995.– С. 36.

22. Ковалюк Б.П., Малюта С.І., Нікіфоров Ю.М. Оцінка параметрів лазерної ударно-хвильової обробки з використанням пакетів прикладних програм // Современные проблемы машиностроения и технический прогресс. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции (10–13 сентября 1996 г., г.Севастополь).– Донецк, 1996.- С. 111-112.

23. Ковалюк Б.П., Нікіфоров Ю.М. Селективний вплив лазерних ударних хвиль на фізичні параметри межі поділу Si-SiO2 // Тезисы докладов VIII научной школы Физика импульсных разрядов в конденсированных средах.- Николаев, 1997.– С. 45.

24. Ковалюк Б., Нікіфоров Ю. Дослідження електроопору поверхневого шару кремнію після опромінення лазером в режимах вільної генерації та модульованої добротності // Матеріали сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.- Тернопіль, 2003.- С. 144.

25. Нищенко М.М., Гилюк Н.Н., Кода В.Ю., Патока В.І., Нікіфоров Ю.М., Ковалюк Б.П. Формування тонкоплівкових структур б-Fe1-xSi2 за допомогою імпульсного лазерного опромінювання та визначення їх електрофізичних властивостей // Фізика і технологія тонких плівок: Матеріали ІХ міжнародної конференції МКФТТП-ІХ.- Івано-Франківськ, 2003.-С. 162-163.

26. Ковалюк Б., Нікіфоров Ю. Датчик для дослідження параметрів лазерної ударної хвилі // Матеріали восьмої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.- Тернопіль, 2004.- С. 120.

27. Kovalyuk B., Nikiforov Yu., Nischenko M. The phase conversion in stainless steel under LSW processing // Book of abstracts of European Materials Research Society “E-MRS 2004 Fall Meeting”.- Warsaw (Poland).- 6-10 September, 2004.- P.259.

28. Ковалюк Б.П., Никифоров Ю.Н., Нищенко М.М., Янушкевич В.А. Физико-технологические особенности лазерной ударно-волновой обработки.- Материалы ХІІ Международной научной школы-семинара “Физика импульсных разрядов в конденсированных средах”.- Николаев, 2005.- С. 123-124.

Ковалюк Б.П. Дефектоутворення і електронні властивості матеріалів на основі заліза та кремнію, опромінених лазером в режимі генерації ударних хвиль. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут металофізики ім. Г.В.Курдюмова НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню впливу лазерних ударних хвиль (ЛУХ) на зміну електронних властивостей та дефектоутворення в матеріалах з різними пластичними властивостями. Методом електронно-позитронної анігіляції доведено, що глибина впливу лазерних ударних хвиль на три порядки перевищує глибину області термічного впливу наносекундного лазерного імпульсу. Зворотній () мартенситний перехід, який спостерігається при ЛУХ обробці сталі Х18Н10Т-ВД є результатом дії двох конкуруючих факторів - великих стискаючих напружень (2ГПа) та низького ступеня (0.01) пластичної деформації, а підвищення корозійної стійкості – селективним розсіянням ЛУХ на границях зерен та переважно стискаючого характеру виникаючих напружень. Показано, що при лазерній ударно-хвильовій обробці можна впливати на електронні властивості приповерхневих шарів твердих тіл не тільки шляхом зміни енергетичних параметрів лазерного імпульсу, але і оптимізацією температурних умов опромінення, що впливають на фононну складову надлишкової сили, яка діє на центри розсіяння з боку лазерної ударної хвилі, а основним механізмом затухання ЛУХ є зародження та міграція дефектів.

Ключові слова: лазерна ударна хвиля, прозоре конденсоване середовище, дефектоутворення, електронні властивості.

Ковалюк Б.П. Дефектообразование и электронные свойства материалов на основе железа и кремния, облученных лазером в режиме генерации ударных волн. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Институт металлофизики им. Г.В.Курдюмова НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена исследованию воздействия лазерных ударных волн (ЛУВ) на дефектообразование и электронные свойства материалов с разной пластичностью.

В работе рассматривается влияние ЛУВ малой амплитуды на материалы при их обработке в прозрачной конденсированной среде (ПКС). Облучение проводилось на модернизированной автором лазерной установке с LiF модулятором добротности, созданной на базе ГОС-1001. Сформулированы требования к лазерным установкам для генерации ЛУВ малой амплитуды, приведены разработанные узлы для контроля давления ЛУВ.

Электронные процессы и дефектообразование, происходящие под действием ЛУВ в кремниевых структурах, изучались на основе электросопротивления, вольт-фарадных характеристик и ВАХ, снятых до и после УВ воздействия и после изохронного отжига при 373К, 423К, 473К. Исследованы эффективность воздействия ЛУВ на электронные свойства приповерхностных слоев кремниевых структур, защищенных экраном от прямого лазерного воздействия в зависимости от плотности потока, сумарной поглощенной энергии, а также процессы в кремниевых структурах с p-n-переходом при ЛУВ обработке. При этом, после воздействия ЛУВ, характер распределения дефектов в p-n-переходе оставался линейным, а градиент концентрации примесей увеличился. Выявлено, что эффективность действия ЛУВ существенно зависит от температурных условий облучения и глубины перехода акустической волны в ударную.

Методом электрон-позитронной аннигиляции, по кривым распределения аннигиляционных фотонов, впервые доказано, что глубина воздействия ЛУВ на три порядка превышает глубину области термического влияния наносекундного лазерного импульса в армко-железе.

Методами ЯГРС и электросопротивления изучено влияние термообработки, пластической деформации и ЛУВ на фазовые превращения в нержавеющей стали Х18Н10Т-ВД.

Впервые выявлено, что преимущесвенно гидростатические напряжения, возникающие при действии ЛУВ, приводят к обратному () мартенситному превращению в стали Х18Н10Т-ВД.

Установлено, что обработка ЛУВ поверхности образцов стали Х18Н10Т-ВД, которая содержала 95% мартенсита, приводит к появлению в центре меесбауэровского спектра интенсивной одиночной линии на фоне линии мартенсита, что свидетельствует о неполном ( ) превращении. При обработке образцов, содержащих 50% мартенсита, эффект ЛУВ воздействия становится преобладающим, а количество образованного при этом аустенита растет почти до 100%. Наблюдаемый эффект обьясняется действием двух конкурирующих факторов: больших сжимающих напряжений и низкой степени пластических деформаций. Обнаружено повышение коррозионной стойкости образцов стали Х18Н10Т-ВД в сильно агрессивной среде жидкого лития после ЛУВ обработки. Для обьяснения этого предложен механизм. Он связывается с очисткой границ зёрен от примеси вследствие селективного рассеяния на них ЛУВ.

Показана возможность нетермической модификации свойств пластических и малопластических материалов с помощью ЛУВ малой амплитуды и указаны пути их возможного практического применения.

Ключевые слова: лазерная ударная волна, прозрачная конденсированная среда, дефектообразование, электронные свойства.

Kovalyuk B.P. Defect forming and electronic properties of ferum based and silicon based materials irradiated by the laser under shock wave regime

Manuscript.

Thesis submitted for the scientific degree of Candidate of Sciences (Physics and Mathematics) in spesealism 01.04.07 –Solid state physics.-G.V.Kurdyumov Institute of Metal Physics, National Academy of Sciences of Ukraine. Kyiv 2007.

The thesis deals with the investigation of the Laser Shock Waves (LSW) effect on the change of the electronic properties and defect forming in the materials with different plastic properties (Fe, stainless steel Х18Н10Т-ВД, Si) after LSW processing in transparent condensed medium protected with a heat screen.

It was demonstrated that LSW processing can selectively modify resistance and