Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар

Проведено исследование переохлаждения при кристаллизации жидкой фазы олова и индия в многослойных пленках на основе меди и молибдена. При помощи in situ метода измерения электросопротивления определены величины переохлаждений в данных системах. Показано, что метод измерения электросопротивления чувс...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Петрушенко, С.И., Дукаров, С.В., Сухов, В.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2016
Schriftenreihe:	Журнал физики и инженерии поверхности
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117007
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар / С.И. Петрушенко, С.В. Дукаров, В.Н. Сухов // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 3. — С. 295-302 . — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-117007
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1170072025-02-09T21:17:38Z Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар Переохолодження при кристалізації рідкої фази легкоплавкого компоненту у багатошарових плівках з різним характером взаємодії контактних пар Supercooling during the crystallization of the liquid phase of the fusible component in multilayer films with different nature of contact pairs interaction Петрушенко, С.И. Дукаров, С.В. Сухов, В.Н. Проведено исследование переохлаждения при кристаллизации жидкой фазы олова и индия в многослойных пленках на основе меди и молибдена. При помощи in situ метода измерения электросопротивления определены величины переохлаждений в данных системах. Показано, что метод измерения электросопротивления чувствителен ко многим процессам, происходящим в многослойных бинарных системах, однако уверенное определение температур фазовых переходов плавление-кристаллизация возможно только для контактных пар с простым типом взаимодействия и отсутствием химических соединений. Проведено дослідження переохолодження під час кристалізації розплаву олова та індію у багатошарових плівках на основі міді та молібдену. За допомогою in situ методу вимірювання електричного опору визначені величини переохолодження у цих системах. Показано, що метод вимірювання електричного опору є чутливим до багатьох процесів, що спостерігаються у багатошарових бінарних системах, але надійно визначати температури фазових перетворень плавлення-кристалізація можливо лише у контактних парах з простим типом взаємодії та відсутністю хімічних сполук. The study of supercooling during the crystallization of the liquid phase of tin and indium in multilayer films based on copper and molybdenum has been carried out. Using the in situ method of measuring the electrical resistance, the values of supercooling have been determined in the given systems. It is shown that the electrical resistance measurement method is sensitive to many processes occurring in multilayered binary systems, however, a reliable determination of phase transition temperature melting-crystallization is possible only for the contact pairs with a simple type of interaction and the absence of chemical compounds. 2016 Article Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар / С.И. Петрушенко, С.В. Дукаров, В.Н. Сухов // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 3. — С. 295-302 . — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 2519-2485 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117007 538.975 ru Журнал физики и инженерии поверхности application/pdf Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Проведено исследование переохлаждения при кристаллизации жидкой фазы олова и индия в многослойных пленках на основе меди и молибдена. При помощи in situ метода измерения электросопротивления определены величины переохлаждений в данных системах. Показано, что метод измерения электросопротивления чувствителен ко многим процессам, происходящим в многослойных бинарных системах, однако уверенное определение температур фазовых переходов плавление-кристаллизация возможно только для контактных пар с простым типом взаимодействия и отсутствием химических соединений.
format	Article
author	Петрушенко, С.И. Дукаров, С.В. Сухов, В.Н.
spellingShingle	Петрушенко, С.И. Дукаров, С.В. Сухов, В.Н. Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар Журнал физики и инженерии поверхности
author_facet	Петрушенко, С.И. Дукаров, С.В. Сухов, В.Н.
author_sort	Петрушенко, С.И.
title	Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар
title_short	Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар
title_full	Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар
title_fullStr	Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар
title_full_unstemmed	Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар
title_sort	переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117007
citation_txt	Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар / С.И. Петрушенко, С.В. Дукаров, В.Н. Сухов // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 3. — С. 295-302 . — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Журнал физики и инженерии поверхности
work_keys_str_mv	AT petrušenkosi pereohlaždenieprikristallizaciižidkoifazylegkoplavkogokomponentavmnogosloinyhplenkahsrazličnymharakteromvzaimodeistviâkontaktnyhpar AT dukarovsv pereohlaždenieprikristallizaciižidkoifazylegkoplavkogokomponentavmnogosloinyhplenkahsrazličnymharakteromvzaimodeistviâkontaktnyhpar AT suhovvn pereohlaždenieprikristallizaciižidkoifazylegkoplavkogokomponentavmnogosloinyhplenkahsrazličnymharakteromvzaimodeistviâkontaktnyhpar AT petrušenkosi pereoholodžennâprikristalízacíírídkoífazilegkoplavkogokomponentuubagatošarovihplívkahzríznimharakteromvzaêmodííkontaktnihpar AT dukarovsv pereoholodžennâprikristalízacíírídkoífazilegkoplavkogokomponentuubagatošarovihplívkahzríznimharakteromvzaêmodííkontaktnihpar AT suhovvn pereoholodžennâprikristalízacíírídkoífazilegkoplavkogokomponentuubagatošarovihplívkahzríznimharakteromvzaêmodííkontaktnihpar AT petrušenkosi supercoolingduringthecrystallizationoftheliquidphaseofthefusiblecomponentinmultilayerfilmswithdifferentnatureofcontactpairsinteraction AT dukarovsv supercoolingduringthecrystallizationoftheliquidphaseofthefusiblecomponentinmultilayerfilmswithdifferentnatureofcontactpairsinteraction AT suhovvn supercoolingduringthecrystallizationoftheliquidphaseofthefusiblecomponentinmultilayerfilmswithdifferentnatureofcontactpairsinteraction
first_indexed	2025-11-30T21:54:59Z
last_indexed	2025-11-30T21:54:59Z
_version_	1850253987122511872
fulltext	Петрушенко С. И., Дукаров С. В., Сухов В. Н., 2016 © 295 Журнал фізики та інженерії поверхні, 2016, том 1, № 3, сс. 295–302; Журнал физики и инженерии поверхности, 2016, том 1, № 3, сс. 295–302; Journal of Surface Physics and Engineering, 2016, vol. 1, No. 3, pp. 295–302 УДК 538.975 ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ЛЕГКОПЛАВКОГО КОМПОНЕНТА В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ С РАЗЛИЧНЫМ ХАРАКТЕРОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТАКТНЫХ ПАР С. И. Петрушенко, С. В. Дукаров, В. Н. Сухов Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, Харьков, Украина Поступила в редакцию 11.10.2016 Проведено исследование переохлаждения при кристаллизации жидкой фазы олова и индия в многослойных пленках на основе меди и молибдена. При помощи in situ метода измерения электросопротивления определены величины переохлаждений в данных системах. Показано, что метод измерения электросопротивления чувствителен ко многим процессам, происходя- щим в многослойных бинарных системах, однако уверенное определение температур фазовых переходов плавление-кристаллизация возможно только для контактных пар с простым типом взаимодействия и отсутствием химических соединений. Ключевые слова: переохлаждение при кристаллизации, многослойные пленки, плавление- кристаллизация. ПЕРЕОХОЛОДЖЕННЯ ПРИ КРИСТАЛІЗАЦІЇ РІДКОЇ ФАЗИ ЛЕГКОПЛАВКОГО КОМПОНЕНТУ У БАГАТОШАРОВИХ ПЛІВКАХ З РІЗНИМ ХАРАКТЕРОМ ВЗАЄМОДІЇ КОНТАКТНИХ ПАР С. І. Петрушенко, С. В. Дукаров, В. М. Сухов Проведено дослідження переохолодження під час кристалізації розплаву олова та індію у ба- гатошарових плівках на основі міді та молібдену. За допомогою in situ методу вимірювання електричного опору визначені величини переохолодження у цих системах. Показано, що ме- тод вимірювання електричного опору є чутливим до багатьох процесів, що спостерігаються у багатошарових бінарних системах, але надійно визначати температури фазових перетво- рень плавлення-кристалізація можливо лише у контактних парах з простим типом взаємодії та відсутністю хімічних сполук. Ключові слова: переохолодження при кристалізації, багатошарові плівки, плавлення- кристалізація. SUPERCOOLING DURING THE CRYSTALLIZATION OF THE LIQUID PHASE OF THE FUSIBLE COMPONENT IN MULTILAYER FILMS WITH DIFFERENT NATURE OF CONTACT PAIRS INTERACTION S. I. Petrushenko, S. V. Dukarov, V. N. Sukhov The study of supercooling during the crystallization of the liquid phase of tin and indium in multi layer films based on copper and molybdenum has been carried out. Using the in situ method of measuring the electrical resistance, the values of supercooling have been determined in the given systems. It is shown that the electrical resistance measurement method is sensitive to many processes occurring in multilayered binary systems, however, a reliable determination of phase transition temperature melting-crystallization is possible only for the contact pairs with a simple type of interaction and the absence of chemical compounds. Keywords: supercooling during the crystallization, multilayer films, melting-crystallization. ВВЕДЕНИЕ Интерес исследователей к изучению во- просов, связанных с переохлаждением при кристаллизации жидкой фазы различных веществ, имеет многолетнюю историю [1–5] и обусловлен как прикладным значе- нием данного явления, так и стремлением к фундаментальному пониманию особеннос- тей вещества, находящегося в метастабиль- ном состоянии. В последнее время особый интерес стали привлекать системы типа «частица в матрице» и иные композитные материалы, состоящие из веществ с су- щественно различными физическими ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ЛЕГКОПЛАВКОГО КОМПОНЕНТА В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ... 296 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 3, vol. 1, No. 3 свойствами: электрическими, механичес- кими, химическими, а также значительно от личающимися температурами фазовых переходов. Результаты ряда работ [6, 7, 8] позволили установить, что плавление и крис- таллизация слоев легкоплавкого компонента в многослойных пленках (которые зачастую рассматриваются как модель системы «лег- коплавкая частица в тугоплавкой матрице») сопровождаются значительным изменением электрических свойств всего образца. Отме- тим, что данное явление имеет два аспекта, которые могут заинтересовать исследовате- лей и практиков. Так, с одной стороны, изме- нение сопротивления при фазовых переходах может быть использовано для регистрации их температуры в тех случаях, когда приме- нение других, в частности, прямых методов затруднительно, либо вообще невозможно. С другой стороны, такие системы представ- ляют самостоятельный интерес как активные компоненты перспективных датчиков, элементов памяти, переключателей и других электронных устройств с характерным раз- мером, исчисляемым нанометрами. Однако большинство работ, в которых для исследования переохлаждения при кристалли- зации частиц жидкой фазы в контакте с крис- таллической матрицей использовался метод измерения электросопротивления, посвящены изучению систем с фазовыми диаграммами типа простая эвтектика, либо тем контактным парам, фазовые диаграммы которых, ввиду крайне слабого взаимодействия компонент, в литературе отсутствуют. В то же время с точки зрения прикладных исследований весьма перспективными могут оказаться контактные пары с более сложным характером фазовых диаграмм. Кроме того, сопротивление пленок обладает высокой чувствительностью к про- цессам, происходящим на межфазных поверх- ностях (границах кристаллитов, элементов и фаз). Так, в ряде работ [9, 10] измерение электросопротивления использовано для изу- чения влияния размерного эффекта на раство- римость и диффузию в тонких пленках. Также разумно предположить, что сопротивление ока- жется чувствительным не только к плавлению и кристаллизации легкоплавкого компонента, но и к другим фазовым переходам, которые могут реализовываться в различных контактных парах. Подобные эффекты, которые не сут до- полнительную информацию о про цессах, протекающих в многослойных струк- турах, очевидно, могут быть интересны ис следователям, однако они значительно ус ложняют регистрацию собственно плав- ления и кристаллизации легкоплавкого ком понента в таких структурах. В связи с этим представляется целесообразным изу чение температурной зависимости со- про тивления многослойных пленок, ком- по ненты которых образуют различные фа зовые диаграммы, с целью установления воз можности использования метода измере- ния электросопротивления для регистра- ции переохлаждения при кристаллизации лег коплавкого компонента в контактных па рах с существенно различным типом вза имодействия. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В качестве объектов исследования были выбраны двух- и трехслойные пленки бинарных систем Mo-In, Mo-Sn, Cu-In и Cu- Sn, в которых слой легкоплавкого компонента находился либо на поверхности, либо между сплошными слоями более тугоплавкого. Образцы получались методом послойной ваку- умной конденсации при давлении остаточных газов 10–6 мм рт. ст. путем испарения компонент из молибденовых (In, Cu), танталовых (Sn) или вольфрамовых (Mo) испарителей. Контроль толщины осаждаемых компонент осущест- влялся при помощи кварцевого резонатора. Для определения температур фазовых переходов пленки конденсировались на из- мерительные ячейки, представляющие со- бой стеклянные пластинки с нанесенными электрическими контактами, обеспечиваю- щими регистрацию сопротивления по че- тырехточечной схеме. Измерение тем пе ратуры ячейки осуществлялся при помощи хро мель- алюмелевой термопары, а её нагрев — излуче- нием вольфрамовой спирали, рас положенной с тыльной стороны ячейки и питаемой стабилизированным источником тока. Для автоматической регистрации температуры и соответствующей величины сопротивления использовался оригинальный программно- аппаратный комплекс на базе прецизионного АЦП. С. И. ПЕТРУШЕНКО, С. В. ДУКАРОВ, В. Н. СУХОВ 297ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 3, vol. 1, No. 3 Образцы для электронографических ис следований осаждались на свежие ско- лы монокристаллов KCl и исследо ва- лись в электронном микроскопе ЭМВ 100БР, оснащенном разработанной в лабо- ратории приставкой для in situ элек тро- нографических исследований образцов при их нагреве и охлаждении. Электронно-ми- кро скопические исследования проводились в растровом электронном микроскопе JEOL JSM-840. Выбранные для исследования системы кардинально различаются по характеру взаи- модействия компонент. Так, в литературе от- сутствуют построенные фазовые диаграммы контактной пары молибден-индий, однако отмечается, что компоненты этой системы не образуют химических соединений, а их взаимная растворимость чрезвычайна мала. Взаимодействие остальных контактных пар оказывается значительно более сложным и для них характерно образование сплавов, химических соединений и существенная вза- имная растворимость компонент. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ На рис. 1 представлены результаты измерения зависимости сопротивления от температуры однокомпонентных пленок меди и молибдена, составляющих основу исследуемых объектов. Установлено, что в первом цикле нагрева, начиная с температуры около 100 °C (Cu) и 150–200 °C (Mo), их электросопротивление необратимо снижается, что свидетельствует о совершенствовании изначально дефектной структуры конденсата. В дальнейшем нагрев и охлаждение пленок меди и молибдена со- провождается закономерным линейным из- менением их электросопротивления и не обнаруживает никаких особенностей. Соот- ветственно все особенности, которые могут быть обнаружены в многослойных пленках, будут однозначно обусловлены влиянием лег- коплавкого компонента. Результаты исследования температурной зависимости сопротивления пленок Mo-In- Mo представлены на рис. 2. Начиная со вто- рого цикла нагрев-охлаждение на графиках зависимости сопротивления от температуры наблюдаются особенности, которые заклю- чаются в достаточно резком и обратимом, в рамках всего цикла нагрев-охлаждение, увеличении (нагрев) и снижении (охлажде- ние) сопротивления трехслойных пленок. Что же касается первого нагрева, то в нём, также как и в случае однослойных пленок мо- либдена, происходит необратимое снижение электросопротивления, что делает особен- ность, обусловленную наличием легкоплав- кого компонента, практически незаметной. Согласно результатам [6, 7, 8] подобные скачки электросопротивления многослойных пленок могут быть обусловлены плавлени- ем и последующей кристаллизацией пере- охлажденного индия. Определенная таким способом величина переохлаждения в дан- ной контактной паре составила 65 K. Стоит обратить внимание, что для данной слабо- взаимодействующей контактной пары после завершения отжига молибдена общий вид термической зависимости сопротивления остается постоянным от цикла к циклу. Так, относительное значение скачков практи- чески не меняется от цикла к циклу и со- ставляет около 1 %, что хорошо согласуется со значением, которое следует из модели параллельных проводников [6]. Отметим, что представленные на рис. 2 графики соо- тветствуют пленке, которая уже подверглась одному циклу нагрев-охлаждение, при кото- ром произошел отжиг молибденовой пленки. Избежать «потери» первого цикла нагре- ва, обусловленной отжигом, можно путем использования пленок Mo-In, в которых слой молибдена перед конденсацией индия подвергся предварительному отжигу. Температурные зависимости сопротивления R, Ом 300 250 200 150 100 50 0 50 100 150 200 250 300 350 Т, °С Мо Сu Рис. 1. Зависимость сопротивления пленок меди и молибдена от температуры в первом цикле нагрев- охлаждение ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ЛЕГКОПЛАВКОГО КОМПОНЕНТА В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ... 298 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 3, vol. 1, No. 3 таких пленок также обнаруживают скачки, соответствующие плавлению и кристаллиза- ции индия. Отметим, что кристаллизация расплава в данной контактной паре происходит в до- статочно широком интервале температур — около 10 K. Следовательно, в изучаемых пленках не формируется единая система включений, на существование которой указывается в работе [6] для пленок висмута между слоями металлов. Действительно, при растровых электронно-микроскопических ис- следованиях было установлено (рис. 3), что индий в пленах Mo-In после цикла нагрев- охлаждение собирается в отдельные частицы, форма которых близка к сферической. Следующим объектом исследования стали пленки Mo-Sn. Поскольку фазовая диаграмма данной контактной пары имеет сложный вид и для неё характерно наличие различных фаз, формирование которых возможно уже при первом нагреве, вместо трехслойных пленок Mo-Sn-Mo были использованы двухслойные образцы Mo-Sn, в которых слой молибдена перед осаждением олова подвергался от- жигу. На рис. 4 представлены зависимости сопротивления от температуры в пленках Mo-Sn, соответствующие различным ци- клам нагрев-охлаждение. В первом цикле нагрева (рис. 4, кривая а) как на графике нагрева, так и охлаждения имеются скач- ки электросопротивления. Однако оба этих скачка приводят к увеличению сопроти- вления пленки, т. е. происходят в одном на- правлении и соотвественно даже в рамках всего цикла нагрев-охлаждение не являют- ся обратимыми. Кроме того, их величина, особенно при охлаждении, многократно превышает значения, которые следует ожи- дать исходя из модели параллельных про- водников. Соответственно не представляется возможным сопоставить их с плавлением и особенно кристаллизацией легкоплавких включений. Во втором цикле нагрева (рис. 4, кривая б) на графиках имеются достаточно четкие и в целом обратимые скачки сопро- тивления, которые, однако, противоположны по направлению скачкам удельного сопроти- вления олова. По-видимому, такое поведение связано с образованием и возможно распадом R, Ом 154 152 150 148 25 50 75 100 125 150 175 T, °С Tg TS Рис. 2. Сопротивление пленок Mo-In-Mo в зависимос- ти от их температуры Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение пленки молибден-индий R, Ом 78 76 74 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 Т, °С а б ТSTg в Рис. 4. Зависимость сопротивления от температуры для пленок Mo-Sn в первом (а), втором (б) и пятом (в) циклах нагрев-охлаждение С. И. ПЕТРУШЕНКО, С. В. ДУКАРОВ, В. Н. СУХОВ 299ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 3, vol. 1, No. 3 в образцах в течение нескольких первых циклов нагрев-охлаждение различных фаз и твердых растворов. Это сопровождается контактными эффектами, аналогичными тем, которыми в работе [7] объясняются скачки сопротивления в пленках на основе углерода. Переход свободного олова в жид- кое состояние, вероятно, интенсифицирует процесс фазообразования, что объясняет по- явление существенного скачка, температура которого совпадает с температурой плавле- ния олова. В третьем, четвертом и пятом циклах на- грев-охлаждение происходит уменьшение относительной величины скачка, соответ- ствующего температуре плавления олова, и последующее изменение его направления с убывания на рост (рис. 4 кривая в). При этом скачок, наблюдающийся на графиках охлаж- дения, приобретает сложную структуру. Так, при охлаждении вначале наблюдается рост сопротивления, который оканчивается при температуре 133 °C, что совпадает со зна- чением, полученным в предыдущих циклах. За ним следует спад электросопротивления, что соответствует изменению удельного со- противления олова при его кристаллизации. Примерно с пятого цикла характер темпера- турной зависимости электросопротивления качественно перестает меняться от цикла к циклу. Вероятно, лишь начиная с этого цикла мы имеем возможность регистриро- вать собственно плавление и кристаллизацию легкоплавкого компонента в пленках Mo-Sn. Окончание этого участка и полная кристал- лизация олова в пленках происходит при тем- пературе 115 °C. Восходящий участок на кривой охлаж- дения, вероятно, может быть сопоставлен с распадом соединения Mo3Sn, которое соглас- но литературным данным образуется в этой контактной паре перитектическим путем при температуре 300 ± 100 °C [11, 12]. Результаты исследования температур- ной зависимости электросопротивления в трехслойных пленках Cu-In-Cu пред ставлены рис. 5 (кривая а). Как видим, со противление данных образцов после за вер шения отжи- га меди линейно зависит от температуры и не имеет существенных осо бенностей, которые могли бы быть использованы для идентификации тем пе ратуры плавления и кристаллизации легкоплавких включений. Указанная ситуация реализуется до тех пор, пока образцы нагреваются до темпера- тур, несколько выше температуры плавления индия. Однако после нагрева до 350 °C на графиках нагрева и охлаждения начинают наблюдаться обратимые особенности, на- правления которых совпадают с направ- лением скачков удельного сопротивления индия при фазовых переходах. Эти скачки, вероятно, соответствуют плавлению и крис- таллизации индия. Отметим, что соглас- но электронографическим исследованиям (рис. 6) подобный нагрев сопровождается появлением и стабилизацией химического соединения Cu11In9, которое образуется со- гласно [13] при 310 °C и, вероятно, сосредо- точено в зоне контакта индия с окружающей его медью. Соответствующее переохлажде- ние оказывается равно 20 K, что совпадает с величиной, полученной авторами [2, 4] с использованием метода смены механизма конденсации. Вероятно, именно появление R, Ом 8 7 6 5 4 50 100 150 200 Т, °С Тg TS б а Рис. 5. Зависимость сопротивления в циклах нагрев- охлаждение от температуры для пленок Cu-In-Cu до (а) и после (б) нагрева до 350 °C а б Cu11In9 Рис. 6. Электронограммы пленок Cu-In до (а) и после (б) нагрева до 350 °C ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ЛЕГКОПЛАВКОГО КОМПОНЕНТА В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ... 300 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 3, vol. 1, No. 3 на границе индия и меди данного химичес- кого соединения позволяет сделать фазовые переходы наблюдаемыми, однако механизм этого явления требует отдельного изучения. Таким образом, в пленках медь-индий метод измерения электросопротивления, скорее всего, позволяет получить значение пере- охлаждения для индия, находящегося в кон- такте не с медью, а с Cu11In9. Малая величина переохлаждения указывает на хорошее сма- чивание в данной контактной паре. При исследовании переохлаждения в пленках медь-олово установлено следу- ющее. В случае, если массовая концентра- ция олова в меди составляет менее 20 %, электросопротивление при нагреве и охлаж- дении многослойных пленок (за исключени- ем первого цикла нагрева) меняется линейно, и, как и в пленках Cu-In-Cu, не обнаружи- вает никаких особенностей. В первом же цикле нагрева характер изменения сопроти- вления в данной системе напоминает отжиг меди, сопровождается необратимым сниже- нием сопротивления и не содержит иных особенностей. В том же случае, если содержание олова превышает 20 %, то первый цикл нагре- ва сопровождается рядом особенностей на кривых сопротивления, которые вероятно обусловлены образованием в системе новых фаз (рис. 7а). Во время последующих циклов нагрев-охлаждение зависимость сопроти- вления от температуры имеет практически линейный характер, но на ней обнаружива- ются небольшие особенности, направление которых совпадает с направлением скачка удельного сопротивления олова при фазо- вом переходе (рис. 7б). Этот факт, а также обратимый характер этих особенностей позволяет соотнести их с плавлением и кристаллизацией оставшегося несвязан- ного олова. Определенное таким образом значение переохлаждения в пленках Cu-Sn составляет 45 K, что несколько превышает ве- личину ∆T ≈ 35 K, известную из литературы [2, 4]. Отметим, что при нагреве образцов до температуры более 300 °C наблюдается быстрый рост электросопротивления. Потеря проводимости свидетельствует о том, что из- начально сплошная пленка распадается при данной температуре на отдельные островки. Дальнейшее повышение концентрации олова ещё больше стимулирует распад пленок, который происходит уже при температуре плавления олова. Вероятно, такое поведение образцов Cu-Sn можно объяснить следующим. Как следует из [14], при осаждении пленок Cu-Sn путем по- слойной конденсации на подложку комнатной температуры в зоне контакта металлов обра- зуется соединение Cu6Sn5, разделяющее слои меди и олова. Получить чистые интерфейсы медь-олово удается лишь при конденсации образцов на подложки, поддерживаемые при температуре жидкого азота. Поэтому в наших образцах непосредственно после осаждения оставшееся свободное олово на- ходится в контакте не с медью, а с Cu6Sn5. Однако, согласно [14], отжиг образцов при температуре 150°C вызывает постепенный распад Cu6Sn5 с высвобождением свободного олова и образованием Cu3Sn. По-видимому, особенность, обнаруживаемая в первых R, Ом 20 15 10 5 50 100 150 200 250 Т, °С 25 % Sn 10 % Sn а R, Ом 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 100 150 200 250 Т, °С 25 % Sn Tg TS б Рис. 7. Температурная зависимость сопротивления пле нок Cu-Sn в первом (а) и четвертом (б) циклах на- грева С. И. ПЕТРУШЕНКО, С. В. ДУКАРОВ, В. Н. СУХОВ 301ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 3, vol. 1, No. 3 циклах нагрева образцов, содержащих 25 % Sn, обусловлена указанным процессом. Так, согласно [15], при этой температуре при пер- вом нагреве образцов, содержащих Cu6Sn5, на температурной зависимости температур- ного коэффициента расширения имеется протяженная особенность, которая, наря- ду с разницей в удельных сопротивлениях Cu6Sn5, Cu3Sn и чистых компонент, может объяснить изменение электросопротивления, наблюдаемое в наших экспериментах. По- явление в последующих циклах нагрев- охлаждение на температурных зависимостях электросопротивления скачков, идентифици- рующих плавление и кристаллизацию олова, вероятно, можно связать с высвобождением достаточного для регистрации количества олова, которое находится в контакте как с Cu3Sn, так и с медью. Однако, поскольку согласно [16] вследствие конкуренции между Cu3Sn и Cu6Sn5 на границе контакта жидкого олова с медью снова происходит образование интерметаллида Cu6Sn5, которое занимает за- ведомо меньшее время, чем охлаждение об- разца до температуры кристаллизации [17], также в контакте с переохлажденным оловом будет находиться вновь возникшее после распада соединение Cu6Sn5. Таким образом, наблюдаемое в многослойных пленочных системах Cu-Sn переохлаждение легко- плавкого компонента соответствует олову, находящемуся в контакте как с медью, так и с интерметаллическими соединениями. ВЫВОДЫ При помощи исследования зависимости со- противления от температуры в циклах на- грев-охлаждение определены величины переохлаждения при кристаллизации легко- плавкого компонента в пленках Mo-In, Mo- Sn, Cu-In, Cu-Sn. Установлено, что обнаруженная величи- на переохлаждения в пленках Cu-In и Cu-Sn соответствует переохлаждению легкоплавко- го компонента, находящегося в контакте не только с медью, но и с различными химичес- кими соединениями. Показано, что, несмотря на то, что метод регистрации электросопротивления может быть использован для in situ регистрации переохлаждения в системах с различным типом фазовых диаграмм, он оказывается наиболее перспективным для контактных пар с простым характером взаимодействия компонент. REFERENCES 1. Hollomon J. H., Turnbull D. Nucleation // Progress in Metal Physics. — 1953. — Vol. 4. — P. 333–388. 2. Gladkikh N. T., Dukarov S. V., Kryshal O. P., Larin V. I., Sukhov V. N., Bogatyrenko S. I., Poverkhnostnye yavleniya i fazovye prev ra- shcheniya v kondensirovannykh plenkakh (Sur- face Phenomena and Phase Transformations in Condensed Films). — Kharkiv: V. N. Karazin Kharkiv National University, 2004. 3. Gladkikh N. T., Dukarov S. V., Sukhov V. N., Churilov I. G. Condensation mechanism of AgCl and NaCl island films on a nickel substrate // Functional Materials. — 2001. — Vol. 18, No. 4. — P. 529–533. 4. Gladkikh N. T., Dukarov S. V., Sukhov V. N. Supercooling during metal crystallization under conditions close to weightlessness using island vacuum condensates // Zeitschrift fuer Metallkunde. — 1996. — Vol. 87. — P. 233– 239. 5. Gladkikh N. T., Dukarov S. V., Sukhov V. N. Overcooling on metal crystallization in island- like vacuum deposited films // Fizika Metallov i Metallovedenie. — 1994. — Vol. 78, No. 3. — P. 87–93. 6. Petrushenko S. I., Dukarov S. V., Su- khov V. N. Formation and thermal stability of liquid phase in layered film systems // Vacuum. — 2015. — Vol. 122, No. A. — P. 208–214. 7. Petrushenko S. I., Dukarov S. V., Sukhov V. N. Supercooling during crystallization of fusible metal particles in multilayer «carbon-metal- carbon» films // Problems of atomic science and technology. — 2016. — Vol. 4, No. 104. — P. 118–124. 8. Bogatyrenko S. I., Voznyj A. V., Gladkikh N. T., Kryshtal A. P. Supercooling upon crystalliza- tion in layered Al/Bi/Al film system // Fizika Metallov i Metallovedenie. — 2004. — Vol. 97, No. 3. — P. 273–281. 9. Minenkov A. A., Bogatyrenko S. I., Su- khov R. V., Kryshtal A. P. Size dependence of the activation energy of diffusion in multilayer ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ЛЕГКОПЛАВКОГО КОМПОНЕНТА В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ... 302 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 3, vol. 1, No. 3 Cu-Ni films // Physics of the Solid State. — 2014. — Vol. 56, No. 4. — P. 790–793. 10. Bogatyrenko S. I., Gladkikh N. T., Krysh- tal’ A. P., Samsonik A. L., Sukhov V. N. Dif- fusion in nanodisperse layered film systems // Physics of Metals and Metallography. — 2010. — Vol. 109, No. 3. — P. 276–283. 11. Thomas Studnitzky, Rainer Schmid-Fetzer. Phase formation and reaction kinetics in M-Sn systems (M = Zr, Hf, Nb, Ta, Mo) // Zeitschrift für Metallkunde. — 2002. — Vol. 93, No. 9. — P. 894–903. 12. Leo Brewer, Lamoreaux R. H. The Mo-SN (Molybdenum-Tin) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. — 1980. — Vol. 1, No. 2. — P. 96–97. 13. Lyakishev N. P. (ed.). Diagrammy sostoyaniya dvojnykh metallicheskikh sistem: spravochnik (Phase diagrams of binary metallic systems: a handbook). — Moscow: Mashinostroenie, 1996. 14. Tu K. N., Thompson R. D. Kinetics of interfacial reaction in bimetallic Cu-Sn thin films // Acta Metallurgica. — 1982. — Vol. 30, No. 5. — P. 947–952. 15. Mu D., Read J., Yang Y. F., Nogita K. Thermal expansion of Cu6Sn5 and (Cu, Ni)6Sn5 // Journal of Materials Research. — 2011. — Vol. 26, No. 20. — P. 2660–2664. 16. Mua D. K., McDonaldb S. D., Readb J., Hu- ang H., Nogita K. Critical properties of Cu6Sn5 in electronic devices: Recent progress and a review // Current Opinion in Solid State and Materials Science. — 2016. — Vol. 20, No. 2. — P. 55–76. 17. Lord R., Umantsev A. Early stages of soldering reactions // Journal of Applied Physics. — 2005. — Vol. 98, No. 6. — P. 063525–063525- 11.

Переохлаждение при кристаллизации жидкой фазы легкоплавкого компонента в многослойных пленках с различным характером взаимодействия контактных пар

Institution

Ähnliche Einträge