Фазовые превращения под давлением при индентировании

Приведен обзор работ по фазовому превращению под давлением при индентировании (ФПИ). ФПИ наблюдается в кристаллах с решеткой алмаза и в ряде керамических материалов при условии, что твердость по Мейеру (НМ) больше критического давления фазового перехода Рс. При наличии ФПИ вокруг индентора находится...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Физика и техника высоких давлений
Date:2011
Main Author: Мильман Ю.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2011
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69408
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Фазовые превращения под давлением при индентировании / Ю.В. Мильман // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 7-13. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859639640844140544
author Мильман Ю.В.
author_facet Мильман Ю.В.
citation_txt Фазовые превращения под давлением при индентировании / Ю.В. Мильман // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 7-13. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Физика и техника высоких давлений
description Приведен обзор работ по фазовому превращению под давлением при индентировании (ФПИ). ФПИ наблюдается в кристаллах с решеткой алмаза и в ряде керамических материалов при условии, что твердость по Мейеру (НМ) больше критического давления фазового перехода Рс. При наличии ФПИ вокруг индентора находится тонкий слой металлической фазы с высокой электропроводностью. Явление ФПИ обнаружено и изучено в большом количестве исследований, включая методы электросопротивления, просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) и рамановскую спектроскопию; интенсивно исследуется методом наноиндентирования; обнаружено также при пробивании керамических мишеней баллистическим ударником. ФПИ рассматривается как эффективный и простой метод изучения фазовых превращений под давлением. Наведено огляд праць, присвячених фазовому перетворенню під тиском при індентуванні (ФПІ). ФПІ спостерігається у кристалах з граткою алмазу та в деяких керамічних матеріалах при умові, що твердість по Мейєру (НМ) більша, ніж критичний тиск фазового перетворення Рс. При наявності ФПІ навкруги індентора знаходиться тонкий шар металічної фази з високою електропровідністю. ФПІ знайдено та вивчено у великій кількості досліджень, що включають методи просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ) та раманівську спектроскопію; інтенсивно досліджується методом наноіндентування; знайдено також при пробиванні керамічних мішеней балістичним ударником. ФПІ розглядається як ефективний та простий метод дослідження фазових перетворень під тиском. Review of the works devoted to phase transformation under pressure during indentation (PTI) is given. PTI is observed in crystals with diamond structure and some ceramics if Meyer hardness (MH) is larger than the critical phase transition pressure Pc. At PTI there is a thin layer of metallic phase with high electroconductivity around indenter. PTI was discovered and investigated in many works including methods of electric resistivity, Raman spectroscopy and TEM. PTI is investigated by nanoindentation intensively; it was also discovered during impact loading of ceramic materials by kinetic energy projectile. PTI is considered to be an effective and simple method for investigation of phase transformation under pressure.
first_indexed 2025-12-07T13:20:14Z
format Article
fulltext Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1 © Ю.В. Мильман, 2011 PACS: 64.70.K–, 81.30.–t, 62.50.–p, 81.40.Vw, 62.20.Qp Ю.В. Мильман ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины ул. Кржижановского, 3, г. Киев-142, 03680, Украина E-mail: milman@ipms.kiev.ua Приведен обзор работ по фазовому превращению под давлением при индентирова- нии (ФПИ). ФПИ наблюдается в кристаллах с решеткой алмаза и в ряде керамиче- ских материалов при условии, что твердость по Мейеру (НМ) больше критическо- го давления фазового перехода Рс. При наличии ФПИ вокруг индентора находится тонкий слой металлической фазы с высокой электропроводностью. Явление ФПИ обнаружено и изучено в большом количестве исследований, включая методы элек- тросопротивления, просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) и раманов- скую спектроскопию; интенсивно исследуется методом наноиндентирования; об- наружено также при пробивании керамических мишеней баллистическим ударни- ком. ФПИ рассматривается как эффективный и простой метод изучения фазовых превращений под давлением. Ключевые слова: фазовые превращения под давлением, индентирование, рама- новская спектроскопия, кремний, алмаз 1. Температурная зависимость твердости в кристаллах с решеткой алмаза Впервые ФПИ было описано в работе [1]. Ранее, при изучении темпера- турной зависимости твердости монокристаллических полупроводников (Si, Ge, InSb и алмаза) было обнаружено, что при снижении температуры на- блюдается резкий рост твердости, как и в других кристаллах со значитель- ной ковалентной составляющей в межатомной связи. Однако при некоторой критической температуре рост твердости прекращается, и вплоть до 0 на- блюдается практически атермический участок [2,3]. Имеющиеся результаты по температурной зависимости твердости кристаллов с решеткой алмаза обобщены в работе [1] (рис. 1). Известно, что обычно твердость пропорциональна критическому напря- жению сдвига τc, а τc в ковалентных кристаллах с высоким напряжением Пайерлса–Набарро в соответствии с теоретическими представлениями должно резко и монотонно возрастать при снижении температуры. Атерми- Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1 8 ческий участок твердости не соот- ветствует существовавшим пред- ставлениям о дислокационном меха- низме деформации. Оказалось, что твердость на атер- мических участках примерно совпа- дала с давлением фазового перехода полупроводник → металл (переход из решетки алмаза в более плотно- упакованную фазу β-олова). В усло- виях чисто гидростатического сжа- тия переход полупроводник → ме- талл в кремнии начинался при дав- лении Рс = 11.3 GPa и завершался при 12.5 GPa, тогда как на атермиче- ском участке НМ ≈ 11 GPa. Хорошее совпадение HM на атермическом участке и Рc фазового перехода наблюдалось также для Ge и InSb. Это и дало основание предположить, что на атермическом участке на первых стадиях внедрения индентора давление под индентором превышает давление фазового перехода Рс и происходит переход полупроводник → металл. Индентор вне- дряется в более мягкую металлическую фазу, размер отпечатка растет, а дав- ление, измеряемое отношением нагрузки на индентор P к площади отпечатка S, падает до тех пор, пока не сравняется с давлением фазового перехода. Результаты работ [1–4] вызвали значительный интерес и дискуссию в литературе. Так, в [5] была изучена температурная зависимость нанотвер- дости кремния (разрушение при этом дает минимальный вклад), и результа- ты подтвердили наличие атермиче- ского участка в том же температур- ном интервале. В то же время на тем- пературной зависимости критическо- го напряжения сдвига атермический участок отсутствовал (рис. 2). Таким образом, твердость на атер- мическом участке соответствует дав- лению фазового перехода Рс, а не τс. Фазовое превращение под давлением при индентировании возможно при условии, что Рс < HM. Так, в GaAs, где Рс > НМ, фазовое превращение Рис. 1. Температурная зависимость микротвердости для кристаллов со структурой алмаза: Si ( ) и Ge (×) (111); InSb ( ) (111) [4]; GaAs, легированный Te, n-тип (○) (111); алмаз (●) (100) [1] Рис. 2. Микротвердость HV (- - -) [1], нанотвердость Н (–––) [5] и критиче- ское напряжение сдвига τc (– · – · –) [6,7] для кремния в зависимости от температуры испытания [5] Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1 9 при индентировании отсутствует. Фазовый переход при индентировании кристаллов с решеткой алмаза подтвержден в [8–11] и других работах. Для объяснения характера температурной зависимости твердости, при- веденной на рис. 1, были также разработаны модели туннелирования дис- локаций через потенциальные барьеры Пайерлса [3,12]. Подобное движе- ние дислокаций в ковалентных кристаллах представлялось возможным в связи с тем, что барьеры Пайерлса имеют большую высоту и малую ши- рину в ковалентных кристаллах. Дислокации в квантовомеханических теориях туннелирования рассматриваются как квазичастицы. При некото- рых значениях параметров эти теории позволяли связать наличие атерми- ческого участка на кривой H(Т) (см. рис. 1, 2) с процессом туннелирова- ния дислокаций. Однако данное представление не коррелирует с резкой температурной зависимостью критического напряжения сдвига (рис. 2), тогда как ФПИ адекватно соответствует имеющимся экспериментальным результатам. 2. Электрическое сопротивление при индентировании кремния Авторы [1] предположили, что если индентирование кремния сопро- вождается фазовым переходом в металлическую фазу, то к моменту оста- новки индентора вокруг него должен находиться тонкий металлический слой (рис. 3). Впоследствии такая структура отпечатка была подтвержде- на методом ТЕМ [13]. Удельное электросопротивление высоко- омного полупроводникового кремния при- мерно на 8 порядков превышает его сопротив- ление в металлической фазе. Поэтому в [1] методом электросопротивления удалось под- твердить фазовый переход при микроинден- тировании в кремнии, несмотря на малый раз- мер отпечатка микротвердости. К пластинке кремния сечением 4 × 5 mm и длиной 10 mm были приварены омические контакты в виде медных проволочек с золотой подложкой. Со- противление образца при этом было высоким R = 23 kΩ. На полированную поверхность образца был нанесен тонкий слой меди с дорожкой шириной b = 7 μm (рис. 4). Электросопротивление при этом существенно снизилось. Если при инден- тировании алмазным индентором Виккерса дорожка перекрывалась, то элек- тросопротивление образца дополнительно снижалось на величину ΔR = 1–2 Ω (рис. 4). Снижение электросопротивления было объяснено как следствие на- личия под индентором слоя металлического кремния. По величине ΔR сред- няя толщина слоя была оценена в 50 nm, что оказалось близким к результа- там, полученным позднее методом ТЕМ [5,13]. Рис. 3. Схема формирования металлического слоя в процес- се индентирования кремния Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1 10 Рис. 4. Изменение электрического сопротивления образца R в процессе экспери- мента. Схемы поверхности образца и эквивалентные электрические схемы приве- дены под кривой [1]: 1 – исходное состояние; 2 – слой Cu (δ = 0.2 μm) наносится на образец; 3 – в слое Cu делается прорезь шириной b = 7 μm; 4 – в прорезь вводится индентор при нагрузке Р = N; 5 – снятие нагрузки, Р = 0 3. Структура отпечатка твердости Фазовый переход при индентировании полупроводниковых кристаллов, ал- маза и керамики был подтвержден в большом количестве исследований, вклю- чая прямые исследования методом ТЕМ. Так, в [5] тонкие фольги для исследо- вания были приготовлены параллельно плоскости образца. Методом электрон- ной микродифракции не удалось выявить линии β-фазы, но было обнаружено гало, соответствующее аморфному алмазу так же, как и в [8,14,15]. В [13] пленки для ТЕМ были приготовлены в поперечном к плоскости образца сечении. Форма слоя, в котором произошло фазовое превращение, была хорошо выявлена и оказалась подобной приведенной на рис. 2. Была показана высокая пластичность новой фазы, поскольку она затекала в мик- ротрещины, образовавшиеся при индентировании. Такая пластичность при- суща, вероятно, только металлической фазе. Значительные успехи в изучении фазового состава отпечатков твердости в кристаллах с решеткой алмаза были достигнуты методом рамановской спектроскопии [11,16,17]. Было показано, что в Si и Ge под индентором об- разуются сначала металлические фазы высокого давления, а в последующем в зависимости от условий индентирования и, главное, от скорости разгруже- ния индентора формируются кристаллические, нанокристаллические и аморфные фазы. Последние формируются обычно при больших скоростях разгружения, когда перекристаллизация затруднена. 4. Фазовый переход при индентировании алмаза Тщательное изучение температурной зависимости твердости в [18] не вы- явило низкотемпературного атермического участка на зависимости HM(Т). Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1 11 Однако в [18] было показано, что в алмазе при низких температурах не со- блюдается линейная зависимость между средним контактным давлением P и величиной НМ. Участок, близкий к атермическому, наблюдали на зависимо- сти P(Т) при температурах ниже 900 K. В [18] с целью обнаружения фазово- го перехода алмаз–металл исследовали электросопротивление алмаза под индентором по описанной выше методике [1] (см. рис. 4). Измерения прово- дили с помощью индентора Кнуппа, электропроводную пленку алюминия с зазором шириной 5 μm наносили методом фотолитографии. При вдавлива- нии индентора было зарегистрировано скачкообразное снижение электросо- противления от уровня (8–9)⋅1011 Ω до значения 2⋅1011 Ω. При снятии на- грузки сопротивление скачком возвращалось к исходному значению. Полу- ченные результаты качественно полностью совпадают с результатами для кремния [1] и алмаза [19] (по сжатию алмазного порошка между наковаль- нями), которые интерпретировались как доказательство фазового перехода в металлическое состояние при контактных давлениях порядка 100 GPa. Следовательно, в случаях как Ge и Si, так и алмаза вдавливание инденто- ра сопровождается фазовым переходом из решетки алмаза в металлическую. Этот переход и связанное с ним изменение условий деформации должны существенно изменять вид зависимости P(Т). Поскольку уровень контакт- ных давлений P в алмазе при этом очень высок и отсутствует линейная связь между P и НМ, то даже малым изменениям Р (в результате легирования, структурных дефектов, развития процессов пластической деформации) мо- гут соответствовать большие изменения НМ, что и наблюдалось экспери- ментально. В [16,17] ФПИ алмаза был изучен методом рамановской спектроскопии. После разгрузки индентора был четко зафиксирован фазовый переход алма- за в графит. Авторы предполагают, что это превращение может происходить через металлическую фазу. С таким предположением согласуются описан- ные выше результаты по измерению электросопротивления при индентиро- вании. Особенно быстро в последние годы развивается исследование процесса фазового перехода при наноиндентировании с записью кривой нагрузка P–перемещение индентора h [20]. Фазовое превращение было обнаружено также при пробивании керамиче- ских мишеней баллистическим ударником (процесс во многом подобный индентированию) [21]. В этом процессе фазовый переход может быть эф- фективной модой поглощения энергии. ФПИ является простым и эффективным методом изучения фазовых пре- вращений под давлением. В то же время оно, как нам представляется, может найти интересное применение в полупроводниковой технике, а также для облегчения обработки сверхтвердых материалов. Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1 12 1. I.V. Gridneva, Yu.V. Milman, I.V. Trefilov, Phys. Status Solidi A14, 177 (1972). 2. Ю.В. Мильман, В.И. Трефилов, ДАН СССР 153, 824 (1963). 3. В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, Вопросы физики металлов и металловедения 17, 45 (1963). 4. И.В. Гриднева, Ю.В. Мильман, В.И. Трефилов, С.И. Чугунова, Физика и химия обработки материалов № 5, 95 (1969). 5. T. Suzuki, T. Ohmura, Phil. Mag. A74, 1073 (1996). 6. J. Castaing, P. Veyssiere, L.P. Kubin, and J. Rabier, Phil. Mag. A44, 1407 (1981). 7. J.P. Michel, M. Omri, A. Oueldennaoua, and A. George, Scripta metall. 16, 677 (1982). 8. D.R. Clarke, M.C. Kroll, P.D. Kirchner, R.F. Cook, and B.J. Hockey, Phys. Rev. Lett. 60, 2156 (1988). 9. M.M.O. Khayyat, D.G. Hasko, M.M. Chaudri, J. Appl. Phys. 101, 083515 (2007). 10. G.M. Pharr, W.C. Oliver, D.R. Clarke, Scripta metall. 23, 1949 (1990); J. Electron Mater. 19, 881 (1990). 11. A. Kailer, K.G. Nickel, Yu.G. Gogotsi, J. Raman Spectrosc. 30, 939 (1999). 12. J.J. Gilman, J. Appl. Phys. 39, 6068 (1968). 13. S.J. Lloyd, A. Castellero, F. Giuliani et al., Proc. Roy. Soc. A461, 2521 (2005). 14. D.L. Callahan, J.C. Morris, J. Mater. Res. 7, 1614 (1992). 15. T.F. Page, W.C. Oliver, C.J. Mchargue, J. Mater. Res. 7, 450 (1992). 16. Yu.G. Gogotsi, A. Kailer, K.G. Nickel, J. Appl. Phys. 84, 1299 (1998). 17. Yu.G. Gogotsi, A. Kailer, K.G. Nickel, Nature 401, 663 (1999). 18. О.Н. Григорьев, Ю.В. Мильман, В.И. Трефилов, в кн.: Элементарные процессы пластической деформации кристаллов, Наукова думка, Киев (1978). 19. T. Evans, J. Sykes, Phil. Mag. 29, 135 (1974). 20. Н.В. Новиков, С.Н. Дуб, Ю.В. Мильман, И.В. Гриднева, С.И. Чугунова, Сверх- твердые материалы № 3, 36 (1996). 21. Yu.V. Milman, S.I. Chugunova, I.I. Timofeeva, Int. J. Impact Eng. 26, 533 (2001). Ю.В. Мільман ФАЗОВІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ПІД ТИСКОМ ПРИ ІНДЕНТУВАННІ Наведено огляд праць, присвячених фазовому перетворенню під тиском при індентуванні (ФПІ). ФПІ спостерігається у кристалах з граткою алмазу та в деяких керамічних матеріалах при умові, що твердість по Мейєру (НМ) більша, ніж кри- тичний тиск фазового перетворення Рс. При наявності ФПІ навкруги індентора зна- ходиться тонкий шар металічної фази з високою електропровідністю. ФПІ знайдено та вивчено у великій кількості досліджень, що включають методи просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ) та раманівську спектроскопію; інтенсивно досліджується методом наноіндентування; знайдено також при пробиванні ке- рамічних мішеней балістичним ударником. ФПІ розглядається як ефективний та простий метод дослідження фазових перетворень під тиском. Ключові слова: фазові перетворення під тиском, індентування, раманівська спек- троскопія, кремній, алмаз Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1 13 Yu.V. Milman PHASE TRANSFORMATIONS UNDER PRESSURE DURING INDENTATION Review of the works devoted to phase transformation under pressure during indentation (PTI) is given. PTI is observed in crystals with diamond structure and some ceramics if Meyer hardness (MH) is larger than the critical phase transition pressure Pc. At PTI there is a thin layer of metallic phase with high electroconductivity around indenter. PTI was discovered and investigated in many works including methods of electric resistivity, Ra- man spectroscopy and TEM. PTI is investigated by nanoindentation intensively; it was also discovered during impact loading of ceramic materials by kinetic energy projectile. PTI is considered to be an effective and simple method for investigation of phase trans- formation under pressure. Keywords: phase transformations under pressure, indentation, Raman spectroscopy, sili- con, diamond Fig. 1. Microhardness-temperature dependence for diamond-structure crystals: Si ( ) and Ge (×) (111); InSb ( ) (111) [4]; GaAs Te-doped, n-type (○) (111); diamond (●) (100) [1] Fig. 2. Microhardness HV (- - -) [1], nanohardness Н (–––) [5] and critical shear stress τc (– · – · –) [6,7] against T for silicon [5] Fig. 3. Scheme of metallic layer formation during indentation of silicon Fig. 4. Alteration of the electrical resistance of sample R during the experiment. Schemes of the sample surface and the equivalent electric circuits are given under the curve [1]: 1 – initial state; 2 – Cu layer (δ = 0.2 μm) is deposited on the sample; 3 – a slit b = 7 μm of width is scratched in the Cu layer; 4 – indenter with P = N load is pressed onto the slit; 5 – load is removed, P = 0
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69408
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0868-5924
language Russian
last_indexed 2025-12-07T13:20:14Z
publishDate 2011
publisher Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
record_format dspace
spelling Мильман Ю.В.
2014-10-12T18:19:41Z
2014-10-12T18:19:41Z
2011
Фазовые превращения под давлением при индентировании / Ю.В. Мильман // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 7-13. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
0868-5924
PACS: 64.70.K–, 81.30.–t, 62.50.–p, 81.40.Vw, 62.20.Qp
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69408
Приведен обзор работ по фазовому превращению под давлением при индентировании (ФПИ). ФПИ наблюдается в кристаллах с решеткой алмаза и в ряде керамических материалов при условии, что твердость по Мейеру (НМ) больше критического давления фазового перехода Рс. При наличии ФПИ вокруг индентора находится тонкий слой металлической фазы с высокой электропроводностью. Явление ФПИ обнаружено и изучено в большом количестве исследований, включая методы электросопротивления, просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) и рамановскую спектроскопию; интенсивно исследуется методом наноиндентирования; обнаружено также при пробивании керамических мишеней баллистическим ударником. ФПИ рассматривается как эффективный и простой метод изучения фазовых превращений под давлением.
Наведено огляд праць, присвячених фазовому перетворенню під тиском при індентуванні (ФПІ). ФПІ спостерігається у кристалах з граткою алмазу та в деяких керамічних матеріалах при умові, що твердість по Мейєру (НМ) більша, ніж критичний тиск фазового перетворення Рс. При наявності ФПІ навкруги індентора знаходиться тонкий шар металічної фази з високою електропровідністю. ФПІ знайдено та вивчено у великій кількості досліджень, що включають методи просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ) та раманівську спектроскопію; інтенсивно досліджується методом наноіндентування; знайдено також при пробиванні керамічних мішеней балістичним ударником. ФПІ розглядається як ефективний та простий метод дослідження фазових перетворень під тиском.
Review of the works devoted to phase transformation under pressure during indentation (PTI) is given. PTI is observed in crystals with diamond structure and some ceramics if Meyer hardness (MH) is larger than the critical phase transition pressure Pc. At PTI there is a thin layer of metallic phase with high electroconductivity around indenter. PTI was discovered and investigated in many works including methods of electric resistivity, Raman spectroscopy and TEM. PTI is investigated by nanoindentation intensively; it was also discovered during impact loading of ceramic materials by kinetic energy projectile. PTI is considered to be an effective and simple method for investigation of phase transformation under pressure.
ru
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
Физика и техника высоких давлений
Фазовые превращения под давлением при индентировании
Фазові перетворення під тиском при індентуванні
Phase transformations under pressure during indentation
Article
published earlier
spellingShingle Фазовые превращения под давлением при индентировании
Мильман Ю.В.
title Фазовые превращения под давлением при индентировании
title_alt Фазові перетворення під тиском при індентуванні
Phase transformations under pressure during indentation
title_full Фазовые превращения под давлением при индентировании
title_fullStr Фазовые превращения под давлением при индентировании
title_full_unstemmed Фазовые превращения под давлением при индентировании
title_short Фазовые превращения под давлением при индентировании
title_sort фазовые превращения под давлением при индентировании
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69408
work_keys_str_mv AT milʹmanûv fazovyeprevraŝeniâpoddavleniempriindentirovanii
AT milʹmanûv fazovíperetvorennâpídtiskompriíndentuvanní
AT milʹmanûv phasetransformationsunderpressureduringindentation