Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке
На основании электронно-микроскопических исследований слоистых пленочных систем
 эвтектического типа Ge-Au построена размерная зависимость температуры кристаллизации
 жидкой фазы эвтектического состава в контакте с аморфной германиевой подложкой. Измеренный угол смачивания и величина...
Saved in:
| Published in: | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98903 |
| 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: | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке / Р.В. Сухов, А.А. Миненков, А.П. Крышталь // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 265–270. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859997887881019392 |
|---|---|
| author | Сухов, Р.В. Миненков, А.А. Крышталь, А.П. |
| author_facet | Сухов, Р.В. Миненков, А.А. Крышталь, А.П. |
| citation_txt | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке / Р.В. Сухов, А.А. Миненков, А.П. Крышталь // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 265–270. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| description | На основании электронно-микроскопических исследований слоистых пленочных систем
эвтектического типа Ge-Au построена размерная зависимость температуры кристаллизации
жидкой фазы эвтектического состава в контакте с аморфной германиевой подложкой. Измеренный угол смачивания и величина переохлаждения жидкой фазы в системе хорошо коррелируют с эмпирической зависимостью величины переохлаждения при кристаллизации от
степени взаимодействия с подложкой.
В результаті електронно-мікроскопічних досліджень шаруватих плівкових систем евтектичного
типу Ge-Au побудована розмірна залежність температури кристалізації рідкої фази евтектичного
складу у контактіз аморфною германієвою підкладкою. Виміряний кут змочування та величина
переохолодження рідкої фази в системі добре узгоджуються з емпіричною залежністю величини
переохолодження при кристалізації від рівня взаємодії з підкладкою.
Size dependence of the crystallization temperature of Ge-Au eutectic in contact with amorphous Ge
substrate has been determined on the basis of electron microscopy studies of Ge-Au layered film systems.
The values of supercooling upon crystallization and wetting angle of liquid phase in Ge-Au
system have been evaluated and compared with empirical dependence available in literature.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:34:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
265
К настоящему времени накоплен значи-
тельный объем теоретических и эксперимен-
тальных данных по фазовым переходам плав-
ление ↔ кристаллизация в однокомпонент-
ных высокодисперсных материалах. Для мно-
гокомпонентных наноразмерных систем, и
для бинарных систем эвтектического типа, в
частности, данных, особенно эксперимента-
льных, о закономерностях плавления и крис-
таллизации в литературе значительно мень-
ше. Это связано, прежде всего, с эксперимен-
тальными трудностями исследований про-
цессов плавления и кристаллизации в таких
системах, а также со сложностью теоретиче-
ского анализа процесса зарождения кристал-
лов в дисперсном расплаве. Необходимо так-
же отметить, что изучение переохлаждения
при кристаллизации важно не только с тео-
ретической точки зрения для понимания яв-
лений зародышеобразования при фазовых
переходах жидкость-кристалл, но и с практи-
ческой – для выяснения влияния кинетики
затвердевания на микроструктуру и, следова-
тельно, свойства металлов и сплавов, выра-
щиваемых из расплавов.
Поэтому, представлялись целесообразны-
ми исследования закономерностей образова-
ния, температурной и размерной устойчивос-
ти переохлажденной жидкой фазы в бинар-
ных системах эвтектического типа, особенно
для наноразмерных пленочных систем.
Весьма эффективным методом определе-
ния величины переохлаждения жидкой фазы
при кристаллизации является метод, основан-
ный на регистрации смены механизма кон-
денсации пар-кристалл/пар-жидкость при
осаждении пленок в вакууме [1]. При этом
известно, что температура смены механизма
конденсации соответствует предельному пе-
реохлаждению жидкой фазы на данной под-
ложке при данных условиях эксперимента
[2]. Также, установлено, что величина переох-
лаждения жидкой фазы при кристаллизации
зависит от степени взаимодействия с подлож-
кой, мерой которой является угол смачивания
расплавом поверхности подложки [3].
В качестве объекта исследований была вы-
брана наноразмерная слоистая пленочная
система Ge-Au, компоненты которой обра-
ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЭВТЕКТИКИ Ge-Au НА
АМОРФНОЙ ГЕРМАНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ
Р.В. Сухов, А.А. Миненков, А.П. Крышталь
Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина
Украина
Поступила в редакцию 10.09.2010
На основании электронно-микроскопических исследований слоистых пленочных систем
эвтектического типа Ge-Au построена размерная зависимость температуры кристаллизации
жидкой фазы эвтектического состава в контакте с аморфной германиевой подложкой. Изме-
ренный угол смачивания и величина переохлаждения жидкой фазы в системе хорошо кор-
релируют с эмпирической зависимостью величины переохлаждения при кристаллизации от
степени взаимодействия с подложкой.
Ключевые слова: кристаллизация, эвтектика, германий, золото, пленка.
В результаті електронно-мікроскопічних досліджень шаруватих плівкових систем евтектичного
типу Ge-Au побудована розмірна залежність температури кристалізації рідкої фази евтектичного
складу у контакті з аморфною германієвою підкладкою. Виміряний кут змочування та величина
переохолодження рідкої фази в системі добре узгоджуються з емпіричною залежністю величини
переохолодження при кристалізації від рівня взаємодії з підкладкою.
Ключові слова: кристалізація, евтектика, германій, золото, плівка.
Size dependence of the crystallization temperature of Ge-Au eutectic in contact with amorphous Ge
substrate has been determined on the basis of electron microscopy studies of Ge-Au layered film sys-
tems. The values of supercooling upon crystallization and wetting angle of liquid phase in Ge-Au
system have been evaluated and compared with empirical dependence available in literature.
Keywords: crystallization, eutectic, germanium, gold, film.
Р.В. Сухов, А.А. Миненков, А.П. Крышталь, 2010
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3266
зуют фазовую диаграмму простого эвтекти-
ческого типа с неограниченной раствори-
мостью компонентов в жидком состоянии
(рис. 1). Эвтектическая точка лежит при
12%вес. Ge и температуре 361 °С. Раствори-
мость германия в золоте в твердом состоянии
при эвтектической температуре составляет
1,17%вес., а при комнатной – менее 0,1%;
растворимость золота в твердом германии
ничтожна [4].
Выбор системы Ge-Au обусловлен следу-
ющим. Во-первых, при достаточно высоких
температурах плавления компонентов (Au –
1064,43 °С и Ge – 938,3 °С) они образуют эв-
тектику с примерно в три раза меньшей тем-
пературой плавления, что существенно облег-
чает эксперименты по изучению фазовых пе-
реходов в методическом плане. Во-вторых,
как отмечено в [5 – 7], пленки германия, полу-
чаемые в вакууме путем термического испа-
рения и конденсации на подложке при ком-
натной температуре, являются аморфными и
формируются сплошными начиная с толщи-
ны в несколько монослоев, что заведомо
обеспечивает контакт на атомарном уровне с
далее конденсируемой пленкой золота. Необ-
ходимо также отметить, что пленки золота,
осаждаемые на аморфные германиевые или
углеродные подложки, растут по механизму
Фольмера-Вебера, и при комнатной темпера-
туре подложки конденсация золота происхо-
дит в кристаллическую фазу [8, 9].
Эксперименты по препарированию образ-
цов проводились в оригинальной вакуумной
установке с безмасляной системой откачки на
основе магниторазрядного насоса НОРД-250.
Для определения температуры смены ме-
ханизма конденсации пар-жидкость/пар-кри-
сталл при конденсации золота на пленку
аморфного германия была проведена следу-
ющая серия экспериментов. На круговую под-
ложку из нержавеющей стали с помощью
специальной маски крепились свежие сколы
монокристаллов KCl. Затем последовательно
конденсировали пленку углерода толщиной
10 – 20 нм из вольтовой дуги, и пленку герма-
ния необходимой толщины. Далее вдоль под-
ложки создавался градиент температуры в ин-
тервале 300 – 100 °С и конденсировалась
пленка Au. Использовались металлы чисто-
той 99.99% термически испаряемые из неза-
висимых источников, причем толщины золо-
та и германия выбирались таким образом, что
соотношение их масс соответствовало эвтек-
тическому составу. Геометрия эксперимента
обеспечивала одинаковую толщину пленоч-
ной системы и эвтектическое соотношение
масс компонентов во всех точках подложки.
Вакуум во время конденсации пленочных
систем составлял не менее 1⋅10–5 Па. Толщина
контролировалась по изменению резонанс-
ной частоты кварцевого резонатора, а темпе-
ратура измерялась с помощью термопар
К-типа. После охлаждения до комнатной тем-
пературы пленочные системы исследовались
в просвечивающем ПЭМ-125К или растро-
вом Jeol JSM-840 электронных микроскопах.
Типичные электронно-микроскопические
снимки таких систем приведены на рис. 2. В
интервале температур подложки, при кото-
рых происходила конденсация по механизму
пар-жидкость (рис. 2А), на снимках присутст-
вуют лишь изолированные островки близкой
к сферической формы. Это указывает на об-
разование в системе Ge Au жидкой фазы, ко-
торая, не смачивая углеродный подслой, соби-
ралась в отдельные сферические капли. Мор-
фология пленочных систем, находившихся на
подложке при температурах ниже температу-
ры смены механизма конденсации, резко от-
личается (рис. 2Б): островки имеют неправи-
льную форму, далекую от сферической.
Соотношение толщин компонентов при
проведении экспериментов выдерживалось
эвтектическим со следующей целью. Дело в
том, что эвтектика Ge Au смачивает аморф-
Рис. 1. Фазовая диаграмма системы Ge-Au [4].
ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЭВТЕКТИКИ Ge-Au НА АМОРФНОЙ ГЕРМАНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ
267
ную германиевую подложку. При этом проек-
ция капель переохлажденной жидкости при
наблюдении в электронном микроскопе (вид
сверху) слабо отличается от проекции частиц,
сформированных на германиевой подложке
по механизму пар-кристалл. Поэтому,
используя морфологический критерий
определить границу смены механизма
конденсации не удается. При эвтектическом
же соотношении толщин конденсируемых
пленок в области температур подложки, в
которой реализуется механизм конденсации
пар-жидкость, все вещество пленки в итоге
переходит в жидкое состояние и собирается
а)
б)
в)
А Б
Рис. 2. Микроснимки пленочных систем Ge-Au эвтектического состава различной массовой толщины при
конденсации по механизму пар-жидкость (А) и пар-кристалл (Б). Толщины пленок Ge/Au a) – 1,25/2,5 нм,
б) – 2,5/5 нм, в) – 15/30 нм.
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3
Р.В. СУХОВ, А.А. МИНЕНКОВ, А.П. КРЫШТАЛЬ
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3268
в сферические капли на несмачиваемом уг-
леродном подслое. При этом в начальный мо-
мент конденсации золота переохлажденная
эвтектика образуется именно на поверхности
пленки германия, т.е. величина переохлажде-
ния эвтектики определяется степенью вза-
имодействия между эвтектикой и германие-
вой подложкой, мерой которой является крае-
вой угол смачивания.
Таким образом, в результате проведенных
экспериментов определена зависимость тем-
пературы кристаллизации эвтектики Ge-Au
в контакте с аморфной германиевой пленкой
при изменении толщины пленочной системы
в диапазоне 2 – 60 нм (рис. 3).
При общей толщине пленочной системы
менее 2 нм, используя морфологический кри-
терий, не удается определить границу смены
механизма конденсации, так как пленочные
системы, сконденсированные как по меха-
низму пар-жидкость, так и по механизму пар-
кристалл, имеют практически одинаковую
морфологию.
Обсуждая полученные результаты нельзя
не отметить (рис. 3) достаточно сильную за-
висимость температуры кристаллизации Tg от
толщины пленочной системы в области ма-
лых размеров, хотя для однокомпонентных
систем установлено, что температура крис-
таллизации практически не зависит от раз-
мера [10]. Это, вероятно, связано с особен-
ностями плавления-кристаллизации в бинар-
ных системах эвтектического типа. Так, в
работе [11] показано, что уже при толщине
∼ 0,2 нм в системе Ge-Au происходит образо-
вание жидкой фазы. Следовательно, при кон-
денсации золота на очень тонкую пленку гер-
мания при формировании жидкой фазы ого-
ляется углеродный подслой, и устойчивость
жидкой фазы при дальнейшей конденсации
золота определяется уже характером ее вза-
имодействия с аморфной углеродной плен-
кой. При увеличении толщины системы по-
степенно происходит переход от случая фор-
мирования эвтектики на несмачиваемой по-
верхности аморфного углерода к случаю фор-
мирования переохлажденной жидкой фазы на
поверхности германия.
В пользу этого также свидетельствуют ве-
личины переохлаждения наблюдаемые в сис-
теме. Так, при больших (более 20 нм) массо-
вых толщинах пленочной системы величина
переохлаждения при кристаллизации жидкой
фазы 60E gT T T∞∆ = − ≈ °. По мере уменьше-
ния толщины величина ∆T увеличивается и
при толщине системы ∼ 3 нм составляет
0,29 ET T ∞∆ ≈ ⋅ . Если принять, что эвтектика
практически не смачивает аморфную угле-
родную подложку, то величина переохлаж-
дения должна стремиться к максимально воз-
можному для всех систем значению
0,4 ET T ∞∆ ≈ ⋅ [12], что и наблюдается экспе-
риментально.
Для описания величины переохлаждения
в системе эвтектика-аморфный германий не-
обходимы данные о величине краевого угла
смачивания. Для его определения на пленку
германия толщиной ~100 нм конденсирова-
лись пленочные системы Ge Au эвтектичес-
кого состава, после чего образцы нагревались
до температуры, несколько превышающей
эвтектическую, и выдерживались при ней
∼ 10 мин. После охлаждения до комнатной
температуры пленочные системы исследова-
лись в растровом электронном микроскопе
JEOL JSM-840. Типичные микроснимки ка-
пель закристаллизовавшейся на поверхности
германия эвтектики приведены на рис. 4.
Угол смачивания определялся по методу
наклонного наблюдения [12]. Усредненное по
более, чем десяти каплям, значение угла сма-
Рис. 3. Зависимость температуры смены механизма
конденсации пар-жидкость/пар-кристалл при конден-
сации Au на слой аморфного Ge Tg (• ) от толщины
пленочной системы эвтектического состава (T∞
Е– эв-
тектическая температура для массивных образцов [4],
∆T – величина переохлаждения).
ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЭВТЕКТИКИ Ge-Au НА АМОРФНОЙ ГЕРМАНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ
269
чивания эвтектикой Ge-Au поверхности
аморфного германия составило 57, что в со-
четании с измеренной величиной переохлаж-
дения ∆T/TE = 61/634,15 ≈ 0,1TE согласуется с
известной эмпирической зависимостью ве-
личины относительного переохлаждения
жидкой фазы при кристаллизации от степени
взаимодействия с подложкой [3].
Таким образом, в результате выполненных
исследований экспериментально построена
размерная зависимость температуры крис-
таллизации эвтектики Ge-Au в контакте с
аморфной германиевой подложкой. Измерен
краевой угол смачивания эвтектикой Ge-Au
поверхности аморфного германия. Резуль-
таты измерений хорошо согласуются с из-
вестной эмпирической зависимостью вели-
чины переохлаждения от степени взаимо-
действия переохлажденной жидкости с подл-
ожкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Палатник Л.С., Комник Ю.Ф. О критической
температуре конденсации Bi, Pb и Sn//Физика
металлов и металловедение. – 1960. – Т. 10. –
С. 632-636.
2. Гладких Н.Т, Ларин В.И., Северин В.М. Вли-
яние условий препарирования на образова-
ние жидкой фазы при конденсации//Кристал-
лография.– 1974. – Т. 19, № 2. – С. 414-417.
3. Gladkich N.T., Dukarov S.V., Sukhov V.N. Su-
percooling during metal crystallization under
conditions close to weightlessness using island
vacuum condensates//Zeitschrift fьr Metallkun-
de. – 1996. – Vol. 87, № 3. – Р. 233-239.
4. Oksmoto H. Phase diagrams for binary alloys. –
USA: ASM International, 2000. – 828 p.
5. Палатник Л.С., Папиров И.И. Ориентирован-
ная кристаллография. – М.: Металлургия,
1964. – 408 c.
6. Крышталь А.П., Гладких Н.Т., Сухов Р.В. и
др. Переохлаждение при кристаллизации
пленок висмута на германиевой подложке//
Рис. 4. Микроснимки капель эвтектики Ge-Au на подложке аморфного германия под углом 75° к оптической
оси микроскопа.
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3
Р.В. СУХОВ, А.А. МИНЕНКОВ, А.П. КРЫШТАЛЬ
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3270
Адгезия расплавов и пайка материалов. –
2007. – Вып. 40. – С. 55-62.
7. Бардамид А.Ф. Структура пленок аморфного
германия. Дисс. канд. физ.–мат. наук:
01.04.10. – К.:, 1984. – 149 с.
8. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок.
– М.: Атомиздат, 1979. – 264 с.
9. Li Z.Y., Young N.P., Di Vece M. et. al. Three-di-
mensional atomic-scale structure of size-selected
gold nanoclusters//Nature. – 2008. – Vol. 451,
№ 3. – P. 46-49.
10. Gladkikh N.T., Larin V.I., Maiboroda S.A.. In-
fluence of size on the supercooling in the crys-
tallization of small particles in Bismuth island
films//Сryst. Res. Technol. – 1994. – Vol. 29. –
P. 51-59.
11. Крышталь А.П., Сухов Р.В., Гладких Н.Т. Раз-
мерный эффект контактного плавления в сло-
истой пленочной системе Ge/Au//Материалы
9-ой Международной конференции “Физи-
ческие явления в твердых телах”. – Харьков:
ХНУ им. В.Н. Каразина. – 2009. – С. 116.
12. Гладких Н.Т., Дукаров С.В., Крышталь А.П и
др. Поверхностные явления и фазовые прев-
ращения в конденсированных пленках/Под
ред. проф. Н.Т. Гладких. – Харьков: ХНУ им.
В.Н. Каразина, 2004. – 276 с.
ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЭВТЕКТИКИ Ge-Au НА АМОРФНОЙ ГЕРМАНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98903 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:34:58Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сухов, Р.В. Миненков, А.А. Крышталь, А.П. 2016-04-19T13:30:00Z 2016-04-19T13:30:00Z 2010 Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке / Р.В. Сухов, А.А. Миненков, А.П. Крышталь // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 265–270. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98903 На основании электронно-микроскопических исследований слоистых пленочных систем
 эвтектического типа Ge-Au построена размерная зависимость температуры кристаллизации
 жидкой фазы эвтектического состава в контакте с аморфной германиевой подложкой. Измеренный угол смачивания и величина переохлаждения жидкой фазы в системе хорошо коррелируют с эмпирической зависимостью величины переохлаждения при кристаллизации от
 степени взаимодействия с подложкой. В результаті електронно-мікроскопічних досліджень шаруватих плівкових систем евтектичного
 типу Ge-Au побудована розмірна залежність температури кристалізації рідкої фази евтектичного
 складу у контактіз аморфною германієвою підкладкою. Виміряний кут змочування та величина
 переохолодження рідкої фази в системі добре узгоджуються з емпіричною залежністю величини
 переохолодження при кристалізації від рівня взаємодії з підкладкою. Size dependence of the crystallization temperature of Ge-Au eutectic in contact with amorphous Ge
 substrate has been determined on the basis of electron microscopy studies of Ge-Au layered film systems.
 The values of supercooling upon crystallization and wetting angle of liquid phase in Ge-Au
 system have been evaluated and compared with empirical dependence available in literature. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке Article published earlier |
| spellingShingle | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке Сухов, Р.В. Миненков, А.А. Крышталь, А.П. |
| title | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке |
| title_full | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке |
| title_fullStr | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке |
| title_full_unstemmed | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке |
| title_short | Переохлаждение при кристаллизации эвтектики Ge-Au на аморфной германиевой подложке |
| title_sort | переохлаждение при кристаллизации эвтектики ge-au на аморфной германиевой подложке |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98903 |
| work_keys_str_mv | AT suhovrv pereohlaždenieprikristallizaciiévtektikigeaunaamorfnoigermanievoipodložke AT minenkovaa pereohlaždenieprikristallizaciiévtektikigeaunaamorfnoigermanievoipodložke AT kryštalʹap pereohlaždenieprikristallizaciiévtektikigeaunaamorfnoigermanievoipodložke |