Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу
Materials based on silicon are widely used in energy, electronic devices, solar cells, optoelectronics, and the electronics industry. A current challenge is the controlled use of these materials in technologies under mechanical loads, radiation, and magnetic fields. The aim of the study is to invest...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/805 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543970918662144 |
|---|---|
| author | Krit, O.M. Shirinyan, A.S. Marynchenko, L.V. Nizhelska, O.I. |
| author_facet | Krit, O.M. Shirinyan, A.S. Marynchenko, L.V. Nizhelska, O.I. |
| author_sort | Krit, O.M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-09-14T10:18:51Z |
| description | Materials based on silicon are widely used in energy, electronic devices, solar cells, optoelectronics, and the electronics industry. A current challenge is the controlled use of these materials in technologies under mechanical loads, radiation, and magnetic fields. The aim of the study is to investigate the change in the surface texture of silicon under the influence of a magnetic field and high-temperature plastic deformation using fractal analysis.
The material for the study consisted of n-Si monocrystalline silicon wafers grown by the Czochralski method (Si-CZ), with controlled damage applied to the surface using a diamond indenter. The study employed a method to investigate dislocation movement in silicon single crystals under high-temperature plastic deformation. The experimental technique combines several materials science methods: deformation by the four-point bending test, annealing, chemical etching, and microscopy. In addition to high-temperature plastic deformation, silicon was treated in a magnetic field. The sample was placed between the poles of an electromagnet to create a magnetic field. The magnetic induction vector was perpendicular to the induced scratch.
The analysis and description technique combines visual observation of photographs and fractal analysis of microimages of the chemically etched surface of silicon. Within the framework of fractal analysis, fractal dimension and lacunarity indicators were determined, which describe the unevenness and complexity of the dislocation structure of the surface. The obtained images revealed numerous dislocation exits on the surface located around the artificially created scratch, as well as changes in the surface texture.
Magnetic treatment leads to the segregation of silicon atoms and impurities at the surface and the formation of a granular structure on the wafer surface. In this case, the fractality of the surface of the samples increases, while lacunarity decreases. It has been shown that under the influence of a weak magnetic field, the stabilization or blocking of the movement of already existing dislocations is possible. After turning off the field, the energy in the system is insufficient for these defects to activate and begin to move even after a second round of annealing and load. This behaviour allows for the use of sample treatment in a magnetic field to obtain defect-free silicon structures. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:53Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-805 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-09-24T17:46:02Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-8052025-09-14T10:18:51Z Assessment of changes in the texture of the silicon surface under the influence of a magnetic field and high-temperature plastic deformation using fractal analysis Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу Krit, O.M. Shirinyan, A.S. Marynchenko, L.V. Nizhelska, O.I. single-crystal silicon energy microelectronics technology surface texture for biochips magnetic field high-temperature deformation etching pits dislocations fractal analysis impurities microimages монокристалічний кремній енергетика технологія мікроелектроніки текстура поверхні для біочипів магнітне поле високотемпературна деформація ямки травлення дислокації фрактальний аналіз домішки мікрозображення Materials based on silicon are widely used in energy, electronic devices, solar cells, optoelectronics, and the electronics industry. A current challenge is the controlled use of these materials in technologies under mechanical loads, radiation, and magnetic fields. The aim of the study is to investigate the change in the surface texture of silicon under the influence of a magnetic field and high-temperature plastic deformation using fractal analysis. The material for the study consisted of n-Si monocrystalline silicon wafers grown by the Czochralski method (Si-CZ), with controlled damage applied to the surface using a diamond indenter. The study employed a method to investigate dislocation movement in silicon single crystals under high-temperature plastic deformation. The experimental technique combines several materials science methods: deformation by the four-point bending test, annealing, chemical etching, and microscopy. In addition to high-temperature plastic deformation, silicon was treated in a magnetic field. The sample was placed between the poles of an electromagnet to create a magnetic field. The magnetic induction vector was perpendicular to the induced scratch. The analysis and description technique combines visual observation of photographs and fractal analysis of microimages of the chemically etched surface of silicon. Within the framework of fractal analysis, fractal dimension and lacunarity indicators were determined, which describe the unevenness and complexity of the dislocation structure of the surface. The obtained images revealed numerous dislocation exits on the surface located around the artificially created scratch, as well as changes in the surface texture. Magnetic treatment leads to the segregation of silicon atoms and impurities at the surface and the formation of a granular structure on the wafer surface. In this case, the fractality of the surface of the samples increases, while lacunarity decreases. It has been shown that under the influence of a weak magnetic field, the stabilization or blocking of the movement of already existing dislocations is possible. After turning off the field, the energy in the system is insufficient for these defects to activate and begin to move even after a second round of annealing and load. This behaviour allows for the use of sample treatment in a magnetic field to obtain defect-free silicon structures. Матеріали на основі кремнію знаходять широке застосування в енергетиці, електронних пристроях та сонячних елементах, оптоелектричній та електронній промисловості. Актуальною проблемою є контрольоване використання цих матеріалів в технологіях за наявності механічних навантажень, опромінення і магнітних полів (МП). Мета роботи полягає у дослідженні зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу. Матеріалом дослідження слугували пластинки монокристалічного кремнію n-Si, вирощені методом Чохральського (Si-CZ), і на поверхні яких було нанесено контрольоване пошкодження за допомогою алмазного індентора. У роботі застосовано метод вивчення руху дислокацій у монокристалах кремнію під дією високотемпературної пластичної деформації. Техніка експерименту поєднує кілька методів матеріалознавства: деформацію за методом чотириопорного вигину, відпал, хімічне травлення та мікроскопію. Поряд з високотемпературною пластичною деформацією здійснювалася обробка кремнію в магнітному полі. Дослідний зразок розташовували між полюсами електромагніта для створення магнітного поля. Вектор магнітної індукції був перпендикулярний нанесеній подряпині. Техніка аналізу і опису поєднує візуальне спостереження та фрактальний аналіз мікрозображень хімічно протравленої поверхні кремнію. В рамках фрактального аналізу визначались показники фрактальної розмірності та лакунарності, які вказують на нерівномірність та складність текстури поверхні пластин. На отриманих зображеннях було видно численні виходи дислокацій на поверхню, які розташовані в околі штучно створеної подряпини, та зміни текстури поверхні. Магнітна обробка приводить до сегрегації атомів кремнію та домішок і утворення зернистої текстури на поверхні пластини, фрактальність поверхі зразків в такому разі збільшується, а лакунарність зменшується. Показано, що під дією слабкого магнітного поля можлива стабілізація або блокування руху вже існуючих дислокацій. Після відключення поля енергія в системі недостатня, щоб ці дефекти активувалися та почали рух навіть після другого відпалу і навантаження. Така поведінка дає змогу використовувати обробку зразків кремнію в МП для отримання бездефектних кремнієвих структур. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-08-28 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/805 10.15407/hftp16.03.339 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 16 No. 3 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 339-347 Химия, физика и технология поверхности; Том 16 № 3 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 339-347 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 16 № 3 (2025): Хімія, фізика та технологія поверхні; 339-347 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp16.03 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/805/804 Copyright (c) 2025 O.M. Krit, A.S. Shirinyan, L.V. Marynchenko, O.I. Nizhelska https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | монокристалічний кремній енергетика технологія мікроелектроніки текстура поверхні для біочипів магнітне поле високотемпературна деформація ямки травлення дислокації фрактальний аналіз домішки мікрозображення Krit, O.M. Shirinyan, A.S. Marynchenko, L.V. Nizhelska, O.I. Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу |
| title | Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу |
| title_alt | Assessment of changes in the texture of the silicon surface under the influence of a magnetic field and high-temperature plastic deformation using fractal analysis |
| title_full | Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу |
| title_fullStr | Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу |
| title_full_unstemmed | Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу |
| title_short | Оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу |
| title_sort | оцінка зміни текстури поверхні кремнію під дією магнітного поля та високотемпературної пластичної деформації за допомогою фрактального аналізу |
| topic | монокристалічний кремній енергетика технологія мікроелектроніки текстура поверхні для біочипів магнітне поле високотемпературна деформація ямки травлення дислокації фрактальний аналіз домішки мікрозображення |
| topic_facet | single-crystal silicon energy microelectronics technology surface texture for biochips magnetic field high-temperature deformation etching pits dislocations fractal analysis impurities microimages монокристалічний кремній енергетика технологія мікроелектроніки текстура поверхні для біочипів магнітне поле високотемпературна деформація ямки травлення дислокації фрактальний аналіз домішки мікрозображення |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/805 |
| work_keys_str_mv | AT kritom assessmentofchangesinthetextureofthesiliconsurfaceundertheinfluenceofamagneticfieldandhightemperatureplasticdeformationusingfractalanalysis AT shirinyanas assessmentofchangesinthetextureofthesiliconsurfaceundertheinfluenceofamagneticfieldandhightemperatureplasticdeformationusingfractalanalysis AT marynchenkolv assessmentofchangesinthetextureofthesiliconsurfaceundertheinfluenceofamagneticfieldandhightemperatureplasticdeformationusingfractalanalysis AT nizhelskaoi assessmentofchangesinthetextureofthesiliconsurfaceundertheinfluenceofamagneticfieldandhightemperatureplasticdeformationusingfractalanalysis AT kritom ocínkazmíniteksturipoverhníkremníûpíddíêûmagnítnogopolâtavisokotemperaturnoíplastičnoídeformacíízadopomogoûfraktalʹnogoanalízu AT shirinyanas ocínkazmíniteksturipoverhníkremníûpíddíêûmagnítnogopolâtavisokotemperaturnoíplastičnoídeformacíízadopomogoûfraktalʹnogoanalízu AT marynchenkolv ocínkazmíniteksturipoverhníkremníûpíddíêûmagnítnogopolâtavisokotemperaturnoíplastičnoídeformacíízadopomogoûfraktalʹnogoanalízu AT nizhelskaoi ocínkazmíniteksturipoverhníkremníûpíddíêûmagnítnogopolâtavisokotemperaturnoíplastičnoídeformacíízadopomogoûfraktalʹnogoanalízu |