Спосіб дослідження температури фазових перетворень плавлення-кристалізація в тонких плівках

Реферат: Винахід стосується способу реєстрації температури фазових перетворень плавлення кристалізація в тонких плівках і може бути використаний у фізико-хімічному аналізу фазового рівноважного стану одно- та багатокомпонентних систем для дослідження процесів плавленнякристалізація металів та сплавів в металофізиці, металургії, металознавстві та фізиці і хімії твердого тіла. Спосіб включає випаровування в вакуумі чистих компонентів досліджуваної UA 100819 C2 (12) UA 100819 C2 системи, конденсацію випарених компонентів у вигляді тонкої плівки на поверхню підкладки, нагрівання підкладки з конденсованою на ній плівкою до температури, що відповідає певному фазовому стану досліджуваної системи і охолодження її до кімнатної температури, як підкладку використовують кварцову пластину, добротність якої контролюють протягом всього часу дослідження і за різкою зміною добротності при нагріванні і охолодженні реєструють температуру фазових перетворень плавлення-кристалізації в досліджуваній тонкій плівці. Винахід забезпечує підвищення точності визначення температури початку і закінчення фазових перетворень у областях системи з різним фазовим складом, які відповідають діаграмі стану досліджуваної системи. UA 100819 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується фізико-хімічного аналізу фазового рівноважного стану одно- та багатокомпонентних систем і може бути використаний для дослідження процесів плавленнякристалізація металів та сплавів в металофізиці, металургії, металознавстві та фізиці і хімії твердого тіла. Відомі способи in situ дослідження фазового перетворення плавлення-кристалізація для вільних частинок або для тонких плівок мають відповідні експериментальні обмеження. Так, при використанні високороздільної просвічуючої електронної мікроскопії [1] виникають труднощі з визначенням ступеня впливу електронного пучка на досліджувані ефекти. Вимірювання електроопору плівкових систем [2, 3], в яких плівка легкоплавкого компонента знаходиться між плівками з більш тугоплавкого матеріалу, застосовується, здебільше, для полікристалічних матеріалів з гарною електричною провідністю. Відомий найбільш прецизійний спосіб диференційної скануючої нанокалориметрії [4] добре підходить для матеріалів з високою теплопровідністю, тобто, як правило, тільки для металів. Найбільш близьким аналогом до запропонованого винаходу є спосіб [5], що включає випаровування в вакуумі чистих компонентів досліджуваної системи, конденсацію випарених компонентів у вигляді плівки на поверхню підкладки, нагрівання підкладки з конденсованою на неї плівкою до температури, що відповідає певному фазовому стану досліджуваної системи, і охолодження до кімнатної температури. Головним недоліком цього способу є труднощі з визначенням концентрації компонентів та температури, що відповідають межам різного фазового стану, які спостерігають на підкладці, що унеможливлює отримання кількісних даних, щодо температур відповідних фазових перетворень у досліджуваних системах. Зазначений спосіб [5] полягає у забезпеченні взаємно перпендикулярного розподілу на поверхні підкладки концентрацій компонентів досліджуваної системи від градієнта температури, що дозволяє, після охолодження, візуально спостерігати межі між областями з різним фазовим складом, положення яких відповідають діаграмі стану досліджуваної системи. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу створення способу дослідження фазових перетворень плавлення-кристалізація в системах з практично будь-яким типом провідності та взаємодії компонентів. Поставлена задача вирішується у способі, вибраному за найближчий аналог, що включає випаровування в вакуумі чистих компонентів досліджуваної системи, конденсацію випарених компонентів у вигляді плівки на поверхню підкладки, нагрівання підкладки з конденсованою на ній плівкою до температури, що відповідає певному фазовому стану досліджуваної системи, і охолодження до кімнатної температури, згідно з винаходом, як підкладку використовують кварцову пластину, добротність якої контролюють протягом всього дослідження і за різкою зміною добротності, при нагріванні і охолодженні, реєструють фазові перетворення плавленнякристалізація в досліджуваній плівці. Ідея винаходу ґрунтується на використанні кварцового резонатора, який являє собою електромеханічну систему, засновану на явищі прямого і зворотного п'єзоефекту, як підкладку для нанесення досліджуваної плівкової системи. При цьому різка зміна резонансної частоти і добротності кварцового резонатора при нагріванні і охолодженні використовується для реєстрації зміни фазового стану конденсованої на ньому плівки. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленнями: фіг. 1. - схема термостата для реалізації способу дослідження фазових переходів у тонких плівках металів і сплавів, на якій представлено відносне розташування елементів. фіг. 2 - залежність добротності кварцового резонатора Q від температури Т для плівкової системи Ві/С в першому ( □), другому (●○) та третьому (▲Δ) циклах нагрівання - охолодження; × - відповідають нагріванню і охолодженню кварцової пластини без досліджуваної плівкової системи. На фіг. 1 показані мідний блок з резистивним нагрівачем 1, кварцова пластина 2, на яку конденсуються досліджувана плівкова система, еталонна кварцова пластина 3, мідна маска 4, яка закриває кварцові пластини, контакти 5 та ізолятори 6. Спосіб здійснювали наступним чином. У мідний блок-термостат, забезпечений резистивним нагрівачем, вміщували дві ідентичні кварцові пластини, на одну з яких через маску у вакуумі випаровуванням з дуги наносили плівку вуглецю товщиною 20-30 нм (фіг. 1). Вуглець необхідний для запобігання взаємодії між досліджуваної плівкою і поверхнею кварцового резонатора. Потім термічним випаровуванням зі швидкістю 2-3 нм/с конденсували плівку чистого Ві (99,999 мас. %) товщиною близько 100 нм. -6 Експерименти проводили в високовакуумній установці і тиском залишкових газів 5·10 Па. Масова товщина конденсованих при цьому плівок контролювалася за зміною резонансної 1 UA 100819 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 частоти кварцової пластини, що є одночасно підкладкою. Друга пластина слугувала як датчик температури, оскільки безпосередньо виміряти температуру кварцової пластини не представляється можливим, і залежність її частоти від температури була заздалегідь відградуйована по каліброваних термопарах К-типу. Абсолютна точність визначення температури досліджуваного кварцового резонатора становила 2 К, а відносна сягала 0,1 К. Нагрівання та охолодження проводили зі швидкістю 2-3 К в хвилину в діапазоні від 293 до 600 К. Для реалізації способу використовують неполіровані кристали AT зрізу кварцу з резонансною частотою основної гармоніки 4,608 МГц і діаметром срібного електрода 6 мм. Параметри кварцового резонатора при його нагріванні й охолодженні визначали двома основними способами. У першому випадку еталонну кварцову пластину містили в ланцюг позитивного зворотного зв'язку генератора, до виходу якого підключали цифровий частотомір, який реєстрував частоту послідовного резонансу кварцу з точністю до 1 Гц. При цьому потужність, що розсіюється на кристалі, не перевищувала 1 мВт. У другому випадку кварцовий резонатор, який слугував підкладкою, підключали до характерографа, реалізованому на базі цифрового осцилографа і генератора частоти, яка коливається. Точність визначення частоти становила 3-5 Гц, при цьому характерограф дозволяв контролювати не тільки частоту, але і добротність кварцового резонатора, точність визначення якої склала менше 5 %. Отримані експериментальні залежності добротності Q (фіг. 2) кварцового резонатора з плівковою системою Ві/С від температури Т для перших трьох циклів нагрівання-охолодження, показують, що основні характеристики кварцового резонатора чутливі до фазових перетворень плавлення-кристалізація. Як видно, загальним для всіх залежностей є наявність відтворюваного температурного гістерезису, що відповідає утворенню та кристалізації рідкої фази в системі. Температури плавлення і кристалізації, що визначаються в точках з максимальною швидкістю зміни добротності, склали близько 545 К і 391 К відповідно. Отже, величина переохолодження при кристалізації рідкої фази в плівковій системі Ві/С на вуглецевій підкладці складає 154 К. Таким чином, показана ефективність використання способу дослідження фазових перетворень плавлення-кристалізація в нанорозмірних плівках з різним характером сил зв'язку та типом провідності, що ґрунтується на використанні кварцового резонатора як датчик фазових перетворень. Джерела інформації: 1. Mitome M. In-situ observation of melting of fine lead particles by high-resolution electron microscopy // Surface Science.-1999. - V.442. - P. 953-958. 2. S. I. Bogatyrenko, A. V. Voznyi, N. T. Gladkikh, A. P. Kryshtal / Supercooling upon crystallization in layered Al/Bi/Al film system // The Physics of Metals and Metallography.-2004.-V.97, No.3-P. 273-281. 3. Колендовский M.M., Богатыренко С.И., Крышталь А.П., Дукаров С.В., Гладких Н.Т., Сухов. РВ… Переохлаждение при кристаллизации пленок висмута на германиевой подложке // Адгезия расплавов и пайка материалов. 2007 - Т. 40. – С 40-43. 4. Efremov M. Yu. Thin-film differential scanning nanocalorimetry: heat capacity analysis // Thermochimica Acta.-2004. - V. 412, № 1-2, P. 13-23. 5. Гладких Н. Т., Чижик С. П., Ларин В. И. и др. Способ получения диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов. // А. С. SU № 1206664, G01N 25/02, 23.01.1986. Бюл. № 3. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Спосіб дослідження температури фазових перетворень плавлення-кристалізація в тонких плівках, що включає випаровування в вакуумі чистих компонентів досліджуваної системи, конденсацію випарених компонентів у вигляді тонкої плівки на поверхню підкладки, нагрівання підкладки з конденсованою на ній плівкою до температури, що відповідає певному фазовому стану досліджуваної системи, і охолодження її до кімнатної температури, який відрізняється тим, що як підкладку використовують кварцову пластину, добротність якої контролюють протягом всього дослідження і, за різкою зміною добротності при нагріванні і охолодженні, реєструють температуру фазових перетворень плавлення-кристалізація в досліджуваній тонкій плівці. 2 UA 100819 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3