Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si)

Досліджено зв'язок між сформованим за високотемпературного деформування дефектно-домішковим станом кристалів кремнію та його магнітними властивостями. Виявлена у здеформованих кристалах кремнію зміна магнітного моменту зумовлена впливом двох факторів - утворенням за умов деформації анізотропних...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Макара, В.А., Стебленко, Л.П., Плющай, І.В., Калініченко, Д.В., Курилюк, А.М., Кріт, О.М., Мельник, А.К.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2013
Назва видання:	Металлофизика и новейшие технологии
Теми:	Дефекты кристаллической решётки
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104091
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si) / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, І.В. Плющай, Д.В. Калініченко, А.М. Курилюк, О.М. Кріт, А.К. Мельник // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 3. — С. 359-366. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-104091
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1040912016-07-02T03:01:47Z Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si) Макара, В.А. Стебленко, Л.П. Плющай, І.В. Калініченко, Д.В. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Мельник, А.К. Дефекты кристаллической решётки Досліджено зв'язок між сформованим за високотемпературного деформування дефектно-домішковим станом кристалів кремнію та його магнітними властивостями. Виявлена у здеформованих кристалах кремнію зміна магнітного моменту зумовлена впливом двох факторів - утворенням за умов деформації анізотропних парамагнітних центрів на дислокаційних обірваних зв'язках та суттєвим збільшенням в околі дислокацій кількості домішок (кисню та вуглецю). В работе исследуется связь между сформированным при высокотемпературном деформировании дефектно-примесным состоянием кристаллов кремния и его магнитными свойствами. Выявленное в деформированных кристаллах кремния изменение магнитного момента связывается с влиянием двух факторов – образованием при деформации анизотропных парамагнитных центров на дислокационных оборванных связях и существенным увеличением в окрестности дислокаций количества примесей (кислорода и углерода). The correlation between the defect-impurity state formed at high temperature deformation in silicon crystals and its magnetic properties is investigated. The magnetic moment changes detected in the deformed silicon crystals are associated with the influence of two factors–the formation of anisotropic paramagnetic centres on dislocation dangling bonds due to the deformation and a substantial increase of the oxygen and carbon impurities in the vicinity of dislocations. 2013 Article Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si) / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, І.В. Плющай, Д.В. Калініченко, А.М. Курилюк, О.М. Кріт, А.К. Мельник // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 3. — С. 359-366. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 1024-1809 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104091 PACS numbers: 61.72.Hh, 75.20.Ck, 75.30.Cr, 75.50.Pp, 76.30.Mi, 83.60.Np uk Металлофизика и новейшие технологии Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Дефекты кристаллической решётки Дефекты кристаллической решётки
spellingShingle	Дефекты кристаллической решётки Дефекты кристаллической решётки Макара, В.А. Стебленко, Л.П. Плющай, І.В. Калініченко, Д.В. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Мельник, А.К. Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si) Металлофизика и новейшие технологии
description	Досліджено зв'язок між сформованим за високотемпературного деформування дефектно-домішковим станом кристалів кремнію та його магнітними властивостями. Виявлена у здеформованих кристалах кремнію зміна магнітного моменту зумовлена впливом двох факторів - утворенням за умов деформації анізотропних парамагнітних центрів на дислокаційних обірваних зв'язках та суттєвим збільшенням в околі дислокацій кількості домішок (кисню та вуглецю).
format	Article
author	Макара, В.А. Стебленко, Л.П. Плющай, І.В. Калініченко, Д.В. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Мельник, А.К.
author_facet	Макара, В.А. Стебленко, Л.П. Плющай, І.В. Калініченко, Д.В. Курилюк, А.М. Кріт, О.М. Мельник, А.К.
author_sort	Макара, В.А.
title	Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si)
title_short	Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si)
title_full	Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si)
title_fullStr	Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si)
title_full_unstemmed	Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si)
title_sort	вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (cz-si)
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Дефекты кристаллической решётки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104091
citation_txt	Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si) / В.А. Макара, Л.П. Стебленко, І.В. Плющай, Д.В. Калініченко, А.М. Курилюк, О.М. Кріт, А.К. Мельник // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 3. — С. 359-366. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
series	Металлофизика и новейшие технологии
work_keys_str_mv	AT makarava vplivplastičnogodeformuvannânadefektnodomíškovijstantamagnetnívlastivostíkremníûczsi AT steblenkolp vplivplastičnogodeformuvannânadefektnodomíškovijstantamagnetnívlastivostíkremníûczsi AT plûŝajív vplivplastičnogodeformuvannânadefektnodomíškovijstantamagnetnívlastivostíkremníûczsi AT kalíníčenkodv vplivplastičnogodeformuvannânadefektnodomíškovijstantamagnetnívlastivostíkremníûczsi AT kurilûkam vplivplastičnogodeformuvannânadefektnodomíškovijstantamagnetnívlastivostíkremníûczsi AT krítom vplivplastičnogodeformuvannânadefektnodomíškovijstantamagnetnívlastivostíkremníûczsi AT melʹnikak vplivplastičnogodeformuvannânadefektnodomíškovijstantamagnetnívlastivostíkremníûczsi
first_indexed	2025-07-07T14:50:15Z
last_indexed	2025-07-07T14:50:15Z
_version_	1837000100946116608
fulltext	359 PACS numbers: 61.72.Hh, 75.20.Ck, 75.30.Cr, 75.50.Pp, 76.30.Mi, 83.60.Np Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si) В. А. Макара, Л. П. Стебленко, І. В. Плющай, Д. В. Калініченко, А. М. Курилюк, О. М. Кріт, А. К. Мельник * Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, вул. Володимирська, 64/13, 01601 Київ, Україна *Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України, вул. Генерала Наумова, 13, 03164 Київ, Україна У роботі досліджується зв’язок між сформованим при високотемператур- ному деформуванні дефектно-домішковим станом кристалів кремнію та його магнетними властивостями. Виявлена в здеформованих кристалах кремнію зміна магнетного моменту пов’язується з впливом двох факторів – утворенням при деформації анізотропних парамагнетних центрів на дислокаційних обірваних зв’язках та істотним зростанням в околі дисло- кацій кількості домішок (кисню та вуглецю). В работе исследуется связь между сформированным при высокотемпера- турном деформировании дефектно-примесным состоянием кристаллов кремния и его магнитными свойствами. Выявленное в деформированных кристаллах кремния изменение магнитного момента связывается с влия- нием двух факторов – образованием при деформации анизотропных па- рамагнитных центров на дислокационных оборванных связях и суще- ственным увеличением в окрестности дислокаций количества примесей (кислорода и углерода). The correlation between the defect-impurity state formed at high tempera- ture deformation in silicon crystals and its magnetic properties is investigat- ed. The magnetic moment changes detected in the deformed silicon crystals are associated with the influence of two factors–the formation of aniso- tropic paramagnetic centres on dislocation dangling bonds due to the defor- mation and a substantial increase of the oxygen and carbon impurities in the vicinity of dislocations. Ключові слова: кремній, пластична деформація, дислокації, магнетне Металлофиз. новейшие технол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2013, т. 35, № 3, сс. 359—366 Оттиски доступны непосредственно от издателя Фотокопирование разрешено только в соответствии с лицензией © 2013 ИМФ (Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины) Напечатано в Украине. 360 В. А. МАКАРА, Л. П. СТЕБЛЕНКО, І. В. ПЛЮЩАЙ та ін. поле, дефектно-домішковий стан. (Отримано 23 листопада 2012 р.) 1. ВСТУП З літературних джерел відомо, що дефекти структури впливають на магнетні властивості кристалів кремнію. Так, магнетна сприйнят- ливість кристалів Si чутлива до наявности і кількости дислокацій в них [1, 2]. Останнє обумовлено тим, що в системі дислокаційних спінів мають місце явища кооперативного характеру, пов’язані з магнетним впорядкуванням спінів дислокаційних обірваних зв’язків (ДОЗ). Слід зазначити, що, не дивлячись на певну наявну в літературі кількість результатів щодо впливу дислокацій на магнетні власти- вості кремнію, перспектива в дослідженні магнетних властивостей пластично деформованих ковалентних кристалів далеко не вичер- пана. Наявність прогалин у зазначеному науковому напрямку і спону- кала до його подальшого розвитку в даній роботі. Метою роботи бу- ло вивчення взаємозв’язку між зміною дефектно-домішкового складу кристалів кремнію та його магнетними властивостями при різних температурних режимах пластичного деформування. 2. МАТЕРІЯЛИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ У роботі досліджувались кристали кремнію, вирощені за методою Чохральського, які були леґовані фосфором до досягнення питомо- го опору 4,5 Ом⋅см−1. Високотемпературне деформування зразків Si здійснювалось з використанням методи 4-х опорного вигину. Маг- нетні властивості зразків кремнію з введеними при деформуванні дислокаціями вивчались із залученням квантового інтерференцій- ного магнетометра («SQUID»). Еволюція дефектно-домішкового стану кристалів кремнію в області дислокацій в процесі деформу- вання виявлялась за допомогою декількох метод: методи растрової електронної мікроскопії, рентґеноспектральної аналізи, методи ме- талографії. Парамагнетні домішки, сформовані в процесі деформування зра- зків кремнію, досліджувались також методою електронного пара- магнетного резонансу. Нашу роботу було націлено не лише на вста- новлення природи парамагнетних центрів (ПЦ), але й на розгляд впливу на них різних факторів, зокрема, впливу температури дефо- рмування. З метою дослідження цього питання були одержані і проаналізовані ЕПР-спектри як недеформованих зразків Si, так ВПЛИВ ПЛАСТИЧНОГО ДЕФОРМУВАННЯ НА ВЛАСТИВОСТІ КРЕМНІЮ 361 званих, зразків-«свідків», так і зразків Si, які деформувались при різних температурах. При цьому спектри ЕПР зразків-«свідків» фіксувались на зразках, які не деформувались, а лише відпалюва- лись при ідентичних до деформованих зразків температурах. Нами реєструвались кутові залежності положень ліній в спектрах. Зазна- чені залежності фіксувались у двох положеннях кута θ між сталим магнетним полем (тобто, вектором його індукції В0) і площиною зразка кремнію: θ1 = 0°, θ2 = 90°. Типовий приклад ЕПР-спектру проілюстровано на рис. 1. Аналогічні до наведених на рис. 1 залежності були одержані для зразків Si, які зазнали високотемпературного деформування при Т = 800°C, Т = 900°C та Т = 1000°C. 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ Одержана в даній роботі і представлена на рис. 2 залежність 3 де- монструє ріжницю магнетних моментів, притаманних термооброб- леним кристалам кремнію за відсутности деформування (залеж- ність 1) та за наявности пластичної деформації (залежність 2). На нашу думку, ріжниця у величині магнетних моментів ΔМ є тим внеском у магнетну сприйнятливість, який з’являється внаслідок пластичної деформації. Рис. 1. ЕПР-спектер здеформованого зразка Si, зареєстрований при різних кутах положення зразка відносно сталого магнетного поля: θ = 0° (1), θ = 90° (2). Режим деформації:Т = 600°C, σ = 112,4МПа, t = 30 хв. 362 В. А. МАКАРА, Л. П. СТЕБЛЕНКО, І. В. ПЛЮЩАЙ та ін. На підставі одержаних даних можна припустити, що пластична деформація призводить до зменшення діямагнетизму та до появи деякого парамагнетного внеску від центрів, які вводяться при де- формації. Виявлені зміни в магнетних властивостях поставили пи- тання про природу ПЦ, введених у кристали кремнію при пластич- ній деформації. Нами було висловлене припущення, що додатко- вими парамагнетними центрами, введеними при деформації, є ак- тивні Д-центри (ланцюжки ДОЗ), а також нерівноважні парамагне- тні домішки кисню, концентрація яких зростає завдяки ґетеруван- ню кисню ядрами дислокацій. На рисунку 3 представлено встановлені в роботі температурні за- лежності інтенсивности ЕПР-сиґналу від здеформованих зразків Si. З цих залежностей можна зробити висновок про наявність анізот- ропії інтенсивностей при різній орієнтації зразка щодо сталого маг- нетного поля та про залежність інтенсивности від температури. Ви- явлена в роботі анізотропія інтенсивностей свідчить про анізотроп- ний характер парамагнетних центрів, які вводяться при пластич- ній деформації. Згідно [3, 4], властивості анізотропії в кремнії має рb – парамаг- нетний центер, найбільш поширеним моделем якого є обірваний Рис. 2. Температурна залежність магнетного моменту зразків Si: 1 – зра- зок Si, відпалений при 700°C за відсутности деформівного напруження (σ = 0 МПа), час відпалу t = 30 хв.; 2 – зразок Si, деформований при 700°C при дії напруження σ = 79,4 МПа, час деформування t = 30 хв.; 3 – внесок в магнетний момент, який утворився внаслідок пластичної деформації. ВПЛИВ ПЛАСТИЧНОГО ДЕФОРМУВАННЯ НА ВЛАСТИВОСТІ КРЕМНІЮ 363 зв’язок. У [3] зазначається, що параметри поверхневих розірваних зв’язків близькі до параметрів розірваних зв’язків в об’ємних дис- локаціях кремнію. Кутові залежності сиґналу в ЕПР-спектрах від рb-центрів, відпо- відно до [3], пов’язуються з існуванням двох різновидів рb-центрів: 1) рbo-центер, який ідентифікується як атом кремнію, зв’язаний з трьома сусідніми атомами 3Si ≡ Si • , 2) рb1-центер, який ідентифіку- ється як трикоординований атом Si, зв’язаний з двома сусідніми атомами кисню 2OSi ≡ Si • . На нашу думку, залежності 1 та 2 на рис. 3 свідчать про наявність у наших експериментальних умовах двох різновидів рb-центрів на дислокаційних обірваних зв’язках. Залежність 1 відповідає рbo- центру, а, саме, трикоординованому атому кремнію (3Si ≡ Si • ), а за- лежність 2 відповідає рb1-центру (2OSi ≡ Si • ), який, по-суті, можна ідентифікувати як немістковий кисень (радикал кисню або зв’язок, ненасичений кремнієм) [4]. Як видно з рисунка 3, при підвищенні температури Т інтенсивності ліній ЕПР зменшуються. Причому особливо істотне зменшення інтенсивности ліній виявляється при температурі Т = 800°C. При цьому, ЕПР-сиґнали від рbо-центрів та від рb1-центрів при Т = 800°C фактично збігаються. Останнє, вірогідно, відбувається внаслідок реконструкції ядер дислокацій, яка супроводжується попарним змиканням дислока- ційних обірваних зв’язків у стан Si = O [5]. Рис. 3. Залежність інтенсивности ЕПР-сиґналу від температури деформу- вання зразків Si: θ = 0° (1), θ = 90° (2). 364 В. А. МАКАРА, Л. П. СТЕБЛЕНКО, І. В. ПЛЮЩАЙ та ін. Процес змикання зв’язків при високотемпературному деформу- ванні, ймовірно, проходить не лише при Т = 800°C, але й при Т = 900°C та Т = 1000°C. Однак, при цих температурах він не такий значний, як при 800°C. Можливо, це пов’язане з тією обставиною, що при температурах 900°C та 1000°C були створені більш істотні режими пластичного деформування, які дозволяли ввести більшу густину дислокацій (так, при 800°C густина дислокацій складала величину ρ ≅ 107 см −3, при 900°C – ρ ≅ 108 см −3, при 1000°C – ρ ≅ 109 см −3). Як видно з рисунка 3, при T = 800°C і T = 1000°C практично відсу- тня анізотропія в інтенсивностях сиґналу при θ = 0° і θ = 90°. Це опосередковано вказує на зменшення впливу дислокацій та кисню як ізольованих парамагнетних центрів і прояв їх як об’єднаного «замкненого об’єкту». Нами було висловлено припущення, що внаслідок взаємодії кре- мнію з киснем при підвищених температурах деформування по- винні утворюватись оксидні преципітати, на процес утворення яких витрачається певна кількість атомів кремнію. Ці припущення були підтверджені експериментально. Зобра- ження поверхні зразка Si, який зазнав високотемпературного де- формування при 800°C, одержане за допомогою метод металографії та растрової електронної мікроскопії (РЕМ) свідчить про появу на поверхні характерних фіґур щавлення (рис. 4). Виявлені на поверхні фіґури щавлення ототожнюються нами з утворенням комплексів оксидних преципітатів. Характерно, що на поверхні зразків Si, здеформованих при Т = 650°C подібні преципітатні утворення не виявлялись. Більш де- тальне дослідження дефектно-домішкового складу зразків Si, що а б Рис. 4. РЕМ-зображення поверхні зразка кремнію, здеформованого при Т = 800°C; (а), (б) – зображення різного масштабу. ВПЛИВ ПЛАСТИЧНОГО ДЕФОРМУВАННЯ НА ВЛАСТИВОСТІ КРЕМНІЮ 365 зазнали високотемпературного деформування при Т = 650°C і Т = 800°C, виконане за допомогою рентґеноспектральної аналізи, виявило істотну зміну в результаті такого деформування концент- рації деяких домішок. Так, в порівнянні з недеформованим зразком кремнію, в здефор- мованому при Т = 800°C зразку Si в області, яка прилягає до зони дислокацій, концентрація вуглецю в околі дислокацій зростала приблизно в 18 разів, концентрація кисню поблизу зони дислокацій – в 40 разів. У порівнянні зі зразком кремнію, здеформованим при Т = 800°C у кремнії, який деформувався при більш низьких темпе- ратурах (T = 650°C) концентрація вуглецю і кисню зростала менш істотно (концентрація вуглецю збільшувалась приблизно в 5 разів, концентрація кисню – в 11 разів). Отже, як було з’ясовано при аналізі результатів, одержаних рентґеноспектральною методою, високотемпературне деформування призводить до зміни дефектно- домішкового складу Si. Істотне зростання в здеформованих зразках парамагнетних до- мішок кисню призводить до появи в них додаткових парамагнетних центрів. Останнє, як показали наші експериментальні досліджен- ня, спричинює появу додаткового внеску у величину магнетного моменту, а отже і у величину магнетної сприйнятливости. З нашої точки зору, окрім кисню на магнетних властивостях деформованого кремнію позначається і суттєве зростання в околі дислокацій при деформуванні концентрації вуглецю. Як було показано в нашій роботі [6], на міжвузловинних атомах С у кристалічному Si існує некомпенсований магнетний момент, величина якого становить 1,88μБ на надкомірку, що містить один домішковий атом С. Не виключено, що при деформуванні кристалів кремнію, в них зростає концентрація вуглецю і, відповідно до цьо- го, зростає сумарний магнетний момент (рис. 1). У даній роботі було досліджено вплив не тільки пластичного де- формування на стан ПЦ у кристалах кремнію, але й еволюцію в під- системі магнеточутливих домішок, пов’язану з дією інших зовніш- ніх факторів, зокрема, еволюцію, спричинену впливом магнетного поля. Додаткові дослідження виявили, що, при дії слабкого (В = 0,33 Тл) магнетного поля на пластично деформовані кристали Si, інтенсивність ЕПР-сиґналу для лінії з g-фактором g = 1,999 зме- ншується приблизно в 1,5 рази в порівнянні з контрольними зраз- ками кремнію, які не зазнали магнетного впливу (рис. 5). Дана лінія відповідає рb1-парамагнетним центрам, які згідно [4], співвідносяться з немістковим киснем. Зменшення інтенсивности ЕПР-сиґналу вказує на те, що концентрація рb1-парамагнетних центрів після магнетного оброблення дислокаційних зразків змен- шується Останнє може бути пов’язане з захопленням рb1- парамагнетних центрів на дислокаційні обірвані зв’язки. Таким 366 В. А. МАКАРА, Л. П. СТЕБЛЕНКО, І. В. ПЛЮЩАЙ та ін. чином, і вплив магнетного поля на ДОЗ, подібно до впливу високо- температурного деформування, вказує на зменшення значення ки- сню як «ізольованого ПЦ» і прояв його як «замкненого ПЦ» в сис- темі «ДОЗ + домішкова атмосфера». ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. М. М. Новіков, В. М. Цмоць, З. Ф. Івасів та ін., УФЖ, 41, № 11—12: 1127 (1996). 2. В. М. Цмоць, В. С. Янишевский, Я. Л. Заяц и др., Ферромагнитное упоря- дочение электронных спинов на дислокационных структурах в пластиче- ски деформированных ковалентных кристаллах (Львов: 1993) (Препр./ИФКС НАН Украины, 1993). 3. В. С. Вавилов, В. Ф. Киселев, Б. Н. Мукашев, Дефекты в кремнии и на его поверхности (Москва: Наука: 1990). 4. А. Б. Ройцин, В. М. Маевский, УФН, 159, № 2: 297 (1998). 5. М. Н. Золотухин, В. В. Кведер, Ю. А. Осипьян и др., ФТТ, 26, № 5: 1412 (1984). 6. В. А. Макара, Л. П. Стебленко, І. В. Плющай та ін., V Международная научная конференция «Современные достижения в науке и образовании» (28 сентября—5 октября 2011) (Нетания: 2011), с. 36. Рис. 5. ЕПР-спектри здеформованих зразків Sі: 1 – контрольні зразки; 2 – зразки, які піддавались дії магнетного поля (В = 0,33 Тл).

Вплив пластичного деформування на дефектно-домішковий стан та магнетні властивості кремнію (Cz-Si)

Репозитарії

Схожі ресурси