Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов
Исследована природа электрической проводимости поликристаллических алмазных компактов (ПАК), полученных на основе графита и углеводородов. Установлено, что алмазные частицы, из которых приготовлены ПАК, имеют мозаичную структуру. Дислокации, образующие границы между блоками мозаики, определяют элект...
Збережено в:
Дата: | 2011 |
---|---|
Автор: | |
Формат: | Стаття |
Мова: | Russian |
Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2011
|
Назва видання: | Физика и техника высоких давлений |
Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69410 |
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: | Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов / С.Н. Самсоненко // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 26-32. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraineid |
irk-123456789-69410 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
irk-123456789-694102014-10-13T03:01:41Z Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов Самсоненко, С.Н. Исследована природа электрической проводимости поликристаллических алмазных компактов (ПАК), полученных на основе графита и углеводородов. Установлено, что алмазные частицы, из которых приготовлены ПАК, имеют мозаичную структуру. Дислокации, образующие границы между блоками мозаики, определяют электрическую проводимость алмазных материалов. Плотность дислокаций обусловлена температурой спекания ПАК. Удельное сопротивление последних обратно пропорционально шестой степени плотности дислокаций. ПАК имеют нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ), что позволяет использовать их в качестве материала для варисторов. Досліджено природу електричної провідності полiкристалiчних алмазних компактів (ПАК), виготовлених на основі графіту і вуглеводнів. Встановлено, що алмазні частинки, з яких виготовлено ПАК, мають мозаїчну структуру. Дислокації, які утворюють межі між блоками мозаїки, визначають електричну провідність алмазних матеріалів. Густина дислокацій визначається температурою спікання ПАК. Питомий опір останніх обернено пропорційно до шостого ступеня густини дислокацій. ПАК мають нелінійні вольт-амперні характеристики, що дозволяє використовувати їх як матеріал для варисторів. The nature of electrical conductivity of the polycrystalline diamond compacts (PDC), prepared on the basis of graphite and hydrocarbons is investigated. It is established that diamond particles, the diamond complexes are prepared of, have mosaic structure. Dislocations which form boundaries between mosaic blocks, define electrical conductivity of diamond materials. The density of dislocations is defined by temperature of caking diamond compacts. Resistivity of the latter is in inverse proportion to the sixth power of the dislocation density. PDC have nonlinear current-voltage characteristics that allows to use them as a material for varistors. 2011 Article Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов / С.Н. Самсоненко // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 26-32. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.72.Lk, 72.80.–r http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69410 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
collection |
DSpace DC |
language |
Russian |
description |
Исследована природа электрической проводимости поликристаллических алмазных компактов (ПАК), полученных на основе графита и углеводородов. Установлено, что алмазные частицы, из которых приготовлены ПАК, имеют мозаичную структуру. Дислокации, образующие границы между блоками мозаики, определяют электрическую проводимость алмазных материалов. Плотность дислокаций обусловлена температурой спекания ПАК. Удельное сопротивление последних обратно пропорционально шестой степени плотности дислокаций. ПАК имеют нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ), что позволяет использовать их в качестве материала для варисторов. |
format |
Article |
author |
Самсоненко, С.Н. |
spellingShingle |
Самсоненко, С.Н. Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов Физика и техника высоких давлений |
author_facet |
Самсоненко, С.Н. |
author_sort |
Самсоненко, С.Н. |
title |
Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов |
title_short |
Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов |
title_full |
Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов |
title_fullStr |
Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов |
title_full_unstemmed |
Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов |
title_sort |
одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов |
publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
publishDate |
2011 |
url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69410 |
citation_txt |
Одномерная дислокационная электрическая проводимость поликристаллических алмазных компактов / С.Н. Самсоненко // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 26-32. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
series |
Физика и техника высоких давлений |
work_keys_str_mv |
AT samsonenkosn odnomernaâdislokacionnaâélektričeskaâprovodimostʹpolikristalličeskihalmaznyhkompaktov |
first_indexed |
2025-07-05T18:59:42Z |
last_indexed |
2025-07-05T18:59:42Z |
_version_ |
1836834601550479360 |
fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
© С.Н. Самсоненко, 2011
PACS: 61.72.Lk, 72.80.–r
С.Н. Самсоненко
ОДНОМЕРНАЯ ДИСЛОКАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ
КОМПАКТОВ
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
ул. Державина 2, г. Макеевка, Донецкая обл., 86123, Украина
E-mail: snsamsonenko@mail.r
Исследована природа электрической проводимости поликристаллических алмазных
компактов (ПАК), полученных на основе графита и углеводородов. Установлено,
что алмазные частицы, из которых приготовлены ПАК, имеют мозаичную
структуру. Дислокации, образующие границы между блоками мозаики, определя-
ют электрическую проводимость алмазных материалов. Плотность дислокаций
обусловлена температурой спекания ПАК. Удельное сопротивление последних об-
ратно пропорционально шестой степени плотности дислокаций. ПАК имеют не-
линейные вольт-амперные характеристики (ВАХ), что позволяет использовать их
в качестве материала для варисторов.
Ключевые слова: поликристаллические алмазные компакты, дислокация, электри-
ческая проводимость, нелинейные вольт-амперные характеристики, варистор
1. Введение
Поликристаллические алмазные компакты широко применяются в про-
мышленности для обработки твердых и сверхтвердых материалов, бурения
горных пород и др. [1]. Мы же исследуем их электронные свойства. Это свя-
зано с тем, что развитие полупроводниковой техники выдвигает требования
к устройствам, которые могут работать с импульсами произвольной поляр-
ности. Для этого необходимо создание нелинейных резисторов с симмет-
ричными ВАХ и большой рассеиваемой мощностью. Подобные резисторы
называют варисторами. В настоящее время их изготавливают на основе кар-
бидов и оксидов, слабое место которых – электрический пробой под дейст-
вием электрического поля и температуры.
Исходя из того, что алмаз обладает самой высокой теплопроводностью и
самым высоким напряжением пробоя, он является, несомненно, перспектив-
ным материалом для изготовления варисторов.
Поскольку образцы ПАК получают из мелких алмазных частиц, мы вос-
пользовались данными работы [2], в которой было показано, что большие
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
27
давления и высокие температуры, близкие к условиям спекания ПАК, фор-
мируют их внутреннюю структуру. Рентгеновские лауэграммы показали,
что алмазные частицы приобрели мозаичное строение. Но известно, что в
мозаичных кристаллах границы между блоками мозаики (БМ) состоят из ря-
дов дислокаций. А дислокации, как известно [3], являются основой форми-
рования электронных свойств полупроводниковых алмазов типа Ic и IIb. Со-
гласно данным работ [3–5] в алмазных материалах дислокации с краевой
компонентой образуют проводящие каналы с полупроводниковыми харак-
теристиками.
В настоящей работе исследуется природа электрической проводимости
ПАК, приготовленных на основе графита и углеводородов.
2. Приготовление образцов и методы их исследования
2.1. Приготовление образцов
В соответствии с планом исследований, выполненных совместно с Ин-
ститутом физики высоких давлений РАН, мы начали изучение электронных
свойств образцов ПАК. Образцы, изготовленные на экспериментальной базе
ИФВД РАН, представляли собой две группы: 1) ПАК(у) – из синтетических
алмазов на основе углеводородов [6], 2) ПАК(г) – из синтетических алмаз-
ных частиц на основе графита [7].
Образцы ПАК(у) были изготовлены из алмазных частиц размерами 20/0,
50/0, 63/45 µm. Опыты проводили при давлениях 8–9 GPa и температурах
спекания ~ 1770 K. Образцы ПАК(г) приготовляли по той же технологии из
искусственных алмазов на основе графита с размерами частиц 28/20, 14/10,
10/7 и 3/2 μm. Спекание проводили под давлениями 5.5 и 8 GPa и при тем-
пературах 1470, 1570, 1670, 1870 и 2070 K.
Поверхность всех образцов после изготовления очищали механически от
неалмазной фазы углерода. Для очистки использовали алмазный порошок
1/0 µm. После механической обработки все образцы очищали химически пу-
тем кипячения в хлорной кислоте более 6 h (в некоторых случаях – до 24 h).
2.2. Исследование реальной структуры ПАК
Каждый образец ПАК является поликристаллом с большеугловыми гра-
ницами между кристаллитами. Каждая алмазная частица (кристаллит) при
условиях спекания ПАК становится мозаичным монокристаллом, а границы
между БМ состоят из рядов дислокаций. Эти дислокации и формируют
электрическую проводимость ПАК.
Для оценки плотности дислокаций Γ использовали метод дифракции
рентгеновских лучей. По уширению отражений от разных плоскостей на ос-
нове метода аппроксимаций были определены размеры областей когерент-
ного рассеяния (ОКР) рентгеновских лучей и микроискажения. Поскольку в
алмазе коэффициент анизотропии мал, то можно считать, что геометриче-
ские размеры ОКР в нем близки к размерам БМ.
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
28
На основе представлений [8,9] плотность дислокаций в ПАК оценивали
следующим образом:
при tg tghkl h k l hkl h k l′ ′ ′ ′ ′ ′Θ Θ ≈ β β – по микроискажениям 2 214.9s bγ = ε
(где d dε = Δ – микроискажения, b – вектор Бюргерса, hklβ и h k l′ ′ ′β – вели-
чины физического уширения от плоскостей соответственно hkl и h′k′l′);
при sec sechkl h k l hkl h k l′ ′ ′ ′ ′ ′Θ Θ ≈ β β – по размерам блоков мозаики D:
23p n Dγ = (при оценках мы принимали 1n ≈ );
при tg tg sec sechkl h k l hkl h k l hkl h k l′ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′Θ Θ > β β > Θ Θ – как среднегеометри-
ческое значений pγ и sγ , т.е. p sγ = γ γ .
Для оценки плотности дислокаций во всех исследованных нами образцах
ПАК мы использовали отражения от плоскостей {111} и {311}, а также
{111} и {331}. Измерения проводили на рентгеновских дифрактометрах
ДРОН-2 и ДРОН-4.
По данным измерения физического уширения отражений была проведена
оценка плотности дислокаций для каждого исследованного образца.
Из анализа полученных результатов оценки плотности дислокаций следу-
ет, что образцы ПАК(у), изготовленные при более высоких температурах,
имеют бóльшую плотность дислокаций (Г = 8·1010–1.4·1011 cm–2), чем в об-
разцах ПАК(г) (2·109–1·109 сm–2), изготовленных при более низких темпера-
турах.
2.3. Измерение удельного сопротивления ПАК
При измерении удельного сопротивления ρ образцов ПАК была исполь-
зована цифровая высокоточная аппаратура: для измерения тока – В7-49 и
для измерения напряжения – В7-40/5.
Омические контакты к образцам ПАК приготавливали следующим обра-
зом. На торцевые поверхности образцов в вакууме напыляли Ti, который
для защиты от окисления также в вакууме покрывали Al. Кроме того, для
изготовления электрических контактов применяли толстопленочную техно-
логию: на торцевые поверхности образцов наносили пасты из W и Pd + Ag,
затем образцы в вакууме или инертной атмосфере нагревали до температур
673–1073 K.
Измерения удельного сопротивления показали, что для образцов ПАК(у)
при Г = 7.8·1010–1.6·1011 сm–2 ρ = 3·1010–1.3·1014 Ω·сm, а для образцов
ПАК(г) Г = 1.8·1010–2.7·1010 сm–2 ρ = 3·103–1.3·108 Ω·сm (т.е. эти значения
были ниже, чем в образцах ПАК(у)).
3. Обсуждение результатов
Оценка плотности дислокаций в образцах и измерение их удельного со-
противления показали, что, во-первых, в образцах ПАК(у) при более высо-
ких температурах (~ 1770 K) формируется более высокое удельное сопро-
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
29
тивление по сравнению с образцами ПАК(г), которые спекаются при более
низких температурах. Такой результат можно объяснить следующим обра-
зом. Остаточный свободный водород, который остается в синтетических ал-
мазах в результате деструкции молекул углеводородов, при спекании миг-
рирует к дислокациям и связывает часть разорванных углеродных связей.
Этим самым водород уменьшает число дислокационных акцепторных цен-
тров, снижает электропроводность образцов ПАК(у) и соответственно уве-
личивает их удельное сопротивление. Вторым следствием является то, что с
уменьшением зерна понижается удельное сопротивление ПАК(г). В частности,
при одной и той же температуре спекания для частиц с размерами 28/20 µm
удельное сопротивление компактов ρ ≈ 106–108 Ω·cm, а для частиц с разме-
рами 10/7 µm ρ ≈ 103–105 Ω·cm.
На основании полученных результатов мы провели более детальное ис-
следование образцов ПАК(г) с малым размером зерна 3/2 µm в зависимости
от температуры спекания. В результате была установлена тенденция увели-
чения плотности дислокаций и уменьшения их удельного сопротивления в
зависимости от температуры спекания. Оказалось, что с ростом последней
увеличивается плотность дислокаций и, как следствие, повышается электро-
проводность образцов и уменьшается их удельное сопротивление. По данным
оценки плотности дислокаций и измерения удельного сопротивления была
построена зависимость удельного сопротивления от плотности дислокаций,
которая описывается характерным для алмазных материалов выражением
0
q
ρ
ρ =
Γ
, (1)
(где 0ρ – удельное сопротивление с одним дислокационным проводящим
каналом, q ≈ 6.9 [10,11]) и приведена на рис. 1 (прямая 2). Для сравнения на
этом же рисунке представлена такая же зависимость для пластически де-
формированных монокристаллов природного алмаза (прямая 1). Выражение
(1) оказалось справедливым и для синтетических алмазных пленок, в кото-
рых дислокации возникают в процессе их синтеза.
103 105 107 109 1011102
104
106
108
1010
1012
1014
2
1
ρ,
Ω
·c
m
Γ, cm–2
Рис. 1. Зависимость удельного
сопротивления от плотности дис-
локаций в пластически дефор-
мированных монокристаллах при-
родного алмаза (прямая 1) и в
образцах ПАК (прямая 2)
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
30
В ряде образцов ПАК(г) нами
исследована зависимость удельной
электрической проводимости от тем-
пературы σ(Т). Пример этой зави-
симости для образцов ПАК(г) при-
веден на рис. 2, из которого видно,
что участок b–c является характер-
ным для любых типов алмаза с
энергией активации 2.0–2.6 eV при
температурах выше 773 K, а уча-
сток a–b имеет дислокационную
природу и носит полупроводнико-
вый характер. Из зависимости σ(Т)
определена энергия активации ~ 0.31 eV, которая близка к энергии активации
носителей заряда в природных полупроводниковых алмазах типа IIb и Ic
(0.29–0.38 eV), образованных в естественных условиях под действием пластиче-
ской деформации соответственно изолирующих алмазов типа IIa и «азотных»
алмазов типа I [10]. Участок a–d, вероятно, обусловлен сильнодеформированной
структурой поверхности, проводимость которой слабо зависит от температуры.
В работе также установлено, что все образцы ПАК(у) и ПАК(г) обладают
симметричными нелинейными ВАХ. На рис. 3 приведена типичная ВАХ для
образца ПАК(г) с удельным сопротивлением ~ 109 Ω·сm, которое соответст-
вует плотности дислокаций 3·1011 сm–2 и тем-
пературе спекания 1670 K.
Таким образом, ПАК, представляющие со-
бой резисторы с описанными выше ВАХ, мо-
гут работать с импульсами напряжения произ-
вольной полярности. Поскольку электриче-
ские контакты имеют омический характер, не-
линейность ВАХ определяется материалом, из
которого изготовлены компакты [12].
При температуре спекания выше 1900 K
плотность дислокаций уменьшается [13].
Следствием этого является и уменьшение
дислокационной проводимости. Но при высо-
ких температурах спекания электрическая
проводимость увеличивается. Такой эффект
можно объяснить наложением на дислокаци-
онную проводимость фрактальной проводи-
мости [14]. Это связано с тем, что при высо-
ких температурах концентрация пор, запол-
ненных проводящим графитом, увеличивает-
ся, что приводит к изменению проводимости
компактов.
1.5 2.0 2.5 3.0
10–9
10–8
d
c
b
alg
σ
1000/T, K–1
10–7
Рис. 2. Зависимость электропроводности
образцов ПАК от обратной температуры
Рис. 3. Типичная симметрич-
ная нелинейная ВАХ в образ-
цах ПАК
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
31
4. Выводы
К основным выводам исследований свойств образцов ПАК следует отне-
сти следующее:
– образцы ПАК, как и все алмазные материалы, имеют дислокационную
проводимость для температуры спекания от 1470 до 1900 K;
– дислокации в ПАК образуют дислокационные проводящие каналы, кото-
рые можно рассматривать вследствие малого поперечного сечения ядер дис-
локаций как проводящие нити с полупроводниковыми характеристиками;
– удельное сопротивление ПАК в зависимости от плотности дислокаций
описывается функциональной зависимостью, справедливой для других ал-
мазных материалов (пластически деформированные природные и синтети-
ческие монокристаллы алмаза, алмазные пленки); значение q ~ 6 в формуле
(1) является характерным для одномерной дислокационной проводимости в
трехмерном пространстве;
– при высоких температурах спекания образцов ПАК(г) дислокационный
механизм проводимости, вероятно, заменяется фрактальным режимом.
В заключение отметим, что алмазные компакты могут найти широкое
применение при создании и разработке варисторных элементов для защиты
различных электронных устройств. Варисторы из ПАК позволят защищать
линии электропередач от перенапряжений, создавать искрогасители на кон-
тактах, ограничители тока, стабилизаторы напряжения, а также разрабаты-
вать схемы управления жидкокристаллическими дисплеями и др.
Автор благодарит за поддержку и помощь в работе Н.Д. Самсоненко,
В.И. Тимченко, О.А. Воронова, Н.И. Носанова, В.В. Каширина.
1. Физические свойства алмаза. Справочник, Н.В. Новиков (ред.), Наукова думка,
Киев (1987).
2. В.Н. Варюхин, Н.Д. Самсоненко, В.И. Тимченко, С.Н. Самсоненко, И.В. Сель-
ская, ФТВД 11, № 2, 7 (2001).
3. Н.Д. Самсоненко, С.Н. Самсоненко, В.И. Тимченко, ФТП 44, 1140 (2010).
4. В.Л. Бонч-Бруевич, В.Б. Гласко, ФТТ 3, 36 (1961).
5. Н.Д. Самсоненко, В.И. Тимченко, Оптическая спектроскопия и электронный
парамагнитный резонанс примесей и дефектов в алмазе, ИСМ АН УССР, Киев
(1986).
6. Е.Н. Яковлев, О.А. Воронов, А.В. Рахманина, Сверхтвердые материалы № 4, 8
(1984).
7. Ю.А. Литвин, В.П. Бутузов, ДАН СССР 181, 1123 (1968).
8. V.N. Varyukhin, N.D. Samsonenko, S.N. Samsonenko, Z.I. Kolupaeva, J. Phys.:
Condens. Matter 18, 5303 (2006).
9. N.D. Samsonenko, S.N. Samsonenko, Z.I. Kolupaeva, Functional Materials 14, 212 (2007).
10. Н.Д. Самсоненко, С.Н. Самсоненко, ФТП 43, 621 (2009).
11. Н.Д. Самсоненко, С.Н. Самсоненко, Фізика і хімія твердого тіла 10, 824 (2009).
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
32
12. N.D. Samsonenko, S.N. Samsonenko, Diamond Based Composites and Related Mate-
rials, NATO ASI Series 3. High Technology, Kluver Academic Publishers, Dor-
drecht–Boston–London (1997), vol. 38, p. 335–339.
13. А.А. Шульженко, В.Г. Гаргин, В.А. Шишкин, А.А. Бочечка, Поликристалличе-
ские материалы на основе алмаза, Наукова думка, Киев (1989).
14. А. Дзедзиц, А.А. Снарский, С.И. Буда, ЖТФ 70, вып. 3, 48 (2000).
C.М. Самсоненко
ОДНОМІРНА ДИСЛОКАЦІЙНА ЕЛЕКТРИЧНА ПРОВІДНІСТЬ
ПОЛІКРИСТАЛІЧНИХ АЛМАЗНИХ КОМПАКТІВ
Досліджено природу електричної провідності полiкристалiчних алмазних компактів
(ПАК), виготовлених на основі графіту і вуглеводнів. Встановлено, що алмазні час-
тинки, з яких виготовлено ПАК, мають мозаїчну структуру. Дислокації, які утво-
рюють межі між блоками мозаїки, визначають електричну провідність алмазних
матеріалів. Густина дислокацій визначається температурою спікання ПАК. Пито-
мий опір останніх обернено пропорційно до шостого ступеня густини дислокацій.
ПАК мають нелінійні вольт-амперні характеристики, що дозволяє використовувати
їх як матеріал для варисторів.
Ключові слова: полiкристалiчнi алмазні компакти, дислокація, електрична провід-
ність, нелінійні вольт-амперні характеристики, варистор
S.N. Samsonenko
ONE-DIMENSIONAL DISLOCATION ELECTRICAL CONDUCTIVITY
OF THE POLYCRYSTALLINE DIAMOND COMPACTS
The nature of electrical conductivity of the polycrystalline diamond compacts (PDC),
prepared on the basis of graphite and hydrocarbons is investigated. It is established that
diamond particles, the diamond complexes are prepared of, have mosaic structure. Dislo-
cations which form boundaries between mosaic blocks, define electrical conductivity of
diamond materials. The density of dislocations is defined by temperature of caking dia-
mond compacts. Resistivity of the latter is in inverse proportion to the sixth power of the
dislocation density. PDC have nonlinear current-voltage characteristics that allows to use
them as a material for varistors.
Keywords: polycrystalline diamond compacts, dislocation, electrical conductivity, non-
linear current-voltage characteristics, varistor
Fig. 1. Dependence of the resistivity on density of dislocations in plastically deformed
monocrystals of natural diamond (line 1) and in PDC samples (line 2)
Fig. 2. Dependence of electrical conductivity of PDC samples on inverse temperature
Fig. 3. Typical symmetrical nonlinear current-voltage characteristic in PDC samples
|