MD1891Z - Procedeu de recristalizare a filmelor monocristaline de Bi sau Bi-Sb - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la domeniul materialelor termoelectrice, şi anume la procedee de recristalizare a filmelor monocristaline din materiale anizotrope de Bi sau Bi-Sb.Procedeul de recristalizare a filmelor monocristaline de Bi sau Bi-Sb constă în mişcarea printr-un condensator a unui suport de mică cu filmul de Bi sau Bi-Sb depus, condensatorul fiind format dintr-o placă de cupru şi o placă de sticlă cu un strat conductiv translucid pe partea interioară, care generează un câmp electric puternic; încălzirea unei părţi a filmului cu un fascicul laser până la temperatura de topire cu formarea unei mici zone topite, care în direcţia de mişcare a suportului de mică în interiorul condensatorului este imediat recristalizată de un flux de aer, cu direcţia axei cristalografice С3a filmului în direcţia câmpului electric.

Description

[0001] Invenţia se referă la domeniul materialelor termoelectrice, şi anume la procedee de recristalizare a filmelor monocristaline din materiale anizotrope de Bi sau Bi-Sb.

[0002] În aerodinamica modernă, problema înregistrării fluxurilor de căldură în timpul mişcării unui corp la viteză hipersonică în medii gazoase este relevantă. Procesele termice nestaţionare de la suprafaţa unui corp, care transmit informaţii importante despre fizica proceselor, au loc la frecvenţe înalte, prin urmare, pentru a înregistra fluxul de căldură, sunt necesari şi senzori care funcţionează la frecvenţe înalte (de exemplu, cu o constantă de timp de 10-6s).

[0003] Este cunoscut un procedeu de creştere a cristalelor dintr-o topitură folosind agent de cristalizare. În această metodă, este necesar să se asigure contactul iniţial al agentului de cristalizare, adică, cristal orientat special, cu o topitură (sau zonă de topire) a unui cristal recristalizat [1].

[0004] Sunt cunoscute două procedee de creştere a filmelor de bismut monocristalin folosind recristalizarea filmului sub un strat protector [2] şi topirea zonei sub acoperire [3], care permit obţinerea unor filme monocristaline de Bi şi Bi-Sb fără agent de cristalizare şi, în aproape toate cazurile, planul de clivaj (111) a fost situat paralel cu suportul, adică, axa cristalografică principală C3a filmelor a fost situată perpendicular suportului.

[0005] Dezavantajul acestor procedee constă în imposibilitatea obţinerii filmelor cu orientare necesară a axei cristalografice principale C3, ceea ce este o condiţie necesară pentru utilizarea filmelor de Bi monocristalin pentru fabricarea dispozitivelor termoelectrice anizotrope, în special a senzorilor de flux de căldură.

[0006] Cea mai apropiată soluţie este un procedeu de recristalizare a filmelor monocristaline din material anizotrop de Bi sau Bi-Sb, care constă în mişcarea printr-un condensator a unui suport de sticlă cu filmul monocristalin depus, condensatorul fiind format dintr-o placă de cupru şi o placă de sticlă cu un strat conductiv translucid pe partea interioară, care generează un câmp electric puternic, încălzirea unei părţi a filmului cu un fascicul laser până la temperatura de topire cu formarea unei mici zone topite, care în direcţia de mişcare a suportului de sticlă în interiorul condensatorului este imediat recristalizată de un flux de aer, cu direcţia axei cristalografice С3a filmului în direcţia câmpului electric [4].

[0007] Dezavantajul acestui procedeu constă în utilizarea în procesul tehnologic a peliculelor de Bi şi Bi-Sb depuse pe suporturi subţiri de sticlă (grosimea minimă a sticlelor de acoperire este de 130 µm), ceea ce limitează caracteristicile de frecvenţă al senzorilor de flux termic realizaţi din astfel de pelicule.

[0008] Problema pe care o rezolvă invenţia constă în elaborarea unei tehnologii de recristalizare a peliculelor de material anizotrop (de exemplu de Bi şi aliajul de Bi-Sb), cu caracteristici de frecvenţă majore şi cu orientarea dorită a axei cristalografice С3faţă de planul filmului.

[0009] Procedeul, conform invenţiei, elimină dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că constă în mişcarea printr-un condensator a unui suport de mică cu filmul de Bi sau Bi-Sb depus pe acesta, condensatorul fiind format dintr-o placă de cupru şi o placă de sticlă cu un strat conductiv translucid pe partea interioară, care generează un câmp electric puternic, încălzirea unei părţi a filmului cu un fascicul laser până la temperatura de topire cu formarea unei mici zone topite, care în direcţia de mişcare a suportului de mică în interiorul condensatorului este imediat recristalizată de un flux de aer, cu direcţia axei cristalografice С3a filmului în direcţia câmpului electric.

[0010] Rezultatul tehnic al invenţiei constă în obţinerea unei pelicule recristalizate monocristaline de Bi sau Bi-Sb pe un suport subţire de mică (tmica≥10 µm) cu poziţia necesară a axei cristalografice principale C3a filmului faţă de planul acestuia, ceea ce majorează caracteristicile de frecvenţă ale senzorului de flux de căldură executat dintr-o astfel de peliculă.

[0011] Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-3, care reprezintă:

[0012] - fig.1, schema instalaţiei pentru recristalizarea filmelor de Bi sau Bi-Sb pentru a obţine un film monocristalin cu axa cristalografică principală C3orientată de-a lungul direcţiei câmpului electric, include: 1 - placa de sticlă cu un strat conductiv translucid, 2 - lentila care focalizează fasciculul laser pe suprafaţa filmului, 3 - laser semiconductor, λ=450 nm, P=2 W, 4 - cristalizator (flux de aer), 5 - film de Bi sau Bi-Sb depus pe un suport de mică, 6 - condensator format dintr-o placă de sticlă cu un strat conductor translucid şi o placă de cupru situată la o distanţă de 2,5 cm una faţă de alta, condensatorul este înclinat faţă de peliculă la un unghi θ=36°;

[0013] - fig. 2, dependenţa de timp a tensiunii U la capetele filmului de Bi recristalizat monocristalin cu grosimea b = 1 µm, depus pe un suport de mica cu grosimea de 20 µm, cu axa C3deviată de la planul filmului cu un unghi θ=36°, când este iluminat cu un flux de lumină modulată (de la iluminatorul microscopului MBS-9), fluxul de lumină este direcţionat direct către filmul de bismut;

[0014] - fig. 3, dependenţa de frecvenţă a tensiunii normalizate U/U10 Hzla capetele filmului de Bi monocristaline recristalizate cu grosimea b = 2 µm, a - filmul de Bi pe suportul de mică cu grosimea de 19 µm, b - filmul de Bi pe suportul de sticlă cu grosimea de 130 µm, cu iluminarea peliculelor cu flux luminos modulat, inserţiile prezintă configuraţia experimentală şi dimensiunile geometrice ale peliculelor: 7 - iluminator de la microscopul MBS-9, 8 - modulator, 9 - filmul de Bi cu grosimea de 2 µm, 10 - suport de mică (a) sau sticlă (b).

[0015] Exemplu de realizare a invenţiei

[0016] Exemplul 1.

[0017] Pe fig. 1 este prezentată schema instalaţiei pentru a demonstra metoda propusă pentru fabricarea filmului de Bi sau Bi-Sb pe suportul de mică 5 cu axa cristalografică principală C3situată în direcţia câmpului electric E. Condensatorului i se aplică o tensiune de 7,5 kV, iar în condensator apare un câmp electric E=3 kV/cm, al cărui vector este, de asemenea, înclinat faţă de peliculă la un unghi θ=36°. Filmul de Bi sau Bi-Sb de 1 µm grosime, 500 µm lăţime şi 16 mm lungime, depus în vid pe suportul de mică 5, se deplasează cu o viteză v=250 mm/min în interiorul condensatorului 6 în zona câmpului electric puternic. O mică parte a filmului este topită de un fascicul laser focalizat 3 şi imediat, atunci când filmul este deplasat, este cristalizată printr-un flux de aer 4, în timp ce axa cristalografică principală C3este situată în direcţia vectorului câmpului electric. Folosind un laser semiconductor (λ=450 nm, P=2 W), s-a obţinut un film de Bi recristalizat monocristalin cu grosimea de b=1 µm cu axa C3deviată de la planul filmului cu un unghi θ=36°. Un astfel de film posedă proprietăţi a unui termoelement anizotrop. Tensiunea E care apare la capetele filmului din cauza gradientului transversal de temperatură ΔT este egală cu:

[0018]

[0019] unde α - este lungimea filmului, b - este grosimea filmului,S12- este componenta diagonală a tensorului forţei termoelectromotoare, unde θ - este unghiul de înclinare a axei cristalografice C3faţă de planul filmului,

- este anizotropia forţei termoelectromotoare.

[0020] Proprietăţile filmului de Bi recristalizat, care se manifestă ca un termoelement anizotrop, au fost confirmate atunci când a fost iluminat cu un iluminator 7 de la microscopul MBS-9. La capetele filmului apare o tensiune U din cauza gradientului de temperatură transversal ΔT, iar când lumina este stinsă, apare o tensiune de polaritate inversă, datorită faptului că o parte a filmului în contact cu suportul de mică s-a răcit mai lent decât partea filmului în contact cu aerul (fig. 2). Caracteristicile dinamice atunci când lumina este pornită şi stinsă succesiv pot fi explicate pe deplin prin teoria unui termoelement anizotrop. Când iluminarea este pornită, temperatura T1 a stratului superior al filmului de Bi, se schimbă rapid, în timp ce temperatura T2 a stratului inferior al filmului de Bi în contact cu suportul de mică 5 începe să crească treptat. La tensiunea maximă U la capetele filmului, adică, la gradientul de temperatură transversal maxim pe filmul de bismut T1>T2 şi T2=T3 (T3 - este de fapt temperatura ambiantă), atunci temperatura T2 începe să crească, ceea ce conduce la o scădere a gradientului de temperatură şi, în consecinţă, la o micşorare a tensiunii de ieşire U. Când se atinge echilibrul dinamic, se stabileşte un gradient de temperatură constant la T1>T2 şi T2>T3. Când iluminarea este stinsă, temperatura T1 a stratului superior al filmului de Bi îndreptat spre emiţător revine rapid la temperatura camerei T3, în timp ce temperatura stratului inferior al filmului de Bi în contact cu suportul de mică, T2, datorită prezenţei suportului, nu se răceşte atât de repede, ceea ce duce la apariţia gradientului transversal de temperatură de semn opus (T1<T2) şi la apariţia unei tensiuni negative U la capetele filmului, care creşte treptat până la zero pe măsură ce temperaturile T1=T2=T3 se egalează.

[0021] Exemplul 2.

[0022] Conform tehnologiei propuse, în condiţii identice. Condensatorul este înclinat faţă de peliculă la un unghi de θ=36°, în condensator este indus un câmp electric E = 3 kV/cm, o peliculă de bismut cu grosimea de 2 µm, lăţimea de 500 µm şi lungimea de 16 mm se mişcă cu o viteză de v=250 mm/min în interiorul condensatorului în zona de acţiune a unui câmp electric puternic, o mică parte a peliculei este topită de un fascicul laser focalizat şi imediat după mişcarea sa este cristalizată de un curent de aer. Au fost recristalizate 2 filme de Bi cu grosimea de 2 µm, depuse în vid pe un suport de mică cu grosimea de 19 µm şi pe un suport de sticlă (lamelă) cu grosimea de 130 µm. Pentru a studia caracteristicile de frecvenţă, filmele de Bi recristalizate obţinute au fost iluminate cu un iluminator 7 de la un microscop MBS-9 folosind un modulator 8 sub forma unui disc metalic rotativ cu fante. Tensiunea care apare la capetele peliculelor, este înregistrată de un detector sincron, schema experimentală şi dimensiunile geometrice ale peliculelor sunt prezentate în inserţiile din fig. 3.

[0023] Pe fig. 3 este prezentată dependenţa de frecvenţă a tensiunii de ieşire normalizate la capetele peliculelor U/U10 Hziluminate cu lumină modulată. După cum se observă, pe filmul de Bi recristalizat, depus pe suportul de sticlă (b), semnalul de ieşire se atenuează mult mai rapid odată cu creşterea frecvenţei de modulaţie, în comparaţie cu filmul de Bi recristalizat, depus pe suportul de mică (a). Magnitudinea tensiunii de ieşire la capetele peliculei depinde de gradientul transversal de temperatură. Când lumina este oprită, rata de modificare a temperaturii pe suprafaţa peliculei de Bi orientată spre suport depinde de rezistenţa termică de la această suprafaţă la mediul extern. Fluxul de căldură prin materialul de Bi este acelaşi pentru cele două filme (a) şi (b), în timp ce fluxul de căldură prin suport este diferit. Rezistenţa termică de la această suprafaţă prin suport este egala cuR=l/(k·s), unde l - grosimea suportului, k - conductivitatea termică a suportului, s - secţiunea transversală perpendiculară pe propagarea căldurii (aceeaşi pentru cele două pelicule). Conductivitatea termică a micei este de kmica=0,5 W/(m K), conductivitatea termică a sticlei borosilicat, din care se fabrică sticlele de acoperire, de 1,15 W/(m K), de Rsticlă/Rmicăeste de:

[0024]

[0025] După cum se observă, rezistenţa termică pe suportul de sticlă este de 3 ori mai mare decât rezistenţa termică pe suportul de mică. O diferenţă atât de mare în rezistenţa termică duce la o scădere semnificativ mai rapidă a tensiunii de ieşire pe filmul de Bi pe suportul de sticlă, comparativ cu filmul de Bi pe suportul de mică, observată experimental. Această diferenţă va fi şi mai mare dacă filmul de Bi este aplicat pe un suport de mică cu o grosime de 10 µm, atunci

[0026]

[0027] 1. Пфанн В. Зонная плавка, Мир, Москва, 1970, р. 246-251

[0028] 2. Л. Палатник, А. Федоренко, В. Едыкин, В. Гамаюнов. Выращивание монокристаллических пленок под защитным слоем, Приборы и техника эксперимента № 6, 1975, р. 243-245

[0029] 3. В. Комаров, И. Попов, А. Грозав. Продольное магнитосопротивление перекристаллизованных полуметаллических пленок Bi1-xSbx, Buletinul academiei de ştiinţe a RSS Moldova, Fizica şi tehnica nr. 2, 1991, p. 3-7

[0030] 4. Leonid Konopko, Albina Nikolaeva, Ana Kobylianskaya, Gheorge Para. Technology of oriented growth of anisotropic singlecrystal Bi films in a strong electric field, 13th Edition of European Exhibition of Creativity and Innovation, Romania 2021

Claims (1)

1. Procedeu de recristalizare a filmelor monocristaline de Bi sau Bi-Sb, care constă în mişcarea printr-un condensator a unui suport de mică cu filmul de Bi sau Bi-Sb depus, condensatorul fiind format dintr-o placă de cupru şi o placă de sticlă cu un strat conductiv translucid pe partea interioară, care generează un câmp electric puternic; încălzirea unei părţi a filmului cu un fascicul laser până la temperatura de topire cu formarea unei mici zone topite, care în direcţia de mişcare a suportului de mică în interiorul condensatorului este imediat recristalizată de un flux de aer, cu direcţia axei cristalografice С3a filmului în direcţia câmpului electric.