Термодеполяризационный способ определения параметров и концентрации дефектов структуры в кристаллах с водородными связями

КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ ментов в электротехнике, радиотехнике и оптоэлектронике. Осуществление предлагаемого способа определения параметров и концентрации дефектов структуры в кристаллах с водородными связями стало возможным благодаря тому, что сравнение измеренного и расчтных графиков (Т), выражающих зависимость термостимулированных токов деполяризации от температуры, происходит не в одной точке максимума, а на множестве точек кривой в окрестности максимума, причм изменение концентрации и параметров дефектов структуры в образцах моделируется с помощью ЭВМ, благодаря чему определение этих параметров экономичнее, точнее,быстрее, чем в применяемых в настоящее время способах, использующих дорогостоящие и трудомкие операции легирования и прокаливания.(72) Тонконогов Марк Павлович Исмаилов Жараскан Тулегенович Фазылов Константин Камильевич(73) Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова(54) ТЕРМОДЕПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ В КРИСТАЛЛАХ С ВОДОРОДНЫМИ СВЯЗЯМИ(57) Изобретение относится к физико-химическому анализу и предназначено для быстрого и точного определения дефектов структуры, их параметров и концентрации в кристаллах с водородными связями,которые широко используются в качестве изоляции,нелинейных сопротивлений и других активных эле 13188 Изобретение относится к физико-химическому анализу и предназначено для быстрого и точного определения дефектов структуры, их параметров и концентрации в кристаллах с водородными связями,которые широко используются в качестве изоляции,нелинейных сопротивлений и других активных элементов в электротехнике, радиотехнике и оптоэлектронике. Термоактивационный способ анализа электротехнических материалов, получивший широкое распространение и признание, заключается в том, что диэлектрик или полупроводник помещается в постоянное электрическое поле, в котором происходит его поляризация. В поляризованном состоянии вещество охлаждается до температуры, при которой реориентация дефектов структуры затруднена, после чего внешнее поле отключается, а исследуемый образец присоединяется к измерителю тока и изохронно нагревается, что вызывает термостимулированную деполяризацию и, следовательно, появление термостимулированного тока деполяризации в измерительной цепи. Зависимость термостимулированного тока деполяризации от температурыимеет максимумы, каждый из которых характеризует определнный дефект структуры, их количество соответствует различным типам дефектов структуры и их энергиям активации, которые возможно рассчитать по положению максимумов на оси температур. Площадь, ограниченная графикоми осью температур, пропорциональна концентрации дефектов. Внешние воздействия изменяют график, так как приводят к смещению положения максимумов на оси температур, что и позволяет определять параметры дефектов (Гороховатский Ю.А Основы термодеполяризационного анализа. М. Наука, 1981,с. 12, абзац 2, с. 14, абзац 3). Известен способ определения вида дефектов, их количества, энергии активации, времени релаксации, активационных объемов дефектов кристаллической решетки диэлектриков и полупроводников по а. с. СССР 737822, кл. 01 27/24,1980. В этом изобретении смещение положения максимумов термостимулированного тока деполяризации на графике (Т) обеспечивается изменением давления на образец. Общий недостаток рассмотренных способов в том, что исследование дефектов структуры и качества материалов требует, чтобы дорогостоящая и подчас уникальная аппаратура соответствовала конкретному материалу, так как для каждого материала требуется свой диапазон работы измерительных приборов. Точность измерений связана с трудностью определения высокого давления, величины проводимости, в результате чего часто невозможно чтко выделить максимумы графика . После каждого измерения нужно длительно ждать установления температуры, затем необходимо точно зафиксировать максимумы кривой (Т). Гораздо эффективнее применять способ термоактивационного анализа для конкретной группы кристаллов, характеризуемой общим механизмом проводимости, например, для кристаллов с водо 2 родными связями, для которых существует хорошо разработанная теория (Тонконогов М.П. Диэлектрическая спектроскопия кристаллов с водородными связями / Протонная релаксация. Успехи физических наук. 1998, т. 168,1, с. 29-54). Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого нами изобретения может служить термоактивационный способ определения типа и концентрации дефектов в кристаллах с водородными связями (а. с. СССР 1642354, кл. 01 27/24, 1990). В этом способе также измеряют термостимулированные токи деполяризации сначала заполяризованных в электрическом поле, а затем замороженных при температуре жидкого азота образцов кристаллов с водородными связями. При этом применяют легирование образцов примесью , Н 4 ОН для изменения концентрации дефектов структуры и в их прокалке, позволяющей удалять молекулы воды и группы ОН-. Затем осуществляют сравнение измеренных термостимулированных токов деполяризации исходного образца и легированных примесью и прокаленных образцов, которые значительно различаются в положении и величине максимумов на графиках термостимулированных токов деполяризации, что позволяет увеличить достоверность и точность определения концентрации и параметров дефектов структуры в кристаллах с водородными связями. Недостаток прототипа изобретения в том, что исследование большого числа образцов занимает много времени, а их прокалка и легирование в растворах кислоты или щелочи для подготовки к измерению - операции дорогостоящие и очень трудомкие. Таким образом, прототип изобретения не удовлетворяет современным требованиям контроля качества материалов электроники и оптоэлектроники,так как не позволяет быстро реагировать на изменение структуры материала в процессе подготовки к работе, а тем более в процессе работы в аварийном режиме, когда требуется принимать решение об отключении соответствующего элемента аппаратуры. Технической характеристикой качества материалов с водородными связями (тальк, гипс, слюда,КН 2 РО 4, К 2 О 4), определяющей эффективность их использования в изоляционной технике, электронике, оптоэлектронике, радиационной технике, являются концентрация и параметры дефектов кристаллической структуры. К таким дефектам относятся-дефект - двойная водородная связь ионные дефекты - Н 3 О, ОН-. Каждый дефект имеет положительный или отрицательный заряд, равный заряду протона, и характеризуется следующими параметрами 0 - энергия активации, определяющая взаимодействие с электрическим полем 0 - частота собственных колебаний в положении временного равновесия дефекта 0 - ширина потенциального барьера 0 - равновесная концентрация дефектов структуры. 13188 Технический результат предлагаемого изобрете- ресурсов вычислительной машины от нескольких ния - повышение достоверности, точности, скорости часов до секунд. Исходная зависимостьрассчитывается по и экономичности определения параметров дефектов структуры и их концентрации обусловлен тем, что формулам теории, имеющимся в памяти компьютесравнение графиковпроисходит не в одной ра, и сравнивается с измеренной зависимостью точке (в максимуме), как в прототипе, а на множе- , также введнной в память компьютера. При стве точек кривой в окрестности максимума, в этом этом требуется выполнение единственного условия случае на порядок увеличивается точность опреде- - перебор параметров 0, 0, 0, 0 должен обеспеления энергии активации и других параметров де- чить, чтобы теоретический график в области максифектов структуры в кристаллах с водородными свя- мумов термостимулированного тока деполяризации зями. Изменение концентрации дефектов в образцах был как можно ближе к измеренной зависимости моделируется перебором их параметров с помощью (Т). Обеспечивающие выполнение этого условия ЭВМ, что значительно дешевле и несравненно бы- численные значения параметров 0, 0, 0, 0 реальстрее операций легирования и прокаливания. но характеризуют свойства кристалла, для которого Осуществление предлагаемого способа опреде- был использован измеренный спектр . Появления параметров и концентрации дефектов струк- ляется возможность не только экономить время и туры в материалах с водородными связями стало стоимость испытания образцов, но и вести прогновозможным благодаря тому, что использована бы- зирование процесса старения изоляции и элементов стродействующая вычислительная техника для мо- электроники, наблюдать их деструкцию, например,делирования физического процесса миграции де- при работе в экстремальных условиях (высокие нафектов кристаллической структуры по водородным пряжения, действие ультразвука, радиации, агрессвязям, который однозначно характеризует измене- сивной среды, а также в условиях космоса). ние физических свойств материалов с водородными Пример. Приготовляют образец кристалла, насвязями. пример, флогопита, снимают спектр термостимулиПрименение разработанной авторами теории рованного тока деполяризации. Образец устанавлипротонной релаксации обеспечивает построение вают между электродами, фиксируют температуру математической модели процесса миграции дефек- поляризации (в данном случае 373 К) в течение 20 тов структуры по водородным связям (Тонконогов минут, затем подключают постоянное электричеМ.П., Исмаилов Ж.Т., Фазылов К.К., Баймуханов ское поле 106 В/м поляризацию осуществляют в З.К. Определение параметров релаксаторов в слож- течение 15 минут, после чего образец быстро охланых кристаллах с водородными связями методом ждают до температуры 77 К, отключают электричетермостимулированных токов на примере флогопи- ское поле и производят нагрев со скоростью 0,1 К/с,та // Изв. ВУЗов. Физика, 2000,10, с. 97-99). Ис- по результатам измерений строят график , на пользование современной компьютерной методики котором фиксируются максимумы термостимулироперебора параметров дефектов (Калиткин Н.Н. Чис- ванного тока деполяризации (фигура, кривая 1). Заленные методы. М. Наука, 1978, гл. , 2, с. 201) тем рассчитывают кривые 2, 3, 4, 5, 6 (фигура) в позволило построить модель, которая воспроизво- области максимумов, для чего используют формулу дит физические явления, характеризующие легиро- (Тонконогов М.П., Исмаилов Ж.Т., Фазылов К.К.,вание и прокалку кристаллов. В этой модели варьи- Баймуханов З.К. Определение параметров релаксарование значений параметров 0, 0, 0, 0 эквива- торов в сложных кристаллах с водородными связялентно операциям легирования и прокаливания. Та- ми методом термостимулированных токов на приким образом, изменение концентрации дефектов мере флогопита // Изв. Вузов. Физика, 2000,10, с. структуры в образцах осуществляется не фактиче- 97, абзац 2, формула (1 ски, как в прототипе, когда используются десятки 12345 ,(1) образцов, прокалнных при различных температугде рах и легированных протоннодонорной или протон 0 моделируется на компьютере. Соответственно время эксперимента не 2-3 месяца, а в зависимости от В формулах (1-6) использованы сокращенные выражения и обозначения- коэффициент диффузии релаксаторов- заряд релаксатора- толщина кристалла (расстояние между электродами) 1/1/м 1/д - время релаксации, обусловленное вкладом -ой пространственной гармоники м 0/0 - максвелловское время релаксации д 2/22 - диффузионное время релаксации к - коэффициент, определяемый из условия к- эффективная глубина проникновения гомозаряда- поверхностная концентрация гомозаряда А 0/(/)-1 п/п- постоянная кристаллической решетки Еп - напряженность поляризующего электрического поля Тп - температура поляризации- постоянная Больцмана Т 0 - температура охлаждения кристалла с - скорость линейного нагрева кристалла при темодеполяризации. Коэффициенты диффузии и подвижности определяются формулами 200(8)00,в которых использованы следующие сокращенные выражения и обозначения Т - текущая температура- масса релаксатора (масса протона)- коэффициент разделения гетерозаряда и гомозаряда. Перебором с помощью ЭВМ параметров сравнения расчтных и измеренного спектровдобиваются наилучшего совпадения графиков, результаты заносят в таблицу, из которой видна высокая точность определения энергии активации, теоретические и измеренные значения которой практически совпадают (таблица). Экономически целесообразно в эксперименте использовать частично блокирующие электроды, а теория разработана для омических электродов, поэтому расчтные графики 2, 3, 4, 5, 6 (фигура) несколько выше измеренного. Это не мешает с высокой точностью рассчитывать параметры релаксаторов, так как характеристики дефектов структуры определяются поляризационными процессами. 13188 Термодеполяризационный способ определения параметров и концентрации дефектов структуры в кристаллах с водородными связями Тип релаксатора измеренная Переход протона внутри и между анионами 100 Н 3 О Кристаллизационная вода ОНКомплексы вакансия- дефект Термодеполяризационный способ определения параметров и концентрации дефектов структуры в кристаллах с водородными связями, заключающийся в поляризации исследуемого образца вещества в постоянном электрическом поле при фиксированной температуре, охлаждении до температуры, при которой разориентация дефектов структуры затруднена, отключении источника электрического поля,последующем нагревании образца с постоянной скоростью и измерении зависимости термостимулированного тока деполяризации от температуры, отличающийся тем, что измеренную зависимость термостимулированного тока деполяризации помещают в память компьютера, затем рассчитывают теоретические зависимости термостимулированного тока деполяризации, выбирая с помощью вариации концентрации и параметров дефектов структуры такую, которая как можно меньше отличается от измеренной, на основе чего определяют параметры дефектов структуры и их концентрацию.