Сложная жизнь мембран
Во множестве самых разных приборов и устройств используются мембраны, и почти всегда к ним при работе прикладываются усилия, которые они должны выдерживать. А если они и должны разрушаться, то при вполне определённых нагрузках. Во многих случаях эти нагрузки — следствие разных давлений по разные стороны мембраны. Прочность мембран зависит от их формы, размеров, толщины и параметров материала. Параметры материала могут изменяться и при нагреве, например при термообработке, причём для мембран микроскопической толщины не так, как для массивных образцов. При нагреве может происходить рекристаллизация (рост кристаллов), и если размер кристаллов сравним с толщиной мембраны, то поведение материала будет не таким, как для массивного образца. В то же время именно нагрев можно использовать как способ управления параметрами мембран при их изготовлении.
Исследователи из Московского института электронной техники (Зеленоград) изучили изменение при термообработке параметров прочности мембран нескольких форм, размером около 1 мм, из плёнки алюминия толщиной 2,2 мкм. Плёнка была получена не прокаткой, а магнетронным напылением на кремниевую подложку. Прочность мембран определяли до и после нагрева до 450°C в течение одного часа в вакууме. Оказалось, что при нагреве происходит рекристаллизация, средний размер кристаллов возрастает от 0,59 до 1,1 мкм (здесь и далее значения для круглых мембран), шероховатость плёнок увеличивается значительно — с 0,072 до 4,5 мкм. Средние значения прочности мембран и модуля упругости при этом немного уменьшаются, на 20—25%, но зато и разброс значений давления разрыва уменьшается с 30 до 20%, что соответствует увеличению надёжности и может быть существенно для практических применений.
Дюжев Н. А. и др. Влияние термической обработки на физико-механические свойства тонкоплёночных мембранных Al-структур различной формы. Письма в ЖТФ, 2025, вып. 2, с. 10.
Об излучении — подробнее
Казалось бы, уж если мы о чём-то знаем всё, так это о химических элементах, по крайней мере, о стабильных. Элементов всего 118, а стабильных чуть больше восьмидесяти, что, в общем, немного. Увы, о некоторых параметрах ряда элементов у нас знания весьма ограниченные. И речь не про те элементы, атомы которых поштучно получают, а про те, которые килограммами отсыпать можно, и не про какие-то экзотические параметры, а, например, про коэффициенты излучения циркония (Zr) и гафния (Hf). В технике они используются, так что коэффициенты эти для тепловых расчётов нужны. А публикаций про них мало, и данные не вполне согласуются. Понять, почему — трудно: авторы исследований не всегда приводят данные о методике и примесях.
В Казанском национальном исследовательском технологическом университете решили разобраться с интегральным коэффициентом излучения Zr и Hf, причём в широком диапазоне температур, так, чтобы накрыть точку плавления и определить параметры и в жидкой фазе. А также со спектральным коэффициентом излучения Zr и Hf в широком диапазоне длин волн. Оказалось, что для Zr (Hf) при изменении температуры от 400 до 2350 K (от 400 до 2650 K) интегральный коэффициент растёт почти линейно от 0,15 до 0,25 (от 0,2 до 0,35), а при плавлении увеличивается скачком до 0,3 (0,4). Спектральный коэффициент излучения с увеличением длины волны от 0,7 до 10,6 мкм (ближний инфракрасный диапазон) падает при температуре в окрестности точки плавления для твёрдого Zr от 0,40 до 0,12, для жидкого Zr — от 0,38 до 0,17, для твёрдого Hf — от 0,54 до 0,12, для жидкого Hf — от 0,46 до 0,15. Авторы сопоставляют свои результаты с опубликованными и с теорией.
Иногда люди спорят: физика наука экспериментальная или теоретическая? Пока мы не все параметры элементов знаем, а теория их не очень точно предсказывает, можно уверенно говорить — экспериментальная.
Косенков Д. В., Сагадеев В. В. Исследование излучательной способности циркония и гафния в широком диапазоне температур. ЖТФ, 2024, вып. 8, с. 1356.
Нанокристаллы под крышей
В качестве прозрачной электропроводящей плёнки часто используют оксид индия-олова, обычно обозначаемый ITO (indium tin oxide). Естественно, желательно, чтобы оптическое излучение она пропускала побольше, а электрическое сопротивление имела поменьше. Параметры зависят от структуры плёнки, а структура — от способа и режима её нанесения. В частности, если использовать магнетронное распыление в бескислородной плазме и подогревать стеклянную подложку до температуры выше температуры плавления индия (157°С) и олова (231°С), рост плёнки идёт по механизму пар-жидкость-кристалл и на поверхности растут нитевидные нанокристаллы смешанного оксида. Причём плотность покрытия монотонно возрастает в глубину, так что самая плотная плёнка прилегает к подложке. Соответственно, оказывается изменяющимся по толщине и коэффициент преломления, он тоже минимален на поверхности и растёт в глубину. Это уменьшает отражение света от плёнки, то есть получается просветлённое покрытие. Но поверхность такой плёнки легко загрязняется и портится из-за нитевидной структуры.
Плёнка, образованная массивом нитевидных нанокристаллов ITO без слоя оксида алюминия (а) и с нанесённым поверх слоем Al2O3 толщиной: b — 10 nm, c — 150 nm, d — 300 nm. Рисунок из реферируемой статьи.
Исследователи из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и АО «СКТБ Кольцова» (Санкт-Петербург) попытались покрыть такую плёнку «крышей» — тонким прозрачным слоем оксида алюминия. Делали это методом молекулярного наслаивания — осаждением оксида алюминия из потока газа-носителя. То, что получилось, показано на рисунке. Сначала оксид алюминия покрывает отдельные нити оксида индия-олова, а потом действительно формируется нечто вроде сплошной крыши. Оптическая прозрачность структур составляла от 70 до 80% (соответственно на синем и красном конце спектра).
Аксенова В. В. и др. Особенности осаждения оксида алюминия на массив нитевидных нанокристаллов ITO. ФТТ, 2024, вып. 12, с. 2099.
