ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 39-47
УДК 536.241
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ КОНТАКТА АЛЮМИНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОПЛЕНОК © 2015 г. А. Г. Викулов, Д. Г. Викулов, С. Ю. Меснянкин, А. Ю. Фельдман
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) E-mail: viarticle@yandex.ru, ff.andre@yandex.ru Поступила в редакцию 27.12.2013 г.
Экспериментально исследуется влияние нанопленок Al2O3, образующихся на поверхности Al при его окислении, на контактное электрическое и тепловое сопротивления. Рассматривается структура тепловой проводимости реального контакта и соотношение ее компонент в зависимости от свойств пленок. Обосновывается целесообразность определения пленочной проводимости по контактному электрическому сопротивлению. Приводятся результаты измерения вольт-амперной характеристики системы Al—Al2O3—Al. Рассчитываются электрическое и тепловое сопротивления, вычисляются сопротивления стягивания в контактной паре образцов при условиях эксперимента и находятся сопротивления пленок. Определяется тип проводимости и высота барьера контакта Al—Al2O3. Устанавливается зависимость теплового потока через соединения с пленками различной толщины от электронной проводимости пленок.
Б01: 10.7868/80040364415010202
ВВЕДЕНИЕ
Анализ работ по теплофизическим свойствам твердых тел, опубликованных за последние годы в журнале "Теплофизика высоких температур", позволяет выделить два направления исследований, которым уделяется особое внимание: комплексное изучение теплофизических и электрических свойств, их взаимосвязей и зависимостей от температуры, состояния вещества и воздействия внешних факторов [1— 5]; изучение особенностей свойств вещества в наноструктурах и на границах раздела [6—8].
Результаты текущих исследований по теплофи-зическим свойствам веществ обобщены и систематизированы в [1]. Измерение интегрального полусферического коэффициента излучения и электрического сопротивления сплавов титана с добавками алюминия и ванадия в диапазоне температур 700— 1700 К для е и 77—1700 К для р показало, что невозможно получить взаимную корреляцию между объемными и поверхностными свойствами исследованных сплавов [2]. В результате экспериментального исследования электрического сопротивления и теплового расширения смесей на основе меди, цинка и стали в температурном диапазоне 300—1000 К сделан вывод о ключевой роли теплового расширения атомной решетки в рассеянии электронов [3]. Расчет температурных зависимостей свойств феррита: изобарной теплоемкости в диапазоне 298—673 К, диэлектрической постоянной и электрического сопротивления в диапазоне 303—493 К показал, что изучаемая структура имеет свойства полупроводника [4]. На основе доступных опубликованных
экспериментальных результатов, а также из исследований температурной зависимости теплопроводности графита методом двух цилиндров установлено, что механизм теплопередачи обеспечивается фоно-нами до температуры 3300 К [5]. Таким образом, экспериментально подтверждаются особенности поверхностного состояния вещества, влияние атомной решетки на рассеяние электронов в проводниках, фононный механизм теплопроводности в диэлектрике, и теоретически — полупроводниковые свойства перспективного материала на основе феррита.
Характер опубликованной информации по наноструктурам — частые расхождения свойств, размерный эффект и высокий уровень неопределенности — показывает необходимость разработки единого подхода к решению проблем получения, классификации и сертификации численных данных на предмет востребованности, методов измерения и оценки, а также воспроизводимости результатов [6]. Количество работ по физическим свойствам вещества в масштабах порядка нанометра не так уж велико. Теоретически исследован переход металл— изолятор для модели материала, представляющего собой квантовую нерелятивистскую кулоновскую систему электронов и ядер одного типа [7]. Экспериментально показана возможность образования тонкой пленки на поверхности графита при магне-тронном облучении со спектральной плотностью радиационного потока ~5108 Вт/м3 при длине волны 300 нм и температуре подложки ~660 К [8]. Таким образом, анализируется состояние данных по свойствам наноструктур, теоретически исследуется
переход металл—изолятор и экспериментально — возможность получения пленок на поверхности графита.
Пленки на поверхностях металлов образуются в естественных условиях и могут получаться искусственным путем. В воздушной среде адгезионные пленки покрывают всю поверхность металла и в зависимости от температуры и влажности преобразуются в окисные или сульфидные, которые являются полупроводниками или диэлектриками. Искусственные пленки создаются напылением, анодированием, испарением, окислением и другими методами и, как правило, имеют полупроводниковые свойства.
Поверхностные пленки влияют на электрическое и тепловое сопротивления электронной проводимости соединения, а следовательно, на режимные параметры технических изделий и их надежность. При отсутствии излучения в вакууме абсолютное контактное электрическое Яе1са (тепловое ) сопротивление представляет собой сумму абсолютного электрического Ле1спа (теплового Rth.cn, а) сопротивления механического соединения, возникающего в результате стягивания электрического тока / (теплового потока 0 к фактической контактной площади, и абсолютного электрического а (теплового ; ) сопротивления пленок, на которое оказывают влияние их диэлектрические свойства, толщина, температура и потенциальный барьер на границе с металлом [9]:
—1,с,а = ^1,сп,а + -^1, / ,а, (1)
—01,с,а = —й,сп,а + /а (2)
Поскольку активные площади сопротивлений стягивания и сопротивлений пленок равны фактической площади контакта Аг, подобное уравнение справедливо и для удельных электрических (тепловых) сопротивлений:
—1,с,аАг = —1,сп,аАг + —е1,/,аАг ^ —1,с = Дз1,сп + —е1,/, Rth,c,aAr = —Ш,сп,аАг + ,аАг ^ = —а,сп + Rth,/,
где —е1 = —е1,аАг — удельные электрические сопротивления, Ом м2; = Rth,aAr — удельные тепловые сопротивления, м2 К/Вт.
Взаимосвязь абсолютного электрического —е1а и теплового В1_ъ а сопротивлений электронной проводимости следует из закона Видемана—Франца или Видемана—Франца—Лоренца и устанавливается в виде [9]
^ = ы, (3)
Rth-e,a
где Т — абсолютная температура, К; Ь — число Лоренца, Дж2/(Кл2 К2). В зависимости от свойств материала число Лоренца вычисляется аналитически (закон Видемана—Франца) или находится экспериментально (закон Видемана—Франца—Лорен-
ца). В металлах тепловые сопротивления электронной и полной теплопроводности приближенно равны. В местах контакта металлов из-за присутствия полупроводниковых или диэлектрических пленок и сред часть теплового потока переносится фононной теплопроводностью, а полное термическое сопротивление соединения количественно отличается от теплового сопротивления электронной проводимости, хотя может сохранять качественные особенности его поведения и быть близко к его значению.
Многофакторность и сложная структура электрического и теплового сопротивлений электронной проводимости контактов твердых тел требуют тщательного теоретического обоснования экспериментальных исследований и особых условий их проведения. Наилучшей точности тепловых измерений можно добиться в вакууме при невысоких температурах, когда мало влияние излучения и теплопроводности среды в зазорах. В зависимости от рассматриваемых компонент полных сопротивлений электротепловая аналогия или взаимодействие открывают возможность снижения требований к оборудованию при сохранении точности измерений. Поскольку в нормальных условиях воздух является диэлектриком, замена тепловых измерений электрическими позволяет отказаться от использования вакуумной камеры. В этом случае контактное электрическое сопротивление —е1,са, так же как и в вакууме, концентрируется в пятнах фактического контакта и согласно (1) складывается из сопротивления
стягивания Дз1спа и сопротивления поверхностных пленок —е1,/ Если микрогеометрия поверхности обусловлена шероховатостью, то макрогеометрия может быть связана как с волнистостью, так и с другими геометрическими факторами, например, сосредоточенностью контурной площади в пределах одной непрерывной поверхности, границы которой задаются предварительной механической обработкой. Для цилиндрических образцов с торцевым контактом контурной поверхностью является круглое проводящее основание, площадь которого меньше номинальной. Наличие контурного круга на одном из образцов гарантирует соприкосновение строго в его пределах. Измерив —з1,са и рассчитав Дз1спа, можно из (1) найти электрическое сопротивление пленок, а затем при помощи (3) перейти к тепловому сопротивлению ^ ^ а электронной пленочной проводимости. Тепловое сопротивление стягивания —Шсп,а находится прямым вычислением. Если рассматривается электронная проводимость, то в расчетах используется не полная, а электронная теплопроводность. Согласно (2) связанное с пятнами фактического контакта тепловое сопротивление
представляет собой сумму сопротивлений —^,сп,а и Я1Ъа. Таким образом, наличие общих носителей теплового и электрического процессов
электронной проводимости обусловливает возможность взаимной замены тепловых и электрических измерений для экспериментального определения компонент полных контактных сопротивлений, в том числе сопротивлений электронной проводимости пятен фактического контакта.
Измерение электрического и теплового сопротивлений электронной проводимости полупроводниковых пленок в соединениях металл—пленка— металл позволяет определить тип проводимости контакта: омический или диодный. При омической проводимости барьер на границе пленки с металлом равен нулю, а полное контактное сопротивление имеет порядок сопротивления стягивания. В случае диодной проводимости на границе пленки с металлом образуется барьер Шоттки, в результате чего сопротивление пленок на несколько порядков выше сопротивления стягивания, а полное контактное сопротивление имеет порядок сопротивления пленок.
Теоретическое определение типа проводимости конт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.