научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ КОНТАКТА АЛЮМИНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОПЛЕНОК Физика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ КОНТАКТА АЛЮМИНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОПЛЕНОК»

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.

Показать целиком