НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2013, том 49, № 9, с. 921-925
УДК 548.4;548.73;548.735.6
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЗАКАЛЕННОГО СПЛАВА InSb © 2013 г. В. П. Саныгин*, Н. Н. Лобанов**, О. Н. Пашкова*, А. Д. Изотов
*Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва **Российский университет дружбы народов, Москва e-mail: sanygin@igic.ras.ru, izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 18.03.2013 г.
Методом РФА высокой точности исследованы образцы, вырезанные из закаленного слитка полупроводникового соединения InSb. Определено, что вследствие геометрических особенностей отвода тепла при закалке верхняя часть и середина слитка являются текстурой [110], в то время как нижняя часть — поликристаллом. Плоскость текстуры совпадает с характерными для полупроводниковых соединений AIIIBV плоскостями преимущественного раскалывания (110), существование которых объясняют скоплением в них дислокаций. Образующиеся при этом характерные микротрещины, усеянные дислокационными выходами на поверхность шлифов, наблюдаются в микроструктурах закаленного слитка InSb. Увеличение структурных параметров шлифов закаленного InSb связывается с наличием в закаленном слитке высокой плотности дислокаций.
Б01: 10.7868/80002337X13090170
ВВЕДЕНИЕ
Поиск новых высокотемпературных ферромагнитных материалов является актуальной задачей спинтронного материаловедения. Соединения АШ-ВУ имеют чрезвычайно узкие области гомогенности [1], чем создают предпосылки для создания магнитных полупроводников, на базе которых устройства спинтроники смогут обладать наиболее стабильными рабочими характеристиками.
Методами микроанализа и магнитной диагностики установлено, что при закалке расплава полупроводникового 1п8Ъ с легирующими добавками марганца легирование образцов сводится к легированию марганцем дислокаций в полупроводнике. На основании обнаруженного миктомагнетизма в 1п8Ъ(Мп) создана модель легированной дислокации в виде ядра из магнетиков Мп^Ъ и Мп8Ъ, окруженного оболочкой из твердых растворов 1п1- хМпх8Ъ [2].
Впервые на дислокациях в 1п8Ъ проведена реакция замещения марганца цинком в ферримаг-нетике Мп^Ъ до состава MnZnSb. Получен новый ферромагнитный полупроводник с температурой Кюри Тс = 320 К [3—5].
Результаты экспериментальных наблюдений проанализированы и обобществлены в концепцию примесного дислокационного магнетизма в П1—У(ё-элемент), направленную на получение принципиально новых материалов спинтрони-ки [6]. При этом возникает закономерный вопрос о вкладе самой полупроводниковой матрицы в дислокационный магнетизм.
Целью настоящей работы являлось исследование микроструктуры закаленного слитка методами рентгенофазового анализа высокой точности и оптической микроскопии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для получения слитка закаленного ис-
пользовали пластины марки ИСЭ-2"в" № ТУ 484-292-85. По имеющемуся сертификату монокристаллические пластины были я-типа проводимости с одинаковым удельным сопротивлением (3.4 х 10-2 Ом см) и плотностью дислокаций (<5 х х 102 см-2), но с различными значениями концентраций основных носителей заряда (3.97 х 1014 и 4.57 х 1014 см-3) и их подвижностей (4.85 х 105 и 4.67 х 105 см2/(В с)).
Слитки получали закалкой в воду расплава дробленых пластин обоих типов, выдержанного в течение суток при температуре, на 200°С превышающей температуру плавления полупроводникового соединения (530 ± 5°С [1]), в вакуу-мированной вертикально расположенной ампуле.
После закалки полученный слиток резали на пластины толщиной 2-3 мм. Полученные пластины шлифовали и подвергали рентгеновским исследованиям.
Рентгенофазовый анализ шлифов проводили на автоматическом рентгеновском дифрак-тометре для поликристаллических материалов ДРОН-7 в режиме пошагового сканирования. Интервал углов 29 от 4° до 90°, шаг сканирования Д29 = 0.02°, время экспозиции в точке 3 с. Повторное сканирование отдельных отражений проводилось с шагом сканирования Д29 = 0.01°,
I, отн. ед. 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
I, отн. ед 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
I, отн. ед. 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0
I, отн. ед.
3900 3500 3100 2700 2300 1900 1500 1100 700 300
(а)
(б)
(в)
(г)
I, отн. 100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
ед.
2
^Л^уч'д.
0
23.2 23.4 23.6 23.8 24.0
24.2 24.4 29, град
4 13 22 31 40 49 58 67 76 85 94 29, град
Рис. 1. Дифрактограммы монокристаллических пластин 1п8Ъ (а, б) и шлифов из нижней (в) и верхней (г) частей слитка !п8Ъ.
время экспозиции в точке 10 с. Использовали Си^-излучение (№-фильтр, X = 1.5418 А), которое при обработке спектров раскладывалось на Ка - и Ка -составляющие.
Рентгендифракционные профили аппроксимировали с помощью функции Псевдо—Войта. Уточнение проводили пошагово. Процесс качества проведенного уточнения контролировали с помощью статистических критериев. Обработку рентгендифракционных спектров и последующие расчеты проводили с помощью комплекса
Рис. 2. Нормированные профили дифракционного отражения 111 от шлифов из верхней (1), нижней (2) частей закаленного слитка 1п8Ъ, а также от порошка, полученного из шлифа нижней части слитка (3).
программ PDWin для рентгендифракционных исследований [7].
Рентгенографические исследования проводили в две стадии. На первой стадии исследовали пластины, на второй — порошки, изготовленные из этих пластин.
В ряде случаев для наблюдения микроструктуры из пластин изготавливали металлографические шлифы. Для этого пластины полировали пастой ГОИ, а приповерхностные слои, нарушенные механической обработкой, удаляли универсальным химическим травителем СР-4. Исследование микроструктуры проводили на оптическом микроскопе "БИОЛАМ-М". Получаемые изображения регистрировали с помощью микроскопической цифровой камеры Levenhuk С-8ейе8.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Как следует из рис. 1а, 1б, монокристаллические пластины 1п8Ъ, используемые для закалки из расплава, были вырезаны перпендикулярно направлению [211] (отражение 422, 29 = 71.2°). Однако одна из пластин содержала некоторое количество блоков и в направлении [110] (отражение 220, 29 = 39.3°, рис. 1б), что, очевидно, связано с вышеуказанным различием в паспортных данных применяемого полупроводникового материала.
Согласно данным РФА, шлиф из нижней части закаленного слитка 1п8Ъ (рис. 1в) являлся поликристаллом, а шлиф из верхней части слитка (рис. 1г) — текстурой, ориентированной в направлении [110].
Рис. 2 показывает различия в форме профилей и положениях дифракционного отражения 220 шлифов из верхней, текстурированной, и нижней, поликристаллической, частей закаленного слитка
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЗАКАЛЕННОГО СПЛАВА Т^Ъ 923
Таблица 1. Результаты индицирования рентгенограммы шлифа из верхней части слитка ]^Ъ: а = 6.4818 (5) А, У= 272.32 (6) А3
к к 1 г1 А эксп 26эксп, град 26расч, град Д29, град ///о, %
1 1 1 3.7438 23.75 23.76 0.01 8.2
2 2 0 2.2923 39.27 39.28 0.01 100.0
3 1 1 1.9556 46.39 46.43 0.03 17.7
4 0 0 1.6202 56.78 56.77 -0.01 0.9
3 3 1 1.487 62.40 62.40 0.00 6.0
4 2 2 1.3232 71.20 71.21 0.01 1.8
4 4 0 1.1456 84.50 84.48 -0.02 1.7
5 3 1 1.0956 89.35 89.35 0.00 4.5
Таблица 2. Результаты индицирования рентгенограммы порошка, полученного из шлифа верхней части слитка Т^Ъ: а = 6.4815 (3) А, У = 272.29 (3) А3
к к 1 г1 А эксп 26эксп, град 26расч, град Д29, град ///о, %
1 1 1 3.7435 23.75 23.76 0.01 99.0
2 2 0 2.2920 39.28 39.28 0.01 100.0
3 1 1 1.9547 46.42 46.43 0.01 54.7
4 0 0 1.6208 56.75 56.77 0.02 11.5
3 3 1 1.4870 62.40 62.40 0.00 25.1
4 2 2 1.3230 71.22 71.21 0.00 28.4
5 1 1 1.2473 76.28 76.27 0.00 13.6
4 4 0 1.1457 84.50 84.49 -0.01 8.0
5 3 1 1.0955 89.36 89.35 -0.01 10.8
и порошка из шлифа верхней части слитка. Профили дифракционных отражений шлифов закаленного имеют более сложную форму, связанную с крупнозернистостью и дефектностью структуры монолита 1^Ъ. При этом профили пиков на рентгенограммах шлифов из нижней части имеют более правильную форму, аналогичную профилям поликристаллического порошка.
По данным первичной обработки рентгенограмм образцов были найдены параметры кристаллических решеток Т^Ъ (кубическая син-
гония, пр. гр. ¥4 3т) и проиндицированы рентгенограммы. В табл. 1 и 2 приведены результаты двух независимых индицирований дифракционных отражений образцов текстурированного шлифа из верхней части слитка и порошка, полученного из него: наблюдается хорошая сходимость экспериментальных (29эксп) и рассчитанных (29расч) брэговских углов (среднее отклонение менее 0.01°).
Параметры элементарных ячеек всех исследованных образцов представлены в табл. 3, они хоро-
Таблица 3. Параметры элементарных ячеек исследованных образцов
Образец а, А У, А3
Порошок из монокристаллической пластины 1 6.4776 (3) 271.80 (8)
Порошок из монокристаллической пластины 2 6.4780(2) 271.84 (2)
Шлиф из верхней части (текстуры) 6.4818(5) 272.32(6)
Порошок из шлифа верхней части (текстуры) 6.4815 (3) 272.29 (3)
Шлиф из нижней части (поликристалла) 6.4812 (8) 272.25 (9)
Порошок из шлифа нижней части (поликристалла) 6.4770 (5) 271.72 (7)
Рис. 3. Схема отвода тепла при закалке по разрезу слитка InSb.
шо согласуются c данными ICDD PDF-2 Release 2007, № 00-006-208: a = 6.4782 А, V = 271.87 А3. Параметры элементарных ячеек InSb в шлифах и порошках из этих шлифов несколько больше.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Особенностями метода закалки из расплава полупроводникового InSb, примененного в настоящей работе, является наличие произвольной кристаллографической ориентировки слитка при непосредственном контакте кристалла со стенками ампулы.
Известно, что при закалке расплава образуются три зоны кристаллизации [8]. Наружная зона — тонкая, неориентированная и мелкокристаллическая, образующаяся при непосредственном соприкосновении расплава с холодными стенками — является "тепловой рубашкой", благодаря которой скорость охлаждения расплава резко уменьшается.
В промежуточной зоне — зоне ориентированной, столбчатой кристаллизации — рост кристаллов приобретает направленный характер, ориентируясь по внешнему отводу тепла. Образующиеся кристаллиты растут преимущественно в напр
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.