КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 350-355
РОСТ КРИСТАЛЛОВ
УДК 669.1+669.2/8.001
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИИ КОНВЕКТИВНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВОВ НА СТРУКТУРУ И МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ НАПРАВЛЕННО ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СПЛАВОВ InSb-NiSb1
© 2004 г. Д. В. Брюквин, М. Р. Раухман, В. П. Шалимов, В. С. Земсков
Институт металлургии и материаловедения РАН, Москва E-mail: zemskov@ultra.imet.ac.ru Поступила в редакцию 26.02.2003 г.
Выполнен сравнительный анализ микроструктур направленно закристаллизованных эвтектических сплавов (НКЭ) квазибинарной системы InSb-NiSb, полученных при различных условиях конвективного перемешивания в расплаве методами Чохральского и направленной кристаллизации в ампуле в земных условиях и в условиях невесомости. Выявлено, что рост фаз при направленной кристаллизации эвтектики InSb-NiSb определяется не исключительно диффузионным механизмом перераспределения компонентов на фронте кристаллизации, а диффузионно-конвективным. Впервые проводится сравнительный анализ влияния микроструктур выращенных кристаллов на значения магниторезистивного эффекта (RM). Показано, что на величину RM НКЭ InSb-NiSb оказывают влияние плотность игл NiSb, разупорядоченность эвтектической структуры и электрофизические параметры матрицы.
ВВЕДЕНИЕ
Выполненная экспериментальная работа посвящена исследованию малоизученного аспекта кристаллизации эвтектик - влияния конвективного перемешивания на формирование структуры направленно закристаллизованных эвтектических сплавов (НКЭ) и анализу зависимости их свойств от параметров структуры.
В качестве объекта исследования выбрана эвтектика игольчатого типа класса полупроводник-металл квазибинарной системы 1п8Ъ-№8Ъ (1.8 мас.% №8Ъ) [1]. Данная эвтектика очень удобна для изучения общих закономерностей кристаллизации эвтектических систем, поскольку ее структура чувствительна к изменению интенсивности конвективного перемешивания расплавов [2]. НКЭ этой системы имеет практическое применение главным образом благодаря своим магниторезистивным свойствам [2, 3].
Для достижения различных условий конвективного перемешивания расплава была подготовлена и проведена серия экспериментов по выращиванию эвтектических кристаллов 1п8Ъ-№8Ъ на Земле методами Чохральского и направленной кристаллизации в ампуле (НКА) при горизонтальном и вертикальном (метод Бриджмена, нагрев сверху) расположении ампулы, а также ме-
1 Работа была представлена на Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
тодом НКА на борту искусственного спутника Земли Фотон-11 (табл. 1) [4]. Методики подготовки и проведения экспериментов описаны в [4, 5].
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ НКЭ 1п8Ь-№8Ь
Структура изучалась металлографическими методами на шлифах продольных пластин и поперечных шайб (рис. 1). На пластинах определялись длина и конфигурация игл, а на шайбах - их удельная плотность (методика изложена в [4, 5]). Исследование позволило установить следующие закономерности (табл. 2): по мере прохождения кристаллизации плотность и длина игл №8Ъ увеличиваются, расстояние между иглами уменьшается.
Наблюдаемое различие микроструктуры выращенных НКЭ можно объяснить тем, что скорость течений в расплавах различалась в зависимости от методов и условий проведения экспериментов. При этом изменялся характер тепломассоперено-са в расплавах. Интенсивность конвективного течения в расплаве оценивалась с помощью гидродинамических критериев подобия. Оценки показали, что при всех условиях обсуждаемых в данной статье экспериментов естественная термогравитационная конвекция вносит основной вклад в течение расплава. Ее интенсивность можно характеризовать числом Рэлея, в выражении для которого в
Таблица 1. Технологические параметры процессов кристаллизации
Метод выращивания Диаметр кристалла, мм Длина кристалла, мм Направление выращивания Скорость вращения кристалла, об/мин Скорость кристаллизации, мм/мин
Метод Чохральского 22 130 InSb 5(111) 15 0.6
Метод НКА на Земле и в космосе 16 110 без вращения 0.25
качестве характерного размера используется диаметр растущего кристалла. По мере прохождения кристаллизации отношение длины области расплава к ее диаметру уменьшается, и интенсивность конвекции снижается (рис. 2). В космических условиях интенсивность конвекции существенно ниже, чем на Земле, поэтому при кристаллизации уменьшается влияние факторов, приводящих к возникновению переплетений и разрывов игл. Иглы могут расти более свободно, не искажаясь. На Земле - при более интенсивном конвективном перемешивании - течения в расплаве негативно влияют на длину и форму игл и являются основной причиной ухудшения совершенства микроструктуры НКЭ InSb-NiSb (рис.3).
Плотность игл (N) в кристаллах, выращенных методом Чохральского, примерно в 2 раза выше, чем в кристаллах, выращенных методом Бридж-мена (табл. 2). Согласно диффузионной теории роста эвтектик [6], между скоростью кристаллизации (V) и расстоянием между иглами (X) должна соблюдаться обратная зависимость X2V = const. Поэтому можно считать, что различия этих параметров структуры связаны с тем, что скорость кристаллизации в методе Чохральского выше, чем в методе НКА (табл. 1).
Значения X и N в кристаллах, выращенных методом НКА на Земле при одинаковых скоростях роста, также различаются. Следовательно, конвективные течения оказывают влияние на морфологию структуры НКЭ InSb-NiSb. При этом
изменение микроструктуры возможно, если составы эвтектики и расплава не совпадают. Одной из наиболее вероятных причин такого несовпадения может быть тот факт, что фаза №БЪ имеет область гомогенности ~10 ат. %, и при направленной кристаллизации вполне вероятен рост игл не-стехиометрического состава. Отклонение состава расплава в процессе кристаллизации от эвтектического должно вызывать обогащение расплава N1 и БЪ и влиять на образование диффузионного слоя на фронте кристаллизации, реагирующего на конвективное перемешивание. Таким образом, процесс роста фаз при эвтектической кристаллизации изучаемой системы определяется не исключительно диффузионным механизмом перераспределения компонентов на фронте кристаллизации, а диффузионно-конвективным.
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОГО ЭФФЕКТА НКЭ
Магнитосопротивление образцов (Ям) определяется выражением [2, 3] Ям = (рм - р0)/р0, где рм -удельное сопротивление образца в магнитном поле, а р0 - без магнитного поля. Измерения удельного сопротивления проводились на определенно ориентированных образцах, вырезанных из разных областей НКЭ (рис. 1) [4, 5]. Индукция магнитного поля составляла 1 Т. Полученные значения Ям приведены в табл. 3.
Рис. 1 Схема препарирования кристаллов НКЭ 1п8Ъ-№8Ъ, выращенных в ампулах: а - пластины (1-4) и шайбы (5-8) для проведения металлографических исследований, б - образцы (9) для измерения магнитосопротивления Ям. Области кристалла: 10 - начальная, 11 - средняя, 12 - конечная, 13 - затравка, 14 - начальный фронт кристаллизации.
Таблица 2. Основные характеристики микроструктуры НКЭ !п8Ь-№8Ъ, выращенных в различных условиях
Характеристика структуры
Метод выращивания исследования кристалла Диаметр игл ф, мкм Максимальная длина игл 1, мкм Расстояние между иглами Я, мкм Плотность распределения игл N х 10-4, мм-2 Прямолинейность игл
Метод Чохральского начало • ~0.8 123 5.2 4.7 прямолинейные и переплетения
середина 130 5.0 5.1
конец 200 4.5 6.2 прямолинейные
Направленная кристаллизация в ампуле На Земле Горизонтально начало . ~1.0 122 7.4 2.4 переплетения и другие дефекты
середина 153 6.8 2.7
конец 300 7.1 2.5
Вертикально начало - ~1.0 197 6.8 2.7 прямолинейные с некоторой разориентацией относительно направления роста
середина 257 7.1 2.5
конец 333 5.8 3.8
В условиях космического полета начало . ~1.0 160 7.9 2.0 прямолинейные и переплетения
середина 518 6.3 3.2
конец 392 6.2 3.3 прямолинейные
Измерения при 300 К показали (рис. 4), что в кристаллах наблюдается увеличение Ям от их начала к концу и наибольшие значения Ям находятся на уровне известных экспериментальных данных
Число Рэлея 10я
104 103 102 101 100 10-1
10-2
— 1-3 -♦-4, 5
начальная средняя
Области кристалла
конечная
Рис. 2. Схема, иллюстрирующая изменение интенсивности термогравитационной конвекции (числа Рэлея) в расплаве по мере выращивания кристаллов методом Чохральского (1-3), методом НКА на Земле при горизонтальном (4, 5) и вертикальном (6) расположении ампулы, методом НКА в условиях космического полета (7).
[7, 8]. Максимальное значение Ям = 18.3 установлено в конечной части кристалла 1, полученного методом Чохральского. В то же время в кристаллах 2 и 3, полученных этим же методом, максимальные значения Ям находятся на том же уровне, что и в кристаллах 4 и 6, выращенных методом НКА в земных условиях. Также видно, что по длине НКЭ, выращенных методом Чохральского, распределение Ям более однородно.
Более высокое значение Ям в кристалле 1 обусловлено главным образом большей плотностью игл, которая обеспечивает более эффективное закорачивание э. д. с. Холла. Полученная в кристалле 7, выращенном в условиях космического полета, структура с более однородными областями эвтектики, в которых находятся более длинные, прямолинейные и параллельные друг другу иглы, также приводит к эффективному закорачиванию э. д. с. Холла и вызывает увеличение Ям по сравнению с кристаллами 4-6, выращенными методом НКА на Земле.
В образцах НКЭ, полученных одним и тем же методом в земных условиях, не обеспечивается воспроизводимость Ям от кристалла к кристаллу. Это особенно заметно в измерениях при температуре 77 К, при которой сохраняется тенденция увеличения значения Ям к конечным областям кристаллов, а также наблюдается усиление маг-
12 3 4
20 мкм
Рис. 3. Фотографии микроструктур из конечных областей НКЭ InSb-NiSb, выращенных в различных условиях конвективного перемешивания расплавов: методом Чохральского (1), методом НКА на Земле при вертикальном (2) и горизонтальном (3) расположении ампулы, методом НКА в условиях космического полета (4).
ниторезистивного эффекта (рис. 5). Вместе с тем крис
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.