На правах рукописи

ОПАРИЧЕВ

Александр Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ

НАКЛОННОКОНДЕНСИРОВАННЫХ ПЛЁНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.27.06 Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006 -2

Работа выполнена на кафедре «Технологии металлов» в Московском энергетическом институте (техническом университете).

Научный руководитель доктор технических наук, доцент КАРИМБЕКОВ Мырзамамат Арзиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КУЗНЕЦОВ Геннадий Дмитриевич кандидат технических наук, доцент ЕВГЕНЬЕВ Сергей Борисович Ведущее предприятие:

ЗАО «Научно-исследовательский институт материаловедения»

Защита состоится «16» января 2007 г. в «14» час «00» мин на заседании диссертационного совета Д 212.120.06 в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (МИТХТ) по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, д. 86, ауд. М–119.

Ваши отзывы на автореферат просим присылать на имя ученого секретаря по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского, д. 86.

Автореферат разослан «05» декабря 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 212.120. Г.М. Кузьмичева

-3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с расширением использования оптоэлектронных приборов в науке и технике возникает необходимость на более высоком уровне контролировать их основные параметры – мощность, энергию, направленность и т.д.

В этом направлении накоплен большой и разнообразный опыт физических экспериментов и технического конструирования, однако, поискового характера, и без желательного обобщённого материаловедческого и технологического подхода, приводящего к достаточно рациональному практическому решению проблем.

Традиционно используемые системы измерения, активной частью которых являются чувствительные приёмно-преобразующие элементы – преобразователи, имеют недостаточную эффективность, что приводит к необходимости использовать сложные схемотехнические решения и включать в систему дополнительные прецизионные усилители. Низкое быстродействие и нелинейные статические и динамические характеристики преобразователей затрудняют их использование в современных системах автоматического регулирования, стабилизации и измерения «in sity» параметров излучения. Исходя из этого, возникает, по существу, новая задача для техники и для традиционной метрологии – создание высокоэффективных и быстродействующих инновационных систем измерения мощности лазеров (когерентного излучения) и светодиодов (некогерентного излучения) с новыми функциональными характеристиками.

Высокую надёжность, воспроизводимость и точность измерений позволяют достигать методы, использующие термоэлектрические преобразователи.

Преобразователи теплового действия в настоящее время занимают прочное место в измерительных приборах и системах, и аналогичные разработки ведутся многими ведущими приборостроительными фирмами («Сименс», «Хьюлетт Паккард», «Маркони», «Ультракаст», «Антехника», «Хитачи» и др.).

Фундаментальные научные основы термоэлектричества были заложены академиком А.Ф.Иоффе и развиты А.Р.Регелем, Н.С.Лидоренко, Л.С.Стильбансом, Е.К.Иорданашвили и др. Для анизотропных термоэлементов теоретические и экспериментальные основы термоэлектричества, главным образом, развили А.Г.Самойлович, И.М.Пилат, Л.И.Анатычук и др.

Лазерное излучение характеризуется уникальными характеристиками: широким спектральным диапазоном (0,2… 1 мм) и динамическим диапазоном (120… 200 дБ), (до 109 Вт/см2) и т.п.

плёночных термоэлектрических преобразователей, использующих эффект поперечной термоэдс, показывает перспективность создания на их основе контроллеров для измерения энергетических, координатно-чувствительных и высокочастотного излучения большой мощности. Однако теория и практика их создания к настоящему времени развиты недостаточно.

Известно, что, если вырезать пластинку из монокристалла анизотропного полупроводника (например, антимонида кадмия) под углом и облучать её, то возникает термоэдс в поперечном направлении. Такие преобразователи были названы анизотропными термоэлементами.

Как выяснилось в ходе работы, в тонких плёнках образуется «армированная текстура», позволяющая использовать не только анизотропные, но и изотропные материалы.

Неизвестно было можно ли создать вакуумотермическим испарением и последующей конденсацией под углом подобные преобразователи в виде тонких преобразователи были названы термоэлементами на наклонноконденсированных плёночных материалах.

Неизвестно было можно ли создать такие термоэлементы на анизотропных полуметаллах, например, на висмуте, и на анизотропных полупроводниках, например, на теллуре, а также на изотропных металлах, например, на хроме (никеле и на тантале).

';

Цель и задачи работы. Целью работы было разработка, а также исследование технологии получения и свойств наклонноконденсированных плёнок висмута, теллура и хрома для высокоэффективных и быстродействующих термоэлектрических контроллеров лазерного излучения.

Достижение поставленной цели складывалось из решения следующих задач:

- обобщить теоретические принципы и разработать критерии выбора наклонноконденсированных плёночных материалов для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения;

- моделирование и оптимизирование параметров микроструктуры плёнок после наклонной конденсации;

приёмно-преобразующего элемента (для непрерывного излучения) и гребенчатости поверхности плёнки (для короткоимпульсного излучения);

- исследование взаимосвязи параметров испарения и конденсации на различных подложках в вакууме для различных материалов и разработать технологические режимы для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на наклонноконденсированных плёнок;

- разработка и изготовление макетов плёночных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на основе анизотропных и изотропных наклонноконденсированных материалов.

Научная новизна. Сформулированы принципы выбора материалов для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на наклонноконденсированных плёнках. Предложены новые материалы (висмут, теллур и хром) (не только полуметалл – висмут и полупроводник – теллур, но и металл – хром) в качестве наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения. В наклонноконденсированных плёнках анизотропных материалов (висмут и теллур) и изотропных материалов (хром, никель и тантал) получены «армированные текстуры».

Практическая значимость. Выполнена программа технологических, структурных и термоэлектрических исследований наклонноконденсированных плёнок, включая приёмы повышения их эффективности и ориентацию на применение в лазерной технике.

В случае полуметаллов и полупроводников достигнуто большая чувствительность и высокое быстродействие (малая инерционность) термоэлектрических преобразователей лазерного излучения на наклонноконденсированных плёнках (уменьшается постоянная времени и время остывания, увеличивается предельная частота следования импульсов). В случае изотропных металлов удалось перейти к более высокой лучевой стойкости (устойчивости против «вжигания» и «прокисления»).

Осуществлены конструкторско-технологические разработки макетов одно- и многоэлементных контроллеров термоэлектрических преобразователей для измерения лазерного излучения на плёночных наклонноконденсированных материалах.

Составлена в составе творческого коллектива «Экспериментальная база данных» («Физико-технологическая справочная информация») для постановки производства плёночных чувствительных приёмно-преобразующих элементов термоэлектрических преобразователей измерительного назначения.

- модели наклонноконденсированных плёнок с «армированной текстурой»

(аксиальной формразмерной и кристаллографической текстурой), устанавливающие количественную взаимосвязь между параметрами микроструктуры и свойствами плёнок;

- результаты технологических исследований плёнок висмута, теллура и хрома после наклонной конденсации (в структурном и термоэлектрическом аспекте);

- конструкторские и технологические разработки макетов плёночного термоэлектрического преобразователя для измерения энергетических параметров мощного лазерного излучения с большой частотой следования импульсов и для многоэлементных матричных приёмников лазерного излучения.

Обоснованность и достоверность работы. Основные научные положения, выводы и рекомендации подтверждаются материаловедческими и технологическими экспериментами, проверкой контроллеров на лабораторных и промышленных стендах, показавшими удовлетворительное согласование теоретических и экспериментальных результатов исследований.

Апробация работы. II и III Международ. конф. по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященных памяти М.П.Шаскольской (МИСиС ТУ) (28- октября 2003 г., Москва) (20-26 ноября 2006 г., г. Москва); XI и XII Национ. конф. по росту кристаллов (НКРК-2004 и НКРК-2006) (13-17 декабря 2004 г. и 23-27 октября 2006 г., Москва); Десятая (К 65-летию РТФ ИРТ) и Одиннадцатая (К 75-летию МЭИ ТУ) Международн. научно-технич. конф. студентов и аспирантов МЭИ ТУ (2-3 марта 2004 г. и 1-2 марта 2005 г., Москва); IX и X Международн. конф. по физике и технологии тонких пленок (МКФТП-IX и МКФТП-X) (19-24 мая 2003 г. и 16-21 мая 2005 г., Ивано-Франковск, Украина); 6-я Международ. конф. «Рост монокристаллов и тепломассоперенос» (ICSC-2005) (25-30 сентября 2005 г., Обнинск); Пятая Международн. научно-технич. конф. «Электроника и информатика-2005» (К 40-летию МИЭТ ТУ) (23-25 ноября 2005 г., Зеленоград); 10-я Международ. научн. конф. и школа-семинар «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-2006) (24-29 сентября 2006 г., Дивноморское); III Всеросс. конф. «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (ФАГРАН-2006) (8-14 октября 2006 г., Воронеж).

Кроме того, основное содержание диссертации отражено в 20 публикациях:

в 2 статьях, опубликованных в журнале «Прикладная физика»; в 2 статьях, опубликованных в журнале «Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России»; в 14 тезисах докладов; в 1 web-сайте и в 1 изобретении.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из Введения, Глав 1– и Выводов. Имеется список литературных ссылок.

В диссертации 149 страницы, включающие 40 рис. и 6 табл. Библиография содержит 283 наименований.

-7ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

РАЗВИТИЕ ПРИНЦИПОВ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Требования к чувствительным приёмно-преобразующим элементам.

Создание технологических лазеров и технологий относятся к приоритетным направлениям научно-технического прогресса. Эффективность внедрения лазерных технологий в значительной мере определяется состоянием используемых методики, техники и материалов измерений лазерного излучения, в том числе измерение энергетических параметров.

Измеритель мощности и энергии лазерного излучения – преобразователь или чувствительный приёмно-преобразующий элемент должен отвечать специфическим требованиям: использовать несложные физические эффекты (ограниченное число физических принципов); использовать достаточно простые материалы и технологии;

должен иметь широкополосный спектральный диапазон (неселективный тип); должен иметь достаточно большую чувствительность и обнаружительную способность;

должен обладать высоким быстродействием (малоинерционный тип); должен обладать оптимальным электросопротивлением для согласования с информационноизмерительной системой; должен обладать высокой лучевой прочностью (устойчивость против «вжигания» и «прокисления»).

Существенные специфические характеристики: возможность работы без принудительного охлаждения и без источника питания. Так работают плёночные термоэлектрические преобразователи: термопарные преобразователи (на термопарном эффекте) и преобразователи на наклонноконденсированных плёнках (на эффекте поперечной термоэдс).

термоэлектрических наклонноконденсированных материалов. Если ограничиться тремя свойствами ( – коэффициент термоэдс, – удельное электросопротивление и – удельная теплопроводность), то для разного функционального назначения и условий комплексные критерии могут иметь разный вид. Например, критерий 2/ – получил название коэффициента термоэлектрической мощности, а критерий 2/ – термоэлектрической добротности (классические критерии).

Для наклонноконденсированных плёнок (добавим к учитываемым свойствам ещё одно свойство: коэффициент термоэдс – 0; удельное электросопротивление – 0;

удельная теплопроводность – 0; удельная теплоёмкость – с) при различном функциональном назначении получаем зависимости состоящие из четырёх сомножителей:

последний из которых является комплексным критерием эффективности материалов плёнок.

коэффициент преобразования) – еп; быстродействие (характеристическое время переходного процесса) (постоянная времени) – хар; амплитуда импульсной реакции (время отклика на изменение мощности излучения) – Aимп = еп/хар; коэффициент преобразования мощности – ; максимальная плотность непрерывного излучения без разрушения – Q; максимальная плотность излучения в импульсе без разрушения – E.

А – Числовой коэффициент Б – Коэффициент, учитывающий роль границ кристаллитов:

Угол наклона волокон (кристаллитов) к нормали к поверхности пленки – zx;

относительное контактное электрическое и тепловое сопротивление границ кристаллитов – rк.

В – Коэффициент, учитывающий другие физико-химические свойства:

Коэффициент поглощения излучения плёнки – ; длина плёнки – L; толщина плёнки – t; плотность потока падающего излучения – q; температура плавления и температура плёнки – Tпл и T0; длительность импульса излучения – и.

Г – Комплексные критерии эффективности материала плёнки:

характеристики чувствительного приёмно-преобразующего элемента для непрерывного излучения. Чувствительность термоэлектрических преобразователей «пятачкового» типа обратно пропорциональна диаметру приёмно-преобразующего элемента. Кроме того, зонная характеристика приёмно-преобразующего элемента неравномерна. Это связано с шунтированием облучаемого участка, в котором генерируется термоэдс, необлученными боковыми участками. Неравномерность зонной характеристики может быть практически устранена установкой апертурной диафрагмы.

Для термоэлектрических преобразователей «меандрового» типа чувствительность определяется зависит от ширины полос и промежутков между полосами меандра. По сравнению с термоэлектрическими преобразователями «пятачкового» типа чувствительность «меандровых» выше и практически равномерна. Недостатком «меандровых» термоэлектрических преобразователей является относительно высокое электросопротивление, что повышает уровень собственных тепловых шумов и снижает помехоустойчивость системы.

Моделирование быстродействия и роли гребенчатости поверхности чувствительного приёмно-преобразующего элемента для короткоимпульсного излучения. Быстродействие «меандровых» термоэлектрических преобразователей может лимитироваться скоростью переходного электрического процесса, определяемой межполосковой ёмкостью и индуктивностью меандра.

При наклонной конденсации поверхность плёнок оказывается гребенчатой.

Такую плёнку можно представить состоящей из двух разнородных слоев: верхнего гребенчатого слоя, в котором кристаллиты разобщены и электрически не коммутируют друг с другом, и нижнего сплошного электропроводящего слоя. В связи с этим термоэдс, действующая в верхнем гребенчатом слое плёнки, не передаётся на контактные площадки. Электрический сигнал с плёнки появляется только тогда, когда фронт тепловой волны достигает нижнего слоя. Время, необходимое для протекания тепла от гребней к сплошному слою, определяет задержку отклика относительно момента начала действия импульса излучения. Таким образом, верхний гребенчатый слой является пассивным, играет роль аккумулятора энергии импульса и демпфирует реакцию плёнки на импульс.

Гребенчатый характер поверхности наклонноконденсированных плёнок может обусловить следующие особенности выходного сигнала термоэлектрических преобразователей на наклонноконденсированных плёнках: задержку отклика, линеаризацию переднего фронта, сглаживание и смещение амплитуды относительно момента окончания действия импульса излучения.

- 10 ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

НАКЛОННОКОНДЕНСИРОВАННЫХ ПЛЁНОК

Исследование наклонной конденсации плёнок висмута, теллура и хрома (никеля и тантала). Исследованы наклонноконденсированные плёнки на полированных пластинах полупроводникового высокоомного кремния, сколах поваренной соли, слюды «мусковит», оптическом стекле, пластинах оксида бериллия – «брокерит», анодированных пластинах алюминиево-магниевого сплава, полиимиде (5 и 20 мкм) и установлено следующее:

- наклонноконденсированные плёнки меди и алюминия не обладают благоприятной текстурой и - наклонноконденсированные плёнки висмута, теллура и хрома имеют благоприятную текстуру для возникновения в них анизотропии свойств (см. рис.).

Для плёнок теллура характерны крупноволокнистость и отставание угла наклона текстуры от угла наклона подложки, для плёнок хрома – мелкокристалличность и слабо выраженная волокнистость (по сравнению с плёнками висмута).

Максимально наблюдаемая поперечная термоэдс в наклонноконденсированных плёнках висмута и теллура значительно превышает возможное значение анизотропной термоэдс в их монокристаллическом состоянии.

наклонноконденсированных плёнок висмута и теллура (из кварцевого тигля в рабочей зоне цилиндрического графитового нагревателя), а также хрома (с поверхности прямонакального вольфрамового проволочного нагревателя) (аналогично для никеля и тантала).

Наклон молекулярного пучка к подложке приводит к увеличению анизотропии в конденсированных плёнках, причём вдоль проекции молекулярного пучка на плоскость подложки электросопротивление больше, чем в перпендикулярном направлении, а термоэдс проявляется и увеличивается вдоль проекции, оставаясь практически нулевой в перпендикулярном направлении.

Повышение температуры конденсации способствует повышению адгезии, стабильности и поперечной термоэдс наклонноконденсированных плёнок.

Повышение давления выше 10–1 Па подавляет скорость испарения.

Превышение температур испарения приводит к разбрызгиванию исходной загрузки.

Поперечная термоэдс наклонноконденсированных плёнок с увеличением толщины возрастает и достигает стационарного уровня при толщинах более 1,5 мкм, что трактуется как результат развития пористой микроструктуры.

текстуры (2), параметра эллипсоидальной функции распределения главных осей кристаллитов (3), удельного электросопротивления вдоль (4) и поперёк (5) проекции молекулярного пучка на поверхность, экспериментально наблюдаемой удельной поперечной термоэдс (6) и ее составляющих, обусловленных собственной анизотропией кристаллитов и кристаллографической текстурой (7), волокнистой микроструктурой и контактным сопротивлением между кристаллитами (8) для плёнок теллура (а), висмута (б) и хрома (в) от угла наклона подложки к нормали поверхности Собственная анизотропия кристаллитов и кристаллическая текстура не являются основными факторами, определяющими поперечную термоэдс в наклонноконденсированных плёнках. Основными факторами, определяющим поперечную термоэдс в наклонноконденсированных плёнках являются «армированная текстура» (формразмерная текстура и контактное электрическое и тепловое сопротивление между кристаллитами). Создание условий для эффекта поперечной термоэдс и его увеличение с помощью размерного эффекта возможны только в случае наклонноконденсированных плёнок висмута из-за большой длины свободного пробега носителей заряда в висмуте.

электросопротивление при нагреве и последующем охлаждении на воздухе меняется с гистерезисом, минимум которого (ему соответствует критическая температура нагрева) приходится на обратимую адсорбцию кислорода. Увеличение температуры и длительности отжига увеличивает поперечную термоэдс, а электросопротивление сначала снижает, а затем повышает, что связано с «прокислением» границ кристаллитов и ростом контактного электрического и теплового сопротивления.

наклонноконденсированных плёнок теллура свидетельствуют о необратимой адсорбции кислорода на поверхности и в порах плёнки и захвате дырок из валентной зоны, вследствие чего поперечная термоэдс и электросопротивление при отжиге уменьшаются.

свидетельствует о существовании критической температуры нагрева, ниже которого свойства стабилизируются.

наклонноконденсированные плёнки не претерпевают деградации, изменения связаны только с их нагревом вместе с подложкой. В стационарном состоянии зависимость поперечной термоэдс от мощности падающего излучения практически линейная.

Время выхода в стационарное состояние 15… 20 с. Линейность вольт-ваттной зависимости для висмута и теллура сохраняется до мощности 60 Вт (температура подложки достигает 353 К) (подложка – «брокерит») и 200 Вт (подложка – пластина анодированного алюминиево-магниевого сплава, водоохлаждаемая), а для хрома – до мощности 100 Вт (температура подложки достигает 403 К) (подложка – «брокерит»).

модулированной добротности, 1,06 мкм, длительность импульса – 15 нс, энергия наклонноконденсированные плёнки реагируют устойчиво воспроизводимо вплоть до плотности излучения 5·105 Вт/см2 (висмут и теллур) и 1·106 Вт/см2 (хром), выдерживая до 105 импульсов.

- 13 МАКЕТЫ ПЛЁНОЧНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПРИЁМНО-ПРЕОБРАЗУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

КОНТРОЛЛЕРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Реализованы наклонноконденсированные висмутовые, теллуровые и хромовые плёнки и термоэлектрические преобразователи «пятачкового», «меандрового» и «спирального» типов в виде контроллеров лазерного излучения. Первостепенные требования к измерительным средствам для лазерного излучения – чувствительность и быстродействие. Далее макеты контролеров лазерного излучения обозначаются «макеты КЛИ»

наклонноконденсированных плёночных материалах.

Они реагируют на тепловой поток в структуре плёнки, а не на температуру, как это имеет место в термопарных термоэлектрических чувствительности от геометрического размера термоэлектрического преобразователя в направлении теплового потока и, тем самым, снимает ограничения в достижении быстродействия за счёт уменьшения толщины и теплового сопротивления. Интересно также, что металлы могут обеспечивать необходимую лучевую прочность термоэлектрического преобразователя, а полуметаллы и полупроводники – чувствительность и быстродействие.

лабораторным измерениям при воздействии непрерывного излучения от нагревательной ИК-лампы (интенсивность потока 1 Вт/см2) и импульсного излучения лазера ЛТИПЧ-5 (длина волны 1,06 мкм, режим модулированной добротности).

Длительность и частота следования импульсов с энергией 1 мДж составляли 15 нс и 100 Гц соответственно.

Электросопротивление «пятачковых» приёмно-преобразующих элементов на плёнках висмута составило 10… 30 Ом, плёнках теллура – 3… 10 кОм и плёнках хрома – 0,5… 1,0 кОм. Для «меандровых» приёмно-преобразующих элементов на основе висмута оно составило 1… 3 кОм.

Реакция на импульсное излучение (импульсная реакция = вольт-ваттная характеристическое время переходного процесса) «пятачковых»

чувствительность термоэлектрических преобразователей достигала: на висмуте – 5 В/Дж, на теллуре – висмуте – 0,2 и 10 мкс, на теллуре 0,5 и 50 мкс и на хроме – 0,2 и 5 мкс.

Термоэлектрические преобразователи выдерживали импульсное излучение с плотностью до 0,5 МВт/см2 (для висмута и теллура) и 1 МВт/см2 (для хрома) без видимого разрушения и деградации («вжигание» и «прокисление»), без изменения электросопротивления и выходного сигнала.

Были изготовлены также макетные образцы «пятачковых» измерительных преобразователей на пластинках анодированного алюминиево-магниевого сплава с наклонноконденсированных плёнок висмута и хрома (макеты КЛИ-В и макет КЛИ-Х соответственно).

Разработаны также 100-элементные матричные приёмники излучения (макеты КЛИ-В-100 и КЛИ-Х-100) площадью 60х60 (мм) и размером элементов 4х4 (мм).

Каждый из элементов имеет два независимых вывода, подсоединяемых к ножкам типового разъема. Воспроизводимость элементов по чувствительности не выходит за пределы ±10%. Предусмотрена заменяемость отдельных элементов.

Экспериментальное усреднённое сравнение плёночных приёмнопреобразующих элементов из текстурированных изотропных металлов никеля и тантала (макеты КЛИ-Н и КЛИ-Т соответственно) (наносились с поверхности прямонакального вольфрамового проволочного нагревателя) и анизотропного полупроводника антимонид кадмия (CdSb) (толщина плёнки 1 мкм на сновании из анодированного алюминиево-магниевого сплава толщиной 20 мм с защитным слоем диоксида кремния 30 мкм – макет КЛИ-АК) показало, что при вольт-ваттной чувствительности 10 мВ/кВт лучевая прочность может быть повышена с 0,4 кВт/см до 2,2 кВт/см2; для никеля (Ni) в 3 раза и для тантала (Ta) более, чем в 5 раз.

Чувствительно-преобразующие элементы и измерители лазерного излучения, использующие наклонноконденсированные плёнки на теплопроводных электроизолирующих подложках, также подвергались на стендах промышленным измерениям:

- на длине волны 0,63 и 1,06 мкм. Реконструирована импульсная установка УИГ-1М. Использованы неодимовый лазер (0,63 мкм) и гелий-неоновый лазер (1,06 мкм).

- на длине волны 10,6 мкм. Использованы: технологический СО2-лазер ИЛГН-705 и юстировочный лазер ЛГ-76; ответвительная делительная пластина из мощности ИМО-211 и калибровочный измеритель энергии ИМО-2Н.

- в оптическом диапазоне осветителя ОИ -24. Комплектация: собирающая линза, ответвительная делительная пластина и два измерителя средней мощности ИМО-2Н (один – контрольный, другой – для калибровки оптического тракта).

Экспериментально подтвердилось повышение быстродействия приёмнопреобразующих элементов при их формировании на подложках из прозрачного для излучения материала («алмазная керамика») на противоположной по отношению к излучению стороне подложки.

В отличие от «секундных»» контроллеров лазерного излучения на термопарном эффекте (аналогично – терморезисторы) предложено контроллеры на поперечном термоэлектрическом эффекте называть «микросекундными».

Преобразователи на наклонноконденсированных плёнках обладают чувствительностью к излучению в диапазоне от ультрафиолета (0,3 мкм) до сверхвысоких частот (~200 мкм). Коэффициент преобразования в этом диапазоне для плёнок до толщины 1 мкм практически одинаков.

Дополнительно проведенные испытания, в которых определялись характеристики отражения (на спектрофотометрах ИКС-22 и UR-20 Carl Zeiss JENA в диапазоне от 2 мкм до 25 мкм) позволили сделать вывод, что коэффициент отражения (практически близок к значению 50%) пропорционален коэффициенту преобразования, и диффузное рассеяние практически отсутствует.

Проводились также испытания амплитудно-частотных характеристик. Имелась возможность оценить корреляцию коэффициента преобразования и быстродействия при различной толщине плёнок. Практически при сравнимых условиях корреляция этих важнейших характеристик не зависит от материала подложки. Коэффициент преобразования увеличивается с толщиной подложки, но после толщины 1 мкм остаётся постоянным. Быстродействие прогрессивно увеличивается с уменьшением толщины плёнки.

Влияния поляризации на преобразование и быстродействие не установлено (в пределах 10%). Зависимости преобразования и быстродействия от угла падения на поверхность приёмной площадки (в пределах ±30°) не установлено. Временные испытания показали, что защита поверхности плёночных преобразователей плёнкой монооксида кремния толщиной ~100 мкм не сказывается на быстродействии, и проявляется на долговременной стабильности.

интенсивном охлаждении сохраняется до плотностей мощности ~102Вт/см2. Для импульсных излучений (при длительности, менее 100 нс) нелинейности наблюдаются, но после достижения плотностей мощности >105Вт/см2. Это практическое наблюдение связано с нагревом чувствительного слоя преобразователя, проявляющегося в температурной зависимости коэффициента преобразования и внутреннего электросопротивления (коэффициенты отрицательны и одного порядка).

Следовательно, верхний предел динамического диапазона преобразования может управляться с помощью компенсации уменьшения коэффициента преобразования уменьшением электросопротивления усилительного тракта. Нижний предел динамического диапазона определён шумами (в основном это – «джонсоновский шум электросопротивления», величина его достаточно мала). Таким образом, динамический диапазон преобразования – не менее 105.

Испытания подтверждают термоэлектрическую природу эффекта в наклонноконденсированных плёнках и их метрологическую перспективность.

ВЫВОДЫ

наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения. Расширена номенклатура комплексных термоэлектрических критериев и привлечены новые материалы к разработкам наклонноконденсированных плёнок для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения (не только полупроводники, но и полуметаллы и металлы).

2. Достигнуто высокое быстродействие (малая инерционность) плёночных наклонноконденсированных термоэлектрических преобразователей лазерного излучения (уменьшается постоянная времени и время остывания, увеличивается предельная частота следования импульсов).

3. Получены в наклонноконденсированных плёнках анизотропных (висмут и теллур) и изотропных (хром, никель и тантал) материалов «армированные текстуры» и в случае изотропных материалов удалось перейти к более высокой лучевой стойкости (устойчивости против «вжигания» и «прокисления»).

наклонноконденсированных термоэлектрических приёмно-преобразующих элементов «пятачкового», «меандрового» и «спирального» типов в в и д е контроллеров лазерного излучения:

- в виде одноэлементных термоэлектрических преобразователей «пятачковой»

с электросопротивлением, вольт-ваттной чувствительностью, временем нарастания и спада сигнала соответственно: 10 … 30 кОм, 5 В/Вт, 0,2 и 10 мкс (висмут), 3 …10 кОм, 12 В/Вт, 0,5 и 50 мкс (теллур) и 0,5 … 1 кОм, 20 В/Вт, 0,2 и 5 мкс (хром).

- в виде плёночного хромового 100-элементного термоэлектрического преобразователя (хром) (подложка – «брокерит») для пространственно-временного контроля мощности лазерного излучения на площади 6060 (см) с размером элементов 44 (мм), имеющих два независимых вывода на типовой разъём и воспроизводимостью от элемента к элементу в пределах ±10%.

5. Экспериментальное усреднённое сравнение плёночных приёмнопреобразующих элементов из наклонноконденсированных изотропных металлов никеля и тантала и анизотропного полупроводника антимонид кадмия (CdSb) (толщина плёнки 1 мкм на сновании из анодированного алюминиево-магниевого сплава толщиной 20 мм с защитным слоем диоксида кремния 30 мкм) показало, что при вольт-ваттной чувствительности 10 мВ/кВт лучевая прочность может быть повышена с 0,4 кВт/см2 до 2,2 кВт/см2; для никеля (Ni) в 3 раза и для тантала (Ta) более, чем в 5 раз.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации достаточно полно опубликовано в следующих публикациях:

1. Опаричев А.Б., Каримбеков М.А. Методы повышения термоэлектрической эффективности конденсированных пленок. – В кн.: Тезисы докладов IX Международной конференции по физике и технологии тонких пленок (МКФТП-IX) (19-24 мая 2003 г., Ивано-Франковск, Украина), с. 67. – 2003.

2. Опаричев А.Б., Каримбеков М.А., Корнилов В.А. Работа над физикотехнологической базой данных для пленочных измерительных термоэлектрических преобразователей. – В кн.: Тезисы докладов IX Международной конференции по физике и технологии тонких пленок (МКФТП-IX) (19-24 мая 2003 г., ИваноФранковск, Украина), с. 68. – 2003.

образ и демонстрация анизотропии текстурированного поликристалла. – В кн.:

«Кристаллофизика 21-го века». Тезисы докладов II Международной конференции по физике кристаллов, посвященной памяти М.П. Шаскольской (28-30 октября 2003 г., МИСиС, Москва), с. 72-73. 2003. – 424 с.

4. Опаричев А.Б., Матюнин В.М. Изотропные и анизотропные материалы для плёночных наклонноконденсированных термопреобразователей. – В кн.:

«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов.

К 65-летию Радиотехнического факультета Института радиотехники и электроники (2-3 марта 2004 г., Москва). Т.3, секция «Проблемы технологии, надёжности и конструирования», с. 199-200. – М.: МЭИ (ТУ), 2004.

5. Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А., Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Корнилов В.А. Работа над физико-технологической базой данных для пленочных измерительных термоэлектрических преобразователей. – В кн.: Материалы XI Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2004) (13-17 декабря 2004 г., Москва), с. 94. – М: ИК РАН, 2004.

6. Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А., Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Корнилов В.А. Эффективность экспериментальной базы данных для производства пленочных измерительных термоэлектрических преобразователей. – В кн.:

Материалы XI Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2004) (13-17 декабря 2004 г., Москва), с. 98. – М: ИК РАН, 2004.

7. Опаричев А.Б., Каримбеков М.А. Выбор материалов для пленочных термоэлектрических преобразователей. – В кн.: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тезисы докладов XI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. К 75-летию Московского энергетического института (технического университета) (1-2 марта 2005 г., Москва). Т. 3, секция «Проблемы технологии, надёжности и конструирования», с. 245-246. – М.: МЭИ (ТУ), 2005.

8. Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А.

Термоэлектрическая эффективность пленочных преобразователей из изотропных и анизотропных материалов – В кн.: Тезисы докладов X Международной конференции по физике и технологии тонких пленок (МКФТП-X) (16-21 мая 2005 г., ИваноФранковск, Украина), с. 81. – 2005.

9. Опаричев А.Б., Каримбеков М.А. Термоэлектрическая эффективность пленочных наклонноконденсированных преобразователей из изотропных и анизотропных материалов. // Прикладная физика. – 2005. №3. С. 109-112.

10. Опаричев А.Б., Каримбеков М.А. Разработка контроллера для измерения температуры, в том числе температуры поверхности. // Прикладная физика. – 2005.

№ 4. С. 115-120.

11. Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А., Марков Ф.В. Выбор материалов и разработка технологии для пленочных преобразователей.

// Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России. – 2005. № 3.

С. 40-47.

12. Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А., Марков Ф.В. Изотропные и анизотропные материалы (висмут, теллур, хром, никель, тантал) для плёночных наклонноконденсированных термопреобразователей. // Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России. – 2005. № 4. С. 98-102.

and anisotropic materials (bismuth, tellurium, chromium, copel, constantan) for film inclination-condensed thermo-electric converters. – В кн.: «Рост монокристаллов и тепломассоперенос» (ICSC-2005) (25-30 сентября 2005 г., Обнинск). / Сборник трудов 6 ой Международной конференции в 4-х томах. – Обнинск, ГНЦ РФ Физикоэнергетический институт им. А.И.Лейпунского, 2005. – Т.1. – (с. 244-249) 310 с. Т.2. – 242 с. Т.3. – 226 с. Т.4. – 180 с.

14. Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А., Марков Ф.В., Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б. Микросекундные пленочные термоэлектрические контроллеры лазерного излучения. – В кн.: Материалы V Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика-2005» (23-25 ноября 2005 г., Зеленоград). – М.: МИЭТ, 2005. – Ч.1. – (с.107-108) 272 с. и Ч.2. – 208 с.

15. Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А. Развитие принципов выбора материалов для термоэлектрических преобразователей. – В кн.:

Труды 10-ой Международ. научн. конф. и школы-семинара «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-2006) (24-29 сентября 2006 г., Дивноморское). – Таганрог: ТГРУ, 2006. – Ч.1. – (с. 110-111) 280 с. и Ч.2. – 280 с.

16. Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А. Развитие принципов повышения термоэлектрической эффективности конденсированных плёнок – В кн.: III Всероссийская конференция «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (ФАГРАН-2006) (8- октября 2006 г, Воронеж). – Воронеж: ВГУ, 2006. – Т.1. – (с. 393-396) 465 с. и Т.2 – 502 с.

17. Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А.

Плёночные наклонноконденсированные термоэлектрические преобразователи лазерного излучения из анизотропных (висмут и теллур) и изотропных (хром, никель и тантал) материалов. – В кн.: Материалы XII Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2006) (23-28 октября 2006 г., Москва), с. 501-502. – М: ИК РАН, 2006. – 536 с.

18. Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А.

Эффективность плёночных термоэлектрических преобразователей на «армированных текстурах» из изотропных и анизотропных материалов. – В кн.: «Кристаллофизика 21-го века». Тезисы докладов III Международной конференции по физике кристаллов, посвященной памяти М.П. Шаскольской (20-26 ноября 2006 г., МИСиС, Москва), с. 72-73. 2006. – 536 с.

19. Экспериментальная база данных для постановки производства плёночных термоэлектрических преобразователей измерительного назначения «Физикотехнологическая справочная информация». – 2004. – 120 с. (Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А., Опаричев А.Б., Опаричев Е.Б., Корнилов В.А.), см. web-сайт:

20. Патент РФ № 37414 (МПК7 G 01 J 5/12). Приемник излучения.

/ Опаричев А.Б., Вигдорович В.Н., Каримбеков М.А., Матюнин В.М., Марков Ф.В.

Заявлен: 30 декабря 2003 г. Опубликован: бюллетень «Изобретения и полезные модели». – Т. 3. № 11. С. 656. – 20 апреля 2004 г.