Исследование процессов формирования специфических нитевидных кристаллов предназначенных для микроэлектроники и приборостроения
На правах рукописи
Грызунова Наталья Николаевна
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕЦИФИЧЕСКИХ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Тольятти – 2008
Работа выполнена в Физико-техническом институте Тольяттинского государственного университета
| Научный руководитель: | доктор физико-математических наук, профессор А.А. Викарчук |
| Официальные оппоненты: | доктор физико-математических наук, профессор А.М. Глезер |
| кандидат технических наук, доцент А.Г. Решетов | |
| Ведущая организация: | Федеральное государственное унитарное предприятие, Федеральный научно-производственный центр «ПО «СТАРТ» им. М.В. Проценко» |
Защита состоится «25 декабря» 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.264.03 в ГОУ ВПО Тольяттинский государственный университет по адресу: 445667 Тольятти ул. Белорусская, 14, актовый зал УНИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тольяттинского государственного университета по адресу: 445667 Тольятти, ул. Белорусская, 14.
Автореферат разослан «24» ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д212.264.03,
кандидат педагогических наук С.В. Пивнева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В последние десятилетия наиболее перспективными и востребованными в микроэлектронике стали нитевидные кристаллы, обладающие уникальными физико-химическими свойствами.
Среди них особый научный и практический интерес вызывают нитевидные пентагональные кристаллы (НПК) полученные методом электроосаждения металла. Их специфика состоит в том, что при малых размерах, нитевидности и пентагональной огранке они являются металлическими монокристаллами, имеют квазикристаллическую структуру с симметрией пятого порядка, содержат дисклинации, в них затруднено трансляционное скольжение дислокаций, они одновременно обладают высокой прочностью, твердостью и упругостью. Такие кристаллы имеют необычную электропроводность, в частности, один и тот же кристалл из металла может быть проводником и полупроводником. В НПК в виде стержней технологически легко сформировать полость, а микротрубку можно преобразовать в специфический нанообъект, имеющий даже при микроразмерах высокую долю поверхностных атомов и обладающий наносвойствами.
Специфическая структура НПК и необычные их свойства открывают широкие возможности их применения в микроэлектронике и приборостроении. В частности, высокая прочность, упругость, твердость, повторяемость геометрической формы, высокая частота собственных изгибных колебаний и малый радиус острия пентагональных усов позволяет использовать их в качестве металлических зондов для сканирующей зондовой микроскопии.
На основе пентагональных микротрубок могут быть созданы принципиально новые сенсоры, датчики, волноводы, выращены полые микропровода и композиционная микропроволока. Единичные образцы таких перспективных изделий методом проб и ошибок уже созданы и апробированы. Однако, технологии массового получения металлических НПК и выращивания из них микроизделий, имеющих определенные размеры, геометрическую форму и заданные свойства, до сих пор не существует. И главная проблема в том, что до сих пор не исследованы процессы формирования НПК, не разработаны физические и математические модели их роста, не существует физических основ создания НПК с заданными характеристиками.
Поэтому исследование процессов формирования НПК со специфической структурой, определенной формы и размеров и разработка физических моделей управляемого роста является актуальной задачей, решение которой приведет к развитию новых методов измерений, созданию принципиально новых приборов и устройств на основе металлических нитевидных пентагональных кристаллов.
Все выше изложенное обусловило наш интерес к проблеме и послужило основанием для формулирования цели и задач диссертационного исследования.
Целью настоящей работы является исследование механизмов формирования НПК в виде пирамид, трубок и усов в процессе электрокристализации меди, разработка моделей их образования и управляемого роста. Выявление возможностей применения таких объектов в микроэлектронике и приборостроении.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
1. Изучить влияние дефектов подложки и технологических параметров электроосаждения на процесс формирования НПК;
2. Экспериментально исследовать механизм и разработать модель роста пентагональных пирамид;
3. Исследовать процесс формирования пентагональных микротрубок и разработать модель их роста;
4. Исследовать процесс и разработать модель формирования усов;
5. На основании разработанных моделей наметить пути создания НПК с заданными характеристиками.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
• установлено, что местом роста пентагональных пирамид на подложках являются дефекты дисклинационного типа: трещины, стыки зерен, оборванные субграницы, частичные дисклинации;
• теоретически обоснована и экспериментально подтверждена новая спирально-дисклинационная модель образования нитевидных пентагональных пирамид на дефектах дисклинационного типа;
• предложена модель и впервые экспериментально подтверждена идея образования и роста пентагональных микротрубок из стрежней в процессе электроосаждения;
• разработана физическая и математическая модель формирования усов;
• разработаны способы изготовления специфических нанообъектов из микротрубок.
Теоретическая значимость:
• разработанный спирально-дисклинационный механизм формирования НПК является существенным вкладом в развитие теории роста реальных кристаллов с дефектами;
• разработана теория роста усов;
• экспериментальные результаты по исследованию нитевидных пентагональных кристаллов, полученные в работе, стали неопровержимым доказательством справедливости дисклинационных представлений разработанных такими теоретиками как И.В. Владимиров, А.В.Лихачев, В.В. Рыбин, А.Е. Романов, В.И. Перевезенцев и др.
Практическая значимость:
• получены образцы НПК и выращены из них микроизделия, которые могут быть использованы при создании принципиально новых приборов и устройств;
• полученные результаты и высказанные идеи являются теоретической основой технологии непосредственного выращивания готовых микроизделий из пентагональных микротрубок в виде полого пентагонального микропровода, композиционной микропроволоки, волноводов и др.;
• исследованные явления и процессы, полученные результаты дают возможность уже сейчас получать специфические нанообъекты из металлических микротрубок;
• проведенные исследования являются теоретической основой технологии выращивании металлических зондов и кантилеверов для сканирующей зондовой микроскопии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- Результаты экспериментальных исследований особенностей роста в процессе электроосаждения НПК в виде пирамид, усов и трубок.
- Физическая и математическая модель формирования усов.
- Физическая модель формирования пентагональных микротрубок из пентагональных стрежней в процессе электроосаждения металла.
- Спирально-дисклинационные модели образования нитевидных пентагональных пирамид на дефектах дисклинационного типа: оборванной сильно разориентированной субгранице, трещине, клиновидной вставке из двойниковых прослоек, стыке границ зерен и в центре пентагонального кристалла.
- Способ изготовления специфических нанобъектов из пентагональных микротрубок и выращивания из них микроизделий с заданными характеристиками.
Достоверность. Достоверность экспериментальной части работы основана на применении современных научно-обоснованных методик и методов исследования, использовании современного исследовательского оборудования, привлечении взаимодополняющих методов исследования. Достоверность теоретических положений и выводов подтверждается хорошим совпадением теоретических расчетов с экспериментальными результатами, а также апробированностью результатов исследований на международных конференциях.
Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в получении объектов, проведении экспериментов, обработке результатов исследований, в выдвижении и обсуждении новых идей, оформлении патента, участие в выставке, подготовке статей и докладов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007); III Международной школе «Физическое материаловедение» Наноматериалы технического и медицинского назначения (Самара – Тольятти – Ульяновск – Казань, 2007); V Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008); 47 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород, 2008); III Международной научно-практической конференции «Материалы в автомобилестроении» (Тольятти, 2008); VII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Белгород, 2008); научных семинарах кафедры «Общая и теоретическая физика» Тольяттинского государственного университета.
Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки, технологии и техники РФ «Индустрия наносистем и материалы» при поддержке:
- Федерального агентства по науке и инновациям, госконтракт № 02.513.11.3084;
- Российского фонда фундаментальных исследований, грант
№ 08-02-99034.
Автор является исполнителем проектов.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 227 страницах основного текста и состоит из введения, 4 глав, основных выводов и библиографического списка (237 наименований). Работа содержит 123 рисунка и 6 таблиц.
Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цели работы, описана структура диссертации, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит обзор исследовательских и патентных работ, посвященный нитевидным кристаллам, в котором раскрыты существующие методы получения НК, особенности их структуры и свойств, описаны возможные механизмы формирования нитевидных кристаллов, области их применения, отдельно проведен обзор по нитевидным кристаллам с пентагональной симметрией, приведены некоторые оценочные их характеристики, выявлены возможные области применения. Обоснован дисклинационный подход к описанию особенностей строения и моделей роста НПК. В этой же главе также рассмотрены модели роста других нитевидных пентагональных кристаллов, полученных при электроосаждении меди, но не являющейся объектами исследования данной работы. Показано, что НПК являются весьма перспективными при создании принципиально новых приборов и устройств, при изготовлении из них компонентов и изделий для микроэлектроники и приборостроения.
Во второй главе изложены методы получения и исследования структуры электроосажденных нитевидных пентагональных кристаллов, описано используемое оборудование. Рассмотрены такие современные методы исследования, как просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, металлография и электронография. Для решения поставленных в работе задач в качестве объекта исследования была выбрана электролитическая медь. Электроосаждение проводилось из сернокислого электролита в ячейке, управляемой автоматизированной установкой, разработанной на базе операционного усилителя и встроенного микропроцессора с выходом на персональный компьютер. Исследования нитевидных пентагональных кристаллов проводились при помощи просвечивающей электронной микроскопии (ЭМВ-100л, ПРЭМ-200), сканирующей электронной микроскопии (LEO 1455 VP фирмы «ZEISS», Quanta 200 3D), металлографии (МИМ-7, Axiotech фирмы«ZEISS»), атомно-силовой и туннельной микроскопии (NT MDT Solver P47).
Исследование структуры и разориентировок между кристаллами проводилось с использованием автоматического анализа дифракции обратно-рассеянных электронов (electron back scattering diffraction – EBSD) при ускоряющем напряжении 30 kV, и программного обеспечения TexSEM Lab (TSL).
В третьей главе изложены особенности образования полости в нитевидных пентагональных кристаллах электролитического происхождения, предложена и экспериментально подтверждена модель роста пентагональной микротрубки из стержня, математически обоснована физическая модель роста усов из пентагональных кристаллов.
В четвертой главе изложены экспериментальные результаты исследования дефектов дисклинационного типа как возможных мест формирования нитевидных пентагональных кристаллов меди, полученных методом электроосаждения в виде пирамид, обоснован выбор подложек для выращивания пентагональных пирамид, разработаны спирально-дисклинационные модели формирования пентагональных пирамид на дефектах дисклинационного типа, имеющих различную природу.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 3 часть 1. Модель формирования микротрубок
В основу модели роста пентагональных микротрубок положены следующие идеи, экспериментальные факты и теоретические положения:
1. Формирование микротрубок происходит из растущих пентагональных стержней при достижении ими некоторых критических размеров в радиальном направлении.
2. Сами стержни, как показано в работах А.А. Викарчука и О.А. Довженко, образуются и растут при электрокристаллизации металла на индифферентных подложках из декаэдрических кластеров.
3. Процесс формирования микротрубки из стержня при электрокристаллизации металла связан с образованием и излучением дислокационных призматических петель в поле дисклинации по механизму, предложенному А.Е. Романовым и А.Л. Колесниковой.
Этот механизм, как будет показано ниже, при образовании в стержне полости играет определяющую роль и заключается в следующем:
Согласно модели А.Е. Романова и А.Л. Колесниковой НПК представляет собой изотропный линейно-упругий цилиндр радиусом Rp с соосной положительной клиновой дисклинацией мощностью 
, которая вызывает в длинном цилиндре осевые напряжения 
:
 | (1) |
Другие компоненты напряжения от дисклинации оказываются сжимающими около оси цилиндра и растягивающими вблизи его поверхности со сменой знака при 
. Такой характер внутренних напряжений делает энергетически выгодным зарождение в цилиндре и выброс наружу призматических дислокационных петель вычитания с образованием на торце цилиндра углубления.
Проведенные методом растровой электронной микроскопии исследования показали (рис. 1а), что на начальных этапах роста пентагональный кристалл при микроразмерах представляет собой усеченный декаэдр с боковыми гранями, образованными плоскостями {100} и вершинами в форме пентагональных пирамид, ограненных плоскостями {111}. Детальные исследования (рис. 1б-е), проведенные на оборудовании Белгородского государственного университета, в частности, на растровом электронно-ионном микроскопе Quanta 200 3D методом обратного рассеяния электронов, показали, что выросшая из декаэдра пентагональная призма состоит из пяти секторов, разориентированных друг относительно друга на углы, близкие к углам, характерным для двойниковых границ.
  |   |   |
| а | б | в |
 |   |   |
| г | д | е |
| Рис. 1. Исследование структуры и разориентировок между секторами пентагонального стержня: а, б) срез пентагонального стержня; в) пространственное распределение ориентировок для пентагонального стержня; г) дифракционная картина от сектора 1; д) прямая полюсная фигура для пентагонального стержня; е) обратная полюсная фигура. | ||
Из прямой и обратной полюсной фигуры, построенной для направления <001>, видно, что кристалл состоит из пяти секторов, строго ориентированных в направлении <110>, имеющих ГЦК решетку и разделенных между собой двойниковыми границами. Таким образом, пентагональный стержень представляет собой монокристалл, имеющий одну ось симметрии пятого порядка, содержит в центре семиградусную дисклинацию, на которой обрываются пять двойниковых границ, разделяющих монокристалл на сектора с ГЦК решеткой.
По нашему мнению, рост НПК происходит по механизмам непосредственного встраивания атомов и поверхностной диффузии адатомов к активным местам роста на торцах НПК с расстояния от растущего конца не более чем длина свободного пути диффузии.
Быстрый рост НПК в длину обусловлен тем, что плоскости (111), ограняющие вершину НПК, обладают низкой удельной поверхностной энергией, вследствие чего содержат выгодные для встраивания атомов металла места. Подходящим из раствора к подложке ионам металла легче восстановиться именно на плоскостях (111), чем на боковых плоскостях (100). Кроме того, активность вершин НПК обусловлена также тем, что атомы на них устраиваются в двойниковых положениях, где двугранные входящие углы на плоскостях срастания двойников облегчают встраивание атомов в решетку. Рост же НПК в радиальном направлении сдерживается присутствием в нем дисклинации из-за квадратичной зависимости энергии дисклинации от радиуса кристалла 
~ 
.
Таким образом, низкая удельная поверхностная энергия плоскостей (111), ограняющих торцы НПК, наличие двугранных углов на двойниковых границах и семиградусной дисклинации в центре, специфика дальнодействующего упругого поля дисклинации, диффузия адатомов по боковым граням кристалла к его торцам, обеспечивают преимущественный рост растянутых периферийных участков торца по сравнению со сжатыми центральными, находящимися вблизи оси дисклинации. Это приводит к тому, что постепенно в процессе роста вершины нитевидных кристаллов сглаживаются и усеченный декаэдр трансформируется в пентагональную призму или стержень. Для меди диаметр таких стержней достигает 1 - 3 мкм.
Дальнейший рост микротрубки из такого НПК происходит по следующим механизмам: механизму непосредственного встраивания атомов, механизму поверхностной диффузии атомов к активным местам роста на торцах НПК и путем образования дислокационной призматической петли вычитания (рис. 2).
        | |||||
  | а | б |   | ||
        | |||||
| в |   | г |  | ||
| Рис. 2. Модель роста микротрубки из пентагонального стержня в процессе электроосаждения меди: а) пентагональный стержень, содержащий частичную дисклинацию и пять двойниковых границ; б,в) пентагональный стержень с зарождающейся полостью; г) пентагональная микротрубка. | |||||
Специальные эксперименты по отжигу пентагональных стержней показывают, что углубление в стержне образуется и в том случае, когда непосредственное встраивание атомов отсутствует, что свидетельствует об определяющей роли, при образовании полости механизма излучения дислокационных петель.
Кроме того, в нашем случае превращение стержня в микротрубку обеспечивается еще и такими факторами:
- высокой концентрацией постоянно образующихся в растущем кристалле при электрокристаллизации неравновесных вакансий (СV ~ 10-4);
- высокотемпературным состоянием растущих торцов кристалла за счет скрытой теплоты кристаллизации.
Эксперименты по разрезанию микротрубки в колонне электронного микроскопа (рис.3) показали, что микротрубки действительно образовывались в процессе роста из пентагонального стержня.
  |   |   |
  |   |   |
| Рис. 3. Последовательная обрезка медной микротрубки с помощью ионной пушки в колонне электронного микроскопа Quanta 200 3D. | ||
Глава 3 часть 2. Модель формирования усов
В ходе экспериментов было замечено, что пентагональные трубки (рис. 2,3) получаются при потенциостатическом режиме осаждения, а выброс усов пентагональными кристаллами (рис. 4г) происходит преимущественно в гальваностатическом режиме. Отсюда следует, что в растущем пентагональном стержне возможен и другой механизм релаксации упругой энергии дисклинации - за счет выброса усов (рис. 4).
Если в модели роста пентагональной микротрубки основным механизмом, обеспечивающим образование полости, является излучение дислокационных призматических петль вычитания, то в модели формирования усов, в гальваностатическом режиме осаждения, ведущую роль играют механизмы непосредственного встраивания атомов из раствора электролита и направленной диффузии адатомов за счет поля дисклинации вдоль боковых стенок к острию уса (рис. 4).
  |  |       |   | |
| а | б | в | г |  |
| Рис. 4. Модель роста усов: а) за счет механизма непосредственного встраивания атомов; б) за счет поверхностной диффузии адатомов; в) с учетом поля и энергии дисклинации; г,д) экспериментальные подтверждения гипотезы. | ||||
Сначала оценим скорость роста усов на дефектах дисклинационного типа за счет непосредственного встраивания атомов в местах выхода дисклинации в стержне. Если обозначить через W массовую скорость прихода атомов из раствора электролита, то она выразится соотношением, которое непосредственно следует из закона Фарадея:
 , | (2) |
где – молярная масса, F – постоянная Фарадея, J – плотность тока электроосаждения. При этом предполагается, что каждый атом, подошедший к месту, где имеется выход винтовой дислокации, присоединятся к решётке кристаллического вещества, тогда:
 , | (3) |
где – плотность кристаллизующегося вещества, 
– линейная скорость роста конца кристалла в направлении оси. С учетом (2) получаем:
 . | (4) |
Отсюда, скорость роста уса в направлении оси:
 . | (5) |
Если учесть, что рост уса может происходить и за счёт адатомов, которые восстанавливаются на боковой поверхности растущего кристалла, а затем диффундируют к концу растущего кристалла, где встраиваются в решётку. Очевидно, что в таком механизме участвуют только те адатомы, которые восстановились на боковой поверхности кристалла на расстоянии от растущего конца не более чем длина свободного пути диффузии.
Теоретически величину можно оценить из формулы (W. Burton, N. Cabrera, F. C. Frank):
 , | (6) |
где a – межатомное расстояние, w – энергия поверхностной десорбции, u – энергия активации перехода в соседнее равновесное положение на поверхности. Учитывая, что u 0,1 w получаем:
 , | (7) |
оценка длины свободного пути диффузии для атомов меди в рассматриваемом случае при температуре T = 300 К дает значение
Cu 310 - 6 м.
Поэтому, с учётом поверхностной диффузии атомов меди к вершине растущего кристалла, выражение перепишется в виде:
 . | (8) |
Отсюда линейная скорость роста кристалла в направлении оси:
 . | (9) |
Теперь учтем наличие в кристалле дисклинации. Выходы дисклинаций на поверхность НК являются концентраторами напряжений и, следовательно, обладают повышенной активностью по отношению к релаксации энергии упругих напряжений.
Объёмная плотность энергии, связанной с дефектом дисклинационного типа, определяется формулой:
 , | (10) |
где 
-модуль сдвига, 
-коэффициент Пуассона. В пересчёте на один атом:
 . | (11) |
Избыток этой упругой энергии в пентагональной пирамиде вносит поправку в формулу и тогда скорость роста медного уса на дисклинации определяется как:
 . | (12) |
Оценка скорости роста уса по формуле (11) дает значение (
)теор 30 мкм/час, что достаточно хорошо согласуется с результатами эксперимента (
)эксп = 30…40 мкм/час.
Таким образом, данный подход даёт корректную теоретическую оценку линейной скорости выброса усов при электроосаждении меди. Скорость роста усов из места выхода дисклинации на поверхность пентагональных кристаллов или подложки примерно в 4 раза больше, чем скорость роста пентагональных микротрубок из стержней. Это объясняется тем, что при образовании и росте усов в гальваностатическом режиме механизмы непосредственного встраивания и диффузии атомов наиболее предпочтительны и сонаправлены, а механизм зарождения и излучения дислокационных петель в этих условиях не работает.
Глава 4. Спирально-дисклинационные модели роста пирамид
В ходе экспериментов было установлено, что пентагональные пирамиды образуются в процессе электроосаждения при низких плотностях тока или низких перенапряжениях, индивидуальных для каждой подложки и зависящих от ее природы. При таких перенапряжениях на катоде зарождение двумерных и трехмерных зародышей невозможно, поэтому мы считаем, что рост пирамид происходит на дефектах подложки по спиральному механизму, который существенно отличается от известного механизма роста кристаллов на винтовых дислокациях. В этом случае образуются пирамиды с многоатомными ступенями роста (террасами) (рис. 5д,е). Эксперименты свидетельствуют, что местами роста таких пирамид являются дефекты дисклинационного типа в подложках. К ним относятся: границы раздела структурных элементов, имеющие деформационную, двойниковую или дислокационную природу (рис. 5а,в), стыки зерен (рис. 5в,г,д), вершины трещин (рис. 5е), сравнительно крупные (десятка мкм) пентагональные кристаллы, заведомо содержащие дефекты дисклинационного типа (рис. 6).
Мы предлагаем три модели роста пентагональных пирамид с высокими террасами роста:
Первая модель реализуется на ступени роста, образовавшейся на границе раздела структурных элементов, в вершине трещины или на стыке зерен (рис. 5).
  |  |  | |||||
| а |   | б | в | ||||
 |   |   | |||||
| г |   | д |   | е |   | ||
| Рис. 5. Образование пентагональных пирамид на оборванной границе раздела структурных элементов (а), вершине трещины в покрытии (е), на стыке зерен (г,д), схема напряженного состояния на обрывающейся границе раздела (б), модель роста пирамид по спирали на границе раздела (в) | |||||||
Дисклинация по своей природе является носителем разворотов между двумя областями материала и представляет собой линейный дефект, ограничивающий поверхность разреза, берега которого разворачиваются на угол вокруг фиксированной оси. Если в подложке, на которой происходит электроосаждение, имеется выход частичной дисклинации кручения, то на границе, примыкающей к ней, как на ступеньке, путем присоединения атомов по винтовой линии, будет происходить рост пирамид без образования зародышей. При этом высоту террас пирамид, растущих на таком дефекте, будет определять мощность дисклинации, поле которой эквивалентно полю напряжений от мощной винтовой сверхдислокации с вектором Бюргерса порядка 50 – 100
.
Наличие трещины в покрытии, образовавшейся, например, в ионно-плазменном покрытии нитрида титана на нержавеющей стали (рис. 5е), также эквивалентно появлению в ее вершине дисклинации с мощным полем упругих напряжений, релаксация которых возможна, в частности, путем формирования в месте обрыва трещины нитевидного пентагонального кристалла в виде пентагональной пирамиды. Берега трещины, как и смещенные друг относительно друга зерна, образуют клиновидную ступеньку, на которой возможен рост нитевидных кристаллов по спиральному механизму с образованием террас.
Вторая модель: образование пирамид в центре пентагонального кристалла (рис. 6).
 |   |   | |||
| а | б | в | |||
  |   |   | |||
| г |   | д |   | е |   |
| Рис. 6. Модель образования пентагональных пирамид в центре крупного пентагонального кристалла и ее экспериментальное подтверждение (а,б,в – схемы, г – металлография, д,е – сканирующая микроскопия). | |||||
Как показано в работах А.А. Викарчука пентагональный кристалл содержит в центре частичную семиградусную дисклинацию и пять обрывающихся на ней двойниковых границ. Причем одна из них наклонена к подложке 
(наклонена к оси под углом 
), имеет ростовое происхождение, а остальные четыре перпендикулярны подложке.
Процесс заполнения плоскости 
атомами, начиная с границы 
(ступеньки) происходит по спирали вокруг оси дисклинации 
, с учетом энергетического ограничения (
~
) по диаметру. Такой рост приводит к образованию на поверхности нитевидного кристалла фасеток типа 
и 
, а нарушение технологического режима (неламинарные потоки, диффузионные ограничения в электролите, примеси, колебания плотности тока), способствует образованию из фасеток террас, высота которых составляет десятки 
.
Опережающий рост вершины связан не только с энергетическими ограничениями диаметра нитевидного кристалла, содержащего дисклинацию (
~
), но и особенностями строения вершины, содержащей двухгранные углы из двойниковых границ, и саму дисклинацию.
Наконец, третья модель роста пентагональных пирамид: на двойниковой вставке в пентагональном кристалле (рис. 7).
  |   |   | ||||
| а | б | в |   | |||
  |   |   | ||||
| г |   | д |   | е |   | |
| Рис. 7. Модель роста пентагональных пирамид на двойниковой вставке в пентагональном кристалле и ее экспериментальные подтверждения (а,б – схемы, в,г,д – металлография, е – сканирующая микроскопия). | ||||||
В сравнительно крупных пентагональных кристаллах релаксация упругой энергии, связанной с дисклинацией, происходит не только путем расщепления узла, где сходятся двойниковые границы, но и путем образования в одном из секторов клиновидной вставки, состоящей из тонких двойниковых прослоек (рис. 7а,в,г). Кристаллографический анализ, энергетические оценки и эксперименты показывают, что образование клиновидной вставки из двойниковых прослоек выгоднее вблизи одной из двойниковых границ, разделяющих сектора (рис. 7а).
Упругое поле вставки из двойниковых прослоек, эквивалентно введению на периферию кристалла отрицательной частичной дисклинации мощностью 
. Оно компенсирует поле семиградусной дисклинации, находящейся в его центре (рис. 7а). Рассмотрим вставку, которая образовалась на двойниковой границе 
, наклоненной к плоскости 
являющейся подложкой. Для эффективной компенсации дальнодействующих полей от семиградусной дисклинации в центре кристалла, расположенной вдоль направления [110], нужно, чтобы вектор Франка вводимой дисклинации был антипараллелен 
(рис.7 а,б). При этом на границе раздела вставки с сектором образуется выступающая над поверхностью ПК треугольная ступенька, обрывающаяся в вершине вставки (рис. 7б). В процессе электроосаждения металла на поверхность пентагонального кристалла, атомы пристраиваются к ступеньке являющейся активным местом роста, по винтовой линии вокруг оси 
, образуя нитевидный кристалл в вершине вставки, т.е. на дисклинации мощностью 
. Боковая поверхность такого нитевидного кристалла состоит из фасеток типа 
и 
, объединенных в террасы высотой в десятки векторов Бюргерса (рис. 7е). Когда радиальный размер нитевидного кристалла достигнет долей мкм, становится энергетически выгодно преобразование частичной 700 дисклинации, в семиградусную с 5-ю обрывающимися по ней двойниковыми границами (R. De Witt ), а призма, растущая на вставке ПК, при этом приобретает пентагональную огранку.
Итак, спирально-дисклинационные модели роста пирамид, имеющих высокие ступени роста, реализуются:
- В стыках зерен и на границах раздела структурных элементов подложки;
- В вершине трещины покрытия нанесенного на подложку;
- В центре сравнительно крупного плоского пентагонального кристалла меди;
- На клиновидной вставке в плоском пентагональном кристалле меди.
Таким образом, проведенные исследования и полученные в работе результаты позволяют сделать важные для практики выводы:
- Из третьей главы следует, что в пентагональных стержнях, полученных методом электроосаждения металла в потенциостатических условиях (рис. 8а), можно сформировать углубление в торце, создать полость, а затем вырастить полый микропровод, востребованный в микроэлектронике (рис. 8б). Если же осаждать металл на стержень в гальваностатическом режиме, то можно сформировать на его торце ус с малым радиусом кривизны, т.е. создать металлический зонд для туннельной микроскопии (рис. 8в). Если в выращенную на подложке микротрубку вставить прочное углеродное или борное волокно и провести его заращивание, тем же способом и в том же электролите, то можно получить прочную композиционную микропроволоку с твердой износостойкой сердцевиной и проводящей оболочкой (рис. 8г), которую можно использовать для изготовления микроконтактов. Из предложенной модели вытекает, что механизмы формирования полости в стержне активизируются при повышенных температурах, поэтому путем электроосаждения при определенных условиях или отжига микротрубки можно сформировать нанобъект в виде трубки с наноразмерной оболочкой (рис. 8д). Такие микрообъекты можно успешно использовать в качестве сенсоров и датчиков, т.к. их проводимость при окислении в атмосфере изменяется в тысячи раз, металл превращается в полупроводник.
- Из четвертой главы следует, что наличие дефектов дисклинационного типа в печатных платах, полученных методом электроосаждения меди, инициирует возникновение на них нитевидных кристаллов, что ухудшает качество электронных устройств. Однако, если специально создавать такие дефекты, причем в определенных местах, например, на консольной балке, то можно целенаправленно выращивать металлические кантилеверы для СЗМ (рис. 8е). Как видно из примеров, проведенные исследования процессов формирования НПК, разработанные модели их роста, могут стать теоретической базой для разработки технологии создания принципиально новых компонентов приборов и устройств. Но разработка технологии является темой следующих исследований.
 |   |  | |||||
| а | б |  | в |  | |||
  |   |   | |||||
| г |  | д |   | е |   | ||
| Рис. 8. Микроизделия из нитевидных пентагональных кристаллов меди: а) пентагональные частицы и стержни; б) микропровод; в) кантилевер; г) композиционная микропроволока; д) трубка с нанооболочкой; е) наноигла. | |||||||
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- В работе методом электроосаждения меди, при малой плотности тока и низких перенапряжениях на катоде были получены специфические нитевидные микрокристаллы в виде стержней, усов, трубок и пирамид, с необычными свойствами. Установлено, что все НПК растут вдоль направления ‹110›, имеют квазикристаллическую структуру, обладают осями симметрии пятого порядка, содержат частичную семиградусную дисклинацию и двойниковые границы раздела структурных элементов.
- Показано, что из пентагональных стержней растущих в потенциостатических условиях, при достижении ими критического диаметра (2-3мкм) формируются микротрубки. Установлено, что основную роль в процессе преобразования пентагонального стержня в трубку играет механизм зарождения и выхода из стержня дислокационных петель вычитания под действием поля напряжений от дисклинации. Предложена модель роста микротрубок и способ выращивания из микротрубок специфических нанообъектов.
- Показано, что из пентагонального стержня, в гальваностатических условиях, возможен выброс усов – как способ релаксации упругой энергии. Разработана физическая и математическая модель формирования усов на пентагональных кристаллах, показано, что их рост происходит по механизму непосредственного встраивания атомов в решетку и диффузии адатомов к торцу растущего, под действием поля напряжений от дисклинации.
- Установлено, что пентагональные пирамиды в процессе электроосаждения меди образуются и растут на дефектах подложки: трещинах, стыках зерен, оборванных субграницах, на плоских пентагональных кристаллах. Показано, что пирамиды состоят из многоатомных ступеней роста (террас), скоординированных по направлению ‹110›. Разработана спирально-дисклинационная модель, корректно описывающая рост пентагональных пирамид на дефектах дисклинационного типа находящихся в подложках
- Проведенные исследования, полученные результаты, разработанные модели роста НПК, позволяют, варьируя режимы электролиза, меняя тип подложки целенаправленно выращивать нитевидные кристаллы определенной формы, размеров, с заданными характеристиками. Создавать из них нанообъекты и готовые микроизделия с необходимыми свойствами для микроэлектроники и приборостроения.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК
| 1 | Викарчук А.А., Ясников И.С., Денисова Д.А., Грызунова Н.Н., Цыбускина И.И. Получение наноструктурных объектов с пентагональной симметрией методом электроосаждения // Журнал технической физики, 2007, том 77, вып.10. С.87-90. |
| A.A.Vikarchuk, I.S.Yasnikov, D.A.Denisova, N.N.Gryzunova, I.I.Tsybuskina Electrodeposition of Nanostructure Objects with Pentaconal Symmetry // Technical Physics, 2007, vol.52, No. 10, pp. 1328-1331. | |
| 2 | Викарчук А.А., Грызунова Н.Н. Спирально-дисклинационный механизм формирования нитевидных пентгональных кристаллов в процессе электрокристаллизации // Журнал «Материаловедение», 2008, № 6, С.7-13. |
| 3 | Грызунова Н.Н., Викарчук А.А., Дорогов М.В. Особенности образования и роста металлических пентагональных нитевидных кристаллов на дефектах дисклинационного типа // Известия Самарского научного центра РАН. 2008. Выпуск 6. С.50-56. |
| 4 | Викарчук А.А., Власенкова Е.Ю., Грызунова Н.Н. Получение металлических нанообъектов методом термической обработки пентагональных частиц и трубок // Известия Самарского научного центра РАН. 2008. Выпуск 6. С.44-49. |
| В других изданиях | |
| 1 | Викарчук А.А., Ясников И.С., Денисова Д.А., Грызунова Н.Н., Цыбускина И.И. Физические аспекты получения функциональных материалов на основе наноструктурных объектов с пентагональной симметрией // XVII Петербургские чтения по проблемам прочности. Сборник материалов, часть II, Санкт-Петербург, 2007. С.114-116. |
| 2 | Грызунова Н.Н., Цыбускина И.И., Викарчук А.А. Спирально-дисклинационный механизм формирования нитевидных кристаллов // Наноматериалы технического и медицинского назначения Сборник материалов III Международной школы «Физическое материаловедение» сборник материалов Тольятти. 2007. С. 322-323. |
| 3 | Цыбускина И.И., Грызунова Н.Н. Наночастицы серебра, полученные методом электроосаждения для медицинских целей // Наноматериалы технического и медицинского назначения Сборник материалов III Международной школы «Физическое материаловедение» сборник материалов Тольятти, 2007.С. 321. |
| 4 | Грызунова Н.Н., Викарчук А.А. Особенности роста нитевидных пентагональных кристаллов в процессе электрокристаллизации меди на дефектах дисклинационного // V Международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций» сборник материалов, том 1,Оренбург, 2008. С.348-352. |
| 5 | Викарчук А.А, Грызунова Н.Н., Денисова Д.А., Довженко О.А., Тюрьков М.Н., Цыбускина И.И., Ясников И.С. Новые металлические функциональные материалы, состоящие из пентагональных частиц, кристаллов и трубок. Часть I. Механизмы образования и особенности строения пентагональных частиц и кристаллов // Журнал функциональных материалов 2008. №5. С.163-174. |
| 6 | Викарчук А.А, Грызунова Н.Н., Сирота В.В. *, Довженко О.А., Дорогов М.В., Цыбускина И.И., Ясников И.С. Новые металлические функциональные материалы, состоящие из пентагональных частиц, кристаллов и трубок. Часть II. Механизмы образования и особенности строения нитевидных пентагональных кристаллов и трубок // Журнал функциональных материалов 2008, № 6, С.213-224. |
| 7 | Викарчук А.А., Грызунова Н.Н. Рост микротрубок из пентагональных стержней в процессе электроосаждения // 47 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», сборник материалов, Нижний Новгород, 2008.С. 19-22. |
| 8 | Викарчук А.А., Власенкова Е.Ю., Грызунова Н.Н., Ясников И.С. Термомеханическая обработка металлических пентагональных микрочастиц и трубок как способ получения специфических нанообъектов // III международная научно-практическая конференция «Материалы в автомобилестроении» сборник материалов, Тольятти, 2008. С.50-51. |
| 9 | Грызунова Н.Н., Викарчук А.А. Выращивание и изготовление металлических пентагональных микро- и нанотрубок // VII Всероссийская конференция Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем,сборник материалов, Белгород, 2008, С. 61-62. |
Подписано в печать 17.11.2008. Формат 60.84/16.
Печать оперативная. Усл.п.л. 1. Тираж 100 экз.
Отпечатано в редакционно-издательском центре
Тольяттинского государственного университета.
445667, Самарская обл., г.Тольятти, ул. Белорусская, 14
