Содержание

Введение 6
Анализ задачи 7

Глава 1 Методы исследования гальваномагнитных свойств тонких пленок 8

1.1. Проводимость 8
1.2. Эффект Холла 14
1.3. Магнетосопротивление 17
1.4. Гальваномагнитные размерные эффекты 21

Глава 2 Установка для измерения гальваномагнитных свойств тонких пленок в широком диапазоне температур 22

2.1. Схема установки 22
2.2. Требования к магнитному полю 28
2.3. Требования к кювете 28
2.4. Требования к источнику питания образцов 29
2.5. Проведение низкотемпературных исследований и контроль
температуры 32

Глава 3 Гальваномагнитные свойства тонких пленок меди 34

3.1. Выбор формы образца для исследования 34
3.2. Изготовление образцов для исследования 41
3.3. Аттестация образцов для исследования 43
3.4. Методика исследования тонких пленок меди 52
3.5. Выводы 65
4. Раздел охраны труда 66

5. Заключение 75

6. Список литературы 76

7. Приложения 77

 

Введение

Углубленное изучение физических свойств тонких металлических пленок, проводимое в последнее время, стимулировано широким практическим использованием металлических конденсатов во многих областях новой техники, например в ядерных исследованиях, микроэлектронике, СВЧ-технике, оптике и т.п. Тонкие пленки являются технологическим материалом для создания защитных покрытий, окон и мишеней, элементов микроэлектронных схем, тензодатчиков и т. п. Во многих случаях применение тонких пленок открывает перспективы создания регистрирующей аппаратуры с существенно улучшенными параметрами или разработки устройств на совершенно новых принципах. Таким образом, интерес к тонким металлическим пленкам обусловлен прежде всего материаловедческими задачами, но, кроме того, он проявляется в связи с перспективами развития физических исследований.
Надо отметить, что тонкие металлические пленки по своей природе представляют собой объекты с весьма разнообразными физическими свойствами; причем физические характеристики вещества в виде пленки могут существенно отличаться от свойств этих же материалов в массивном состоянии. Это создает дополнительные проблемы при использовании пленок в качестве технических материалов и элементов аппаратуры, но одновременно многообразие и изменчивость свойств тонких пленок существенно расширяют возможности их практического применения. Знание основных закономерностей изменения свойств тонких пленок совершенно необходимо при создании пленочных материалов с заданными свойствами.
Произведя анализ существующей литературы по гальваномагнитным свойствам тонких пленок, нужно отметить, что в настоящее время ее не достаточно.

Анализ задачи

Задачей настоящей работы являлось разработка экспериментальной установки для исследования гальваномагнитных свойств тонких пленок в широком диапазоне температур. А также проведение исследований тонких пленок используя в качестве модели тонкую пленку меди, так как у меди хорошо изучены все электрические параметры.
На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Конструкция установки для исследования гальваномагнитных свойств тонких пленок в широком диапазоне температур и выбор измерительного оборудования.
2. Методика исследования: Включая препарирование образцов тонких пленок меди для исследования, методика измерений и обработка результатов.
3. В качестве технического приложения, предложено использование эффекта Холла для контроля качества пленок меди получаемых способом термовакуумного напыления.

Внимание!

Диплом № 2277. Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ дипломной работы, цена оригинала 500 рублей. Оформлен в программе Microsoft Word. 

Оплата. Контакты.

Глава 1
Методы исследования гальваномагнитных свойств тонких пленок

В данной главе рассмотрены вопросы теории проводимости, эффекта Холла, магнетосопротивления, а также явления размерных гальваномагнитных эффектов. Источниками литературы являются [1 – 4], [6], [9].

1.1 Проводимость

Проводимость большинства твёрдых тел связана с движением электронов. Электроны входят в состав атомов всех тел, однако одни тела не проводят электрический ток (диэлектрики), а другие являются хорошими его проводниками. Причина различия заключается в особенностях энергетического состояния наружных электронов в этих веществах.
При объединении атомов в твёрдое тело (в кристалл) состояние внешних электронов существенно меняется: эти электроны теряют связь со «своим» атомом и принадлежат всему кристаллу в целом. Каждому уровню энергии электрона одиночного атома соответствует в кристалле группа близких по энергии уровней (зона), в которой число уровней равно числу мест на соответствующем атомном уровне, умноженному на число атомов в кристалле. Это число в реальных кристаллах очень велико, а ширина зоны не превосходит нескольких электронвольт, так что различие в энергии между ближайшим уровнями ничтожно. Отдельные уровни энергии электронов сливаются, так что в области, занимаемой уровнями, — в разрешённой зоне — различить отдельные уровни невозможно. Однако число уровней, объединившихся в зону, при слиянии не меняется. Оно определяет максимальное число электронов, которое может «поместиться» в зоне (в силу принципа Паули каждый электрон занимает своё собственное место).
Разрешённые уровни разделяются запрещёнными зонами — областями, в которых нет уровней. Это значит, что обобществлённые электроны в кристалле могут иметь не любую энергию, а лишь энергию, соответствующую одной из разрешённых зон.
Каждый уровень энергии в зоне соответствует вполне определённому состоянию движения электрона в кристалле. Это движение является не орбитальным, как в атоме, а поступательным. Естественно, что в кристалле каждому уровню, соответствующему движению электрона в одну сторону, сопутствует уровень, имеющий ту же энергию и соответствующий движению с тем же импульсом в противоположном направлении. Таким образом, в отсутствие внешних электрических полей движения, в среднем, не происходит, и электрический ток равен нулю. Положение меняется в присутствии поля. Под действием электрического поля количество электронов, перемещающихся в противоположных направлениях, может измениться — потечёт электрический ток.
Здесь следует различать два случая. Если одна из энергетических зон до конца заполнена электронами, а следующая зона совершенно пуста, то слабое внешнее электрическое поле не может изменить состояния электронов. Вещество с таким заполнением зон является диэлектриком. Верхняя из заполненных зон называется валентной зоной.
Положение меняется, если в кристалле имеется зона, частично заполненная электронами. В этом случае внешнее электрическое поле может изменить распределение электронов по уровням энергии и создать упорядоченное движение электрических зарядов. Частично заполненная зона называется зоной проводимости. Частично заполненная электронами зона имеется у всех твёрдых проводников электрического тока; в том числе её имеют все металлы. Полупроводники отличаются от диэлектриков тем, что в них ширина запрещённой зоны, расположенной над валентной, не намного больше тепловой энергии. Тепловое движение перебрасывает часть электронов из валентной зоны в свободную — в зону проводимости. При этом в свободной зоне появляются электроны, а в валентной зоне — свободные места — дырки. В этом случае электроны обеих зон участвуют в переносе заряда. Число носителей тока в полупроводниках экспоненциально увеличивается с повышением температуры. При низких температурах — вблизи абсолютного нуля — полупроводники обладают свойствами диэлектриков.
При исследовании электрических свойств металлов важно различать случаи, когда зона проводимости занята незначительно или, наоборот, почти до конца. В мало заполненной зоне электроны занимают нижние энергетические уровни, располагающиеся около её дна. Движение этих электронов мало отличается от движения свободных электронов. В этом случае говорят, что проводимость металла принадлежит к электронному типу.
По мере увеличения числа электронов в зоне проводимости их движение всё менее напоминает движение свободных электронов. При исследовании этого движения важно помнить, что проводимость является результатом движения всех обобществлённых электронов кристалла, которое может существенно отличаться от движения свободных электронов.
Рассматривая коллективное движение электронов почти заполненной зоны, полезно мысленно заполнить свободные места воображаемыми парами, состоящими из электронов с одинаковыми по величине положительным и отрицательным зарядами. Обычные отрицательные заряженные электроны заполняют теперь все уровни — и, следовательно, не могут принимать участия в проводимости. Они образуют структуру, характерную для изоляторов. Проводимость связана только с придуманными нами «электронами», обладающими положительным зарядом. Такие «электроны» носят название дырок. При рассмотрении явлений, происходящих в металлах с почти заполненной валентной зоной, удобно представлять себе дело так, как если бы проводниками тока были не настоящие электроны, а положительно заряженные дырки. В этом случае говорят о дырочном типе проводимости.
Электронным типом проводимости обладает большинство чистых металлов. Однако в ряде металлов (бериллий, кадмий, алюминий и другие) основными носителями электрического тока являются дырки. Если рассмотреть поведение электронов проводимости во внешнем электрическом поле. То под действием электрического поля E в проводнике возникает электрический ток, плотность которого j согласно закону Ома пропорциональна E:

(1)

где  — удельная электрическая проводимость проводника — величина, обратная его удельному сопротивлению .
Возникновение тока в проводнике показывает, что под действием поля электроны приобретают направленное движение. Такое движение называют дрейфом, а среднюю скорость этого движения — скоростью дрейфа < v >. Плотность тока j связана с концентрацией носителей n в нашем случае, электронов, зарядом электрона e и скоростью < v > очевидной формулой:

(2)

Сравнивая формулы (1) и (2) и замечая, что n и e не зависят от E, получим

(3)

Таким образом, в постоянном электрическом поле Е электроны приобретают не постоянное ускорение, а постоянную среднюю скорость. Это происходит потому, что энергию, получаемую от поля, в процессе соударения электроны передают кристаллической решётке. Движение электронов в решётке напоминает движение в вязкой среде. Соударения с решёткой эквивалентны трению. Движение с трением обычно характеризуют подвижностью b, которая, по определению, находится из соотношения

(4)

Движение в постоянном поле носит установившийся, не зависящий от времени характер. При установившемся движении сила трения равна внешней силе и направлена в обратную сторону. Поэтому для описания движения электрона в кристалле можно ввести напряженность электрического поля трения:

(5)

В самом деле, при установившемся движении сумма

 

откуда немедленно следует (5). Сравнивая (3) и (4), найдём

(6)

Химически чистые полупроводники обладают проводимостью, которая связана с небольшим числом электронов в зоне проводимости и таким же числом дырок в валентной зоне. Такая проводимость называется собственной — она не связана с примесями. Небольшая добавка примесей к полупроводнику, называемая легированием, может существенно изменить его электрические свойства. Одни примеси резко увеличивают концентрацию электронов в зоне проводимости по сравнению с концентрацией дырок в валентной зоне, другие, наоборот, увеличивают количество дырок. При этом образец, естественно, сохраняет свою электронейтральность (суммарный заряд образца равен нулю). Первые из полупроводников называются электронными, или полупроводниками n-типа, а вторые — дырочными, или полупроводниками p-типа. В общем случае, в процессе электрической проводимости участвуют как электроны, так и дырки. Удельная электрическая проводимость полупроводника в этом случае равна

(7)

где n и p — концентрации электронов и дырок, а be и bp – их подвижности. В случае примесной проводимости один тип носителей обычно существенно преобладает над другим и в формуле (7) можно пренебречь одним из слагаемых.
Формула (6) показывает, что исследование электрической проводимости проводников позволяет определить произведение nb. Как мы увидим ниже, исследование эффекта Холла позволяет находить плотность носителей n, после чего можно найти и их подвижность b. Таким образом, одновременное исследование электрической проводимости и эффекта Холла позволяет экспериментально находить важнейшие параметры, определяющие состояние электронов в металлах и полупроводниках. Эффект Холла позволяет также определить преобладающий тип проводимости — электронный или дырочный.
1.2. Эффект Холла

Пусть через однородную пластину металла вдоль оси Х течёт ток I (рис.1.1.).
Рис.1.1. Эффект Холла

Если эту пластину поместить в магнитное поле, направленное по оси Z, то между гранями А и Б появляется разность потенциалов. В самом деле, на электрон, движущийся со скоростью < v >, действует сила Лоренца:

(8)

Образец с током в магнитном поле где e — заряд электрона, В — индукция магнитного поля. В нашем случае эта сила направлена вдоль оси Y:

(9)

Под | < vx > | мы имеем в виду абсолютную величину дрейфовой скорости электронов, возникающей под действием внешнего электрического поля.
Под действием силы Лоренца электроны отклоняются к грани Б, заряжая её отрицательно. На грани А накапливаются нескомпенсированные положительные заряды. Это приводит к возникновению электрического поля Ey, направленного от А к Б, и к появлению разности потенциалов UАБ между гранями А и Б:

(10)

Поле Ey действует на электроны с силой F = еEy, направленной против силы Лоренца.
В установившемся состоянии сила F уравновешивает силу Лоренца, и дальнейшее накопление электрических зарядов на боковых гранях пластины прекращается. Из условия равновесия < vx > B = Ey найдём

(11)

Замечая, что сила тока I равна

(12)

и подставляя (11) и (12) в (10), найдём ЭДС Холла

(13)

Константа Rx называется постоянной Холла. Как видно из (13),

(14)

В полупроводниках, когда вклад в проводимость обусловлен и электронами и дырками, выражение для постоянной Холла имеет более сложный вид:

(15)

Если основной вклад в эффект вносит один из носителей, то для постоянной Холла можно пользоваться выражением (14). Измеряя величину Rх, можно с помощью (14) найти концентрацию носителей тока n, а по знаку возникающей между гранями А и Б разности потенциалов установить характер проводимости — электронный или дырочный.

 

 
1.3. Магнетосопротивление

Рассмотрим теперь влияние внешнего магнитного поля на электрическое сопротивление проводников. Это явление носит название магнетосопротивления. При комнатной температуре увеличение сопротивления в магнитном поле сильнее всего проявляется в полупроводниках. Уравнение, описывающее движение носителей тока при одновременном наложении электрического и магнитного полей, имеет вид

(16)

Усредним это равенство по всем носителям, находящимся в рассматриваемом элементе объёма, и заменим Eтр в соответствии с (5):

(17)

Нас будет интересовать только установившееся движение, т.е. движение со скоростью дрейфа < v >, неизменной во времени. Приравнивая левую часть нашего равенства нулю и сокращая на е, найдём

(18)

Сделаем важное замечание. Входящее в формулу (18) поле Е есть полное внешнее поле, которое, вообще говоря, складывается из приложенного поля и поля, которое появляется вследствие эффекта Холла. При расчётах следует поэтому внимательно следить, не происходит ли накопления зарядов на границе образца.
В дальнейшем мы будем всегда считать, что магнитное поле В однородно. Выберем направление этого поля за направление оси Z (рис. 1). Пусть на рассматриваемом участке полупроводника внешнее электрическое поле направлено по оси X, а поля нескомпенсированные зарядов отсутствуют. Распишем для этого случая уравнение (18) для всех трёх декартовых координат:

(19)

Из второй и третьей строк (19) имеем:

(20)

Подставляя полученное значение < vy > в первую строку (19), найдём

(21)

Здесь b подвижность электронов в отсутствие магнитного поля.
Исследуем полученное решение. Первое из равенств (20) показывает, что движения носителей тока вдоль магнитного поля не возникает. Сравнивая формулы (21) и (4), находим, что в присутствии магнитного поля подвижность электронов уменьшается. Согласно (6) подвижность однозначно связана с проводимостью. В присутствии магнитного поля В удельное сопротивление в равно

(22)

где о — удельное сопротивление без поля. Относительное увеличение удельного сопротивления

(23)
Отношение называют магнетосопротивлением.
Из (23) видно, что измерение магнетосопротивления позволяет определить подвижность носителей тока в полупроводнике. Второе из равенств (20) показывает, что при наложении магнитного поля, кроме составляющей скорости < vx >, направленной вдоль электрического поля, появляется поперечная составляющая < vy > и соответственно ток вдоль оси Y.
При выводе формул (19) из уравнения (18) составляющая электрического поля вдоль оси Y была положена равной нулю (Еy = 0). Однако это не всегда так. Рассмотрим, например, случай, когда образец имеет форму пластинки (рис. 1). Движение электронов вдоль оси Y не может происходить беспрепятственно. Начавшееся при включении магнитного поля перемещение электрических зарядов вдоль оси Y приводит к появлению пространственных зарядов вдоль на боковых гранях пластины и, следовательно, к появлению электрического поля, направленного по оси Y — к появлению ЭДС Холла, которая препятствует дальнейшему перемещению электронов вдоль оси Y. Формула (22) в этом случае должна быть заменена другим соотношением, имеющим, вообще говоря, сложный вид из-за того, что возникающее поле неоднородно. Сопротивление образца при этом зависит не только от магнитного поля, но и от формы образца. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 
1.4. Гальваномагнитные размерные эффекты

Размерные эффекты в магнетосопротивлении образцов ограниченных размеров проявляются в условиях соизмеримости толщины а и радиуса орбиты электрона в магнитном поле rа = pFc/eH (при этом требуется выполнение условий l > а, l > rа). Изучение гальваномагнитных размерных эффектов представляет интерес в связи с тем, что в ряде случаев ожидается появление явно выраженных особенностей (экстремумов, осцилляции), непосредственно связанных с характеристиками электронного спектра, а кинетические свойства электронов (длина свободного пробега, коэффициент зеркальности) определяют лишь амплитуду эффекта. Однако реализовать возможности, содержащиеся в предсказанных теорией эффектах, на пленках практически не удалось. Все известные успешно осуществленные экспериментальные работы относятся в основном к пластинам, фольгам или нитевидным кристаллам.
Одна из причин отсутствия работ по гальваномагнитным эффектам в пленках состоит в том, что для нормальных металлов основные группы носителей тока имеют квазиимпульс порядка размеров зоны Бриллюэна; при таком значении pF при обычной толщине пленок ~103 Å выполнение условия а ~ rа достигается в полях 102 Тл. В монокристаллических пластинах макроскопической толщины (~102 мкм) указанное условие легко выполняется в доступных магнитных полях и, кроме того, в таких объектах при низкой температуре реализуются высокие значения длины свободного пробега электронов [3].

 

 

 

Глава 2
Установка для измерения гальваномагнитных свойств тонких пленок в широком диапазоне температур.

В данной главе представлены результаты по разработке установки для измерения гальваномагнитных свойств тонких пленок в широком диапазоне температур и обоснован выбор измерительного оборудования.
Использована литература [4], [5], [7].

2.1. Схема установки

Назначение установки

Экспериментальная установка предназначена для измерения гальваномагнитных свойств тонких пленок в широком диапазоне температур.

 

 

 

 

 

 

Блок-схема установки

Структурная схема экспериментальной установки для исследования гальваномагнитных свойств в тонких пленках представлена на рис. 2.1.

 

 

 

 

 

 

 
Рис. 2.1. Структурная схема экспериментальной установки для исследования гальваномагнитных свойств в тонких пленках

В зазоре электромагнита (рис. 2.1) создается постоянное магнитное поле, величину которого можно менять с помощью регулятора напряжения однофазного (РеНО), который входит в состав блока питания магнита. Также блок питания позволяет менять направление тока в обмотках электромагнита. Ток питания электромагнита измеряется с помощью амперметра А1.
Калибровка магнита проводится с помощью датчиков Холла, которые приклеены в центре каждого полюсного наконечника.
Образцы в форме тонких пленок, которые напылены на стандартные поликоровые подложки (размеры 48х60 мм), монтируются в специальной кювете, которая помещается в зазор между полюсными наконечниками электромагнита и подключается к плате управления. Ток через образец регулируется с помощью магазина сопротивлений и дополнительного переменного резистора на плате управления и измеряется с помощью амперметра А2.
В образце с током, помещенном в зазор электромагнита, между контактами 3 и 4 возникает холловская разность потенциалов, которая измеряется с помощью микровольтметра. Между контактами 5 и 6 измеряется омическое падение напряжения U56, вызванное основным током через образец.

Плата управления

Плата управления позволяет коммутировать Датчики Холла и образец к источнику питания и микровольтметру. Схема электрическая принципиальная приведена в приложении 5.

Микровольтметр

Цифровой вольтметр G-1202.010 для измерения постоянного напряжения 0.1 мкВ позволяет измерять постоянные напряжения с высокой чувствительностью и большой точностью в пределах от 0,1 мкВ до 1 кВ. Индикация результата измерения — 6-разрядная цифровая с показанием соответствующего знака.
Изделие представляет собой прецизионный прибор класса 0,005. Он предназначен для эксплуатации в закрытых помещениях и не должен подвергаться чрезмерно сильным механическим нагрузкам. Он может эксплуатироваться в непрерывном режиме. Измерение постоянного напряжения производится на двух этапах. На первом этапе измеряется часть входного напряжения. Затем полученный результат подвергается цифро-аналоговому преобразованию и используется для компенсации входного напряжения. Остаток напряжения, имеющийся после компенсации, преобразовывается на втором этапе в цифровую форму методом преобразования напряжения в частоту. Результаты, полученные на двух этапах, слагаются и представляют собой результат измерения. Благодаря применению высокоточного метода измерения достигается скорость измерения 0,4/сек.

Таблица 2.1.
Погрешность измерения при 23°С ± 1 К и макс. относительной влажности воздуха 60,% за 90 дней в откалиброванном состоянии
Предел измерения 10 мВ  0,01 % от изм. Значения
 0,003 % от кон. Значения
Предел измерения 100 мВ
и 1 В  0,005 % от изм. Значения
 0,003 % от кон. Значения
Предел измерения 10 В  0,003 % от изм. Значения
 0,003 % от кон. Значения
Предел измерения 100 мВ
и 1000 В  0,007 % от изм. Значения
 0,003 % от кон. Значения
Блок питания электромагнита

Блок питания электромагнита состоит из трех основных частей: блока выпрямителя напряжения, регулятора напряжения и амперметра переменного тока. Схема электрическая принципиальная приведена в приложении 4.

Блок выпрямителя напряжения

Блок состоит из пускателя с защитой от токов короткого замыкания, выпрямительного моста собранного на диодах ВЛ50-10, реверсивного пускателя, собранного из двух магнитных пускателей ПМЕ-111, для смены полярности напряжения, которое подается на электромагнит, а также контрольных ламп, с помощью которых производится индикация полярности напряжения подаваемого на электромагнит.

Регулятор Напряжения

Регулятор напряжения подключается к блоку выпрямителя напряжения и необходим для плавного изменения величины подаваемого напряжения на электромагнит. Так как в данной установке для получения больших магнитных полей необходимы токи до 20 А, был выбран: Регулятор Напряжения Однофазный РНО-250-5.

Амперметр постоянного тока

Амперметр постоянного тока необходим для измерения величины проходящего через обмотки тока. Использован амперметр Э301 с электромагнитным измерительным механизмом, класс точности 1. ГОСТ 8711-60.
Блок-схема электромагнита

Для данной работы был разработан и изготовлен электромагнит броневого типа, который представлен на рис. 3.1.

 

 

 

 

 

 

 
Рис. 2.2. Электромагнит броневого типа

1 – каркас электромагнита; 2 – сердечник; 3 – обмотка; 4 – кювета для образца; 5 – держатель кюветы; 6 – регулятор положения кюветы; 7 – дюар; 8 – каркас для дюара; 9 – полиуретановая монтажная пена.

2.2. Требования к магнитному полю

Магнитное поле в зазоре между полюсными наконечниками должно быть однородным. Это обеспечивается тем, что полюсные наконечники выполнены из низкоуглеродистой стали с процентным содержанием углерода < 0,01%. Диаметр наконечников 110 мм. Поверхность отполирована. Благодаря этому магнитное поле получается однородным. Также благодаря специальным держателям имеется возможность регулировать величину зазора между сердечниками и параллельность полюсных наконечников с высокой точностью.
В центр каждого из сердечников приклеены датчики Холла. Использованы датчики Х-212 (монокристаллический арсенид индия InAs). Размеры датчика 5,2 х 3,8 х 0,4 мм. Сопротивление входное 2,3 Ом, выходное 2,2 Ом. Рабочий ток 150 мА, чувствительность 135 мВ/Тл, коэффициент неэквипотенциальности 1,5*10-3, температурный коэффициент ЭДС не более 0,2 % С, диапазон рабочих температур от -196 до +100 оС.

2.3. Требования к кювете

В кювету помещаются стандартные поликоровые подложки с напыленными на них образцами, размерами 48х60 мм.
Так как толщина пленок может достигать сотни нанометров, то применение точечных контактов невозможно, так как они вызовут повреждения, приводящие к шунтированию образца. Поэтому в данной кювете использованы специальные прижимные контакты. Эти контакты обеспечивают большую площадь контакта и они не вызывают повреждение образца.
Корпус кюветы изготовлен из эбонита, а прижимные контакты сделаны из меди. Внешние контакты изготовлены из бериллиевой бронзы. Прижимные винты и винты крепления держателя тоже изготовлены из бронзы.

Рис. 2.3. Кювета для образца с подпружиненными контактами
1 – прижимные контакты; 2 – внешние контакты; 3 – прижимные винты;
4 – винты крепления держателя.

2.4. Требования к источнику питания образцов

Главное требование к источнику питания исследуемых образцов – это стабильность характеристик и отсутствие пульсаций. Поэтому было принято решение использовать в качестве источника питания щелочные аккумуляторные батареи.
Основными преимуществами щелочных аккумуляторных батарей является то, что они имеют небольшую массу, не боятся толчков и сотрясений, не выходят из строя от коротких замыканий, а также от больших зарядных и разрядных токов и могут длительное время находятся в разряженном состоянии. Но минусов является то, что при разряде они отдают не более 65% энергии.
В качестве электролита используется едкий калий, а также едкий натрий с небольшой добавкой едкого лития, который несколько увеличивает емкость батареи.
Положительный контакт соединяется с сосудом аккумуляторной батареи, а отрицательный изолируется от него.
ЭДС батареи менее постоянная чем у кислотных аккумуляторов. ЭДС полностью заряженной аккумуляторной батареи достигает 1,4 В, а при падении напряжения до 1 В батарею следует считать разряженной.
Одним из важнейшим условием хорошей работы является правильная зарядка и разрядка аккумуляторной батареи.
Нормальная зарядка щелочной аккумуляторной батареи длится 6 часов. Номинальный зарядный ток должен составлять 1/4 от емкости аккумуляторной батареи (А/час). Номинальный разрядный ток принимается равным 1/8 от емкости. При необходимости допускается ускоренный заряд батареи. «Кипение» электролита у щелочных аккумуляторных батарей происходит в течении всего времени заряда и поэтому этот фактор не может служить признаком окончания заряда. Окончание заряда определяется, главным образом, по продолжительности заряда и по значению ЭДС батареи. Также необходимо иметь ввиду, что щелочную аккумуляторную батарею лучше перезарядить, чем не дозарядить.
Во время зарядки и в течении двух – трех часов после неё пробки должны быть вынуты из аккумуляторной батареи. Для предотвращения образования кристаллов необходимо добавить в каждый элемент несколько капель вазелинового масла, а также смазать вазелином все части верхней крышки батареи.
Электролит желательно менять один раз в шесть месяцев. Срок службы аккумуляторной батареи составляет не более 1000 циклов заряд-разряд.
При эксплуатации выше 20оС – в качестве электролита следует использовать едкий натрий с плотностью 1,16 — 1,18. При температуре окружающей среды от –15оС до 20оС применяется раствор едкого калия с плотностью 1,18 – 1,20. Зимой, при температуре ниже –15оС необходимо использовать едкий калий с плотностью 1,3.
Для нейтрализации щелочи применяют борную кислоту и уксус.

Миллиамперметр

Ток протекающий через образец или датчики Холла контролируется с помощью миллиамперметра А1 Э301. Электромагнитный механизм. Класс точности 0,5. ГОСТ 8711-60

Магазин сопротивлений

Величина тока протекающего через образец или датчики Холла регулируется с помощью магазина сопротивлений Р33:
Рном. декады 0,1 Ом = 0,1 W/ступень
Рмакс. декады 0,1 Ом = 1 W/ступень
Рном. декады 1…104 Ом = 0,25 W/ступень
Рмакс. декады 1…104 Ом = 0,5 W/ступень
R0 средн.  0,06 Ом
ГОСТ 23737-79

 

 

2.5. Проведение низкотемпературных исследований и контроль температуры

Дюар для низкотемпературных исследований

 

 

 

 

Рис.3.7. Держатель и дюар для низкотемпературных исследований

Для проведения низкотемпературных исследований был выполнен специальный дюар из органического стекла. Для его фиксации, также выполнен специальный держатель, который зажимается между полюсными наконечниками электромагнита. Объем держателя, после установки в него дюара заполняется полиуретановой пеной.

Цифровой термометр

Для измерения температуры образца использован прецизионный цифровой термометр F150. Он способен работать с термосопротивлениями и термопарами. Два канала на передней панели предназначены для подключения ПТС, два канала — для термопар. На задней панели прибора установлены разъемы для расширения количества каналов до 8. Многострочный ЖКД выводит результаты измерений по всем 4 каналам в °С, °F или К, а также текущую информацию о состоянии термометра, такую как W или канал. Для лучшей работы F150 можно выбрать один из способов линеаризации подключаемого термометра сопротивления или термопары. Можно сохранить калибровочные данные на 20 подключаемых термометров в памяти прибора для улучшения их точности. Также можно сохранить до 4000 измерений или 2000 дифференциальных измерений в памяти прибора. F150 может выводить сохраненные данные на дисплей или передавать их для дальнейшей обработки в компьютер или выводить сразу же на принтер.
На передней панели выведены разъемы для подключения ПТС (5 штырьковый разъем стандарта DIN) и термопар. На задней панели могут быть добавлены разъемы для 4 каналов ПТС и 4 каналов термопар, что позволяет увеличить количество каналов до 10 при использовании соответствующих модулей. Для термопар модуль имеет встроенную компенсацию холодного спая.

Таблица 2.1.
Типы используемых термопар приведены в таблице 2.1.
Тип термопары Диапазон температуры, С Погрешность измерений*
(20С±5С в течение года)
при 0С + % ИВ
E -200 … 1000 ±0.05C ±0.031%
J -210 … 1200 ±0.07C ±0.030%
K -200 … 1372 ±0.09C ±0.035%
N -200 … 1300 ±0.08C ±0.035%
T -200 … 400 ±0.09C ±0.025%

В данной работ используется термопара медь-константан (Т).

Глава 3
Гальваномагнитные свойства тонких пленок меди

В данной главе рассмотрены основные аспекты по вопросам выбора формы образца для исследований, отражена технология изготовления образцов и их аттестации. Показана методика исследования гальваномагнитных свойств тонких пленок меди, обработка результатов и определение погрешностей.
Использовались следующие источники литературы: [4], [5], [8].

3.1. Выбор формы образца для исследования

Геометрия образцов и контактов может влиять на измеряемое напряжение Холла. Одним из основных факторов, изменяющих напряжение Холла, является шунтирующее действие токовых электродов, о котором можно судить по распределению эквипотенциальных линий в полупроводниковом образце конечной длины с низкоомными электродами, помещенном в магнитном поле (рис. 3.1). Как видно, эквипотенциали на концах образца искажены вследствие закорачивания ЭДС Холла токовыми электродами и чем короче образец, тем сильнее сказывается шунтирующее действие электродов.
Рис. 3.1. Распределение эквипотенциальных линий в длинном образце Холла

Зависимость напряжения Холла от отношения a/b для слабых магнитных полей приведена на рис. 3.2 [4]. Эта зависимость стала классической. Для расчета шунтирующего действия токовых электродов (холловские зонды были приняты точечными) получены приближенные формулы. Из расчетов, выполненных при условии слабых полей, следует, что при отношении а/b, Равном 3 и 4, измеренное значение Uy занижено на 0,3% соответственно. Поэтому при a/bЗ образец можно считать длинным, но лишь в случае расположения зондов Холла в середине образца, где эквипотенциальные линии не искажены (см. рис. 3.1). На рис. 3.3 также видно, что при смещении зондов Холла от середины образца на 20% при а/b=4 уже начинает оказываться шунтирующее действие ближайшего токового электрода (Зонды Холла должны быть достаточно удалены от токовых электродов, чтобы их не достигали инжектированные носители).
Рис. 3.2. Зависимость нормированного напряжения Холла от отношения длинны образца к его ширине
Также нужно отметить, что с увеличением магнитного поля, т. е. угла Холла , происходит «удлинение» образца. Объясняется это тем, что благодаря геометрическому магниторезистивному эффекту, возникающему у токовых электродов, закорачивающих ЭДС Холла, с увеличением угла Холла 9 увеличивается и сопротивление образца у электродов. На рис. 7.7 показано, что с увеличением угла измеряемое напряжение Холла на середине коротких образцов увеличивается, что равноценно их «удлинению». Поэтому следует помнить, что в коротких образцах повышение холловской подвижности и коэффициента Холла, имеющее место при увеличении угла Холла, обусловлено не микроскопическими процессами явлений переноса в кристалле полупроводника, а простым «удлинением» образца. В свою очередь, в сильных магнитных полях происходит перераспределение электрического поля и в длинных образцах.
Очевидно, что если токовый электрод точечный, то закорачивания ЭДС Холла не происходит. Тем не менее, точечные токовые электроды не всегда можно рекомендовать из-за резкого повышения уровня токовых шумов [209] и возможного локального перегрева образца.
Рис. 3.3. Распределение нормированного напряжения Холла по длине образца для разных отношений длины образца к его ширине при слабом магнитном поле (угол Холла   0). На оси, проходящей через x/a = 0,5, отмечены значения напряжения Холла при разных значениях угла Холла.

Рис. 3.4. Холловские контакты.
а – идеальные точечные; б – ножевые; в, г – реальные конечной ширины S на холловских гранях и на поверхности образца.
На результатах измерений ЭДС Холла может повлиять форма холловских контактов. Идеальными с точки зрения ненарушения распределения электрического поля в образце являются точечные или ножевые контакты на холловских гранях образца (рис. 3.4, а, б). Однако такие контакты трудно сделать низкоомными, стабильными и нешумящими, поэтому вряд ли их можно рекомендовать, особенно для высокоомных образцов. Нередко холловские контакты наносят на холловские грани в виде площадки конечной ширины 5 (рис. 3.4, е). При измерениях с низкой точностью на образцах с высокой подвижностью носителей, т. е. с большими ЭДС Холла и отношением а/b, такие контакты допустимы.
Конечная ширина холловских контактов приводит к такой же ошибке, как и измерения на коротких образцах, но в данном случае существенно соотношение ширин контактов s и образца b. Как видно из рис. 3.5, даже малое значение отношения s/b приводит к заметным погрешностям. Поэтому при исследовании узких образцов, предельным примером которых являются нитевидные кристаллы, непременно нужно учитывать погрешность, вносимую отношением s/b.
Рис. 3.5. Зависимость нормированного напряжения Холла от отношения ширины контактов Холла к ширине образца для разных значений угла Холла. UН0 – напряжение Холла при .

Рис. 3.6. Примеры конфигурирования образцов, применяемых при исследовании эффекта Холла и физического магниторезистивного эффекта.

Примеры конфигураций образцов для исследования эффекта Холла и физического магниторезистивного эффекта приведены на рис. 3.6. При соотношении размеров выступа h/s  1 шунтирующее действие холловских контактов уменьшается более чем на порядок (эквивалентно уменьшению s), а выходное сопротивление образца (сопротивление между холловскими контактами при закороченных между собой токовых электродах) такого же порядка, как его входное сопротивление (сопротивление между токовыми электродами). Последнее обстоятельство существенно при исследовании высокоомных образцов [4].
Выбор формы фотошаблона

При выборе формы фотошаблона необходимо учитывать все требования, рассмотренные в предыдущем пункте.
Отношение длины образца к его ширине должно быть больше 4. В нашем случае:

следовательно образец изготовленный с помощью данного фотошаблона можно считать длинным.
Ширина Холловских контактов равна 1 мм и отношение ширины контакта к длине образца:

таким образом ширина Холловских контактов будет вносит погрешность в измеряемую величину ЭДС Холла от 0 до 2%, в зависимости от угла Холла.

Рис. 3.7. Фотошаблон
3.2. Изготовление образцов для исследования

Нанесение тонкой пленки меди на поликоровые подложки производится методом термовакуумного напыления. Сущность метода термовакуумного напыления заключается в испарении наносимого материала в условиях низкого давления и дальнейшей его конденсации на поверхности подложки. Принцип действия установки УВН-5, реализующей этот метод поясняется на рис.3.8.

 

 

 
Рис.3.8. Схема установки вакуумного напыления
1 – основание; 2 – колпак; 3 – испаряемый материал; 4 – испаритель;
5 – заслонка; 6 – подложка; 7 – нагреватель подложки.

Основание 1 и колпак 2 образуют рабочую камеру, из которой непрерывно откачивается воздух. Испаряемый материал путем нагрева доводится до температуры, при которой он начинает интенсивно испарятся. Поток пара, имея определенную диаграмму испарения, достигает подложки 6 и конденсируется на ней. Условия конденсации могут меняться путем изменения температуры подложки с помощью нагревателя 7. Заслонка 5 служит для открытия или закрытия пути потоку пара [8].
Подготовка подложек для напыления выполнялась согласно типовому технологическому процессу очистки подложек (ОСТ 4.ГО.054.028, приложение 1).
Напыление пленки меди производилось с открытой заслонкой на подогреваемую до 70оС подложку. Процесс завершался при полном испарении навески меди, которая помещалась в испаритель. Масса навески меди для образца №1 составляла 371 мг, а для образца №2 224 мг.

Типовой технологический процесс фотолитографии (приложение 2) производился с помощью полуавтоматической установки совмещения и экспонирования УСПФ-3, которая изображена на рис.3.9.
Рис.3.9. Установка УСПФ-3

 

3.3. Аттестация образцов для исследования

Взвешивание на аналитических весах

Поликоровые подложки, на которые производят напыление образцов, взвешивают до напыления и после напыления на аналитических весах. Взвешивание образца №2 не производилось, так как он был напылен на оборудовании завода «Полет». Результаты взвешивания приведены в таблице 1.

Результаты взвешивания подложек
Таблица 3.1.
Образец Масса, мг
До напыления После напыления Разница
Образец №1 10,772 17,776 0,003
Образец №3 11,089 11,096 0,007

Систематическая погрешность аналитических весов составляет 0,0005 мг. Таким образом, после взвешивания, зная геометрические размеры поликоровой подложки и плотность электрохимической меди, мы можем найти толщину из формулы (1).
(1)

Результат расчета толщины приведены в таблице 2.

 

Таблица 3.2.
Толщина напыленных пленок
Образец Толщина, нм Погрешность, нм
Образец №1 116,6 19,4
Образец №2 272,1 19,4

Сканирующий зондовый микроскоп

После взвешивания образцы подвергаются исследованию с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver Pro, который является универсальным прибором, предназначенным для измерений с разрешением вплоть до атомного уровня приповерхностных характеристик различных объектов.
Был проведен детальный анализ рельефа поверхности трех исследуемых образцов. На Рис.3.10. показана сканирующая головка зондового микроскопа в момент исследования образца.

Рис.3.10. Сканирующая головка зондового микроскопа Solver Pro
Образец №1

Образец №1 был получен методом термовакуумного напыления на кафедре «Технологии приборостроения» на установке УВН-5.
На рис.3.11. изображен участок, где расположен край напыленной пленки. Площадь поверхности сканирования составляет 25х25 мкм. Горизонтальная линия, проходящая в нижней части рисунка, является линией среза и на рис.3.12. изображен рельеф участка, проходящего по данной линии. По этим данным толщина напыленной пленки меди на границе составляет примерно 120 нм. Также отчетливо видны царапины, которые присутствуют на поликоровой подложке. Рельеф напыленной пленки меди повторяет форму этих царапин. На рис. 3.13. изображен участок поверхности размером 12х12 мкм, на котором отчетливо просматриваются данные дефекты. Вертикальная линия является линией среза. Данный рельеф отображен на рис. 3.14. Перепад высот составляет примерно 30 нм.

 
Рис.3.11. Рельеф поверхности. Образец №1.
Рис. 3.12. Рельеф линии среза. Образец №1.

Рис. 3.13. Рельеф поверхности. Образец №1.
Рис. 3.14. Рельеф линии среза. Образец №1.
Образец №2

Образец №2 был получен методом термовакуумного на напыления на промышленном оборудовании завода «Прибор».
На рис. 3.15. изображен рельеф поверхности образца №2. Площадью 45 х 45 мкм. На нем также хорошо видно, что рельеф пленки меди повторяет неровности подложки.
Рис. 3.15. Рельеф поверхности. Образец №2.

На рис. 3.16. изображен рельеф линии среза. И согласно данному рисунку, толщина напыленной пленки составляет примерно 150 нм.

Рис. 3.16. Рельеф линии среза. Образец №2.

Образец №3

Образец №3 был получен методом термовакуумного напыления на кафедре «Технологии приборостроения» на установке УВН-5.
На рис. 3.17. изображен рельеф поверхности образца №3. Площадью 30 х 30 мкм.
На рис. 3.18. изображен рельеф линии среза. И согласно данному рисунку, толщина напыленной пленки составляет примерно 250 нм.

 
Рис. 3.17. Рельеф поверхности. Образец №3.
Рис. 3.18. Рельеф линии среза. Образец №3
В табл. 3.3. сведены данные по всем образцам, на основе анализа, выполненного с помощью сканирующего зондового микроскопа.

Таблица 3.3.
Толщина напыленных пленок
Образец Толщина, нм Шероховатость поверхности, нм
Образец №1 120 30
Образец №2 150 30
Образец №3 250 20

Анализируя результаты двух исследований по аттестации образцов принято решение использовать данные о толщине пленки из табл. 3.3., учитывая погрешность, равную шероховатости поверхности образца.

 

 

 

 

 
3.4. Методика исследования тонких пленок меди

3.4.1. Калибровка электромагнита

Калибровка электромагнита производится с помощью датчиков Холла, которые наклеены на полюсные наконечники.
С помощью платы управления подключается микровольтметр и источник питания к одному из датчиков Холла.
Микровольтметр переключается на предел измерения 0,1В.
Плавно увеличивая ток магнита IМ до 16А регистрируются показания микровольтметра через каждые 2А. Затем ток плавно уменьшается до нуля, меняется полярность подаваемого на обмотки магнита напряжения и плавно увеличивая ток магнита, еще раз, регистрируются показания микровольтметра. Полученные данные отражены в табл. 3.4.
Закончив измерения, ток IМ уменьшается до минимума и отключается блок питания магнита.
Используя паспортные характеристики для датчиков Холла в табл. 3.5. рассчитывается индукция магнитного поля для каждого значения тока.
На рис. 3.19. построен график зависимости индукции магнитного поля от тока магнита B = f(IM).

 

 
Таблица 3.4. Таблица 3.5.
Показания датчиков Холла Индукция магнитного поля
Ток магнита ЭДС датчиков Холла Ток магнита Индукция магнитного поля
А мВ мВ А Тл Тл
16 -174,8 -174,8 16 -1,295 -1,295
14 -168,5 -168,6 14 -1,248 -1,249
12 -161,1 -161,2 12 -1,193 -1,194
10 -153,5 -153,8 10 -1,137 -1,139
8 -142,0 -142,9 8 -1,052 -1,059
6 -123,6 -126,4 6 -0,916 -0,936
4 -97,3 -101,4 4 -0,721 -0,751
2 -56,6 -60,0 2 -0,419 -0,444
0 3,5 -3,5 0 0,026 -0,026
2 60,0 56,6 2 0,444 0,419
4 101,4 97,3 4 0,751 0,721
6 126,4 123,6 6 0,936 0,916
8 142,9 142,0 8 1,059 1,052
10 153,8 153,5 10 1,139 1,137
12 161,2 161,1 12 1,194 1,193
14 168,6 168,5 14 1,249 1,248
16 174,8 174,8 16 1,295 1,295

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
3.4.2. Измерение ЭДС Холла

Установив держатель с образцом в зазор выключенного электромагнита, на микровольтметре устанавливается предел измерения 10 мкВ.
По амперметру А2 устанавливается ток через образец (0,1 А).
На показаниях микровольтметра появляется напряжение U0. Которое вызвано тем, что Холловские контакты не лежат на одной эквипотенциальной линии. Значение U0 с учетом знака следует принять за нулевое. При положительном увеличении напряжения на микровольтметре полярность подаваемого на вольтметр напряжения соответствует полярности, указанной на входных клеммах вольтметра.
Включается источник питания электромагнита и регистрируется зависимость напряжения Холла UH от тока IM через обмотки электромагнита при фиксированном токе через образец (0,1 А). Полученные данные отражены в табл. 3.6. и 3.7. Используя эти данные построены графики представленные на рис. 3.20. и 3.21.
Измерения следует проводить при медленном увеличении магнитного поля. Резкие изменения магнитного поля наводят ЭДС индукции в подводящих проводах и вызывают большие отклонения показаний микровольтметра. Отсчет следует производить только после установления показаний прибора.
Закончив измерения, необходимо плавно уменьшить ток через электромагнит до минимума, а затем выключить источник питания магнита.

 

 

Таблица 3.6.
Зависимость ЭДС Холла от тока магнита
Ток магнита, А ЭДС Холла, мВ
Образец №1 Образец №2 Образец №3
0,0000 0,00000 0,00000 0,00000
0,4319 0,01520 0,01400 0,00803
0,7359 0,02691 0,02410 0,01450
0,9259 0,03340 0,03031 0,01830
1,0552 0,03770 0,03440 0,02040
1,1381 0,04090 0,03740 0,02200
1,1937 0,04302 0,03950 0,02310
1,2485 0,04481 0,04100 0,02400
1,2948 0,04604 0,04250 0,02450

Таблица 3.7.
Зависимость ЭДС Холла от индукции магнитного поля
Индукция магнитного поля, Тл ЭДС Холла, мВ
Образец №1 Образец №2 Образец №3
0,0000 0,00000 0,00000 0,00000
0,4319 0,01520 0,01400 0,00803
0,7359 0,02691 0,02410 0,01450
0,9259 0,03340 0,03031 0,01830
1,0552 0,03770 0,03440 0,02040
1,1381 0,04090 0,03740 0,02200
1,1937 0,04302 0,03950 0,02310
1,2485 0,04481 0,04100 0,02400
1,2948 0,04604 0,04250 0,02450

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Величина постоянной Холла Rx определяется из формулы 3.1.

(3.1)

Таблица 3.8.
Зависимость постоянной Холла от индукции магнитного поля
Индукция магнитного поля, Тл Постоянная Холла, RH
Образец №1 Образец №2 Образец №3
0,0000 — — —
0,4319 -4,2*10-11 -4,8*10-11 -4,8*10-11
0,7359 -4,3*10-11 -4,9*10-11 -5,1*10-11
0,9259 -4,3*10-11 -4,9*10-11 -5,1*10-11
1,0552 -4,3*10-11 -4,9*10-11 -5,0*10-11
1,1381 -4,3*10-11 -4,9*10-11 -5,0*10-11
1,1937 -4,3*10-11 -5,0*10-11 -5,0*10-11
1,2485 -4,3*10-11 -4,9*10-11 -5,0*10-11
1,2948 -4,2*10-11 -4,9*10-11 -4,9*10-11

Таблица 3.9.
Среднее значение постоянной Холла, RH, (м3*Кл)
Образец №1 Образец №2 Образец №3
-4,3*10-11 -4,9*10-11 -5,0*10-11

Табличные данные для меди: -5,3*10-11 (м3*Кл)
Инструментальная погрешность полученного значения постоянной Холла:

(3.2)

где — погрешность измерения толщины пленки,
а — погрешность измерения индукции магнитного поля – принимается равной относительной погрешности измерения силы тока в катушке электромагнита.
Учитывая паспортные данные измерительных приборов и данные о толщине пленок, для каждого образца, получим:

 

Таблица 3.10.
Погрешность постоянной Холла,
Образец №1 Образец №2 Образец №3
1,14*10-11 1,05*10-11 0,47*10-11

Учитывая данные погрешности полученные данные сходятся с табличными значениями.

 

Используя полученные данные рассчитывается концентрация n носителей тока по формуле (3.3)
(3.3)

Таблица 3.11.
Среднее значение концентрации носителей,
Образец №1 Образец №2 Образец №3
14,5*1028 12,8*1028 12,5*1028

Инструментальная погрешность зависит от
(3.4)
Таблица 3.12.
Погрешность концентрации носителей,
Образец №1 Образец №2 Образец №3
3,84*1028 2,58*1028 1,19*1028

Расчетное значение концентрации носителей заряда n в таком металле как медь, включает физические данные о металле и факт, что медь содержит один электрон проводимости на атом.

Молярная масса меди
Плотность
Число Авогадро
Таблица 3.12.
Отношение Холловской концентрации носителей к расчетной,
Образец №1 Образец №2 Образец №3
1,71 1,51 1,48
3.4.3. Определение характера проводимости

Для определения знака носителей необходимо знать направление тока через образец, направление магнитного поля и знак ЭДС Холла.
Направление тока в образце можно узнать по положению переключателя «полярность напряжения» на панели управления. Направление тока в обмотках электромагнита – с помощью индикаторных ламп на блоке питания электромагнита.
И исходя из формулы 3.1. можно определить знак носителей заряда для каждого из образцов.

 
3.4.4. Определение удельной проводимости

Необходимо выключить источник питания электромагнита и удалить держатель с образцом из зазора. Установить предел измерений на микровольтметре 1 В.
Измерить падение напряжения между контактами предназначенных для измерения падения напряжения для каждого образца.
Зная геометрические размеры образца, рассчитать удельную проводимость материала образцов по формуле 3.5.
(3.5)

где I – ток протекающий в образце, L – длина образца, U – падение напряжения, a – толщина образца, l – ширина образца.

Для Образца №1:

Таблица 3.13.
Удельная проводимость, ,(Ом*м)-1
Образец №1 Образец №2 Образец №3
5,294*107 — —

Табличные данные для меди: 5,6*107 (Ом*м)-1

 

Погрешность удельной проводимости,

Таблица 3.12.
Погрешность удельной проводимости,
Образец №1 Образец №2 Образец №3
1,705*107 — —

используя найденные значения проводимости , рассчитать подвижность b по формуле:
(3.6)

Таблица 3.13.
Подвижность, b, см2/(В*с)
Образец №1 Образец №2 Образец №3
30,3 — —

Табличные данные для меди: 32 см2/(В*с)
Таблица 3.12.
Погрешность подвижности, b
Образец №1 Образец №2 Образец №3
9,8 — —

3.3. Выводы

1. Спроектирована, изготовлена и опробована установка для измерения гальваномагнитных свойств тонких пленок.
2. Сопоставление характеристик электронной системы экспериментально исследованных тонких пленок со справочными данными по объемным образцам меди указывает на то, что имеются закономерные отличия. В частности при уменьшении толщины пленки 250 — 150 — 120 нм отношение Холловской концентрации носителей к расчетной уменьшается 1,71 — 1,51 — 1,48. В работе это уменьшение интерпретируется как дополнительный вклад в рассеяние носителей на поверхности.
3. Методом сканирующей зондовой микроскопии исследован рельеф поверхности исследуемых пленок. С высокой точностью измерена их толщина.
4. В качестве технического приложения предлагается использование установки измерения гальваномагнитных свойств в качестве средства контроля технологических процессов напыления тонких пленок меди.

 

 

 

 

 

4. РАЗДЕЛ ОХРАНЫ ТРУДА

Данная дипломная работа посвящена исследованию гальваномагнитных свойств в тонких пленках. И использование в качестве модели тонкие пленки меди.

4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ), сопровождающих исследовательскую работу на установке.

При работе на исследовательской установке на человека могут воздействовать следующие ОВПФ:

1. Физические:
• Электромагнитное излучение;
• нерациональная световая среда на рабочем месте;
• переменный электрический ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

2. Психофизиологические:
• нервно-психологическое напряжение;
• неправильная рабочая поза.

Виды воздействия установки на окружающую среду:
• тепловое излучение;
• электромагнитное излучение.

Тепловое излучение характерно для всех мощных установок, и оно исходит от сильноточных элементов, в которых циркулируют большие токи разных частот (трансформаторы, токопроводы, обмотки электромагнита). Проблема решается естественным воздушным охлаждением.
Электромагнитное излучение также явный признак элементов мощных установок таких же что и для теплового излучения. В данной установке используется электромагнит броневого типа, таким образом, магнитное поле не распространяется за пределы электромагнита и использование специальных средств защиты не требуется. Обслуживание и работа с исследуемыми образцами, которые помещаются в магнитное поле, создаваемое электромагнитом, производится на выключенной от блока питания установке. Требования к уровням электрических и магнитных полей регламентированы в СанПиН 2.2.4.1191-03.
Необходимо принимать меры по ограничению статической поляризации. Как коллективное средство защиты применяется защитное заземление. Заземлены проводящие части оборудования и электропроводные неметаллические предметы.
Важным вопросом является электро- и пожаробезопасность. Основными техническими средствами, обеспечивающими безопасность работ, является защитное заземление в сетях с изолированной нейтралью. Защитное заземление обеспечивает защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. Сопротивление заземляющего устройства в стационарных сетях не превышает 4 0м. Корпуса электроустановок, трансформаторов, металлические оболочки кабелей и проводов, металлические ограждения имеют защитное заземление.
С целью обеспечения электробезопасности все провода изолированы, все элементы и детали, которые могут находиться под напряжением, укреплены внутри устройств и защищены корпусами из непроводящих материалов.
ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» устанавливает общие требования к системам пожарной безопасности объектов различного назначения. К причинам возникновения пожара относятся: перегрузка проводников электросети, короткое замыкание в электрооборудовании, статическое электричество, искрение и электрическая дуга при коммутации больших токов, неосторожное обращение с огнём и т.д. Источниками пожаров электрического происхождения могут оказаться электронные схемы измерительных приборов, устройства электропитания.

Предотвращение образования источников зажигания должно обеспечивается:
• ограничением нагрева материалов и оборудования до температуры самовозгорания;
• применением материалов не создающих при соударении искр;
• быстро действующими средствами защитного отключения возможных источников пожара и взрыва.

Для предотвращения возникновения пожара и взрыва, а также для своевременной ликвидации источников возгорания необходимо:
• имеется схема эвакуации людей в случае пожара;
• установлена система пожарной сигнализации;
• установлены соответствующие знаки;
• для отопления помещения используется центральное водяное отопление;
• помещение оборудовано огнетушителями углекислыми ОУ-5, предназначенных для тушения электроустановок и РЭА, находящихся под напряжением.

 

4.2. Организация рабочего места

Основными задачами эргономики являются: создание оптимальных условий труда человека в соответствии с его физическими возможностями; сохранения здоровья и работоспособности; обеспечение безопасности труда. Для обеспечения нормальных рабочих условий труда на рабочем месте необходимо выполнить требования пяти видов совместимости:
• информационной;
• биофизической;
• энергетической;
• пространственно-антропометрической;
• технико-эстетической.
Рабочее место включает в себя рабочий стол и стул. На столе все должно находится в зоне досягаемости работающего; что устраняет лишние затраты рабочего времени, помогает сосредоточится на проведении работы. Рабочая поза, физическая и нервная перегрузка, психическое напряжения должны соответствовать возможностям человека. Необходимо правильно построить режим труда.
Для соблюдения порядка и чистоты на рабочем месте должна производиться влажная уборка не реже одного раза в день.
Для обеспечения нормальных условий труда СанПиН 2.2.2.542-96 устанавливают на одного работающего объём производственного помещения не менее 20 куб.м.
4.3. Освещение

Рациональное освещение производственных помещений оказывает положительное психологическое воздействие на человека, способствует повышению производительности и безопасности труда. Для нормального протекания технологического процесса применяется со¬вмещенное освещение. Рекомендованы к применению в качестве источников искусственного освещения люминесцентные лампы типов ЛБ (белый цвет), ЛХБ, ЛЕЦ мощностью 40 Вт, как наиболее эффективные и приемлемые с точки зрения спектрального состава. Нормирование условий освещения производится согласно СанПиН 2.2.2.542 — 96 «Требования к освещению помещений и рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ».

Расчет освещенности лаборатории с экспериментальной установкой.

Длина А = 5 м, ширина В = 5 м, высота Н = 4,5 м. Разряд зрительных работ IVa, коэффициенты отражения: потолка рп = 70 %, стен рс = 50 %. Площадь помещения S = А•В = 25 м2.
По СниП 23-05-95 исходя из данных таблицы «Нормируемые величины освещенности (в точке ее минимального значения) и сочетания нормируемых величин показателя ослепленности и коэффициента пульсации (их наибольших значений) для производственных помещений» и приложений к ней, норма минимальной освещенности назначается Ен = 300 лк. Т.е. система общего освещения проектируется как составная часть комбинированного освещения, следовательно на рабочих местах должны быть предусмотрены светильники местного освещения, повышающие величины освещенности в зависимости от условий труда до 750 или 1000 лк.
Выбираем наиболее целесообразный для высоты помещения 4 м метра тип лампы из таблиц «Рекомендуемые типы источников света общего освещения…» и «Параметры люминисцентных ламп общего назначения» -ЛБ65. Ее характеристики: мощность W — 65 Вт, длина лампы = 1514,2 мм световой поток Ф — 4800 лм.
Выбор типа светильника ограничивается приведенными в пособии данными по значениям коэффициента использования светового потока. Выбирается тип светильника — ЛСП О1 – 2х65 (сокращенное обозначение — светильник с двумя люминесцентными лампами мощностью 65 подвесной, для промышленных предприятий серии 01)
По ширине помещения В = 5 м принимается схема 1 размещения светильников: 2 ряда светильников. Из таблицы определяются размеры а = 1,5 м и l1 = 6 м, число светильников в ряду Nтабл = 3,2 шт. на модуль.

Nтреб = Nтаб •Кн • Кw • КE • КL

Кн – поправочный коэффициент на высоту подвеса, выбирается по графику на рисунке 4 в пособии и для нашего случая равен 0,8
Кw – поправочный коэффициент на мощность ламп, для нашего случая (65 Вт) равен 1
КE – поправочный коэффициент на освещенность равен 1
КL – поправочный коэффициент на длину помещения, равен L/6 = 0,8

Nтре = 3,2•0,8•1•1•0,8 = 2

Число светильников в двух рядах равно 2•2 = 4

Определяется высота подвеса светильника над рабочей поверхностью с учетом того, что рекомендовано расстояние от светильника до потолка Н1 = 0,7 м, а рабочей поверхности от пола Н2 = 0,8 м.

Нр = Н – Н1 – Н2 = 3 м

Определяется индекс помещения:
i = = 0,8

Определяется величина светового потока для одной лампы:

где Ен — нормируемая минимальная освещенность, S — площадь освещаемого помещения (25 м2), Z — коэффициент минимальной освещенности = 1,15 для люминесцентных ламп, К – коэффициент запаса, N — число светильников в помещении: n — число ламп в светильнике, η — коэффициент использования светового потока лампы % (коэффициент отражения берется для побеленных стен и потолка).

Допустимое отклонение светового потока от табличного установлено от –10 до 20 %. Для ламп ЛБ в нашем случае Фтабл = 4800 лм.
Проверяется выполнение данного условия:

 

Умножив на 100, получаем 11 %, эта величина меньше 20 %, следовательно условие выполняется.
4.4. Метеорологическим условия

Требования к метеорологическим условиям на рабочем месте определены СанПиН 2.2.2.542 — 96 «Требования к микроклимату. Содержание аэроионов и вредных химических веществ в воздухе помещений ВДТ и ПЭВМ». Они определяются следующими факторами: температура воздуха, относительная влажность воздуха, скорость движения воздуха на рабочем месте.
Допустимые значения данных факторов и их сочетание зависят от категории тяжести выполняемой работы. Работа на установке выполняется в сидячем положении и сопровождается незначительными движениями, то есть не требуется никаких физических усилий (затраты энергии до 120 ккал/час (139 Вт)). Она относится к категории 1а. Параметры микроклимата рабочей зоны, соответствующие этой категории работ, приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1
Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений
Период года Нормы Температура, оС Относительная Влажность, % Скорость движения воздуха, м/с
Холодный и переходный Оптимальный 20-23 60-40 0,1
Допустимый 19-25 75 0,1-0,2
Теплый Оптимальный 22-25 60-40 0,1-0,2
Допустимый 19-25 75 0,1-0,3

Поддержание оптимальных показателей температуры, влажности, скорости движения воздуха достигается использованием систем отопления, вентиляции, применением кондиционеров.
4.3 Вывод

Исследование гальваномагнитных свойств тонких пленок не представляет опасности для здоровья и жизни человека. САУ соответствует всем ГОСТ, СанПиН и нормам, действующим в области охраны труда и безопасности жизнедеятельности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 
5. Заключение

1. Спроектирована, изготовлена и опробована установка для измерения гальваномагнитных свойств тонких пленок.
2. В соответствии с требованиями к гальваномагнитным явлениям определены требования к установке и выбрано необходимое оборудование.
3. В качестве модельной системы использовались пленки меди, полученные методом термовакуумного напыления.
Произведены их исследования и сопоставления полученных данных с табличными. Сопоставления показывают достаточно высокую сходимость результатов, что позволяет считать, что установка удовлетворяет поставленным требованиям.
4. В качестве технического приложения рекомендуется использование установки для контроля качества пленок меди получаемых методом термовакуумного напыления.

 

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. — Т.III. Электричество. –М.: Наука, 1983.
2. Парселл Э. Электричество и магнетизм. –М.: Наука, 1983.
3. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты. – М.: Атомиздат, 1979, 264 с.
4. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. – М.: Радио и связь, 1990, 264 с.
5. Scofield, Hall Effect in a metallic thin film // Advanced Labarotory, -2000.
6. Putley, The Hall Effect and Related Phenomena // J.Wiley. New York, -1967.
7. Мирзабаев М.М., Потаенко К.Д., Тихонов В.И. и др. Эпитаксиальные датчики Холла и их применение. –Ташкент: Фан, 1986, 215 с.
8. Сергиев В.Г., Колмакова Н.С., Смыслова Р.В., Технология микросхем и микропроцессоров. Учебное пособие. –Челябинск: ЮУрГУ, 2000
9. Вейсс Р., Физика твердого тела. –М.: Атомиздат, 1968