150907 (732846), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

, (14)

тут E_v – модуль Юнга VO₂, _t – деформація кристалітів VO₂ при ФПМН, l_c – середній розмір кристалітів VO₂, x_v – об’ємна доля VO₂ у склокераміці, _c – поверхневий натяг склокераміки, x_c – поріг протікання.

Ліва частина (14) визначає об’ємну долю x кристалітів VO₂, крізь які зберігається протікання після термоциклювання, а отже деградація склокераміки на основі VO₂ при термоциклюванні буде відсутня, коли x x_v, тобто при умові:

. (15)

Згідно (14), зменшення деградації склокераміки (80-)VO₂15ВФС5Cu SnO₂ при термоциклюванні із зростанням вмісту SnO₂ обумовлено зменшенням об’ємної долі діоксиду ванадію x_v. Фізична причина цього полягає в тому, що при зменшенні x_v в склокераміці зменшується питома енергія пружної деформації, викликаної ФПМН в кристалітах VO₂, що обмежує утворення мікротріщин. Надійне виконання умови (15), а отже повне подолання деградації склокерамічних матеріалів на основі VO₂ забезпечується при значному зменшенні розмірів l_c кристалітів VO₂. Це один з найбільш ефективних шляхів подолання деградації, що підтверджує стабільна поведінка при термоциклюванні плівок VO₂, розміри кристалітів в яких не перевищують 1 мкм.

З урахуванням викладеного визначені наступні шляхи боротьби з деградацією об’ємних склокерамічних матеріалів на основі VO₂ при термоциклюванні через температуру фазового переходу метал-напівпровідник:

зменшення об’ємної долі x_v VO₂ в матеріалі шляхом введення добавок оксидів, які при синтезі не взаємодіють з VO₂ і рідкою фазою. Слід зазначити, що значення x_v обмежене знизу порогом протікання x_с = 0,25;

використання добавок металів, зокрема міді, для створення розвиненої сітки провідникових електричних зв’язків між кристалітами VO₂ в склокераміці;

зменшення розмірів кристалітів VO₂, для чого перспективними є нанотехнології отримання VO₂ і шихти для синтезу склокераміки.

Встановлено, що деградацію склокераміки (45-)VO₂15ВФСCu40SnO₂ при термоциклюванні можна практично подолати першими з двох шляхів, якщо вміст міді обрано в інтервалі 67 ваг. %, коли провідникова фаза V₅O₉ починає утворюватись, але протікання крізь неї відсутнє. Такі склади склокераміки після 10⁴ термоциклів зберігають величину стрибка при ФПМН, а їх електропровідність нижче T_t змінюється не більше, ніж у два рази.

Встановлено, що деградація ВАХ склокераміки на основі VO₂ при циклічному перемиканні між станами „вимкнено” і „увімкнено” виявляється як незворотне зростання порогової напруженості E_S і опору зразка R_S у стані „вимкнено”. Причиною збільшення E_S є збільшення R_S. Із зростанням кількості перемикань ВАХ у стані „увімкнено”, зсувається до більших напруженостей і на ній при менших струмах з’являється область з ПДО. При збільшенні кількості перемикань відношення опорів R_S/R_S0 спочатку зростає, а потім зменшується. Зменшення R_S/R_S0 супроводжується зменшенням стрибка при ФПМН у VO₂. Причиною такої поведінки є провідниковий канал, що утворюється в зразку склокераміки внаслідок теплового електричного пробою. Пробій виникає за рахунок неоднорідного розподілу локальних електричних струмів, який створюють мікротріщини. Це призводить до значного перегріву областей матеріалу з високою густиною струму і, як наслідок, розвитку теплового електричного пробою. Із збільшенням струму пробій виникає при меншій кількості перемикань. Вольт-амперні характеристики склокераміки (80-)VO₂15ВФС5CuSnO₂ (35 45) при циклічному перемиканні між станами „вимкнено” і „увімкнено” практично не деградують і в зразках такої склокераміки не виникає тепловий електричний пробій, якщо середня густина струму у стані „увімкнено” не перевищує 2 А/см².

Восьмий розділ присвячено питанням практичного застосування досліджуваних матеріалів.

Склокерамічні матеріали (85--)VO₂15ВФСCuSnO₂ (35 45, 5 7), що практично не деградують при термоциклюванні, стрибком в 10² раз змінюють електропровідність в межах температури 341 К і здатні працювати при електричних струмах до десятка ампер, мають практичний інтерес як матеріал для створення терморезисторів, порогових перемикачів і термічних реле.

Зокрема, критичні терморезистори на основі таких матеріалів можуть бути використані для захисту освітлювальних ламп розжарювання від струму увімкнення, який в десять разів перевищує робочий струм ламп і є основною причиною виходу їх з ладу. Для захисту від струму увімкнення послідовно з лампою вмикають терморезистор з негативним температурним коефіцієнтом опору. Після подачі мережевої напруги терморезистор через теплову інерційність деякий час зберігає досить високий опір, що обмежує амплітуду струму увімкнення. Різка зміна опору склокерамічних терморезисторів на основі VO₂ при T_t 343 К вигідно відрізняє їх від звичайних напівпровідникових терморезисторів, тому що при значно меншій температурі розігріву вони забезпечують ефективне обмеження струму увімкнення і в стані з низьким опором не впливають на робочий струм освітлювальної лампи розжарювання.

Для практичної мети слід визначити, при яких параметрах склокерамічного терморезистора на основі VO₂ відносна амплітуда струму увімкнення = I_m/I_p буде мінімальною (I_m і I_p – амплітуда струму увімкнення і робочий струм освітлювальної лампи розжарювання). При відсутності терморезистора в колі лампи = ₀ = U₀²/(R_QP_p) (U₀ – мережева напруга, R_Q – холодний опір спіралі лампи при температурі навколишнього середовища Q, P_p – потужність лампи), а при його наявності ₁=₀/(1 + R_SQ/R_Q), де R_SQ – холодний опір терморезистора при температурі Q. Після подачі мережевої напруги терморезистор розігрівається і при температурі ФПМН T_t перемикається у стан з низьким опором. Це викликає в колі вторинний стрибок струму з відносною амплітудою ₂. Розрахункові залежності ₁ і ₂ від відношення опорів R_SQ/R_Q наведені на рис. 20. З них випливає, що обмеження первинного ₁ і вторинного ₂ стрибків струму на рівні ₁, ₂ 1,3 забезпечується при виборі відношення опорів в інтервалі 8 R_SQ/R_Q 14. Розрахунковий результат підтверджують експериментальні дані, наведені на рис. 21 для освітлювальної лампи розжарювання з робочою напругою U₀ = 26 В і струмом I_p = 0,12 А. З них випливає, що при обранні величини R_SQ/R_Q в наведеному вище інтервалі можна практично повністю побороти стрибок електричного струму увімкнення і тим самим значно збільшити термін безвідмовної роботи освітлювальних ламп розжарювання.

Іншою можливістю практичного використання склокерамічних матеріалів на основі VO₂ є захист процесору комп’ютера від перегріву. Відомо, що у штатному режимі роботи процесор нагрівається до 30–40 ^оС, а при температурі вище 180 ^оС відбувається незворотна зміна параметрів його НВІС. Згідно вимогам виробників процесорів апаратні і програмні засоби захисту від перегріву залучаються до дії при температурах 80–90 ^оС. Для цієї мети процесори обладнують датчиками на термісторах і термодіодах, а також схемами контролю температури, які при досягненні граничної температури виробляють сигнали, що вмикають засоби захисту від перегріву. Склокераміка на основі VO₂ з різкою зміною електропровідності при температурі 70 ^оС, яка є близькою до вказаних вище граничних температур, перспективна для використання в системі захисту процесора від перегріву. Показана можливість реалізації на її основі сенсора, який поєднує властивості датчика температури і термічного реле з температурою спрацьовування, яку можна цілеспрямовано змінювати в межах 4570 ^оС шляхом пропускання крізь сенсор електричного струму. На основі такого сенсора запропоновані схеми захисту процесора від перегріву шляхом управління кулером, модуляції тактової частоти процесора і вироблення сигналів для запуску програмних засобів захисту від перегріву, передбачених в BIOS. Запропоновані схеми відрізняються від відомих схем простотою. Показана можливість створення на їх основі багаторівневої системи захисту процесора від перегріву шляхом обладнання його декількома сенсорами з різною температурою спрацювання.

ВИСНОВКИ

В дисертації розроблені наукові засади синтезу та модифікування нового класу склокерамічних матеріалів, основою яких є компонент з фазовим переходом метал-напівпровідник – VO₂, з’ясовані механізми фізичних процесів в таких матеріалах, зв’язані з електропровідністю, відхиленням від закону Ома і термоциклюванням через температуру фазового переходу, вирішена проблема подолання деградації об’ємних матеріалів з ФПМН при термоциклюванні, що має принципове значення для їх цілеспрямованого застосування в елементах електронної техніки.

До основних результатів та висновків дисертаційної роботи можна віднести:

1. Розроблено високопродуктивний метод одержання VO₂, що забезпечує у кінцевому продукті не менш 98 ваг. % VO₂ зі стрибком електропровідності близько 10³ в межах температури ФПМН 341 К. Встановлено, що розплави V₂O₅ і ванадієво-фосфатних стекол (ВФС) хімічно нейтральні до VO₂ (взаємодія з ними полягає в незначному розчиненні твердого VO₂ в рідкій фазі). Побудовано модель, яка розглядає розчинення VO₂ і дифузію комплексів V₂O₄ в розплавах, що містять V₂O₅ як естафетний обмін киснем між комплексами V₂O₄ і V₂O₅. На основі одержаних результатів обгрунтовано технологію синтезу кераміки на базі VO₂ і ВФС. Визначені оптимальні режими синтезу такої склокераміки та її складів, модифікованих добавками металів та оксидів.

2. На основі рентгенофазових досліджень встановлено, що коли вміст міді не перевищує 5 ваг. %, фазовими компонентами склокераміки в системах VO₂ВФС, VO₂ВФСCu є VO₂ та ВФС, в системах VO₂ВФСSnO₂, VO₂ВФСCuSnO₂ VO₂, SnO₂ та ВФС. За даними рентгенівського мікроаналізу мідь входить до складу ВФС, що свідчить про її розчинення в рідкій фазі при синтезі склокераміки. На підставі даних ДТА доведено, що вміст VO₂ не змінюється в процесі синтезу склокераміки, якщо вміст міді не перевищує 5 ваг. %. Встановлено, що коли вміст міді більше 5 ваг. %, кристалізується фаза Магнелі V₅O₉. Вона утворюється внаслідок взаємодії між складовими рідкої фази V₂O₄, і Cu як наслідок поновлення V₂O₄ за рахунок окислення міді. При зростанні вмісту міді вміст VO₂ зменшується, а V₅O₉ зростає. При вмісті міді більше 12 ваг. % у складах склокераміки системи VO₂ВФСCu переважає фаза V₅O₉. Оскільки V₅O₉ має ФПМН при температурі 125 К в дослідженому інтервалі температури 293403 К вона перебуває у металевому стані. Встановлено, що модифікування склокераміки добавками TiO₂, ZnO і Zn веде до зменшення вмісту VO₂ за рахунок утворення сполук, які не мають ФПМН.

3. За даними СЕМ при вмісті міді не більше 5 ваг. % мікроструктура склокераміки систем VO₂ВФС, VO₂ВФСCu складається з кристалітів VO₂, переважно розділених прошарками ВФС (товщина 12 мкм) і пор. Між кристалітами VO₂ мають місце окремі прямі зв’язки, що формуються за рахунок зростання кристалітів в процесі синтезу. Пористість склокераміки складає 2932 %. Встановлено, що при модифікуванні складу склокераміки добавкою SnO₂ його частки (середній розмір близько 1 мкм) утворюють з ВФС склокераміку системи SnO₂ВФС. Мікроструктура склокераміки з добавкою SnO₂ складається з кристалітів VO₂, переважно розділених прошарками склокераміки SnO₂ВФС, областей такої склокераміки і пор. В склокераміці (80-)VO₂15ВФС5CuSnO₂ (0 ≤≤ 70) пористість зменшується від 30% до 20 % із зростанням вмісту SnO₂. Середній розмір кристалітів VO₂ 35 мкм не залежить від вмісту Cu і SnO₂. При вмісті міді близько 6 ваг. % в мікроструктурі з’являються кристаліти фази V₅O₉ ( 15 мкм), які локалізовані на поверхні кристалітів VO₂ і у ВФС. Кристаліти VO₂ не спостерігаються в мікроструктурі, коли вміст міді перевищує 12 ваг. %.

4. Встановлено, що питому електропровідність кераміки на базі VO₂ і ВФС можна цілеспрямовано змінювати в межах п’яти декад шляхом варіації вмісту добавки міді в інтервалі 015 ваг. %. Зміну склокераміки (80-)VO₂ 15ВФС5CuSnO₂ в межах п’яти декад забезпечує варіація вмісту SnO₂ в інтервалі 0≤≤70. Для склокераміки систем VO₂ВФС, VO₂ВФСSnO₂, VO₂ ВФСCu і VO₂ВФСCuSnO₂ стрибок в межах температури T_t 341 К складає не менше 10² при вмісті міді не більше 5 ваг. % і SnO₂ 55 ваг. %. Стрибок має місце, якщо в склокераміці при синтезі сформовано нескінченний кластер з протіканням крізь кристаліти компонента з ФПМН. Показано, що провідну роль в формуванні такого кластеру відіграють провідникові містки між кристалітами VO₂, що утворюються в процесі синтезу за рахунок зростання кристалітів та розчинення міді в рідкій фазі. Розчинення міді сприяє формуванню провідникових містків, як наслідок легування ВФС міддю і кристалізації V₅O₉. Розроблено модель електропровідності склокераміки, в межах якої знайдено, що середня площа електричного контакту між кристалітами VO₂ складає 0,1 % від повної контактної площі кристалітів в склокераміці систем VO₂ВФС, VO₂ВФС SnO₂ і зростає до 8 % при додаванні до її складу 4-5 ваг. % міді. Мала площа контакту між кристалітами VO₂ обумовлена ізолюючою дією прошарків ВФС. Встановлено, що стрибок склокераміки в межах T_t 341 К зникає при вмісті міді більше 10 ваг. %, як наслідок домінуючого внеску V₅O₉ до провідності або при використанні добавок TiO₂, ZnO і Zn, як наслідок утворення сполук, що не мають ФПМН.

Характеристики

Список файлов реферата