РОЗДІЛ 2
МЕТОДИЧНА ЧАСТИНА
2.1. Лазерна обробка
Дослідження впливу ударних хвиль (УХ) на напівпровідники має важливе значення як для фундаментальної, так і для прикладної науки. Якщо поведінка напівпровідників при статичному стиску досліджена досить детально, то вплив швидкості механічного навантаження і зокрема дія УХ, залишився недостатньо дослідженим. Особливу цікавість з огляду на можливість практичного використання становлять дослідження поширення УХ неруйнуючої амплітуди. Найзручнішим способом збудження таких УХ є лазерне опромінення імпульсами нано- та пікосекундного діапазонів.
Як показано в роботі [83], опромінення поверхні металу через прозоре конденсоване середовище (ПКС) спричиняє утворення на границі розділу тонкого шару металевої пари та слабоіонізованої плазми, який, розширюючись в обидва середовища, жене перед собою хвилі механічного стиску. Завдяки нелінійним властивостям середовищ ці хвилі у випадку виконання критерію, запропонованого в роботі [86], набувають на деякій глибині ударного переднього фронту (схема такого переходу зображена на рис. 2.1.). Критерій утворення ударних хвиль за дії лазерного випромінювання на поверхню поглинаючих конденсованих середовищ має вигляд:
(2.1)де Q - загальна поглинута енергія імпульсу, незалежно від діаметру пучка випромінювання, n - кількість пічків імпульсу випромінювання, ? - тривалість кожного пічка на рівні половини амплітуди, cl - поздовжня швидкість звуку в твердому тілі в незбуреному стані, ?0 - початкова густина речовини, ?? - коефіцієнт поглинання речовини за довжини хвилі лазерного випромінювання в стані, що передує випаровуванню [86].
У наших дослідженнях ЛУХ створювали опроміненням зразків за кімнатної температури за допомогою неодимового лазера ГОС-1001 з LiF затвором, що працює в режимі модульованої добротності (довжина хвилі випромінювання 1.06 мкм, тривалість пічка імпульсу - 30 нс). Зразки опромінювали одним імпульсом випромінювання, що забезпечувало проходження однієї ЛУХ через кристал. Крім того, при збільшенні енергії накачки реалізовувався багатопічковий режим роботи лазера (кількість пічків коливалась у межах 2-4, інтервал між пічками ? 50-100 мкс), що відповідно приводило до проходження декількох ЛУХ через кристал. Схематично часові діаграми моноімпульсного та багатопічкового режимів на фоні мілісекундного імпульсу вільної генерації зображено на рис. 2.3. Для захисту від прямої дії лазера напівпровідник був захищений мідною фольгою товщиною 100 мкм, а сам він кріпився на масивній металевій підкладці для виводу хвилі розвантаження (рис. 2.2.). Крім того в місцях контакту фольга - зразок та напівпровідник - підкладка були забезпечені добрі акустичні контакти для узгодження ударних імпедансів та запобіганню розколювання зразка при виході ЛУХ. Як акустичний шар використовували епоксидну смолу, ударний імпеданс якої близький до його значень у міді та КРТ (6.440?106, 3.293?107 та 1.755?107 кг/(м2?с) для епоксидної смоли, міді та КРТ складу х = 0.2 відповідно). Розміри зразків вибирали такими, щоб ударний стиск був однорідним і одновісним.
Амплітуду тиску в матеріалі при опроміненні через прозоре конденсоване середовище визначали за формулою [144]:
(2.2)де q - густина потоку випромінювання, ? - показник адіабати, ?i - густина і-го середовища, Сi - швидкість поширення переднього фронту хвилі (швидкість звуку) в і-му середовищі. У розрахунках параметр ? брали рівним 7/5. Ця формула дозволяє розрахувати амплітуду ЛУХ в першому (після ПКС) середовищі - мідній фользі (див. рис. 2.2.). Щоб розрахувати значення тиску в КРТ необхідно враховувати, що хвиля проходить через шари міді, епоксидної смоли та КРТ з ударними імпедансами Z1, Z2, та Z3 відповідно. (Формула для розрахунку ударного імпедансу: Zi = ?i?Ci). Для визначення тиску в двошаровому середовищі використовують співвідношення:
(2.3)де індекс і стосується попереднього середовища, а і+1 - наступного. Отже в нашому випадку цей вираз застосовували двічі: для визначення тиску в шарі епоксидної смоли Р2, та для визначення тиску в зразку Р3. Розрахунки показують, що з використанням такої схеми опромінення РКРТ/РCu=0.898, тобто при проходженні через багатошарове середовище ЛУХ гаситься не більше ніж на 10%. Типові значення амплітуди ЛУХ в зразку для наших експериментів ?100 ГПа.
2.2. Гальваномагнітні вимірювання
Гальваномагнітні вимірювання виконували в основному на зразках конфігурації Ван дер Пау, хоча в окремих випадках (коли дозволяла геометрія зразка) використовували стандартну 6-зондову схему нанесення контактів. Індієві контакти припаювали на свіжопротравлену в 10% розчині Br2 в метанолі дзеркальну поверхню КРТ. До кристалотримача зразок розпаювали срібним дротом діаметром 50 мкм.
Основними дослідженнями були польові залежності ефекту Холла. Залежності знімали в діапазоні магнітних полів від 0.02 до 1.6 Тл за кімнатної температури та при 77 К. Типовий струм через зразок - 2.0 мА при 300 К та 0.2 мА в рідкому азоті.
Рис. 2.1. Трансформація акустичної хвилі в ударну (схема)
Рис. 2.2. Схема опромінення
Рис. 2.3. Часові діаграми моноімпульсного (а) та багатопічкового (б) режимів (схема)
Як показано в роботах [145, 146] для КРТ вузькощілинних складів за азотної температури недостатньо знання коефіцієнта Холла в одній точці поля, а необхідно мати польову залежність. Крім того польові залежності ефекту Холла за температури рідкого азоту добре корелюють з електричною активністю протяжних дефектів у КРТ.
Параметри носіїв заряду (концентрації та рухливості) у випадку наявності польової залежності коефіцієнта Холла (а така залежність була у більшості зразків) розраховували за двохзонною моделлю, яка детально описана, наприклад, в [147, 148].
У деяких випадках для зразків р-типу експериментальні точки неможливо було описати в рамках моделі двох типів н