ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО УПРОЧНЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ

Исследование влияния магнитного поля на механические свойства ионных кристаллов [1-5] привело к обнаружению пластификации кристаллов, вызываемой возбуждением электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в дефектах структуры в скрещенных постоянном и сверхвысокочастотном магнитных полях [6,7]. В дальнейшем результаты экспериментов по магниторезонансной пластификации кристаллов, были подтверждены и использованы в качестве новой методики для исследования спин-зависимых стадий пластичности и косвенного детектирования ЭПР в процессе пластической деформации [2-4]. Установлено, что в ионных кристаллах средний пробег дислокаций, микротвердость  и коэффициент деформационного упрочнения зависят от взаимной ориентации спинов в парах дефектов, определяющей эффективность преодоления локальных препятствий (стопоров) дислокациями. Возможность наблюдения резонансной пластификации кристаллов при температурах, близких к комнатной, обусловлена тем, что длительность жизни короткоживущих состояний дефектов оказывается меньше времени спин-решеточной релаксации. Поэтому МП с индукцией ~ 1 Тл способны влиять как на кинетику агрегирования парамагнитной примеси, от которой зависит появление тех или иных типов дислокационных стопоров, так и на процесс установления или разрыва ковалентных связей между парамагнитным центром на линии дислокации и локальным препятствием в объеме ионного кристалла [1-5].

Цель настоящей работы – экспериментальное изучение динамики дислокаций в кремнии после выдержки его в скрещенных постоянном и сверхвысокочастотном магнитных полях.

Подвижность дислокаций в монокристаллах Si определяется не только локальными стопорами, но и потенциальным рельефом Пайерлса [8].

Разупрочненине легированных кристаллов Si с дислокациями после воздействия постоянного МП с индукцией ~ 1 Тл наблюдалось не только нами [9,10], но и другими авторами [11,12]. Однако, само по себе наличие магнитопластического эффекта в постоянном магнитном поле еще не означает, что МП влияет на подвижность дислокаций путем переориентации спинов дефектов в Si. Влияние магнитного поля на спин-зависимые процессы в ядрах дислокаций в кремнии было обнаружено ранее [13], однако, возможность управления механическими свойствами кремния путем «переключения» взаимной ориентации спинов дефектов в магнитном поле до сих пор не исследована.

Поэтому в данной работе анализируется подвижность дислокаций в монокристаллах Si р-типа после одновременного воздействия скрещенных постоянного и микроволнового магнитных полей.  При этом соотношение частоты СВЧ -поля n и индукции постоянного МП В₀ в условиях ЭПР имеет вид: gm_ВВ₀ = hn, где  m_В — магнетон Бора, h – постоянная Планка,  g — фактор.

В экспериментах использовали легированные бором полированные пластины кремния диаметром 100 мм, выращенного по методу Чохральского, с удельным сопротивлением 1 Ом^.см. Из них перпендикулярно основному базовому срезу вырезали образцы размером 32´10´0.48 мм³, ориентированные таким образом, чтобы большая грань соответствовала плоскости (100). Эту грань использовали для нанесения царапины вдоль длинной стороны кристалла, параллельной направлению [011] (рис.1).

После этой процедуры образец помещали в прямоугольный резонатор, который был согласован с магнетроном на постоянной частоте n = 9.6 ГГц и находился между полюсами электромагнита.

Аттенюатор позволял регулировать СВЧ мощность в резонаторе в диапазоне Р ~ 0.3 — 15 Вт. После экспозиции в МП в течении 30 минут, всегда производимой при комнатной температуре, образцы извлекали из резонатора и спустя 3 минуты деформировали четырехопорным изгибом вокруг направления  при температуре 675 ⁰С.

Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая дислокационные полупетли в монокристаллах кремния вблизи поверхности (100) при нагружении четырехточечным изгибом вокруг направления . 1 и 2 – дислокационные полупетли, расположенные в плоскостях скольжения  и , соответственно. Толстой сплошной линией показана царапина, нанесенная вдоль направления [011]. Выходы полупетель дислокаций на поверхность (100), выявляемые химическим травлением, показаны черными кружками.

Контрольные образцы, не подвергавшиеся действию магнитных полей, также выдерживали в течение 33 минут между введением дислокаций и деформированием. При деформировании поверхность (100) подвергалась действию растягивающего механического напряжения 58 МПа, постоянного вдоль исследуемой части кристалла и одинакового во всех опытах. При этом, согласно [115,116], активировались четыре системы скольжения дислокаций: , , , . В результате нагружения образца при температуре 675 ⁰С в его приповерхностном слое возникали дислокационные полупетли, состоящие из двух 60-градусных сегментов и фрагмента винтовой дислокации, расположенного параллельно поверхности (100) (рис.1).

После деформирования кристалла его охлаждали до комнатной температуры и производили селективное химическое травление, выявляющее положения выходов линий дислокаций на поверхность, с помощью стандартного набора реактивов [14]. Измерение пробегов 60-градусных участков фронтальных дислокаций было выполнено с помощью оптического микроскопа. Поскольку амплитуда СВЧ магнитного поля в резонаторе не была одинаковой вдоль длины образца, для получения каждой точки на зависимостях среднего пробега дислокаций L от В₀ использовался небольшой участок кристалла размером не более 5 мм, расположенный в пучности СВЧ магнитного поля. Использование 3-4 образцов, подвергнутых действию МП в одинаковых условиях, позволяло для каждой точки на графиках накопить статистику пробегов дислокаций (~200 измерений), обеспечивающую разброс L не превышающий 15%. Таким образом, методика измерений была сходна со стандартной процедурой получения спектров ЭПР за исключением того, что в качестве отклика на резонанс использовалась не поглощенная образцом СВЧ мощность, а пробеги дислокаций, а вместо непрерывной развертки постоянного МП производили дискретную последовательность измерений на разных образцах с шагом ~ 0.1 Тл.

Средний пробег дислокаций в кристаллах, не подвергавшихся действию МП, по данным, полученным усреднением по нескольким образцам, составлял L₀ = 300 ± 15 мкм и использовался в качестве начала отчета для измерения прибавки пробегов после экспозиции кристаллов в МП. В качестве меры воздействия МП на пластичность использовали величину (L–L₀)/L₀, где L – средний пробег фронтальных дислокаций после экспозиции кристаллов в МП.

В отсутствие СВЧ поля рост постоянного МП, направленного вдоль [100], вызывал монотонное увеличение (L–L₀)/L₀ (1, рис.2). Т.е. после экспозиции кристаллов в одном только постоянном МП наблюдается разупрочнение кристаллов, сходное с тем, о котором сообщалось ранее в [1-4].

Присутствие СВЧ магнитного поля мощностью Р ~ 0.3 Вт радикально изменяет зависимость L(В₀). Если магнитная компонента СВЧ поля В₁ направлена перпендикулярно вектору индукции постоянного МП В₀ || [100], зависимость величины (L–L₀)/L₀ от B₀ становится немонотонной. При B₀ = 0.6 Тл наблюдается ее резкое (двукратное) уменьшение по сравнению с опытами без СВЧ поля (3, рис.2).

Если установить фиксированное значение B₀ = 0.6 Тл и измерять зависимость (L–L₀)/L₀  от положения исследуемого участка кристалла в резонаторе, то обнаруживается, что максимальное упрочнение кристалла в скрещенных постоянном и СВЧ магнитных полях достигается в пучности магнитного поля.

Цель следующего типа опытов заключалась в исследовании анизотропии эффекта резонансного упрочнения кристаллов. Для одновременного исследования роли СВЧ мощности, ее значение было выбрано ~ 15 Вт. Постоянное и СВЧ магнитные поля были перпендикулярны друг другу. Изменилась лишь ориентация кристалла в резонаторе.

В ориентации В₀ || [100] наблюдается минимум величины (L–L₀)/L₀ вблизи  В₀ = 0.5-0.6 Тл, причем увеличение мощности в 50 раз почти не изменило пробегов дислокаций (рис.3). Однако, в ориентации В₀ ||  минимум относительного изменения пробегов дислокаций обнаруживается при В₀ = 0.3 Тл (рис.3).

Одно из главных отличий полученных результатов от экспериментов с ионными кристаллами [1-5] заключается в том, что в наших опытах наблюдается уменьшение пробегов дислокаций под действием постоянного и микроволнового МП, а не их увеличение. Исчезновение резонансного упрочнения кристаллов при параллельной ориентации векторов В₁ и В₀  и наличие упрочнения при В₁ ^ В₀ однозначно свидетельствует о том, что причиной изменения подвижности дислокаций является возбуждение электронного парамагнитного резонанса и спиновых переходов в дефектах структуры.

Рисунок 2.  Зависимости относительного пробега дислокаций под действием механической нагрузки от индукции постоянного магнитного поля В₀, прикладываемого перед нагружением: 1- в отсутствие СВЧ поля, 2 – при совместном действии постоянного и СВЧ магнитных полей в ориентации В₀||В₁, 3 — при совместном действии постоянного и СВЧ магнитных полей в ориентации В₀ ^ В₁. Мощность СВЧ в резонаторе ~ 0.3 Вт. Во всех опытах В₀ || [100].

В проверочных опытах было установлено, что сам по себе нагрев кристалла на 5-10 °С, созданный вместо обработки кристалла в МП, не приводит к изменению пробегов дислокаций при последующем нагружении. Возможный нагрев образца в СВЧ поле не превышал 0.1°С. Таким образом, обнаруженный нами эффект при Р ~ 0.3 Вт не сводится к тривиальному нагреву кристаллов, а для его интерпретации необходимо привлекать представления о спин-зависимых переходах в короткоживущих парах дефектов.

           

Рисунок 3. Зависимости среднего пробега дислокаций под действием механической нагрузки от индукции постоянного магнитного поля В₀ ^ В₁, прикладываемого перед нагружением: 1 – в направлении [100]; 2 – в направлении . Мощность СВЧ в резонаторе ~ 15 Вт

Значение B₀ ~ 0.6 Тл, при котором наблюдается резонансное упрочнение в ориентации В₀ || [100] при В₁ ^ В₀, позволяет оценить величину эффективного g-фактора g_[100] ~ 1.1, пользуясь условием ЭПР: gm_ВВ₀ = hn, где  m_В — магнетон Бора, h – постоянная Планка. В отличие от ионных кристаллов [15,16], в наших опытах наблюдается только один резонансный пик. Это может означать, что электронные спины дефектов-компонент магниточувствительной пары равны S_e = ½. Эффективный g-фактор в ориентации В₀ ||  при В₁ ^ В₀ составляет  ~ 2.3. Различие величины эффективных g-факторов в ~ 2 раза наблюдалось ранее [251] при исследовании классического ЭПР в кремнии p-типа, подвергнутого упругой деформации вдоль [100]. В наших опытах нанесение царапины также должно было создавать остаточные внутренние напряжения преимущественно вдоль [100]. В [17] возникновение сигнала ЭПР при механическом нагружении связывали со снятием вырождения валентной зоны в указанном направлении. Это вызывало появление сигнала ЭПР акцепторов, в кремнии p-типа. Возможно, атомы акцептора входят в состав магниточувствительных центров [227].

Таким образом, в работе обнаружено резонансное влияние постоянного и скрещенного с ним переменного сверхвысокочастотного магнитных полей на подвижность фронтальных дислокаций в монокристаллах кремния р-типа. Показано, что первичные элементарные процессы обнаруженных магнитопластических эффектов являются спин-зависимыми в монокристаллах кремния.

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ №13-07-00514, а также проект  № 2290 в рамках государственного задания высшим учебным заведениям.

Список литературы:

1. Альшиц В.И., Даринская Е.В., Колдаева М.В., Петржик Е.А. Магнитопластический эффект: основные свойства и физические механизмы. //Кристаллография. 2003. Т.48. №5. С.838-867.
2. Головин Ю.И. Магнитопластичность твердых тел. М.:Машино-строение-1. 2003. 107 с.
3. Моргунов Р.Б. Спин-зависимые реакции между дефектами структуры и их влияние на пластичность кристаллов в магнитном поле. //Вестник РФФИ. 2003. №2. С.19-62.
4. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б. Влияние магнитного поля на структурно-чувствительные свойства реальных диамагнитных кристаллов. //Материаловедение. 2000. №3,4,5,6.
5. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Лопатин Д.В. и др. Обратимые и необратимые изменения пластических свойств кристаллов NaCl, вызванные действием магнитного поля.// ФТТ. 1998. Т.40. №11. С.2065-2068.
6. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Иванов В.Е., Жуликов С.Е., Дмитриевский А.А. Электронный парамагнитный резонанс в подсистеме структурных дефектов как фактор пластификации кристаллов NaCl. //Письма в ЖЭТФ. 1998. Т.68. №5. С.400-405.
7. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Иванов В.Е., Дмитриевский А.А. Радиочастотные спектры парамагнитного резонанса, детектируемые по смещению дислокаций в монокристаллах NaCl. //ФТТ. 1999. Т.41. №10. С.1778-1784.
8. Судзуки Т., Есинага Х., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность. М.:Мир. 1989. 296 с.
9. Скворцов А.А., Каризин А.В. Магнитопластичность и диффузия в монокристаллах кремния. //ЖЭТФ. 2012. Т.141. №1. С.59-65.
10. Дмитриев А.И., Скворцов А.А., Коплак О.В., Моргунов Р.Б., Проскуряков И.И. Влияние режима пластической деформации на магнитные свойства монокристаллов кремния Cz-Si. //ФТТ. 2011. Т.53. №8. С.1473-1478.
11. Макара В.А., Стебленко Л.П., Горидько Н.Я. О влиянии постоянного магнитного поля на электропластический эффект в кристаллах кремния.// ФТТ. 2001. Т.43. Вып.3. С.462-465.
12. Солошенко И.И., Золотарев А.Ф. в кн. Механизмы внутреннего трения в полупроводниковых и металлических материалах М.: Наука. 1972. с.35.
13. Осипьян Ю.А., Бредихин С.И., Кведер В.В., Классен Н.В., Негрий В.Д., Петренко В.Ф., Смирнова И.С., Шевченко С.А., Шмурак С.З., Штейнман Э.А. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках. М.: Эдиториал УРСС. 2000. 285 с.

14. Пшеничнов Ю. П. Выявление тонкой структуры кристаллов. М.: Металлургия. 1974. 528 с.
15. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Иванов В.Е., Жуликов С.Е., Дмитриевский А.А. Электронный парамагнитный резонанс в подсистеме структурных дефектов как фактор пластификации кристаллов NaCl. //Письма в ЖЭТФ. 1998. Т.68. №5. С.400-405.
16. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Иванов В.Е., Дмитриевский А.А. Радиочастотные спектры парамагнитного резонанса, детектируемые по смещению дислокаций в монокристаллах NaCl. //ФТТ. 1999. Т.41. №10. С.1778-1784.
17. Феер Дж., Хенсел Дж., Герэ Е. Парамагнитный резонанс акцепторов в кремнии. С.111-116. в кн. Электронный спиновый резонанс в полупроводниках. М.: Изд. Иностранной литературы. 1962. 374 с.
18. Скворцов А.А., Орлов А.М., Соловьев А.А., Белов Д.И. Магнитопластический эффект в кремнии: поиск новых методов управления структурно-чувствительными свойствами элементарных полупроводников. //ФТТ. 2009. Т.51. №12. С.2304-2308.[schema type=»book» name=»ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО УПРОЧНЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ» author=»Cкворцов Аркадий Алексеевич, Волкова Лариса Викторовна, Корячко Марина Валерьевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]