Oliy va o’rta maxsus ta’lim vazirligi z. M. Bobur nomidagi andijon davlat universiteti magistratura bo’limi Fizika kafedrasi

Impulslar soni
Piramidal strukturalar jamlamasi zichligi, ×10^6 sm^-2
5500	0,8
6000		0,87
6500						1,05

Monokristal kremniy sirtining modifikatsiyalanishi olingan eksperimental natijalarga qaraganda lazer nuri bilan qizdirilganda va izotermik ishlov berilganga nisbatan anchagina farqlanadi. Sirt modifikatsiyasi izotermik qizdirilganda kremniy kristalida mavjud termik zo‘riqishlar tufayli dislokatsiyalarning paydo bo‘lishi va harakatlanishi bilan aniqlanadi. Biroq bunday termik zo‘riqish lazer nuri bilan ishlov berilgandagiga nisbatan katta emas. Lazer nuri bilan ishlov berilganda lokal uchastkaning markazidagi temperatura quyidagi formula bilan hisoblanishi mumkin:

^{T = {(2q(1-R) (a)1/2) / k(ρ)1/2} + T}k

Bu yerda q – impulsdagi lazer nuri quvvatining zichligi;

a – temperature o‘tkazuvchanlik;

ρ- impuls davomiyligi;

R – nur qaytarish koeffitsienti;

T_k – boshlang‘ich temperatura.

3.3. Lazer nuri ta`sirida monokristal kremniyda defektlar hosil bo`lishi mexanizmi

Ko‘plab zamonaviy materiallarga ishlov berish texnologiyalarida lazer nurlaridan foydalaniladi. Bunday texnologiyalarga lazerli legirlash, toblash, qatlamlar o‘stirish va h.k. lar kiradi. Mikronlar darajasidagi aniqlik bilan lokal uchastkalarga ta’sir qila olish, qizdirish tezligining kattaligi, lazer nurining ko‘chirishning qulayligi kabilar lazer nuri yordamida materialni modifikatsiyalash usuliga qiziqishni kengaytirib bormoqda. Ma’lumki, tashqi energiya oqimining (lazer nuri yoki zarralar oqimi) qattiq jism sirtiga ta’siri tufayli sirtda strukturaviy va morfologik o‘zgarishlar yuz beradi. Bunday strukturaviy o‘zgarishlar va qattiq jism modifikatsiyalanishini o‘rganish zamonaviy fizikaning dolzarb vazifalaridan hisoblanadi. Bunday tadqiqotlarning natijasi materiallarning nur ta’siriga turg‘unligi, optoelektron asboblarning lazer nurlari va boshqa nurlanishlar ta’siri ostidagi ekspluatatsiyasi uchun katta amaliy ahamiyatga molikdir. Materiallar modifikatsiyasini maqsadli o‘zgartirish metodlarida lazer nurining materialga ta’sirini, sirt xususiyatlarini batafsil o‘rganish dolzarbdir [21]. Lazer nurining defektlar bilan o‘z’aro ta’sirlashishini o‘rganish alohida ahamiyatga ega.

Tadqiqot ob’ekti sifatida 1,5×10¹⁶ sm^-3 konsentratsiyali bor bilan legirlangan 100 mm o‘lchamli dislokatsiyasiz kremniy tanlandi. Kremniy p- tipli plastinaning solishtirma qarshiligi ρ = 1 Om×sm ni tashkil etadi.

Shuningdek tadqiqot uchun fosfor bilan 10¹⁸ sm^-3 darajada legirlangan 76 mm o‘lchamli solishtirma qarshiligi ρ = 0,01 Om×sm ni tashkil qilgan p- tipli dislokatsiyasiz kremniy tanlandi. Plastinalar Choxralskiy usulida standart texnologiyada o‘stirilgan kremniy sterjenidan tayyorlanib, bor bilan legirlangani [100] va fosfor bilan legirlangani [111] kristallografik yo‘nalishga ega edi. Dislokatsiyalar shakllanishi jarayoni “Kvant” qurilmasi yordamida impulsli lazer ta’siri ostida o‘rganildi. Lazer nuri energiyasi E = 416,7/1083,3 mJ/ cm² va impulslar chastotasi 0,5/35 Gs qiymatga ega bo‘ldi. Namunalarning bir qismiga lazer nuri ta’siridan keyin T = 650 °C temperaturada va 180 min vaqt davomida termik ishlov berildi. Kremniy namunalari sirtidagi dislokatsiyalar dinamikasini o‘rganish uchun SR-4 eritmasida selektiv yemirilish bilan dislokatsiyalar o‘rasini kuzatish metodikasi bilan olib borildi [22, 23]. Dislokatsiyalar zichligini baholash uchun 330 marta kattalashtirish rejimida MII-4 mikroskopidan foydalanildi.

Ma’lumki, lazer nurining ta’siri yutuvchi materiallarda nur tushgan joyda temperaturaning keskin ortishiga olib keladi. Bu o‘z navbatida temperatura gradientini va oqibatda mexanik kuchlanishni yuzaga keltiradi. Kremniy namunasiga berilgan termik kuchlanishni hisoblash uchun «ELCUT 5.8» dasturi yordamida nomuvozanatli issiqlik uzatishni modellashtirish qo‘llanildi.

Nurlantirilgan zonadan tarqalayotgan issiqlik energiyasining qiymatini o‘zgartirib, kraterning turli diametrlari uchun kremniy erish temperaturasiga yaqin temperatura uchun issiqlik oqimining qiymatlari olindi (16-rasm).

Eksperiment natijalarini kompyuterda modellashtirish natijalari bilan taqqoslash orqali issiqlik oqimining lazer nurini plastinaga bergan ta’siriga bog‘liqligi olindi (17-rasm). Olingan natijalardan ko‘rinadiki, ikki xil tipli kremniy uchun lazer nuri energiyasining ortishi bilan issiqlik oqimi chiziqli ortib boradi. Shunday xulosaga kelish mumkinki, legirlovchi kirishmalar bor va fosfor kremniyning issiqlik xususiyatlariga katta ta’sir ko‘rsatmas ekan.



3.7-rasm. Mikroskop yordamida buzilgan zona (a) tasviri bilan temperaturaning p-tipli kremniy hajmidagi taqsimoti (b) ni solishtirish. Lazer nurining quvvati 1000 J/sm².






3.8-rasm. Issiqlik oqimining lazer nuri ta’siri energiyasiga bog‘liqligi: a) p-tipli kremniy uchun; b) r-tipli kremniy uchun.
Ma’lumki, qisqa davomiylikli lazer impulslari ta’sirida kremniy sirtiga beriladigan temperatura va termokuchlanish chiziqli bog‘lanishga ega.

Shunday qilib, lazer nuri energiyasining ortishi bilan issiqlikdan kengayish hisobiga paydo bo‘ladigan deformatsiya kuchayib boradi va chiziqli nuqsonlar generatsiyalanadi. Agar plastina bir tekis qizdirilsa, erkin kengayish tufayli kuchlanishlar paydo bo‘lmaydi. Plastina notekis qizdirilganda issiq va sovuq uchastkalar orasidagi bog‘lanish jismning erkin kengayishiga to‘sqinlik qiladi. Buning natijasida qattiq jismda xususiy termik zo‘riqishlar paydo bo‘ladiki, ular tashqi kuchlar qo‘yilmagan xolatda amal qiladi. Lazer nuri bilan ishlov berilganda qizdirish davomida temperaturaning muvozanatlashuvi va sovitish tufayli vaqtinchalik zo‘riqish mavjud. Dislokatsiyani ko‘chirish uchun yuqori energiyali konfiguratsiyadan o‘tishi ta’minlanishi zarur, bu esa ko‘chirish kuchlanishiga mos ko‘proq kuch sarflashni talab etadi [25]. Dislokatsiyani ko‘chirish uchun zaruriy minimal kuchlanish Payerls kuchlanishi deb ataladi. Plastinaga Payerls kuchlanishidan kattaroq termoelastik ta’sir bo‘lganda dislokatsiyalar kristall bo‘yicha ko‘cha boshlaydi, toki termokuchlanish Payerls kuchlanishidan kamayguncha (τ < τp) [25].

Payerls kuchlanishi quyidagi formula yordamida hisoblanishi mumkin:

(3.1)

Bu yerda G = 1,5 · 10¹¹ Pa – siljish moduli; b = 1,1 nm – Byurgers vektori; ν = 0,3 –Puasson koeffitsienti; d = 0,3 nm – sirtlararo masofa.

Hisoblangan Payerls bareri p-tip material uchun quyidagiga teng:

«ELCUT 5.8» dasturi monokristall kremniyda lazer nuri ta’sirida paydo bo‘ladigan yassi termokuchlanishlarni hisoblashga mo‘ljallangan.

Buning uchun termoelastik model qurilgan va u temperatura taqsimoti masalasi bilan bog‘liq. Modellashtirishda faqatgina yassi temperatura deformatsiyasi e’tiborga olingan. Modelning yechimi izotrop materialdagi yassi deformatsiyaga tayangan:

(3.2)

Bu yerda ΔT –deformatsiyalangan va deformatsiyalanmagan xolatlar orasidagi temperaturalar farqi.

Elastiklik nazariyasi tenglamasining xususiy yechimini ko‘raylik, unda ko‘chish u, v lar x₃ = z koordinataga bog‘liq emas deb tasavvur qilingan. Hisoblash uchun quyidagi parametrlar qabul qilingan: Yung moduli E = 1,5 · 1011 N/ m² , ko‘chish moduli G = 6,02 · 10¹⁰ Pa, Puasson koeffitsienti μ= 0,3, issiqlik kengayish koeffitsienti α = 1 · 10^–6 1/K [27]. 18-19 rasmlarda lazer nuri ta’sirida buzilgan uchastka markazidan kuchlanishning taqsimoti berilgan. Olingan natijalardan ko‘rinadiki, p-tipli kremniyga E = 1000 mJ/ cm² energiyali lazer nuri ta’sir qilganda 153,6 mkm radiusli krater paydo bo‘ladi. Dislokatsiyalarning yugurish masofasi 34,86 mkm ni tashkil etadi. Oqibatda, lislokatsiyalar ta’sir markazidan 188,46 mkm masofaga siljiydi. Yaratilgan modelning issiqlik parametrlarini o‘zgartirib, termoelastik kuchlanish Payerls bar’er balandligidan oshmaydigan qiymatlari tanlandi (τ_r = = 3,6868 · 10¹⁰ N/m²).



3.9-rasm. P-tip kremniy sirtidagi termoelastik kuchlanishning sirtbo‘ylab taqsimoti (E = 1000 mJ/cm²)

p- va n-tip kremniy sirtidagi termoelastik kuchlanish taqsimotini taqqoslash orqali aniqlandiki, o‘rganilayotgan kristallarning issiqlik xususiyatlari bir biriga mos keladi. Energiyasi E = 1000 Mj/cm² bo‘lgan lazer nuri ta’sirida paydo bo‘lgan krater xududidagi emperature va termoelastik kuchlanishni modellashtirish natijalari 20-rasmda keltirilgan. Ko‘rinadiki, maksimal kuchlanishlar krater chegarasi bo‘ylab namoyon bo‘ladi.

Lazer nuri ta’sirida sirt temperaturasi kremniyning plastiklik temperaturasidan yuqori bo‘ladi [28], shuning uchun termokuchlanish ta’sirida plastik deformatsiya va dislokatsiyalar shakllanishi kuzatiladi. Kiritilgan kuchlanishlar na faqat chiziqli nuqsonlar shakllanishini relaksiyalaydi, balki ularning kuchlanishli zonalarga ko‘chiradi. Agar relaksatsiya to‘la bo‘lmasa, keyingi yuqoritemperaturali toblashda dislokatsiyalar ko‘chishi kuzatiladi. Lazer nuri ta’siridan keyin namunalarda qoldiq termokuchlanish mavjudligini tekshirish uchun yuqori temperaturali toblash rejimi o‘tkazildi [29].

Bunda kuchlanish relaksatsiyasi dislokatsiyalarning ko‘chishi yoki yangilarining paydo bo‘lishi hisobiga yuz beradi. Kuchlanishlar relaksatsiyasi chiziqli nuqsonlar ko‘chishining tugallanishi yordamida aniqlandi. Tadqiqot natijalari shuni ko‘rsatdiki, yuqoritemperaturali toblashdan keyin dislokatsiyalar yugurish yo‘liikki barobar oshgan. Kristallardagi chiziqli nuqsonlarning bunday o‘zgarishining kuzatilishi lazer nuri ta’siridan keyin termokuchlanishlarning to‘la relaksatsiyalanmaganligini ko‘rsatadi. Bizningcha, kristallarni xona temperaturasigacha sovitilish vaqtida termokuchlanishlar dislokatsiyalarning ko‘chishi hisobiga relaksatsiyalanib ulgurmagan [30]. Shuning uchun keyingi toblash dislokatsiyalar harakatchanligini ta’minlagan. Shunga o‘xshash xolat sirtni lazer nurlari impulslari bilan nurlantirganda kuzatilishi ham mumkin.

3.10-rasm. Krater hududida termokuchlanishning taqsimoti: namuna bo‘ylab temperatura (a) va termokuchlanishning taqsimoti.

Shunday qilib, lazer nurining ta’siri ostida material qisman bug‘lanadi va sirtda mexanik kuchlanishlar paydo bo‘ladi. Bunday kuchlanishlar chiziqli defektlar shakllanishi va ko‘chishi hisobiga relaksatsiyalanadi. Paragrafda lazer nuri ta’sirida kremniy plastinasi sirtidagi kraterlar xududida dislokatsiyalarning taqsimlanish tasviri, issiqlik uzatilishi jarayoni va temperatura kuchlanishi modellashtirish orqali o‘rganildi. Eksperimental natijalarni va qurilgan model bilan taqqoslash orqali lazer nurining turli quvvatlari uchun issiqlik oqimining qiymatlari olindi. Lazer nuri quvvatlarining ikki xil tipdagi kremniy uchun mosligiga asosan, kremniydagi fosfor va bor kabi kirishmalar o‘rganilayotgan materialning issiqlik xususiyatlariga ta’sir etmasligi to‘g‘risida hulosa qilindi. Eksperimental natijalarni matematik model bilan taqqoslash orqali lazer nuri ta’sirida paydobo‘lgan krater xududida termoelastik kuchlanishlar taqsimoti aniqlandi. Lazer nuri energiyasining 666,7 mJ/cm² gacha ortishi bilan dislokatsiyalar yugurish yo‘lining ma’lum qiymatlargacha oshib borishi aniqlandi. Keyinchalik namunaning teshilishi bilan bog‘liq tarzda dislokatsiyalar yugurish yo‘lining kamayishi kuzatiladi. Bunday xolatda plastinani qizdirishga ketadigan issiqlik taglikka ketadi. Lazer nuri impulslari sonining ortishi bilan dislokatsiyalarni buzilgan uchastkadan ko‘chish masofalarining bog‘liqligi aniqlandi. Keyingi izotermik toblash davomida dislokatsiyalarning ko‘chish masofalarning ortishi aniqlandi va bu lazer nuri ta’siridan keyingi qoldiq kuchlanishlar mavjudligi to‘g‘risida guvohlik beradi.