Склокерамічні матеріали на основі компонента з фазовим переходом метал-напівпровідник (стр. 8 из 11)

Виходячи з загальних уявлень про співвідношення між енергією пружної деформації, яка накопичується у матеріалі при ФПМН, і енергією формування мікротріщини в межах теорії перколяції знайдено умову збереження після термоциклювання внеску VO₂ до електропровідності склокераміки:

, (14)

тут E_v – модуль Юнга VO₂, d_t – деформація кристалітів VO₂ при ФПМН, l_c – середній розмір кристалітів VO₂, x_v – об’ємна доля VO₂ у склокераміці, a_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-b)VO₂-15ВФС-5Cu-bSnO₂ 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_vVO₂ 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-a)VO₂-15ВФС-aCu-40SnO₂ при термоциклюванні можна практично подолати першими з двох шляхів, якщо вміст міді обрано в інтервалі 6¸7 ваг. %, коли провідникова фаза V₅O₉ починає утворюватись, але протікання крізь неї відсутнє. Такі склади склокераміки після 10⁴ термоциклів зберігають величину стрибка s 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 s 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-b)VO₂-15ВФС-5Cu-bSnO₂ (35 £b£ 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-b-a)VO₂-15ВФС-aCu-bSnO₂ (35 £b£ 45, 5£a£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 g = 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 g = g₀ = U₀²/(R_Q×P_p) (U₀ – мережева напруга, R_Q – холодний опір спіралі лампи при температурі навколишнього середовища Q, P_p – потужність лампи), а при його наявності g₁=g₀/(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 g₂. Розрахункові залежності g₁ і g₂ від відношення опорів R_SQ/R_Q наведені на рис. 20. З них випливає, що обмеження первинного g₁ і вторинного g₂ стрибків струму на рівні g₁, g₂£ 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 45¸70 ^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.