Способ определения процентного содержания примеси в тонких слоях халькогенидной системы (AsSe)Bi Российский патент 2025 года по МПК G01N27/00 

Область техники

Предлагаемый способ относится к области инновационных технологий и физики халькогенидных стеклообразных полупроводников, может применяться для определения массовой доли примеси в тонких слоях халькогенидной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x по значению времени релаксации релаксационного процесса τ_макс.

Уровень техники

В настоящее время существует ряд экспериментальных методов измерения процентного содержания примесей в халькогенидных материалах. Среди них можно выделить следующие:

• Спектральный анализ

• Рентгеноструктурный анализ

• Метод сканирующей электронной спектроскопии

• Различные оптические методы и пр.

Методы различаются по точности измерения, быстродействию, достоверности результатов, возможности автоматизации как собственно измерений, так и документирования их результатов и, конечно, по стоимости практической реализации. Для определения состава веществ часто требуется дорогостоящее оборудование и квалифицированный персонал.

Так как предложенный диэлектрический способ определения процентного содержания примеси в тонких слоях халькогенидной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x является косвенным, то в качестве наиболее близкого аналога будет приведен «Способ определения содержания наполнителя в полимерном композите» (RU 2488101 C1). В данном методе рассчитывают содержание наполнителя по изменению массы образца, учитывая зольный остаток при разложении чистого полимерного связующего, определенного в условиях, идентичных разложению композита. При этом изменение массы образца определяют по термогравиметрической кривой. Данный метод имеет, однако, серьезные недостатки. Во-первых, применение данного метода приводит к необратимому разрушению материала. Во-вторых, метод связан с проведением ряда физических манипуляций, сложных экспериментальных методик, что делает процесс сложным и длительным.

Раскрытие изобретения

В большинстве случаев лаборатории и научные институты ограничены в возможностях точного и быстрого определения процентного содержания наполнителей в различных материалах. Данный способ предоставляет альтернативный способ определения процентного содержания примеси в тонких слоях халькогенидной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x.

Предлагаемый способ, фактически, являющийся разработанной моделью, имеет ряд достоинств, как по сравнению вышеперечисленными экспериментальными методиками, так и по сравнению с косвенными аналогами: метод не требует ресурсных затрат и дорогостоящего оборудования, не приводит к деструкции образца и не требует владения сложными экспериментальными методиками. К недостатку данного метода можно отнести необходимость получения калибровочной кривой для каждого нового состава халькогенидного материала, что включает в себя проведение предварительных измерений и их анализа для получения графической зависимости. Однако, как в случае с нашим составом (As₂Se₃)_100-xBi_x, единожды полученная графическая зависимость может служить для определения содержания наполнителя при любых вариациях соотношений входящих в состав элементов.

Цель изобретения - определения процентного содержания примеси в тонких слоях халькогенидной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x.

Технический результат изобретения достигается за счет разработанной графической модели, позволяющей определить процентное содержание примеси путем сравнения теории с экспериментом.

Осуществление изобретения

Образцы, приготовленные методом высокочастотного распыления стекла (As₂Se₃) и сораспыления стекла и модификатора (As₂Se₃(Bi)_x) имели сэндвич конфигурацию с Al-электродами. Толщина полученных пленок измерялась с помощью интерферометра МИИ-4, и была порядка 1 μm. Площадь перекрытия электродов составляла 14.0 мм² [1].

Измерения частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tgδ исследуемых слоев были выполнены на спектрометре «Concept-81» (Novocontrol Technologies), в области низких частот (f=10^-2Гц…10²Гц). В качестве экспериментальных данных снимались значения мнимой и действительной части импеданса ячейки с измеряемым образцом, спектры комплексной диэлектрической проницаемости рассчитывались из спектров импеданса [2].

На фиг. 1. представлена частотная зависимость tgδ для слоев селенида мышьяка с разным процентным содержанием висмута, из которой следует существование дисперсионного максимума данной величины при комнатной температуре (T=298К). При этом обнаружено, что положение максимума tgδ смещается в область более высоких частот при увеличении концентрации висмута в стекле. Данное обстоятельство свидетельствует о существовании релаксационного процесса, скорее всего, связанного с релаксационными потерями и потерями проводимости в исследуемых слоях [3].

Для исследования особенностей механизмов релаксации применяется анализ в рамках модели Гавриляк-Негами (ГН), с учетом двухпараметрической эмпирической функции [4]:

где ε_∞ - высокочастотный предел действительной части диэлектрической проницаемости, Δε - диэлектрический инкремент (разность между низкочастотным и высокочастотным пределами), ω=2πƒ, α_HN и β_HN - параметры формы, описывающие соответственно симметричное (β=1,00 - распределение Коула-Коула) и асимметричное (α=1,00 - распределение Коула-Дэвидсона) расширение функции распределения времен релаксации (ФРВР).

С использованием программного обеспечения Winfit 3.3 (Novocontrol Technologies GmbH) выделялись положения максимумов диэлектрических потерь и вклада проводимости, определялись параметры ГН для наблюдаемых поляризационных процессов согласно выражению (1).

Зависимость значения наиболее вероятного времени релаксации τ_макс, для слоев с различным процентным содержанием висмута представлена на фиг. 2. Обнаруженная чувствительность релаксационных параметров, а именно τ_макс, к варьированию количества примеси может быть использовано для контроля массовой доли примеси при постановке экспериментов, по изучению электронных свойств исследуемой бинарных халькогенидных систем. В данном случае можно построить калиброванную обратную зависимость, для определения процентного содержания примеси исходя их полученного значения τ_макс (ФИГ. 3).

Анализ графической зависимости (фиг. 3) позволяет получить формулу для расчета процентного содержания наполнителя в образце:

Перечень фигур:

Фиг. 1. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ при комнатной температуре (Т=298К) для слоев стеклообразной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x. 1-0.5 ат.%, 2-1.5 ат.%, 3-2.5 ат.%.

Фиг. 2. Зависимость значения наиболее вероятного времени релаксации от концентрации примеси висмута в слоях стеклообразной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x.

Фиг. 3. Калибровочная кривая для определения процентного содержания примеси висмута в слоях стеклообразной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x.

Источники:

1. Анисимова Н.И. и др. Исследование структуры аморфных слоев а-As₂Se₃(Bi)x методом диэлектрической спектроскопии // Физика и техника полупроводников. - 2013. - Т. 47. - №. 1. - С. 92-96.

2. Castro R. et al. Low-frequency dielectric relaxation in structures based on macroporous silicon with meso-macroporous skin-layer // Materials. - 2021. - T. 14. - №. 10. - P. 2471.

3. Kremer F., Schönhals A. (ed.). Broadband dielectric spectroscopy. - Springer Science & Business Media, 2002.

4. Havriliak S., Negami S. A complex plane representation of dielectric and mechanical relaxation processes in some polymers // Polymer. - 1967. - T. 8. - C. 161-210.

Изобретение относится к измерениям свойств полупроводников и может применяться для определения массовой доли Bi в тонких слоях халькогенидной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x. Сущность: измеряют частотную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ исследуемых слоев в области низких частот. Выделяют положения максимумов диэлектрических потерь. Получают значения времени релаксации τ_макс и определяют процентное содержание Bi по калибровочной зависимости процентного содержания Bi от времени релаксации τ_макс. Технический результат: упрощение и отсутствие деструкции образца. 3 ил.

Способ определения процентного содержания Bi в тонких слоях халькогенидной системы (As₂Se₃)_100-xBi_x, при котором измеряют частотную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ исследуемых слоев в области низких частот, выделяют положения максимумов диэлектрических потерь, получают значения времени релаксации τ_макс и определяют процентное содержание Bi по калибровочной зависимости процентного содержания Bi от времени релаксации τ_макс.