Метод микротвердости для исследования распространения электроакустических сигналов миллиметрового диапазона

Метод микротвердости для исследования распространения электроакустических сигналов миллиметрового диапазона

Содержание

Введение

1.      Литературный обзор

1.1 Эффект дальнодействия при ионном и фотонном облучении       

1.2    Модели эффекта дальнодействия

1.3 Метод микротвердости, как способ регистрации эффекта дальнодействия

1.4 Эффект дальнодействия в кремнии при низкотемпературном нагреве

1.5 Биологическое действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (КВЧ)        

2. Методика эксперимента

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Зависимость относительного изменения микротвердости от длительности облучения светом

3.2 Эффект дальнодействия при облучении светом в системе «кремний- водный раствор NaCl»

3.3 Эффект дальнодействия в системе кремниевый диод - водный раствор NaCl - кремниевый детектор

Выводы

Список литературы

Введение

Эффект дальнодействия (ЭД) заключается в изменении структуры и свойств твердых тел на больших расстояниях от области выделения энергии при внешних воздействиях. ЭД был исследован при различных способах воздействия на поверхность металлов и полупроводников [1, 2, 3]. Одним из наиболее изученных видов ЭД является изменение микротвердости пластин кремния и фольг металлов на стороне, противоположной облучаемой, при облучении светом [1]. Была предложена модель ЭД при световом облучении, согласно которой под действием потока фотонов в естественном окисле (ЕО), покрывающем поверхность твердого тела, происходит энергетическое и пространственное перераспределение носителей заряда, вызывающее переменное электрическое поле, генерирующее , благодаря пьезоэффекту, гиперзвуковые волны (ГВ) с частотами ~1011-1012 Гц [2]. Проникая вглубь образца, эти ГВ изменяют дефектную структуру твердого тела, что фиксировалось обычно путем измерения микротвердости (Н) на стороне, противоположной облучаемой.

Диапазон частот в котором, согласно модели, генерируются ГВ, - это область миллиметровых волн, или крайне высоких частот (КВЧ). Этот диапазон весьма интересен с практической точки зрения. Начиная в 80-х годов прошлого века в Институте радиоэлектроники АН СССР (теперь ИРЭ РАН) под руководством чл.-кор. АН СССР Н.Д. Девяткова проводились исследования биологического действия КВЧ, и на этой основе был создан ряд приборов терапевтического назначения [4]. Согласно современным воззрениям, влияние КВЧ на живые объекты обусловлено способностью клеток организма излучать волны КВЧ и резонансно откликаться на их воздействие. Ключевая роль в биологическом действии КВЧ принадлежит водным растворам солей NaCl и KCl, которые присутствуют внутри и вокруг каждой клетки и участвуют в формировании, амплитудно - частотном преобразовании, усилении волн КВЧ [5].

При этом было установлено, что в клетках и водных растворах электромагнитные волны КВЧ могут преобразоваться в акустические волны с теми же частотами (~100 ГГц), т.е. в гиперзвуковые волны и обратно, подобно тому, как в нашей модели ЭД это происходит при облучении светом [2].

Водные растворы солей фигурируют не только в предложенных теориях биологического действия КВЧ, но и применяются на практике в некоторых приборах для терапевтического (полевого) воздействия, когда между источником поля и телом пациента помещается промежуточная среда в виде сосуда с водным раствором NaCl, по-видимому, служащая для усиления поля. Таким образом, возникла интересная перекличка идей, возникших в связи с исследованиями ЭД в твердых телах, и идей, лежащих в основе медико-биологических применений КВЧ-излучения.

Целью работы, в связи со сказанным, является изучение возможности практических применений ЭД в медико-биологических целях. В качестве первого шага было решено предпринять изучение прохождения дальнодействующих сигналов, испускаемых кремнием при воздействии света и регистрируемых путем измерения микротвердости, через «водный раствор NaCl , помещенный в сосуд из фторопласта», поскольку эта система аналогична, используемой в медико-биологических исследованиях. При этом пластины кремния нами использовались как в качестве источника поля (согласно нашей модели - это электрические поля КВЧ и гиперзвука ГВ), так и в качестве чувствительного элемента - детектора (приемника) поля. Оказалось, что измерение микротвердости Si позволяет успешно регистрировать распространение ЭД в данной комбинированной системе, включающей твердофазные и жидкофазные объекты. Наряду с возбуждением в Si КВЧ и ГВ полей светом, использовался и другой способ возбуждения - путем протекания прямого тока через кремниевый диод. Этот способ как оказалось можно обосновать, пользуясь обнаруженным ранее в НИФТИ явление ЭД в Si при низкотемпературном нагреве [3]. Чтобы использовать при изучении ЭД в системе (Si-фторопласт-водный раствор NaCl) широких интервалов времен воздействия и выяснить вопрос о том, в какой области времен следует ожидать дальнодействующего влияния света в указанной системе, в данной работе измерена зависимость относительного изменения микротвердости при облучении одиночных образцов светом в более широком интервале времен, чем ранее исследовалось.

1. Литературный обзор

.1 Эффект дальнодействия при ионном и фотонном облучении

Под эффектом дальнодействия ( ЭД ) первоначально подразумевалось аномально глубокое проникновение зоны влияния ионного облучения на структуру и свойства твердых тел [6-8]. Позднее выяснилось, что похожая аномалия наблюдается и при других видах облучения (например, электронными пучками [9] или плазмой [10]), а также при иных способах обработки поверхности (химическом травлении [11], механической шлифовке или полировке [12,13], ультразвуковой очистке [14] и др). Поэтому эффектом дальнодействия стали называть необычно далекое распространение зоны измененных свойств твердых тел при различных обработках поверхности.

Впервые [15] сообщалось об аномальном глубоком проникновении зоны изменения параметра решетки и времени жизни неосновных носителей заряда при относительно малой интенсивном ионном облучении кремния. В дальнейшем это явление было изучено более подробно при помощи прецизионных рентгенодифракционных методов и измерения микротвердости Н [16-20]. ЭД в полупроводниках наблюдался и другими группами исследователей [21,22]. Наиболее яркое проявление эффекта состоит в изменении свойств образца со стороны, противоположной облучаемой. Этот вид ЭД был детально изучен для случая ионного облучения металлических фольг и назван малодозным ЭД [23].

Было предложено качественное объяснение ЭД, заключающееся в генерации упругих, или акустических ( в общем случае - деформационных ), волн и трансформации системы протяженных дефектов твердых тел под действием этих волн [24]. Предполагалось, что акустические волны ( АВ) генерируются в каскадах атомных смещений [20]. Однако позднее выяснилось [9], что похожие закономерности имеют место и при облучении электронами с энергией, недостаточной для смещения атомов. Это стимулировало постановку экспериментов по ЭД с применением еще более «мягких» лучей - световых. И действительно, оказалось, что при определенных условиях облучение светом вызывает изменения микротвердости на обратной стороне металлических фольг [25] и пластинок кремния [26].

ЭД при облучении светом был наиболее подробно исследован методом микротвердости. В результате были установлены следующие основные закономерности.

Необходимым условием существования ЭД при облучении светом является наличие естественного оксида ( ЕО) на облучаемой стороне образца (наличие или отсутствие ЕО на обратной стороне не оказывает существенного влияния).

Изменения Н при облучении нефильтрованным светом лампы накаливания происходит только с обратной стороны образца. Однако, исключение из спектра коротковолновой части приводит к тому, что величина Н изменяется с обеих сторон. Отсутствие изменения Н с облучаемой стороны было названо полярностью или блокировкой ЭД.

Величина ∆Н/Н немонотонно зависит от дозы (длительности) облучения - стремясь к нулю при больших дозах; следовательно, существует «окно» доз, при которых в материале происходят структурные изменения.

При облучении светом значения ∆Н/Н релаксируют после засветки, как правило, приближаясь к нулю в течение нескольких десятков минут (при комнатной температуры среды); процесс релаксации ускоряется экспоненциально с ростом температуры.

Кроме, облучения одиночных образцов, проводились облучения «стопок», состоящих из наложенных друг на друга образцов. При облучении стопок из двух образцов (например, Al/Al, Si/Si, Al/Si, Si/Al) изменения Н обнаруживаются не только для верхнего, но и для нижнего образца (на его нижней стороне), причем в ряде случаев изменения для него даже сильнее, чем в случае облучения одиночного образца. (Предполагается, что свет падает на стопку сверху). Важную информацию дали исследования по облучению стопок, состоящих из образцов Аl и Si [27,28].

Установленные закономерности позволили предположить, что причиной изменений свойств при облучении светом является генерация акустических (гиперзвуковых) волн, действующих на систему протяженных дефектов. Эти волны возникают вследствие процессов, связанных с наличием на облучаемой поверхности слоя ЕО, поскольку для образцов с удаленным ЕО эффект не имеет места.

.2 Модели эффекта дальнодействия

Модель эффекта дальнодействия, предложенная в [1], заключается в том, что диэлектрический слой играет в нем важную роль. Естественный окисел представляет собой совокупность беспорядочно ориентированных блоков (в целом это аморфное вещество), каждый из которых обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способностью испытывать деформацию под воздействием электрического поля. При прохождении через ЕО фотонов или ионов происходит перераспределение электронов в блоках. Это создает электрическое поле и деформацию блоков, вследствие пьезоэлектрического эффекта. Накопление зарядов на гранях блоков в конце концов приводит к разряду, при этом поле и деформация исчезают. Далее все повторяется. Это иллюстрирует рис.1.

(а)

(б)

Рис.1. Модель перераспределения электронов в ЕО (а) и возникновение пульсирующих механических напряжений, связанных с пьезоэффектом (б)

(1 - ловушки электронов, 2- ловушки дырок, 3 - электрическое поле).

Таким образом, возникает пульсирующая деформация блоков. Далее она распространяется в кристалл в виде гиперзвуковых волн. В работе [29] приводятся аргументы в пользу того, что гиперзвуковые волны в кристалле распространяются преимущественно вдоль дислокаций. При этом они взаимодействуют с точечными дефектами (ТД), находящимися в окрестности дислокаций (атомосферах Коттрелла), «выталкивая» ТД из атмосфер и насыщая объем. В результате торможения дислокаций, возникающих при вдавливании индентера при измерении микротвердости, последняя возрастает. Данная модель ЭД изображена на рис.2.

Рис. 2. Модель эффекта дальнодействия.

Штриховые линии обозначают линейные дислокации, точками обозначены ТД в атмосферах Котрелла, дугами обозначены гиперзвуковые волны.

Рассмотрим подробнее механизм распространения гиперзвуковых волн по дислокациям [29], который может обеспечить передачу энергии упругого возбуждения к обратной стороне образца с сохранением высокой плотности энергии в упругой волне. В основе этого механизма лежит идея о волноводном эффекте линейных дислокаций при распространении гиперзвуковых волн. Дело в том, что в окрестности дислокаций плотность вещества понижена относительно плотности в объеме. Поэтому скорость звука в окрестности дислокации ниже, чем в объеме. В лучевой модели распространении волн используется понятие траектории. Расчет по этой модели показывает, что приблизительно 10-3 от всей энергии, генерированной в ЕО в виде сферически расходящейся волны захватывается дислокациями. Доля интенсивности волны, доходящей до задней границы образца, на 5-6 порядков больше, чем без волноводного эффекта. Подчеркнем, что эффект «выталкивания» ТД в этом случаи усиливается благодаря тому, что волна, идущая в волноводе, постоянно движется через область занятую дефектами атмосферы Котрелла.

.3 Метод микротвердости как способ регистрации эффекта дальнодействия

До сих пор основным методом, применяемым для изучения ЭД, был (и пока остается) метод микротвердости. Эта одна из важнейших характеристик твердого тела, которая характеризует его механические свойства. Эта величина не является строгой константой, она чувствительна к различным факторам, связанным с энергией кристаллической решетки. Микротвердость может быть измерена, в частности, с помощью прибора ПМТ-3. Данный прибор имеет алмазную пирамидку (индентер), которая под действием нагрузки вдавливается в поверхность образца. В результате вдавливания на поверхности образца остается отпечаток, размер которого определяется величиной нагрузки и микротвердостью.

Метод микротвердости является простым и универсальным, он удобен тем, что чувствителен к любым изменениям реальной структуры твердого тела. Например, в монокристаллах типа кремния микротвердость зависит от концентрации дефектов, способных служить стопорами для движения дислокаций. Таким образом, образцы с повышенным содержанием дефектов окажутся более подверженными изменению микротвердости.

Из выше сказанного следует, что важным параметром, определяющим параметр микротвердость, является дефекты, сосредоточенные в атмосферах Коттрелла дислокаций.

.4 Эффект дальнодействия в кремнии при низкотемпературном нагреве

В работе [3] было показано влияние низкотемпературного нагрева (20 - 60 оС) кремния на его микротвердость. Как выяснилось, зависимость относительного изменения микротвердости от длительности качественно аналогична той, которая ранее была установлена для облучения светом. А зависимость относительного изменения микротвердости от температуры демонстрирует, что в случае облучения светом изменение Н не связано с нагревом. В случае образцов с предварительно удаленным ЕО изменения Н отсутствовали, как и при облучении светом, что показывает ключевую роль ЕО. Полученные результаты дают основание полагать, что механизмы влияния на дефектную систему кремния в целом аналогичны при обоих видах воздействия (низкотемпературным термическим и световом), а именно, эти механизмы обусловлены возбуждением и перезарядкой ловушечных центров в ЕО. Только в случаи облучения светом это происходит под действием фотонов, а в случае нагрева теплового фактора т.е. фононов.

.5 Биологическое действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (КВЧ)

Как видно из предыдущего обзора, в основу интерпретации ЭД в твердых телах положено представление о генерации в ЕО переменного электрического поля с частотами порядка 1011-1012 ГЦ, которые в свою очередь генерируют гиперзвуковые волны с теми же частотами. Как уже было сказано во введении, этот диапазон частот, называемый в радиотехнике диапазоном крайне высоких частот (КВЧ), применяется в медико-биологических исследованиях.

Первая научная публикация, посвященная необычным эффектам воздействия низкоинтенсивных ( менее 10 мВтсм2) электромагнитных волн миллиметрового (ММ) диапазона на биологические объекты, была сделана в 1966 г. [4]. Материальной базой для проведения такого эксперимента было изобретение т запуск в серийное производство в НПО «Исток» г. Фрязино первых в мире широкодиапазонных генераторов на основе вакуумных приборов СВЧ типа ламп обратной волны [4].

Примерно в тоже время (1968 г.) была опубликована работа Г. Фрёлиха, в которой из общих биологических соображений была обоснована возможность когерентного возбуждения гиперакустических колебаний мембран клеток или ее отдельных участков в диапазоне частот 1011-1012 Гц, что соответствует ММ-волнам (3х1010-3х1011 Гц).

К этому времени рядом отечественных ученых (Н. Д. Девятков, М. Б. Голант, Э. А. Гельвич) была высказана идея о том, что низкоинтенсивные ММ-волны играют важную информационную роль в процессах жизнедеятельности биологических объектов и могут быть использованы в медицине для лечения различных заболеваний. Несмотря на отсутствии понимания биофизических механизмов воздействия ММ-волн на биологические объекты, в начале 70-х годов по инициативе Н. Д. Девяткова в ряде медицинских учреждений страны была принята программа по использованию ММ-волн для лечения различных заболеваний.

Механизм воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения в ММ-диапазоне длин волн на биологические объекты носит многофакторный характер. Предполагается, что ключевую роль играет механизм поддержания в мембране клеток акустоэлектрических колебаний. Эти колебания возникли в процессе эволюции живой клетки и являются одним из главных механизмов поддержания процессов жизнедеятельности. Клетка с клеткой как бы «разговаривает» на языке колебаний в миллиметровом диапазоне длин волн. Нарушение процессов жизнедеятельности сопутствует уменьшение амплитуды колебаний. Воздействие на клетку полями в этом диапазоне частот приводит к коррекции, восстановлению собственных колебаний.

Т. к. в живых организмах клетки и межклеточная жидкость представляет собой водные растворы органических и неорганических веществ, то весьма важную роль в указанных явлениях принадлежит процессам, происходящим при взаимодействии акустоэлектрических колебаний с такими растворами.

В [30] экспериментально исследована структуризация водосодержащей среды в организме и особой роли структуризации при взаимодействие водной среды с ЭМИ (электромагнитные излучения низкой интенсивности).

На структуризацию воды может повлиять материал сосуда (слюда, гранат, полиэтиленовые, фторопластовые пленки и т. д.), в котором она находится. А так же многие водосодержащие среды оказывались структурированными за счет присутствия в их объеме нанонеоднородных структурирующих включений [30].

Одно из возможных объяснений феномена воздействия низкоинтенсивного ММ-излучения на биологические объекты дано Фрёлихом. Согласно его теории, оно приводит к переходу когерентных дипольных возбуждений в биологических системах из метастабильного состояния в основное состояние. В результате возникает большое множество молекул воды с согласованным направлением векторов дипольных моментов, являющееся частным случаем когерентного состояния многочастичной системы. Это может приводить к структурным изменениям в водных системах, что способно оказать существенное влияние на динамику находящихся в них макромолекул (Соловей, 2006). [31]

В диссертации А. В. Хахалина [31]исследована кластерная структура воды с растворенными солями NaCl и KCl. Выявлены часто реализуемые типы структур сеток из водородных связей в водном кластере с ионами Na+ или К+ присутствии 8 молекул воды. Определены конфигурации кластеров с ионами Na+ или К+ в окружении 8 молекул воды, в которых происходят достоверные изменения координат у одной из молекул воды под воздействием электрического поля. Показано, что водные кластеры с ионом, обладающие симметрией расположения молекул воды в первой координационной сфере в трех взаимоперпендикулярных плоскостях, подвержены воздействию низкоинтенсивного электрического поля. [31]

Таким образом, в настоящее время собрано большое количество фактов, свидетельствующих о активной роли электромагнитных и акустических волн КВЧ диапазона в жизнедеятельности организма, и выполнены теоретические и экспериментальные работы, которые дают возможность в первом приближении дают понять физико-химические предпосылки этой роли. Однако детальное изучение этих процессов находится еще в начальной стадии.

В нашей работе эти сведения используются как основа для постановки экспериментов и для интерпретации полученных результатов.

2. Методика эксперимента

Объектом исследования служит пластина кремния марки КДБ-1 с толщиной ~0,5 мм (производство Германия) и серийные кремниевые диоды КД907Г-1. Пластины кремния имели стандартную обработку граней - «рабочая» сторона полирована и химически протравлена, обратная - шлифованная. Облучение всегда проводилось с обратной стороны, а измерение микротвердости Н - на «рабочей» (лицевой) стороне. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индектер 70 гр. при каждом измерении для статистики проводилось 5 наколов, на каждом из них измерялись по 2 раза длины двух диагоналей отпечатка. Таким образом, в каждом эксперименте получали 20 значений длин, из которых рассчитывалось среднее значение. Измерения осуществлялись с использованием фотокамеры. Микроизображения поверхности отпечатками отображались на мониторе компьютера, с помощью которого проводились позиционирование нижней линзы объектива и фиксация значений длин с последующим перерасчетом в микротвердость по формуле:

,

где m(г) - масса нагрузки (70 г ); l - «длина» диагонали отпечатка в пикселях (pixl), коэффициент 6, 41 связан с пересчетом длины диагоналей из пиксилей в микрометры, а коэффициент 18, 54 связан с пересчетом величин, входящих в формулу, в величину микротвердости (в ГПа).

Как показали многочисленные опыты, при соблюдении данным оператором единой методики измерений статистический разброс значений Н не превышает 2%. Чтобы иметь запас надежности, мы считали значимыми относительные изменения Н, превышающие 3%.

При облучении светом образцов использовалась лампа накаливания от осветителя к микроскопу мощностью 20 Вт. Лампа находилась в стандартном кожухе. Интенсивность регулировалась расстоянием между нитью лампы и образцом, которое составляло r =7,0 см. Нить лампы была всегда расположена параллельно поверхности образца и имела длину Z=6 мм. Поэтому, при определении интенсивности j источник света можно было считать точечным лишь приближенно. Относительная систематическая ошибка j , связанная с конечной длиной нити лампы, определяется из геометрического соотношения:

 (1)

(Т.к. интенсивность светового потока пропорциональна 1/)JKKLHG

Образцы во время облучения находились на массивном металлическом блоке, при этом, как показали оценки и измерения, стационарный нагрев не превышал 2-3 °С.

Для изучения ЭД в системе «кремний- водный раствор NaCl» использовалась кювета цилиндрической формы (по образцу применяемой в медико-биологических исследованиях), изготовленная из фторпласта. Диаметр кюветы 50 мм (рис. 3 ), толщина стенок 1 мм и толщина внутреннего пространства сосуда -5 мм. Кювета целиком заполнялась раствором NaCl. Образцы (облучаемый и детектор ) кремния марки КДБ-1 располагались в требуемых позициях на крышке кюветы и под ней (против облучаемого). При этом образец - детектор располагался во время облучения другого образца в тени, на разных расстояниях от облучаемого, и для лучшего контакта с крышкой слегка прижимался к ней. Микротвердость после воздействия измерялась на нижней стороне образца-детектора.

Рис. 3. Система «кремний- водный раствор NaCl». 1- кювета, 2-водный раствор, 3-облученный светом образец, 4-образцы-детекторы, 5-граница света и тени.

В нашей работе была так же выполнена серия экспериментов, в которых для возбуждения эффекта дальнодействия использовались кремниевые диоды, находящиеся в плотном контакте с крышкой кюветы. Диоды прижимались к крышке кюветы базовой поверхностью (на ней отсутствовали какие-либо покрытия, кроме ЕО) с помощью специального пружинного приспособления, а измерение микротвердости проводилось (сразу после воздействия) на обеих сторонах образца -детектора, расположенного непосредственно напротив диодной платы.

В качестве диодов использовался промышленный чип «КД907Г-1» (импульсный диод) размером 0,7х0,7 мм2, на котором имелись 4 планарных p-n перехода (диаметром ~300 мкм) с общей базой (рис. 4).

Рис. 4. Структура диодного чипа КД.

Все 4 диода были соединены параллельно (Электрическая схема соединения диодов и подключений их к источнику питания представлена на рис. 5), и во время воздействия через них пропускался суммарный прямой ток I=0,25 мА при U≈0,3 В в течение ~1 с (мощность W≈0,75х10-4 Вт, выделенная энергия Е≈0,07 Дж, плотность мощности J=I*U/S= 10-1 Вт×см-2, где S - суммарная площадь p-n четырех переходов).

Рис. 5. Электрическая схема соединения диодов

Заметим, что величина J в этом случае приблизительно на один порядок величины выше, чем при облучении светом (Jл), когда она составляла Jл≈Wл/4πr2 , где Wл - мощность лампы, расходуемая на излучение света (10 Вт), r - расстояние от лампы до образца (7 см), т.е. Jл≈0,02 Вт/см2. Хотя температуру диодов при подаче на них тока определить затруднительно, можно считать, что она за счет выделения джоулева тепла может быть значительно выше, чем при облучении светом (когда температура образца не превышала 1-2оС).

3. Результаты и их обсуждение

.1 Зависимость относительного изменения микротвердости от длительности облучения светом

Ранее в экспериментах по влиянию длительности облучения светом (tобл) на изменение микротвердости (ΔН/Н) со стороны, противоположной облучаемой, длительность не превышала 5 минут. Было найдено, что ΔН/Н после достижения максимума (при tобл =100 с, r=7 см) снижается до минимального значения. Мы продолжили исследуемую область tобл до ~ 1 часа. На рис. 6 приведена зависимость ΔН/Н от tобл..

Рис. 6. Зависимость относительного изменения микротвердости от длительности облучения светом. На вставке показан начальный участок кривой.

Видно, что на зависимости ΔН/Н от tобл имеется два максимума (ранее сообщалось только о первом из них). Это обстоятельство с точки зрения опубликований модели ЭД интерпретируется нами следующим образом. Спад ΔН/Н при tобл >100 с, как и ранее, можно объяснить тем, что при облучении в структуре ЕО происходят изменения, приводящие к снижению концентрации ловушек, ответственных за генерацию ГВ 1-го вида, (явление «усталости» [2]). Волны 2-го вида продолжают генерироваться и вызывают спад ΔН/Н. Однако при увеличении длительности облучения до значений более 5 минут (в отсутствии вызывало «усталость» волн 1-го вида) происходит постепенное восстановление структуры ЕО («отдых»), и ΔН/Н начинает снова возрастать, до тех пор пока новый цикл процесса «усталости» не приводит ко вторичному спаду ΔН/Н. Установлено, что дальнейшее увеличение tобл по крайней мере до 1 ч, уже не приводит к изменению микротвердости, т. е. ΔН/Н остался на уровне чувствительности метода.

Таким образом, ход зависимости ΔН/Н от tобл в широком интервале времени согласуется с предложенной ранее моделью ЭД, но в то же время показывает более сложный характер процессов конкуренцией и действием волн 1-го и 2-го видов, а также влияния процессов «усталости» и «отдыха».

.2 Эффект дальнодействия при облучении светом в системе «кремний- водный раствор NaCl»

Следующая серия опытов посвящена исследованию ЭД в системе «кремний- водный раствор NaCl». Схема опыта показана на рис. 3. Постановка эксперимента была такой: пластина Si (в дальнейшем обозначаемая термином «образец-источник») размером 5х5 мм2, расположенная на кювете с водным раствором NaCl, вблизи ее левого края, подвергалась облучению светом в «стандартном» режиме : tобл =100 с, r=7 см, а детекторами дистанционного влияния облучения в системе служили две другие пластины Si, одна из которых была расположена под кюветой напротив облученного образца (нижний датчик), а другая - на верхней крышке кюветы в поджатом к ней состоянии, причем в разных опытах этой серии расстояние R между облучаемым кристаллом и верхним кристаллом-детектором варьировалось. Размеры кристаллов-детекторов составляли 2х2 мм2. На верхнем детекторе после облучения микротвердость измерялась на прилегающей к кювете (полированной) стороне, на нижнем - с обеих сторон.

Оказалось, что на верхнем образце-детекторе в результате облучения образца-источника при концентрации NaCl 1% (физиологический раствор) произошло изменение микротвердости на 9%, а на нижнем изменение в пределах погрешности отсутствовало (в дальнейшем, где это специально не оговорено использовался физиологический раствор). Чтобы выяснить роль раствора NaCl, провели контрольный опыт: поместили два образца Si на снятую с кюветы крышку, один из них облучили, а второй (детектор) во время облучения был в тени. Оказалось, что в этом случае на образце-детекторе микротвердость не изменилась. Более того, такой же нулевой результат был и в том случае, когда в кювету вместо раствора NaCl была залита дистиллированная вода. Следовательно, именно раствор NaCl , а не дистиллированная вода или воздух, служит той средой, которая обеспечивает перенос волнового сигнала, генерируемого образцом-источником при его облучении светом.

В табл. 1 приведены величины ΔН/Н на кристалле-детекторе от расстояния R, отсчитываемого от середины образца-источника.

Табл. 1. Значения величины ΔН/Н в зависимости от расстояния R.

Видно, что в пределах погрешности ΔН/Н не зависит от R, т.е. затухания сигнала при его распространении в водном растворе в латеральном направлении в пределах изменения R до 5 см не происходит. По-видимому, длина затухания L, действующего на кристалл-детектор сигнала в латеральном направлении существенно превышает диаметр кюветы. Примечательно, что на нижнем кристалле-детекторе, расстояние которого от облучаемого равно 0,5 см, т.е. на порядок меньше максимального значения R для верхнего детектора, сигнал при данной интенсивности света не зарегистрирован, т.е. ΔН/Н≈0. После того, как мы увеличили интенсивность света в ~2 раза (путем снижения расстояния от лампы до кюветы с 7 до 5 см), на нижней стороне нижнего образца изменение Н появилось (на 9%).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в латеральном направлении сигнал, идущий от облучаемого образца, распространяется гораздо дальше (с меньшим затуханием) по сравнению с распространением вдоль нормали.

Чтобы выяснить природу волн - электромагнитная (КВЧ) или гиперзвуковая (ГВ), распространяющихся от образца-источника в водном растворе и вызывающих изменения Н на детекторе, мы провели облучение в условиях наличия малого (~1 мм) зазора между образцом-источником и крышкой кюветы. Для КВЧ такой зазор не является препятствием , а ГВ не могут проникать через воздушный зазор, так как в воздухе длина волны ГВ была бы λ=ν/f≈ 3∙104/1011=3∙10-7 см, т.е. меньше среднего расстояния между молекулами воздуха, что лишено физического смысла. ( Здесь ν - скорость звука, f - типичная частота ГВ). Следовательно, кристалл-детектор воспринимает именно гиперзвуковые волны, генерируемые в облучаемом образце, и передаваемые в нашей системе по водной среде.

На рис. 7 приведена кривая релаксации величины ΔН/Н для кристалла-детектора после воздействия светом на кристалл-источник (tобл.=100 с, r= 7 см, R=4 см). Там же для сравнения приведена кривая релаксации для случая облучения одиночного образца Si при тех же условиях. Видно, что кинетика релаксации весьма сходна. Это служит дополнительным свидетельством единства механизмов изменения микротвердости при непосредственном воздействии света и при воздействии волн, излучаемых кристаллом-источником при облучении его светом.

Рис. 7. Синяя - кривая релаксации величины ΔН/Н для кристалла-детектора после воздействия светом на кристалл-источник, красная - кривая релаксации для случая облучения одиночного образца Si.

На основе проведенных экспериментов можно предположить следующую модель. Как было сказано в разделе 1, вода состоит из кластеров молекул Н2О. Сами молекулы Н2О и их кластеры нейтральны, но в растворах NaCl ионы Na окружены молекулами Н2О , рис. 8 [31].

Рис. 8. Конфигурация натриевого кластера в окружении 8 молекул воды.[31]

Таким образом, образуются диполи, которые при прохождении ГВ колеблются в такт с колебаниями в акустической волне. Если диполи имеют преимущественную ориентацию, то колебания одного диполя передаются соседним, т. е. возникает эстафетная передача энергии волнового поля. Это способствует увеличению длины затухания волны.

Чтобы этот процесс имел место, диполи должны иметь близкие ориентации. В ряде работ показано [5], что такое ориентирование (структуризация) действительно имеет место в тонких слоях водной среды, прилегающих к некоторым твердотельным материалам, в частности фторопласту. В результате в слое нашей кюветы, прилегающем к верхней крышке, возникает своеобразный волновод для ГВ. Это и обуславливает преимущественно латеральное распространение ГВ.

Как уже было сказано выше, при использовании дистиллированной воды вместо физиологического раствора, дальнодействующего распространения сигнала от кристалла-источника не наблюдалось. Это можно объяснить отсутствием кластеров в дистиллированной воде.

Чтобы выяснить влияние концентрации (С) соли в растворе, эксперимент по латеральному распространению сигнала был выполнен при разных значениях концентрации (С=0; 0,1; … 10%).

На рис. 9 приведена зависимость ΔН/Н для кристалла - детектора (R=4 см) от концентрации «С» при «стандартных» условиях засветки кристалла - излучателя ГВ (tобл =100 с, r=7 см). Видно, что зависимость немонотонна: до величин С=0,3% имеет место увеличение ΔН/Н , в области от 0,3 до 5 % зависимость ΔН/Н (С) слабая, а при С>5% наблюдается резкое снижение ΔН/Н до 0.

Рис. 9. Зависимость ΔН/Н от концентрации NaCl.

Результаты данного опыта говорит о том, что, хотя наличие соли есть необходимое условие для ЭД в водной среде, при слишком больших концентрациях соли возрастает затухание сигнала. Изучение механизма затухания выходило за пределы нашей работы. По-видимому, при больших концетрациях диполей расстояние между ними таково, что им энергетически не выгодно выстраиваться параллельно друг другу из-за кулоновского отталкивания, в результате исчезает эстафетная передача энергии. Интересно наличие резкого концентрационного порога ЭД, что наводит на мысль о фазовом переходе 1-го рода в приповерхностном слое раствора (вероятно, это переход из параллельного в антипараллельное упорядочение).

Интересно, что область концентраций, в которой наблюдается дальнее распространение волн, включает в себя концентрацию соли NaCl в физиологическом растворе (~1%), соответствующую концентрации соли в живых организмах. Согласно литературе, квч играют важную роль в жизненных функциях животных, растений и человека (они обеспечивают энергоинформационный обмен между клетками) [5]. В этом случае становится понятным, почему эволюция привела к оптимизации концентрации солей в жидких средах живых существ, когда сигналы КВЧ могут распространяться на достаточно большие расстояния, и такой обмен энергий и информацией между клетками становится возможным.

.3 Эффект дальнодействия в системе кремниевый диод - водный раствор NaCl - кремниевый детектор

Данная серия экспериментов посвящена исследованию методом микротвердости дальнодействующих процессов, происходящих в системе кремниевый диод - водный раствор NaCl во фторопластовой кювете. (Как уже сказано выше, такая система применяется в медико-биологических целях).

Первые же опыты показали, что в результате пропускания тока через диоды на образце - детекторе произошло изменение Н. Это изменение для ряда повторных опытов приведены в табл. 2. Видно, что повторяемость достаточно хорошая, и изменения ΔН/Н составляют ~18%.

Табл. 2. Значения величины ΔН/Н при пропускании тока через диоды на образце-детекторе.

Результаты данных опытов с точки зрения нашей модели можно объяснить следующим образом. При пропускании тока за счет выделения джоулева тепла происходит повышение температуры диода. Согласно данным [3], термическое возбуждение ЕО на Si приводит к ЭД, аналогично случаю светового возбуждения. При таком возбуждении происходит генерация ГВ с частотой ~1011-1012 Гц. Подобно тому, как это имело место в предыдущей серии опытов, ГВ проходят через кювету с раствором и действуют на кристалл - детектор, изменяя его дефектную структуру, что и регистрируется по изменению микротвердости. Интересно, что в данном случае, в отличие от предыдущей серии, в которой возбуждение волн осуществлялось путем светового возбуждения, изменение Н на нижнем кристалле существенно эффективнее. По-видимому, это обусловлено большей (на 2 порядка) плотности мощности, выделяющейся в диодах при токовом возбуждении по сравнению со световым.

В пользу нашей интерпретации результатов экспериментов с диодами свидетельствуют результаты следующих контрольных опытов.

. При облучении кремния излучением источника КВЧ (λ=7,1 мм) в течение 100 с на обратной стороне Si произошло изменение Н (ΔН/Н=7%). В случае облучения образца со стравливанием ЕО изменение было существенно меньше (3%). Когда между источником и кремнием поместили кювету с раствором NaCl (1%), то ΔН/Н увеличилось и стало равным 18% . В случае же заполнения кюветы дистиллированной водой ΔН/Н=0. Эти результаты свидетельствуют о том, что кремний реагирует на действие КВЧ (и это обусловлено преобразованием их естественным окислом в ГВ). Во-вторых, результаты вполне согласуются с представленными, что диоды действительно излучают КВЧ и ГВ, т. к. явления, описанные выше, для них аналогичны явлениям при облучении Si светом и при действии повышенных температур.

. В случае отсутствия раствора в кювете в опыте с диодами, изменение Н на образце - детекторе отсутствовало. Оно отсутствовало также и в том случае, когда между диодами и кюветой имелся малый (~1 мм) зазор. Причина этого феномена - такая же, как и в случаи экспериментов, описанных в разделе 3.2.

Выводы

Обнаружено дальнодействующее влияние облучения светом Si на микротвердость в системе кремний-водный раствор NaCl в сосуде из фторпласта-кремний. Это явление объясняется на основе предложенной ранее модели эффекта дальнодействия с учетом существующих представлений о свойствах водных растворов солей и их взаимодействии с электроакустическими волнами.

Установлен эффект дальнодействия в системе прямосмещенный диод-водный раствор NaCl в сосуде из фторпласта-кремний.

Результаты работы позволяют предложить метод микротвердости для исследования распространения электроакустических сигналов миллиметрового диапазона, в том числе для медико-биологических целей.

Список литературы

1. Тетельбаум Д.И. Эффект дальнодействия при малоинтенсивном облучении твердых тел. / Тетельбаум Д.И., Курильчик Е.В., Менделева Ю.А.// Поверхность. 2009. № 3. С. 1-11

. Левшунова В. Л., Похил Г.П., Тетельбаум Д.И., 2011 г. Автоколебания

распределенных зарядов в естественном оксиде на поверхности кремни как

источник возбуждения процессов, ответственных за ЭД. // Поверхность.

2011. № 3. С. 1-4.

. Тетельбаум Д. И., Курильчик Е. В., Похил Г.П., Кузьмина А.А. / Влияние низкотемпературного (20-60 оС) нагрева кремния на его микротвердость//Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. 2013. №11. С. 102-106.

. Девятков Н. Д., Бецкий О. В., Голант М. Б. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности.// М., Радио и Связь,1991 г.-169 с.

.Бецкий О. В.,Кислов В. В., Лебедева Н. Н. Миллиметровые волны и живые системы. М.:Сайнс-пресс, 2004. 272 с.

. Павлов П.В., Пашков В.И., Успенская Г.И. // ФТТ. 1973. Т. 15. №9.  С. 2857. микротвердость дальнодействие волна облучение

. Быков В.М. Вопросы атомной науки и техники. / В.М. Быков,

В.Г., Малынкин, В.С. Хмелевская.// Сер.: Физика радиационных

повреждений и радиационное материаловедение. 1989. Вып. 3(50).  С. 45.

. Диденко А.Н. Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных

материалах. А.Н. Диденко, Ю.П. Шаркеев, Э.В. Козлов. Томск:

Изд-во НТЛ, 2004. 328 с.

. Tetelbaum D.I., Kuril’chik E.V., Latisheva N.D. // Nucl. Instrum. Methods. Res. 1997. V. 127/128. P. 153.

. Tereshko I.V., Khodyrew V.I., Lipsky E.A. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 1997. V. 127/128. P. 861.

. Перевощиков В.А., Скупов В.Д. Получение и анализ чистых веществ: Межвузовский сборник. Горький: Изд. Горьковского госуниверситета. 1987. 19 с.

. Бедный Б. И., Ершов С.Н., Пантелеева В.А. // ФТП. 1985. Т. 19. Вып. 10. С. 1806

. Перевощиков В.А., Скупов В.Д. // Оптико-мех. промышленность. 1987. №6. С. 35.

. Перевощиков В.А., Скупов В.Д. // Завод. лабор. 1999. Т. 65. №7. С. 24.

. Успенская Г.И., Абрамова Н.Н., Тетельбаум Д.И. // Физические основы ионно-лучевого легирования. Ч. 1. Горький: Изд-во Горьковского гос.университета имени Н.И. Лобачевского, 1972. С. 96.

. Успенская Г.И., Генкин В.М., Тетельбаум Д.И. // Кристаллография. 1973. Т. 18. № 2. С. 363.

. Семин Ю.А., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И. // Письма в ЖТФ. 1988 Т. 14. Вып. 3. С. 273.

. Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И., Шенгуров В.Г. // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. Вып. 22. С. 44.

. Тетельбаум Д.И., Сорвина В.П., Курильчик Е.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 1996. Т. 60. № 4. С. 210.

. Pavlov P.V., Tetelbaum D.I., Skupov V.D. et al. // Phys. Statu. Solidi A. 1986. V. 9. № 1. P. 395.

. Ершов С.Н., Пантелеев В.А., Нагорных С.Н. // ФТТ. 1977. Т. 19. Вып. 1. С. 322.

. Крылов П.Н., Алалыкин А.С. // Вестник ННГУ. Сер. Физика твердого тела. 2005. Вып. 1(18). С. 88.

. Тетельбаум Д.И., Баянкин В.Я. // Природа . 2005. № 4. С. 9.

. Васильев В.К., Азов А. Ю., Баянкин В. Я., Гильмутдинов Ф. З. и др. // Вестник ННГУ. Сер. Физика твердого тела.2003. Вып. 1(6). С. 183

. Павлов П.В., Тетельбаум Д.И., Курильчик Е.В. // Металлы. 1993. № 3. С. 78.

. Тетельбаум Д.И., Курильчик Е.В., Менделева Е.В. / Дальнодействующее влияние облучения светом на микротвердость алюминия и кремния // Изв. РАН. Сер. физ. 2008. Т. 72, №9. С. 1373

. Тетельбаум Д. И., Курильчик Е. В., Менделеева Ю. А., Азов А. Ю.. // Поверхность №4. 2009. С. 94

. Зайцева Е. В., Термические процессы в эффекте дальнодействия в кремнии. Дипломная работа, 2012.

. Левшунова В.Л., Похил Г.П., Тетельбаум Д.И /Эффект волновода для гиперзвука в кремнии с дислокациями.// Поверхность №4. 2013. С. 61

. Синицин Н. И., Ёлкин В. А., Бецкий О. В./Состояние структуры водосодержащей среды живых систем - один из важнейших факторов эффективности биомедицинских радиоэлектронных нанотехнологий миллиметрового и терагерцового диапазонов и технологий будущего//Бюллетень медицинских Интернет-конференций 2012, Т. 2. №6. С. 355

. Хахалин А. В./Влияние низкоинтенсивного электромагнитного поля на водные кластеры в присутствии ионов//Автореферат диссертации на соискание ученой степени канндидата физико-математических наук. Москва, 2006. 24 с.