Fizica-si-Tehnica-Vol-1

8/8/2019 Fizica-si-Tehnica-Vol-1

1/88

UNIVERSITATEA DE STAT ALECU RUSSO

ISSN 1857-0437

FIZIC I TEHNIC:procese, modele, experimente

Revist tiinific a profilului de cercetareProprietile fizice ale substanelor n diverse stri

__1__2006

Bli


2/88

Fondatorul: Universitatea de Stat Alecu Russo

Colegiul deredacie: Nicolae Filip, Academician al Academiei Internaionale a colii

Superioare, Universitatea Alecu Russo, Moldova (redactor sef)

Dumitru Ghiu,Academician al A.. din MoldovaPetru Stoicev, conf. dr. hab., Universitatea Tehnic, MoldovaGheorghe Popa,prof. dr., Universitatea Al.I.Cuza, RomniaValeriu Ureadov, dr. hab., Institutul de Radiofizic, Nijnii Novgorod,RusiaEugen Plohotniuc, conf. dr., Universitatea Alecu Russo, MoldovaVirgil Cheptea, conf. dr., Universitatea Alecu Russo, MoldovaAlexandru Balanici, conf. dr., Universitatea Alecu Russo, Moldova(secretar tiinific)

Tehnoredactare: Eugeniu Cabac, magistru

Design i aspectulpaginii de titlu: Ghenadie Cabac, asist. univ.

Redactori: Ala Sainenco, conf. dr.Elena Sirota, conf. dr.Lara Aladin, lect. sup.

Recenzeni: Petru Stoicev, conf. dr. hab., Universitatea Tehnic, Moldova

Valeriu Ureadov, dr. hab., Institutul de Radiofizic, Nijnii Novgorod,RusiaMihail Rusanovschi, conf. dr., Universitatea Tehnic, MoldovaProfirie Bardachi, conf. dr., Universitatea Tehnic, MoldovaVitalie Chistol, conf. dr., Universitatea Tehnic, MoldovaDumitru Luca, conf. dr., Universitatea Al.I.Cuza, Romnia

Adresaredaciei:Universitatea de Stat Alecu Russo,str. Puchin 38, 3100, Bli, Republica MoldovaTel.: (231)24561, fax: (231)33039

E-mail: [email protected]

Tiparul: Tipografia Universitii de Stat Alecu Russo

Universitatea de Stat Alecu Russo,Presa universitar blean, 2006

ISSN 1857-0437


3/88

CUPRINS

Irina Borisova Alexandru UrsuCalculul numeric al funciilor termodinamice ale unor sisteme cuantice . . . . . 5

Vitalie UrsuUpper critical field on the basis of a two-band model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Andrei Nicorici, Alexandru Rusu, Alexandru Todosiciuc, Virgil ChepteaCaracteristicile unor instalaii pentru studierea efectelor galvanomagnetice . . 18

Mihail Popa, Gheorghe Ioan RusuInfluena tratamentului termic asupra morfologiei suprafeei straturilor subiripolicristaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Mihail Popa, Gheorghe Ioan RusuObinerea straturilor subiri de ZnSe prin metoda evaporrii termice n vid . . 30

Simion BncilStudiul proprietilor termice ale unor metale lichide la temperaturi nalte . . . 37

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 45

Eugeniu PlohotniucUn model parametric de propagare a undelor radio n mediul urban . . . . . . . . 52

Pavel TopalProprieti funcionale ale straturilor de depunere din pulberi formate prinmetoda electroeroziunii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Alexandru Balanici, Pavel TopalInstalaia experimental pentru cercetarea procesului de uzur a suprafeelorplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 , , HF- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Exigene privind prezentarea lucrrilor tiinifice pentru revista Fizic itehnic: Procese, modele, experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85


4/88

CONTENTS

Irina Borisova,Alexandru UrsuNumerical computing of termodinamical functions of quantum systems . . . . 5

Vitalie UrsuUpper critical field on the basis of a two-band model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Andrei Nicorici, Alexandru Rusu, Alexandru Todosiciuc, Virgil ChepteaThe caracteristics of some installations for the study of galvanomagnetic ef-fects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Mihail Popa, Gheorghe Ioan RusuThe influence of heat treatment upon the surface morfology of polycristal-lyne thin films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Mihail Popa, Gheorghe Ioan Rusuhe deposition of ZnSe thin films by thermal evaporation technique undervacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Simion BncilThe study of the thermal properties of some liquid metals at high tempera-tures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Abramciuc Valeriu Experimental investigations of the ionosphere in the before sunrise and aftersunrise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Eugeniu PlohotniucA parametric model or radio-wave propagation in urban environment . . . . . . 52

Pavel TopalFunctional proprieties of the layers of depozition from powders formed byelectroerozion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Alexandru Balanici, Pavel TopalThe experimental installation for reseatch on the wear process of plane sur-faces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Vasilii SharagovON classification of the properties of substances and materials from the posi-tion of system analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Vasilii Sharagov,Olga Azarenko,Galina Lisenkothe section etching by solution HF of the transparent colourless glasses ofindustrial purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Requirements for the presentation of scientificpapers for the journal Physicsand Technics: Processes, models, experiments . . . . . . . . . . . . . . . 85


5/88

Calculul numeric al funciilor termodinamice ale unor sisteme cuantice 5

C.Z.U.530.1

CALCULUL NUMERIC AL FUNCIILOR TERMODINAMICE

ALE UNOR SISTEME CUANTICEIrina Borisova (Gimnaziul feroviar, or. Bli, Republica Moldova),

Alexandru Ursu (Universitatea de Stat Alecu Russo, Republica Moldova)

Se compar metodele mecanicii clasice, ale statisticii clasice i statisticii cuantice utilizate ladescrierea sistemelor macroscopice. Sunt executate expresiile pentru potenialele termodinamice ipentru capacitatea caloric ale sistemelor cuantice idealizate.

Introducere

n calitate de obiect de cercetare a unor sisteme cuantice, n scopul studiuluifunciilor termodinamice, alegem un gaz biatomic, ale crui molecule constau dindoi protoni i un numr anumit de electroni. Deoarece masa nucleului este cu multmai mare dect masa electronului, nucleul se mic cu mult mai ncet dect elec-tronii. Studiind gazul biatomic la presiuni (temperaturi) cu mult mai mici dect pre-siunea (temperatura) de disociere a moleculelor, se poate considera energia mole-culei egal cu suma energiei micrii de translaie a centrului maselor ei n raportcu alte molecule i a energiei interne a micrii de agitaie. Energia intern se com-pune, la rndul ei, din energia micrii electronilor n raport cu nucleele n strile

lor de repausEel, din energia micrii vibratorii a nucleelor n raport cu centrul ma-selor moleculeiEv i din energia micrii de rotaie a moleculei ca un tot ntregEr:EEel+ Ev + Er.

De obicei, Eel >> Ev >> Er (Eel12eV, Ev10-2

10-1eV, Er10-5

10-3eV).Observm c pentru a excita nivelele de rotaie, este necesar o energie minim,adic temperaturi joase; n condiii normale se excit nivelele vibratorii, iar la tem-peraturi de ordinul ctorva mii de kelvini se excit nivelele electronice.

Funcia oscilatorie de stare. Aportul oscilaiilor la calculul energiei i

capacitii termice ale gazului biatomicPentru existena strii stabile a moleculei este necesar ca energia potenial

U(R) s posede un minimum.R este distana relativ dintre nuclee. DistanaR0, ca-re corespunde minimumului energiei poteniale, este distana dintre nuclee (atomi)n stare stabil.

Ecuaia Schrdinger, n cazul oscilaiile atomilor n lungul axei x, poate fiprezentat sub forma:

0

2

2 220

22

2

xW

hdx

d , (1)


6/88

Calculul numeric al funciilor termodinamice ale unor sisteme cuantice6

unde este funcia de und total a moleculei, masa redus a nucleelor, constanta lui Planck, W energia total a moleculei, 0 frecvena circular a os-cilaiilor,x distana dintre nuclee.

Ecuaia (1) reprezint ecuaia oscilatorului armonic n cazul temperaturilorjoase (ns destul de nalte fa de temperatura camerei).n prima aproximaie, molecula biatomic oscilatorie poate fi considerat os-

cilator armonic cuantic, ale crui nivele energetice se calculeaz conform formulei:

2

1nhEn , (2)

unde v este frecvena liniar a oscilaiilor.S calculm funciile termodinamice ale oscilatorului armonic cuantic. Suma

statistic

nT

En

eZ cu evidena (2) se va calcula dup urmtoarea formul:

n

oscn o

hexp

h h 2kTZ exp exp

h2kT kT 1 expkT

(3)

unde Teste temperatura absolut, k constanta lui Boltzmann.Vom exprima h n uniti de energie: hv = kTc, unde Tc este temperatura

caracteristic.

n acest caz, (3) poate fi transcris:exp

2

1 exp

c

oscc

T

TZ

T

T

.

Energia medie corespunztoare micrii oscilatorii este

c

2 2 c cosc n osc

c

Texp

NkT T2TE NE NkT ln Z NkT ln ctg

TT T 2 2Texp

T

, (4)

undeNeste numrul total de molecule ale gazului biatomic.Pentru capacitatea termic obinem:

22

2 2

1 1

4 4( ) ( )2

osc cVosc

c

E TNk h Nk C

h TT kT T sh shkT T

. (5)

Din ecuaiile (4) i (5) observm c dependena energiei medii de vibraie i acapacitii termice de temperatura Ti temperatura caracteristic Tc este destul decomplex.

n cazul temperaturilor nalte (T>> Tc), pentruEosc i CVosc, avem:


7/88


.

,

NkC

NkTE

Vosc

osc

n cazul temperaturilor joase (T>Tc obinem:c

osc 0

TF E NkTln ,

T

cosc

TS Nk Nk ln .

T (9)

n cazul T


8/88


mrimile menionate pentru hidrogen n intervalul de temperaturiT= 3008400K(vezi tabelul 2).

Tabelul 1.

Temperaturile caracteristiceMolecula

Temperatura caracteristicTc, 1000K

MoleculaTemperatura caracteristic

Tc, 1000KH2 6,0 HJ 3,2HD 5,3 CO 3,07D2 4,3 N2 3,34

HCl 4,14 NO 2,69HBr 3,7 O2 2,23

Tabelul 2.

Dependena Cv, S, F, E, Ude temperaturT, K 300 400 500 600 1200T/Tc 0,05 0,0666 0,0833 0,1 0,2Cv/R 8,24.10

- 6,88.10- 8,847.10- 4,54.10- 0,17U/R 3000 3000,018 3000,0368 3000,2724 3040,7019F/R 3.10 2,99999. 10 2,99999. 10 2,99997..10 2,99188.10F/R -6.10- -1,224.10- -3,072.10- -0,027 -8,112S/R 1,12.10- 1,277.10- 2,065.10- 1,279.10- 9,833.10-

T, K 2400 3000 3600 4200 4800 5400T/Tc 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Cv/R 0,608 0,724 0,797 0,8459 0,879 0,903U/R 3536,5529 3909,1058 4397,1391 4891,1135 5409,3067 5944,4503F/R 2,794.103 2,563.103 2,246.103 1,849.103 1,379.103 843,9F/R -205,56 -436,24 -753,6 -1150,7 -1620,38 -2156,07S/R 0,6434 0,8811 1,065 1,204 1, 311 1,393

T, K 6000 6600 7200 7800 8400T/Tc 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4Cv/R 0,92 0,9338 0,944 0,952 0,958U/R 6481,8602 7048,4052 7611,9225 8180,875 8754,1423

F/R 247,9 -403,3 -1105 -1855 -2648F/R -2752,05 -3403,31 -4105,57 -4855,07 -5648,54S/R 1,458 1,51 1,554 1,591 1,622

n fig.1 este indicat dependena mrimilorU, F, S i Cvde raportulc

T

T.

Observm c, la creterea temperaturii, valorile capacitii termice, ale entro-piei, ale energiei libere i ale energiei interne cresc, fapt care poate fi explicat prinexcitarea nivelelor energetice mai nalte. La fel, se observ c temperaturile de or-dinul a 400 K corespund cazului limit al temperaturilor joase, cnd capacitateatermic atinge valoarea de 10-5J/mol.Ki mai mult. Prin urmare, la temperaturi nu


9/88


prea nalte, micarea oscilatorie poate fi considerat ngheat, aportul ei la capaci-tatea termic fiind nul.

a) b)

c) d)Fig. 1. Graficele dependenelorU/R(T/Tc) (a),F/R(T/Tc) (b), S/R(T/Tc) (c), CV/R(T/Tc) (d)

Funcia de stare a micrii de rotaie i aportul rotaieila funciile termodinamice

Energia de rotaie, legat de rotaia moleculei, se calculeaz conform formu-lei

2

( 1),2

rotE l l J(10)

unde leste numrul cuantic azimutal, iarJ- momentul de inerie al moleculei.Vom calcula acum funciile termodinamice ale rotatorului. Pentru aceasta,

calculm mai nti suma statisticnE

T

n

Z e

. Fiecare stare cu o anumit energiede rotaie este de 2l+1 ori degenerat. Prin urmare, suma statistic (funcia de starea micrii de rotaie) o vom reda prin formula:

2l (l 1)2 TJ

rotl

Z (2l 1)e

. (11)

MrimeaZrotdepinde de raportul2

c2

T

8 Th

kTJ

, unde

2

28ch

TkJ

este tempe-

ratura caracteristic a gazului n cazul rotaiei moleculelor:

1

2 1

cT l l

TrotlZ l e

. (12)


10/88


La temperaturi nalte (valori mari ale numrului l) rotaia moleculei este cva-siclasic. Din aceast cauz, suma n raport cu nivelele energetice, luate n parte,poate fi substituit cu integrala n raport cu nivelele aproape contopite.

Introducnd o variabil nou, ),1( lly obinem:cT y

cTrot

0

TZ e dy ,

T

(13)

care coincide cu expresia corespunztoare clasic.n aproximaia urmtoare, pentru calcului funciei de stare, se obine expre-

sia:2 2

2 2

8 1.

3 15.8

rot

JkTZ

JkT(14)

Valoarea dintre paranteze din expresia (14) reprezint corecii la valoareaclasicZrot. Aceste corecii sunt neeseniale la temperaturi T>Tc, diminundu-se imai mult cnd temperatura crete.

n tabelul 3 sunt prezentate temperaturile caracteristice corespunztoare mi-crii de rotaie a unor molecule biatomice.

Tabelul 3.Temperaturile caracteristice de rotaie

Molecula Temperatura caracterist. Tc, K Molecula Temperatura caracterist. Tc, KH2 85,4 HJ 9,0HD 64,1 CO 2,77

D2 43 N2 2,85HCl 15,1 NO 2,42HBr 12,1 O2 2,07

Observm c ntregul domeniu de temperaturi reale se afl cu mult mai susdect Tc. Din aceast cauz, coreciile cuantice la Zrot pentru toate moleculele, nafar de cele mai uoare, nu sunt semnificative.1. La temperaturi joase, n expresia general pentruZtrebuie pstrai numai primii

termeni. Deci

T

T

rot

c

eZ2

31

. (15)n acest caz, pentru energia medie avem

lkTlkTrot eJ

Ne

TNkTE

2

2

2

2

42

242

4

331ln

, (16)

iar pentru capacitatea termic:

kTVrot eklT

N

JC

2

2

42

2

2

2

43

. (17)


11/88


Astfel, la temperaturi foarte joase energia i capacitatea termic descresc ex-ponenial odat cu creterea temperaturii. Observarea reducerii capacitii termiceprin creterea temperaturii este posibil numai n cazul moleculelor uoare.

Energia liber este

,32

T

T

rot

c

NkTeF

(18)

iar entropia:

T

TcT

T

rot

cc

eT

NkTNkeS

22 63

. (19)

2. n cazul temperaturilor nalte se obine:

JkTNkTE

2

2

241

. (20)

Respectiv, capacitatea termic de rotaie la temperaturi nalte este,NkTCV (21)

i deci coincide cu valoarea clasic.Energia liber este

T

T

T

TNkTelNkTZNkTF cc

l

T

llT

rotrot

c

3ln)12(lnln

0

)1(

, (22)

iar entropia:

NkT

TNkS c

rot

ln . (23)Astfel, energia de rotaie i entropia de rotaie la temperaturi joase descresc

exponenial odat cu creterea temperaturii.n tabelul 4 sunt prezentate rezultatele calculului funciilor termodinamice i

al capacitii termice corespunztoare nivelului energetic de rotaie pentru hidrogenn domeniul temperaturilor joase T= 8,54 51,24 Ki n domeniul temperaturilornalte T= 93,94 119,56K.

Din tabelul 4 se observ c, odat cu creterea temperaturii pentru nivelulenergetic de rotaie, cresc valorile entropiei, ale energiei interne, ale energiei libere

dup modul i ale capacitii termice, deoarece se excit nivele energetice mai nal-te. n domeniul temperaturilor nalte, capacitatea termictinde, asimptotic, ctreunitate.

Metodele fizicii statistice de calcul numeric permit, n acest fel, determinareavalorilor funciilor termodinamice i ale capacitii termice a gazelor ideale biato-mice ntr-un spectru larg de temperaturi. Rezultatele aplicrii metodelor mecaniciiclasice la un aa calcul se conin n rezultatele obinute mai sus ca caz limit a tem-peraturilor joase, cnd molecula biatomic devine rigid i aportul la energie al os-cilaiilor atomilor n molecul i micarea de rotaie a moleculei ca un tot ntregdevine nul.


12/88


Tabelul 4.Rezultatele calcului funciilor termodinamice pentru hidrogen

T, K 8,54 17,08 25,62 34,16 42,7T/Tc 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Cv/R 2,47.10-

0,0136 0,1696 0,505 0,879U/R 1,236.10-8 2,723.10-4 7,635.10-3 4,042.10-2 0,1098F/R -5,28.10-8 -2,32.10-3 -9,78.10-2 -0,6905 -2,346S/R 1,298.10-7 1,498.10-3 2,927.10-2 0,1212 0,2747

T, K 51,24 93,94 102,48 111,02 119,56T/Tc 0,6 1,1 1,2 1,3 1,4Cv/R 1,18 1 1 1 1U/R 0,214 65,47 74,01 82,55 91,09F/R -5,483 -37,42 -47,15 -57,59 -68,69S/R 0,4637 1,095 1,182 1,262 1,336

Bibliografie

1. , .., ,, , 1973.

2. Landau, L.D., Lifi, E.V., Mecanica cuantic, Bucureti, Editura tehnic,1965, 622 p.

3. , .., , .., , , ,1964, 567 c.

4. , .., , , , 1954,588 c.5. , .., , .., , .., ,

, . - ., . I, 1962. 695 c; . II, 1962, 819c.

6. , .., , , ,1983, 664 c.

NUMERICAL COMPUTING OF THERMODYNAMICALFUNCTIONS OF QUANTUM SYSTEMS

Irina Borisova (Railway Gymnasium, Bli, Republic of Moldova),Alexandru Ursu (State University Alecu Russo, Republic of Moldova)

A comparison of various methods, such as classical mechanics and classical and quantumstatistics, is provided for the description of macroscopic systems. The formulas and the computercode for calculating thermodynamic potentials and caloric capacity of idealized quantum systemsare developed. The results are presented in table and chart formats.

Prezentat la redacie la 30 noiembrie 2005


13/88

Upper critical field on the basis of a two-band model 13

C.Z.U.537.312.62.01

UPPER CRITICAL FIELD ON THE BASIS

OF A TWOBAND MODELVitalie Ursu

(Institute of Applied Physics, Academy of Sciences, Republic of Moldova)

The discovery of the high temperature of transition in superconducting state Tc ~ 40K in thesimple intermetallic compound MgB2 [1] has stimulated researches of these material properties bothin the experimental and theoretical plans. The significant result of these researches is the discoveryof two energetic gaps in the spectrum of the elementary excitations [2] and the possibility of theo-retical describing of this compound on the base of the two-band model [3].

This two-band model and its generalization for the anisotropic value of theenergetic gaps 1 and 2 case, [4, 5] confirm the experimental results for the ther-mal capacity Cs dependence on temperature, the penetration depth of the magneticfield and other characteristics in the MgB2compound.

As it is known, the superconductivity metals undergo a transition from thesuperconductivity phase into normal in the magnetic field at some its value. Thistransition which is relevant to the full penetration of the magnetic field into the su-perconductor, occurs in the moment when the field achieves the value of the uppercritical fieldHc2.

The main purpose of the work is researching of pure two-band superconduc-tor of the secondary type for arbitrary temperatures close to the upper critical fieldand the definition of temperature dependence of theHc2value. The calculations arebased on the fundamental equations of the electrodynamics of two-band supercon-ductors [6], which are valid both for pure and doped superconductors.

If the exterior magnetic field is great enough the order parameters m(m = 1, 2) of two-band superconductor is small, and we can use equations ref. [6]for pure two-band superconductor:

nn

nnnnnmnm xygyxygydVx

1. (1)

We restricted here by linear terms on n quantities in comparison with re-duced in [6] because in the 2 CH H point occurs solutions with the infinitelysmall values m. Green function defines by equation at presence of the magneticfield [7]:

rrgerrg nnrri

nn0 ,

r

r

ldlAerr (2)

where 0'nng - Green function of an electron in normal metal without magnetic field.The presence of the magnetic field is taken into account by the phase multiplier.


14/88

Upper critical field on the basis of a two-band model14

We decompose in equation (1) the normal metal function 0'nng into the row

by the Bloch functions NxUexkn

xki

kn

r(

knU - the Bloch amplitude):

kkknkn

nnnn xykkgxyg 00 . (3)

and use approaching of the diagonal Green functions. Magnetic field is guidedalong the z-axis. Besides choose the vector potential asAx = Az = 0; xHAy 0 .

On the base of (1) - (3) after calculating the integral by impulsek, averaging

by elementary cells, applying Maki and Tsuzuki methods [7] and assum-ing { }20e=)( xHxpx mm , we obtain:

,1 /

n

2/1n

ush

12u4

20I

1)2u(4

2expd

u

ud*n

/21n

n

Nn

mnV*

m

(4)

where n andNn are accordingly electron speed and electron density of state on n-thcavity of the Fermi surface,

;2 )(0

2/10

'n

D

nn

eHe

( )20

2n

n T2

Hev

= (5)where is the Euler constant , )(nD is the cut-off frequency.

Basing on (5) it is easy to obtain the equation for the upper critical field defi-nition in the next view

( )

2 2 22ln ln 0 ,n

cDm nm n n nm n n n

n nc

TV N V N f

T T

(6)

where

( )

=0 1 2/1n

2/1

nn ]u[shu

uddf

1

41

4exp1 2

2

0

22

uIu (7)

Equality to zero of the system (6) determinant corresponds to the presence ofnon-zero solutions, that is the connected pairs forming. The field, in the presence ofwhich such solutions can appear, is the upper critical field 2CH . So the 2CH valuedefines from the condition of the system (6) solvability:

a f f f f C 1 2 1 1 2 2 0( ) ( ) ( ) , (8)where

( )nn n nn cN V (n = 1,2).

C N V N V a a N N V V V V T T T T 1 1 11 1 2 2 2 2 1 2 1 2 11 22 12 21 ( ) ( ) ( ) ( ) ; ;


15/88


Tn D

n

cn D

n

cT T( )

( )( )

( )

ln ; ln . 2 2

The analytic solutions to equation (8) could be computed for two limit cases

as follows: .


16/88

Upper critical field on the basis of a two-band model16

and 2 of the electrons on the Fermi surface, and on the constants of the electronic-phonon interaction nm.

IfH02c (0) and Tc0 are introduced (upper critical field and critical temperature

of the one-band low-temperature superconductor), on the base of (14) we obtain: H H T T

v

vv vc c c c2 2

00

2 1

2

0 0 1( ) / ( ) / exp ( ) . (15)

The numerical estimations let us come to conclusion, that the upper criticalfield of two-band superconductors for T=0 can exceed the value ofH02c (0) forusual superconductors by two-three orders. These big valuesHc2(0) are provided byhigh Tc and by ratio v1/ v2 >1 or>>1.

Our goal is to research the dependence from the temperature of the value Hc2for the connection MgB2in the whole temperature interval 0 < T < Tc. For this is

necessary to estimate the parameters of the two band theory nm, using the experi-mental data obtained by researching this substance [8], [9] :

78,0,8,0,8,3)0(

)0()0(;8,6)0(

2

1

2

11

CTTN

NS

C

CC

N

NZmev . (16)

In correspondence with the two-band theory of superconductors we have [10]

78,0,8,0,8,3)0(

)0()0(;8,6)0(

2

1

2

11

CTTN

NS

C

CC

N

NZmev , (17)

where

aZVNVN )0(/)0( 122222 ,

)0()0(

)0(ln 121212

222111 ZVNZ

NVVNVNZa . (18)

Lets consider that N V2 22 0 , which corresponds to the passivity of the sec-ond zone in forming of the Cooper pairs. On the base of data (16) and equations(18) we get: for K700)2()1( DD , 12,0,3,0 122111 VNVN ; for ,500

)1( KD

13,0,33,0 122111 VNVN ; for 16,0,42,0,300 122111 VNVNKD .

The heat capacity jump at T = Tc is determined by the relation [10]

C C

C

N N Z

N N N N Z S N

N

c

c

1 43

1 22 2

1 2 1 24

,/

/,

ZT T

T T

N V

N Vcc

c

c

c

1

2

2 22

1 12

1

. (19)

The estimate of the ratio Zc on the base of experimental data (16) and on thebase of the first formula (19) gives the valueZc = 3,19. The second formula (19)gives the valueZc = 3,26. So we conclude that 1 (T)/2 (T) isnt a constant value

sinceZ (0) > Zc.


17/88


On the fig.1 is presented the dependence of the upper critic fieldHc2from thetemperature, which is obtained by numerical method of solving the equation (8)and using its analytic solutions when T


18/88

Caracteristicile unor instalaii pentru studierea efectelor galvanomagnetice18

CZU 537.633.2.001.73

CARACTERISTICILE UNOR INSTALAII PENTRU

STUDIEREA EFECTELOR GALVANOMAGNETICEAndrei Nicorici, Alexandru Rusu, Alexandru Todosiciuc

(Laboratorul Internaional de Supraconconductibiliate i ElectronicaSolidului al A.., Republica Moldova),

Virgil Cheptea (Universitatea de Stat Alecu Russo, Republica Moldova)

Se caracterizeaz parametrii instalaiilor pentru msurarea tensiunii termoelectromotoare, arezistenei electrice i a tensiunii Hall. Pentru calibrarea lor au fost studiate trei probe de n-InSb. Aufost stabilite dependenele =(T), n=(T), RH=(T), H=(T).

n ultimele decenii, n electronica aplicat i n construcia aparatelor de m-sur, a avut loc o revoluie, care, n fond, se datorete perfecionrii dispozitivelorsemiconductoare cu puritate nalt. Perfecionarea tehnologiei de obinere a unorasemenea materiale semiconductoare a fost stimulat i de tendina de a dirija pro-prietile lor fizice. Din acest motiv, prezint un interes deosebit cercetrile expe-rimentale ale acestor materiale semiconductoare. Un material bine studiat esteantimonidul de indiu. Exist chiar o teorie special dedicat acestui semiconductor(teoria lui Kane) [1, 2]. n practic, el este folosit ca etalon pentru calibrarea insta-laiilor experimentale utilizate la studierea proprietilor fizice a semiconductoare-lor, n particular, a fenomenelor galvanomagnetice.

Caracteristicile instalaiei pentru msurarea tensiunii termoelectromotoare

Instalaia pentru msurarea tensiunii termoelectromotoare utilizat n Labo-ratorul Internaional de Supraconductibilitate i Electronica Solidului (LISES) alA.. din Moldova const din urmtoarele componente: blocul de alimentareTEC18, blocul de comutare, blocul de termostabilizare, un aparat de tipul 300.Schema bloc a instalaiei este prezentat n fig. 1.

Fig. 1. Schema bloc a instalaiei pentru msurarea tensiunii termoelectromotoare: 1 ca-mera de msurare; 2 susintor cu prob; 3 termometru; 4 proba din InSb; 5 nclzitor elec-tric.


19/88


20/88


Caracteristicile instalaiei pentru msurarea conductibilitii electrice

Instalaia pentru msurarea conductibilitii electrice utilizat n LISES alA.. din Moldova const din urmtoarele componente (vezi fig. 3): susintor spe-cial (n figur nu este indicat), surs de curent continuu de tipul 5-49, vasulDewar, calculator, termocuplul T, aparat de msurare de tipul300.

Fig. 3. Schema bloc a instalaiei pentru msurarea conductibilitii electrice.

Spre deosebire de instalaia pentru determinarea coeficientului termoelectric,instalaia respectiv permite prelucrarea datelor experimentale n mod automat cuajutorul calculatorului.

Msurrile se efectueaz n intervalul de temperaturi 78-300 K. Instalaiapermite comutarea direciei curentului electric, micorndu-se, astfel, eroarea con-diionat de inexactitatea aranjrii contactelor electrice pe probe.

Iniial, proba se rcete pn la 77 K, apoi, dup evaporarea surplusului deazot, temperatura probei se va ridica, treptat, pn la temperatura camerei.

Conductibilitatea electric a probei se determin cu ajutorul relaiei (1).Eroarea relativ a msurrilor este de circa 7%.Msurrile pentru determinarea conductibilitii electrice a probelor din InSb

au fost efectuate i cu ajutorul unor instalaii care au la baz puntea de curent con-tinuu P3009 i poteniometrulP363-3, confecionate n laboratorul "Metode expe-rimentale de studiere a proprietilor fizice ale substanei" al Universitii de Stat

Alecu Russo. Aceste instalaii asigur promovarea msurrilor cu o precizie nal-t, iar rezultatele obinute cu ajutorul lor pot servi ca msurri de control (la tempe-ratura respectiv). Schemele instalailor pentru msurarea rezistenei electrice cuajutorul puniiP3009 i poteniometruluiP363-3 sunt prezentate n fig. 4.

n fig. 4a i 4b, SCC sursa de curent continuu; S ntreruptor; V voltme-tru (cu limitele de msurare respective); Rp rezisten adiional variabil; S1 cheie dubl pentru inversarea sensului curentului electric; Rx rezisten necunos-cut (n cazul nostru proba dinInSb);AC autocompensator; rc fire de conexiune( rc 0,001); 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, T1, T2 T3, T4 cleme pentru conectarea

rezisteneinecunoscute i rezisteneietalon;A ampermetru (cu limitele de msu-rare respective);Rsc rezisten a firelor de scurtcircuitare;X1 iX2 borne pentru


21/88

Caracteristicile unor instalaii pentru studierea efectelor galvanomagnetice 21

msurarea cderilor de potenial pe rezistena necunoscut i rezistena etalon, -surs de curent exterioar.

a) b)Fig. 4. Schemabloc a instalaiei pentru msurarea rezistenei electrice cu ajutorul punii

P3009 (a); Schemabloc a instalaiei pentru msurarea rezistenei electrice cu ajutorul poteniome-trului P363-3 (b).

Precizia msurrilor la instalaia confecionat pe baza punii duble este deordinul a 0,02 0,2%. O precizie i mai nalt la determinarea rezistenei electrice aprobei se poate obine efectund msurrile cu ajutorul instalaiei confecionate pebaza poteniometruluiP363-3 (fig. 4.b).

Rezultatele experimentale obinute la determinarea conductibilitii electrice

cu ajutorul acestor instalaii coreleaz cu rezultatele obinute prin utilizarea instala-iei prezentate n fig. 3.

Caracterizarea instalaiei pentru msurarea tensiunii Hall

Instalaia utilizat n LISES al A.. din Moldova pentru msurarea tensiuneiHall const din urmtoarele componente (vezi fig. 5): susintor special (n figurnu este indicat), surs de curent continuu de tipul 5-49, vas Dewar, calculator,termocuplu T, aparate de msurare de tipul 300, solenoid, bloc de alimentare lsolenoidului.

Fig. 5. Schema-bloc a instalaiei pentru msurarea tensiunii Hall.

P363-3


22/88


Instalaia permite modificarea simultan a direciei curentului electric ce trece

prin prob i prin solenoid. Constanta Hall i mobilitatea se determin dup formu-lele [3]:

;B

1

I

UbR

zx

y

H =

z

y

H BU

U

d

c 1=

,

iar concentraia purttorilor de curent dup formula:Hen ,

unde b distana ntre contactele electrice 3 i 4 (fig. 6); Bz inducia cmpuluimagnetic; U diferena de potenial dintre contactele electrice 4 i 5;Uy tensiunea Hall; d grosimea probei.

Msurrile pot fi efectuate n intervalul de temperaturi de la 78Kpn la 300Kpeste fiecare 4K. Cmpul magnetic este de ordinulB = 0,84 T. Precizia msur-rilor la aceast instalaie nu se deosebete esenial de cea obinut la instalaia pen-tru msurarea conductibilitii electrice, ns exist un ir de efecte secundare decare trebuie s se in cont: T.E.M. neechipotenialitii, efectul magnetorezistiv,tensiunea termoelectromotoare, galvano-termomagnetic transversal, termogalva-nomagnetic, termomagnetic, electrotermic (tensiunea electrotermic i termo-magnetic depind de direcia curentului electric i a cmpului magnetic).

Din aceast cauz, tensiunea msurat la contactele Hall se definete ca sumaalgebric:

i

iy UUU .

Pentru a micora influena efectelor galvano- i termomagnetice, este necesa-r asigurarea unei geometrii corecte a plasrii contactelor i balansarea lor electric,iar cmpurile primare (Exi Bz) trebuie s fie omogene.

Probele semiconductoare studiate

Au fost cercetate trei probe de tipul n InSb (fig. 6).


23/88


Fig. 6. Proba pentru msurarea efectului Hall i conductibilitii electrice.

Dimensiunile probelor utilizate, care au forma unui paralelipiped regulat, sntdate n tabelul 1.

Tabelul 1.Parametrii geometrici ai probelor

Nr. probei a b d h1 3,7 mm 2,9 mm 0,7 mm 0,05 mm2 4,5 mm 2,2 mm 0,6 mm 0,07 mm3 3,5 mm 3,0 mm 0,7 mm 0,08 mm

E de menionat c forma i dimensiunile probelor pot influena considerabilasupra fenomenelor galvanomagnetice. Cercetrile detaliate ale influenei geome-

triei probei asupra lor au fost efectuate n 3, 5.n fig. 7 este reprezentat dependena tensiunii Hall de raportul dintre lungi-mea i limea probei. Se observ c, pentru a/b 3, este necesar raportarea tensi-unii Hall la coeficientul de corecie Ka/b=Ums/Uy . Dac a/b 3, se consider ctensiunea msurat Uy este egal cu tensiunea Hall.

Fig. 7. Dependena coeficientului Ka/b=Ums/Uy de raportul a/b.

Pentru determinarea coeficientului de corecieKa/b, s-a folosit urmtoarea ex-presie [5]:

31

981161

22

2/

ba

ba

ba eeK . (4)

n tabelul 2 sunt prezentate valorile coeficientului de corecie Ka/b, calculatedup relaia (4) pentru cteva valori ale raportului a/b i eroarea corespunztoare ,ce apare dac nu inem cont de coeficientul de corecie Ka/b:

Tabelul 2.Valorile coeficienilor de corecie

a/b 0,5 1 2 3 4 5

Ka/b 0,394 0,683 0,930 0,985 0,997 0,9994, % 60,6 31,7 6,96 1,46 0,3 0,06


24/88


inndu-se cont i de factorul geometric, se poate afirma c eroarea admis

la efectuarea msurrilor pentru cercetarea efectului Hall cu instalaia descris estede ordinal a 810 %.

Rezultatele experimentale

Rezultatele experimentale obinute cu ajutorul instalaiilor analizate mai sussnt prezentate n fig. 8 -12.

S-a msurat, de asemenea, tensiunea termoelectromotoare n intervalul detemperaturi 280308K. Valoarea coeficientului n acest diapazon de temperaturivariazntre 198,7 i 210,5 V/K.

Rezultatele obinute cu ajutorul instalaiilor descrise mai sus snt n

concordan cu rezultatele lucrrilor [4, 6, 7, 8, 9].

Fig. 8. Dependena conductibilitii electricede temperatur

Fig. 10. Dependena constantei Hall de tem-peratur

Fig. 9. Dependena concentraiei electronilorn InSb de temperatur

Fig. 11. Dependena 2/3 de temperatur


25/88


Fig. 12. Dependena mobilitii Hall de temperatur

Bibliografie

1. , ., III IV, , 1967, 483 c.

2. , // . , 1968, 280 c.

3. , . ., , , , 1974, 180 c.

4. Madelung, O., Weiss, H. Zs.,Naturforsch, 9a, 527.5. Kuhrt, F., Lippmann, H. J.,Hallgeneratoren und Muwendungen, Springer, Ver-

lag, 1968.

6. , . ., , . ., - // . 8, 1965, 190 c.7. Hrostowski, H. J., Morin, F. J., Geballe, T. H., Wheatley, G.H., Phys. Rev.,

100, 1672.8. Rupprecht, H., Weber, J. E., Weiss, H. Zs.,Naturforsch, 15a, 783.9. Roberts, V., Quarrington, J.E., Journ. Electron., 1, 152, 1955.

THE CHARACTERISTICS OF SOME INSTALLATIONS FOR THESTUDY OF GALVANOMAGNETIC EFFECTS

Andrei Nicorici, Alexandru Rusu, Alexandru Todosiciuc(International Laboratory of Superconductivity and Electronics of Solid of the

Academy of Sciences, Republic of Moldova),Virgil Cheptea (State University Alecu Russo, Republic of Moldova)

The parameters of installations for measurement of thermoelectromotive force, electroresis-tance and voltage of Hall are characterized. Three samples of n- InSb were investigated. The depen-dences =(T), n=(T), RH=(T), =(T) were established.

Primit la redacie la 22 decembrie 2005


26/88

Influena tratamentului termic asupra morfologiei suprafeei straturilor subiri 26

C.Z.U.538.9

INFLUENA TRATAMENTULUI TERMIC ASUPRA

MORFOLOGIEI SUPRAFEEI STRATURILOR SUBIRIPOLICRISTALINE

Mihail Popa (Universitatea de Stat Alecu Russo, Republica Moldova),Gheorghe Ioan Rusu (Universitatea Al. I. Cuza, Romnia)

Straturile subiri deZnSe (cu grosimea d = 0.42 1.23 m) au fost preparate pe suporturi desticl prin evaporare termic n vid, n volum cvasi-nchis.

Morfologia suprafeei straturilor subiri policristaline a fost studiat prin microscopie elec-tronic de baleaj. Imaginile obinute arat c straturile sunt compacte i uniforme, cu granulaie fin.Rugozitatea straturilor are valori cuprinse ntre 20 i 60 nm. S-a constatat, de asemenea, c pentrueantioanele tratate termic grunii cristalini devin mai mici.

Micorarea dimensiunilor cristalitelor, ca rezultat al tratamentului termic, a fost stabilit iprin calculul acestor dimensiuni din difractogramele trasate pentru straturile subiri tratate termic.

Introducere

Metodele de studiu ale straturilor subiri se divizeaz n metode pentru studiulstraturilor superficiale ale probelor i metode pentru studiul structurii ntreguluistrat (n volum) pe ntreaga sa adncime. Pentru studiul structurii straturilor subirise folosesc cu mult succes radiaiile Xi electronice, precum i alte metode de ana-liz. Cu ajutorul radiaiilorXpoate fi studiat att starea suprafeei, ct i stratul ntoat profunzimea sa (analiza n volum). n acest scop se folosete fie difracia ra-diaiilorXpe planele cristaline, fie reflexia fluxului de radiaiiXpe suprafaa pro-belor (metoda topografic).

Pentru investigarea morfologiei suprafeei straturilor subiri se folosete pelarg Microscopia cu For Atomic (Atomic Force Microscopy AFM), Microsco-pia Electronic de Baleaj (Scanning Electron Microscopy SEM) i MicroscopiaElectronic prin Transmisie (Transmission Electron Microscopy TEM).

Scopul acestei lucrri este de a prezenta influena tratamentului termic asupra

morfologiei suprafeei straturilor subiri de ZnSe. Rezultatele obinute au fost ana-lizate raportate fiind la rezultatele obinute n studiul structurii straturilor subiri.

Coninutul lucrrii

Investigarea suprafeei straturilor subiri a fost realizat prin microscopieelectronic de baleaj (SEM) folosindu-se un microscop electronic cu baleaj tipTESLA BS-300, cu rezoluie de 10 nm.

Caracteristicile structurii cristaline i orientarea cristalitelor n straturile sub-iri deZnSe au fost studiate prin difracie de radiaii Xcu ajutorul unui difractome-tru tip DRON-2, care folosete radiaia CoK cu lungimea de und = 1,790 .Parametrii tubului Roentgen: tensiunea de accelerare U= 20 32 kV; curentul din


27/88


tub i = 10 22 mA; ltimea ferestrei:F1 = 2 mm,F2 = 0.5 mm; viteza unghiular, = 10 20 0/min; viteza liniar de derulare a hrtiei inscriptorului, v = 720 780mm/s.

Rezultate experimentale. Analiza rezultatelor experimentale

n scopul obinerii informaiei referitoare la structura straturilor, am apelat lamicroscopia electronic de baleaj (SEM). Imaginile SEM au fost obinute prin m-riri succesive ale unor poriuni din ce n ce mai mici de pe suprafa probei respec-tive pentru a putea distinge structura policristalin a stratului.

Imaginea SEM a suprafeei unui strat subire de ZnSe este prezentat n figura1a. Se observ c eantionul prezint cristalite de dimensiuni mici, iar forma i di-mensiunile acestora sunt asemntoare. Rugozitatea straturilor are valori cuprinse

ntre 20 i 60 nm. Imaginea suprafeei stratului constituie un indiciu al unei creteride tip columnar a straturilor (cristalitele au forma unor coloane crescute perpen-dicular pe suport).

a) b)Fig. 1. Efectul tratamentului termic asupra imaginilor SEM ( 12000) ale suprafeei unui

strat subire deZnSe (d= 0.91 m, Tsup = 300K, rd= 1.72 nm/s): a) prob netratat termic, b) probtratat termic.

a) b)Fig. 2. Efectul tratamentului termic asupra imaginilor SEM ( 3000) ale suprafeei unui strat

subire deZnSe (d= 0.91 m, Tsup = 300K, rd= 1.72 nm/s): a) prob netratat termic, b) prob trata-t termic.


28/88


Aici sunt reprezentate, de asemenea, imaginile SEM pentru straturile subirideZnSe obinute naintea (fig. 1a i 2a) [1, 2] i dup tratamentul termic (fig. 1b i2b) [1, 2]. Se observ c tratamentul termic determin o micorare a dimensiunilorcristalitelor. n acelai timp, ar putea avea loc i o cretere a nlimii cristalitelor,adic o alungire a acestora, fapt pus n eviden i prin apariia unor mici domeniinegre pe imaginile din figura 2b, care vorbete despre apariia unor zone adnci nstructura straturilor subiri deZnSe.

Anume aceste modificri de structur influeneaz proprietile electrice ioptice ale straturilor subiri deZnSe.

Micorarea dimensiunilor cristalitelor, ca rezultat al tratamentului termic, afost stabilit i prin determinarea acestor dimensiuni din difractogramele trasatepentru straturile subiri deZnSe tratate termic (fig. 3 i 4).

Fig. 3. Difractograma de radiaiiX(CoK, = 1,790) pentru proba A.077.

Datorit faptului c difractogramele straturilor subiri de ZnSe, studiate denoi, prezint un singur maxim intens corespunztor planelor (111), dimensiuneacristaliilor a fost determinat folosindu-se doar datele pentru acest maxim.

n condiiile n care profilul liniei de difracie este considerat de tip gaussian,dimensiunea cristaliilor n direcia normal la suprafaa stratului se poate determi-

na cu ajutorul relaiei [3, 4, 5] 222 tg

dd

4cosL9.0

, (1)

unde: reprezint semilrgimea corectat a maximului de difracie (111), ; estelungimea de und a radiaieiXutilizate,; unghiul de difracie, grade; d dis-tana interplanar calculat dup relaia Bragg (4.6), m; d/d microtensiunea, iarL dimensiunea medie a cristaliilor pe direcia perpendicular la planul de difrac-ie,.

Microtensiunile din strat au fost estimate n conformitate cu relaia:

ddd

dd 0 , (2)


29/88


n care d0 = 3.272 este distana interplanar n direcia [111].

Fig. 4. Difractograma de radiaiiX(CuK, = 1.5418) pentru proba A.097.

Valorile medii ale dimensiunilor cristaliilor n direcia [111], L, evaluate nconformitate cu relaia (1), pentru probe obinute n diverse condiii experimentalesunt prezentate n tabel.

Se constat c tratamentul termic duce la o uoar scdere a dimensiunilorcristalitelor, determinate prin acest procedeu.

Dimensiunile cristaliilor straturilor subiri de ZnSe

Proba d, m Tsup,K Radiaia rd, nmL,

prob netratat termic prob tratat termicA.050 0.50 300 CoK 1.790 320 300A.077 0.77 300 CoK 1.790 336 310A.065 0.65 300 CuK 1.542 330 303A.099 0.99 300 CuK 1.542 338 316

Concluzii

Analiza eantioanelor obinute au demonstrat c straturile subiri de ZnSesunt policristaline, cu cristalite de dimensiuni mici i au o structur cubic de tipblend de zinc. Straturile sunt compacte i prezint o rugozitate mic.

n rezultatul tratamentului termic, dimensiunea medie a cristalitelor semicoreaz de la 338 pn la circa 300.

Bibliografie

1. Rusu, G.I., Popa, M.E., Salaoru, Iu., Rusu, G. G., The influence of the heattreatment on the electrical and optical properties of polycrystalline ZnSe films

// Analele tiinifice ale Universitaii Al.I.Cuza din Iai, seria Fizica Plasmeii Spectroscopie, 2001, T. XLVII, p. 149-156.


30/88

Obinerea staturilor subiri de ZnSe prin metoda evaporrii termice n vid30

2. Popa, M.E., Salaoru, Iu., Rusu, G. I., Studies on the optical properties ofpolycrystalline ZnSe thin films // Conferina Naional de Fizic, Iai, 18-20 oc-tombrie, 2001, p. 121.

3. Popa, M.E., Contribuii la studiul proprietilor electrice i optice ale unorcompui semiconductori binari n straturi subiri: Rezumatul tezei de doctorat,Universitatea Al. I. Cuza, Iai, 2003, 56 p.

4. Klug, H.P., Alexander, L. E., X-ray Diffraction Procedures for Polycrystallineand Amorphous Materials, 2nd end.-New York, Wyley, 1974, 420 p.

5. Cullity, B.D.,Elements of X ray Diffraction, London, Addison Wesley, 1990,450 p.

THE INFLUENCE OF HEAT TREATMENT UPON THE SURFACEMORPHOLOGY OF POLYCRYSTALLINE THIN FILMS

Mihail Popa (State University Alecu Russo, Republic of Moldova)Gheorghe Ioan Rusu (University Al. I. Cuza, Romnia)

Zinc selenide (ZnSe) thin films (with thickness d= 0.42 1.23 m) were deposited onto glasssubstrates by quasi closed volume technique under vacuum.

The surface morphology of polycrystalline thin films has been investigated by scanning elec-tron microscopy. The obtained images show that thin films are compact and uniform, with gentlegranulation. The films roughness has dimensions between 20 and 60 nm. It has also been proventhat for the heat treated probes the crystal granules become smaller.

The decrease of the crystallite sizes, after heat treatment, was established by calculating these

dimensions from the difractograms obtained for the heat treated thin films.

Prezentat la redacie la 18 noiembrie 2005

C.Z.U.538.9

OBINEREA STRATURILOR SUBIRI DEZnSe PRIN

METODA EVAPORRII TERMICE N VIDMihail Popa (Universitatea de Stat Alecu Russo, Republica Moldova),

Gheorghe Ioan Rusu (Universitatea Al. I. Cuza, Romania)

Au fost obinute straturi subiri de ZnSe prin metoda evaporrii termice n vid, n volumcvasi-nchis, folosind instalaia de tip UVN70A1. Pentru a prepara probe cu caracteristici structu-rale diverse i deci cu proprieti electrice i optice posibil diferite, au fost proiectate i realizateunele dispozitive suplimentare la instalaia de depunere: dispozitiv de fixare a suporturilor, mtipentru prepararea straturilor subiri i a suporturilor, ecrane de protecie etc. Dispozitivele realizateau permis obinerea unor straturi subiri policristaline de ZnSe n diverse condiii: temperatura su-

portului n timpul depunerii a variat ntre 1000 i 1500 K. Distana evaporator suport a fost modi-ficat ntre 70 i 120 mm. Au fost obinute straturi subiri cu grosimi cuprinse ntre 0.15 i 1.70 m.


31/88

Obinerea staturilor subiri de ZnSe prin metoda evaporrii termice n vid 31

Introducere

Straturile subiri se aplic pe scar larg n numeroase domenii ale tiinei itehnicii. Cele mai spectaculoase aplicaii ale straturilor subiri metalice, semicon-ductoare, dielectrice etc. se fac n microelectronic, electronica frecvenelor nalte,tehnica laserilor, automatic i calculatoare etc.

Cu straturi subiri se construiesc filtre i oglinzi optice speciale, tensometre,detectoare de radiaii, bolometre, baterii solare, dispozitive optoelectronice i altenumeroase i variate dispozitive mult solicitate n industrie i tehnic [1-3].

Ca urmare, odat cu creterea aplicaiilor straturilor subiri, a crescut i inte-resul fa de proprietile i caracteristicele acestor straturi, au fost elaborate meto-de noi de obinere a acestora.

Straturile subiri pot fi obinute prin metode mecanice, chimice, precum i

prin condensare din faz gazoas. Metoda condensrii din faz gazoas nscrie maimulte procedee prin care pot fi obinute straturile subiri: evaporare termic n vid, pulverizare catodic, pulverizare n plasm, reacie n faz de vapori (cretereepitaxial), reacii de oxidare etc.

Cel mai frecvent utilizat procedeu de obinere a straturilor subiri prin con-densare din faz gazoas este evaporarea termic n vid sau n atmosfer inert,acest procedeu prezentnd avantajele care-l fac accesibil i, ca atare, destul de rs-pndit.

n calitate de material de evaporat am folosit cristale de seleniur de zinc.

Straturile obinute au fost utilizate pentru studiul proprietilor electrice, optice ifotoelectrice ale ZnSe. Obinerea straturilor de nalt calitate, corelarea condiiilorde depunere cu structura acestora au constituit obiectivele cercetrii noastre. O altsarcin important a fost studierea influenei tratamentului termic asupra structuriii morfologiei de suprafa a eantioanelor obinute.

Coninutul lucrrii

Procesul de obinere a straturilor subiri prin evaporare termic n vid decurgen dou etape principale: evaporarea substanei care trebuie depus i condensarea

ei ulterioar pe un suport adecvat. Procesul de condensare depinde puternic detemperatura suportului, de natura i gradul lui de curenie, precum i de ali para-metri, care pot varia n timpul formrii stratului pe suportul de condensare. Dintreacetia pot fi menionai unii parametri intrinseci, proprii substanei evaporate(temperatura de topire, de sublimare, natura materialului etc.), precum i unii pa-rametri care caracterizeaz procesul de evaporare-condensare, cum ar fi distanaevaporator-suport, gradul de vid, densitatea fasciculului atomic (molecular), tempe-ratura critic de condensare, mobilitatea atomilor pe suprafaa suportului, prezenacmpurilor magnetice sau electrice, a radiaiilor, a impuritilor etc. De parametrii

enumerai depinde n mare msur structura cristalin, aderena la suport, grosimea,


32/88


compoziia stoechiometric, precum i alte proprieti fizico-chimice ale straturilorsubiri obinute.

Fig. 1. Poziia evaporatoarelor n interiorul camerei de evaporare.

Pentru prepararea straturilor subiri deZnSe s-a utilizat instalaia automat dedepunere n vid tip UVN 70A 1, n care depunerea straturilor se poate face si-multan cu patru evaporatoare (trei poziii de evaporare) (fig. 1) cu posibilitatea de aobine 6 18 eantioane (18 dispozitive de fixare 6 suporturi) n acelai timp sause poate utiliza un singur evaporator, ntr-o camer de depunere seminchis i cuun volum mai mic dect al incintei de lucru (fig. 2).

n cazul folosirii simultane a celor patru evaporatoare, se acioneaz un me-canism special (9) care rotete suporturile (7) cu o vitez constant. Aceasta poatefi modificat n funcie de condiiile de depunere.

Fig. 2. Incinta de depunere a straturilor subiri de ZnSe prin evaporare termic n vid.Elemente componente: 1 tije metalice; 2 evaporator; 3 camer de depunere seminchis;4 masc metalic; 5 suporturi izolatoare; 6 plac-suport; 7 dispozitiv de fixare a suporturilor;8 termistor; 9 dispozitiv de rotire a suporturilor; 10 lmpi cu halogen; 11 ax rotitor;12 ecran mobil; 13 tije metalice.


33/88


Partea principal a instalaiei de vid este clopotul (fig. 2), care este confecio-nat din oel inoxidabil i nemagnetic i are dou ferestre rotunde cu diametrul de150 mm fiecare, destinate observrii i controlului evaporrii substanei din evapo-rator. Pe peretele exterior al clopotului este fixat o serpentin prin care circul apanecesar rcirii sistemului. Ridicarea i coborrea clopotului se face cu un dispozi-tiv de acionare hidraulic [4].

Vidul preliminar (510-2 110-2Torr) se realizeaz cu ajutorul unei pomperotative mecanice. n cazul n care instalaia funcioneaz cu rcire cu ap, pompade difuzie cu ulei realizeaz un vid de 10 -5Torr, iar n cazul folosirii azotului lichidse poate atinge o presiune de 10-6 Torr[4].

Timpul de evaporare se poate msura fie direct cu un cronometru, fie cu undispozitiv de nregistrare automat a timpului. Ecranul mobil (12) se deplaseazmarcnd nceputul evaporrii i se nchide la sfritul acesteia.

nclzirea suporturilor se face cu dou lmpi cu halogen (10) fixate n parteasuperioar a clopotului i funcionarea lor este comandat de pe un panou special aldispozitivului pentru msurarea i reglarea temperaturii tip KS 2.

Instalaia de evaporare termic n vid tip UVN 70A 1 poate funciona ndou regimuri [4]:a) manual, n care succesiunea conectrii elementelor este aleas de un operator i

se efectueaz manual;b) automat, n care toate operaiile procesului de evacuare dup pregtirea instala-

iei de lucru i pornirea pompei mecanice se efectueaz automat.

Pentru prepararea straturilor subiri de ZnSe, s-au folosit evaporatoare dinwolfram, confecionate n form de tvi. Cristalele de ZnSe, fiind nclzite prinefect Joule, trec direct din stare solid n stare de vapori, adic sublimeaz, i, dupparcurgerea distanei evaporator-suport, condenseaz pe suport.

Calitatea i proprietile straturilor subiri depind foarte mult de natura i altecaracteristici ale suportului, cum ar fi gradul de curenie, asperitile suprafeei,temperatura suportului n timpul depunerii, coeficientul de dilatare termic etc. Su-portul trebuie s nu reacioneze chimic cu substana depus, s aib coeficient dedilatare termic ct mai apropiat de al materialului depus, s aib o rezisten me-

canic bun, grosime adecvat etc. n cazul n care este necesar, suportul trebuie spermit nclziri la temperaturi ridicate (sute de grade) sau rciri la temperaturi joa-se (azot sau heliu lichid).

Este evident c numrul materialelor care satisfac aceste cerine este relativmic, iar n prezent se fac cercetri intense n vederea obinerii unor materiale speci-ale pentru suporturi, se mbuntesc mereu vechile materiale (sticla, ceramica, mi-ca etc.).

Pentru prepararea straturilor subiri de ZnSe s-au folosit suporturi de sticl(lame de microscop), care au fost tiate cu diamantul de diferite dimensiuni(1,5 1,5 cm, 1,5 3,5 cm i 2,0 4,0 cm). Pentru unele msurtori s-au folosit isuporturi deAl2O3.


34/88


Anterior depunerii, pentru ndeprtarea impuritilor, suporturile se introdu-ceau n amestec cromic unde se menineau un timp ndelungat (peste 24h). Dupaceea, se scoteau i se clteau cu ap distilat de cteva ori. Pentru ndeprtareaurmelor de sruri, suporturile se clteau apoi i n alcool etilic (98%) i se puneaula uscat.

Amestecul cromic folosit la curire se prepar n felul urmtor. La nceput,se prepar o soluie saturat de bicromat de potasiu (K2Cr2O7). Se pune pe baia deap la 60 70 0Ci se toarn cu atenie acid sulfuric. Trebuie menionat c n am-bele operaii se agit permanent soluia cu un agitator. Ca rezultat, va precipita an-hidrida cromic. Se toarn, n continuare, acid sulfuric pn la dizolvarea completa anhidridei cromice i soluia devine bun de utilizat.

Aceast metod de curare a suporturilor nainte de depunerea straturilorsubiri, precum i alte metode de pregtire a acestora, sunt descrise mai detaliat n

alte izvoare [1, 2, 5, 6].Pentru fixarea suporturilor n timpul evaporrii, s-a confecionat un dispozitiv

special (fig. 3), care reprezint o plac metalic n care au fost spate ase locauride dimensiuni egale cu cele ale suportului. De asemenea, au fost confecionatemti pentru prepararea straturilor subiri cu o configuraie geometric dorit (fig.4a) i pentru depunerea electrozilor (fig. 4b i 4c). Acestea au fost confecionatedin folii metalice (alam, duraluminiu etc.) care au o presiune mic de vapori latemperaturile de depunere a straturilor i un coeficient de dilatare termic redus.

Temperatura evaporatorului (Tev) n timpul depunerii a fost msurat cu un

termocupluPt-PtRh i putea varia in intervalul 1000 1500K. Temperatura supor-turilor (Tsup) a fost msurat cu ajutorul unui termistor (8) i a unui milivoltmetru,care are dou ace limitatoare. Unul dintre acestea se fixeaz la temperatura camerii,cel de-al doilea se stabilete la temperatura necesar a suportului. Acul milivoltme-trului, odat cu creterea temperaturii n incint, se deplaseaz ntre cele dou limi-tatoare i, ajungnd n dreptul acului rou, se oprete, indicnd momentul nceperiievaporrii. Temperatura suporturilor (Tsup) n timpul depunerii a fost aleas ntre300 i 600K.

Fig. 3. Dispozitiv de fixare a suporturilor.

Modificarea condiiilor de depunere s-a efectuat prin variaia temperaturii su-portului i a temperaturii evaporatorului. n varianta utilizat (fig. 2) spaiul de de-

punere a fost limitat printr-o incint cilindric de sticl. Distana evaporator su-port putea fi modificat fie prin schimbarea nlimii electrozilor metalici (1), fie


35/88


prin modificarea nlimii suporturilor izolatoare (6). Ea a variat ntre 70 i 120mm.

O serie de eantioane cu ZnSe au fost preparate folosind instalaiasemiautomat de depunere n vid VUP-5 [7]. Incinta de depunere reprezint unclopot din inox (de dimensiuni mai mici fa de instalaia UVN70A1) prevzutcu dou ferestre pentru observarea procesului de evaporare. Camera de depunerereprezint un cilindru din sticl termorezistent cu diametrul de 7 cm i nlimeade 8 cm. Evaporarea se face de la un singur evaporator, suporturile pot fi rotite ntimpul depunerii, iar nclzirea suporturilor se face cu un cuptor special. Distanaevaporator-suport este constant. Construcia, principiul de funcionare i modul deoperare este analog cu cel al instalaiei de evaporare termic n vid, tipUVN70A1.

Fig. 4. Mti folosite pentru prepararea straturilor subiri (a) i a electrozilor (b, c).

n scopul cercetrii dependenei de temperatur a conductivitii electrice, precum i pentru studiul curbelor de relaxare a fotoconductivitii, s-auconfecionat celule de msur tip suprafa cu electrozi sub form de straturi subiricu grosimi de 1 2 m, depui pe suport prin evaporare termic n vid nainte saudup depunerea stratului (fig. 5a i 5b). Distana dintre electrozi a variat ntre 2 5mm. n calitate de material pentru prepararea electrozilor s-a folositIn iInGa.

Pentru studiul caracteristicelor curent-tensiune, s-au folosit celulele de tip

sandwich (fig. 5c). Pentru confecionarea acestor celule, la nceput, se depuneprimul electrod de In (folosind masca 4c) pe suportul de sticl, dup care urmeazdepunerea stratului subire de ZnSe (folosind masca 4a) i n final al II-leaelectrod pe direcie perpendicular pe primul electrod.

Pentru studiul proprietilor optice (transmisia, reflexia, absorbia), s-aufolosit eantioane fr electrozi (de tip suport strat).Grosimile straturilor sub-iri deZnSe, utilizate de noi, au avut valori cuprinse ntre 0,15 m i 1,70 m.

Pentru straturile subiri de ZnSe am efectuat studii de structur prin difraciede radiaii X (X-ray Diffraction XRD), difracie de electroni (ElectronDiffraction) i investigaii ale morfologiei suprafeei prin microscopie cu foratomic (Atomic Force Microscopy AFM), microscopie electronic de baleaj


36/88


(Scanning Electron Microscopy SEM) i microscopie electronic prin transmisie(Transmission Electron Microscopy TEM) [8].

Analiza eantioanelor obinute a demonstrat c straturile obinute sunt poli-cristaline, cu cristalite de dimensiuni mici i au o structur cubic de tip blend dezinc. Straturile sunt compacte i prezint o rugozitate mic [8].

Fig. 5. Celule tip suprafa (a, b) i tip sandwich (c).

Concluzii

n comparaie cu alte metode de obinere, evaporarea termic n vid prezint oserie de avantaje, dintre care menionm: utilizarea unor instalaii de depunere maisimple (n comparaie, de exemplu, cu pulverizarea catodic; obinerea unor vitezemari de depunere; posibilitatea efecturii unui control riguros al parametrilor dedepunere; posibilitatea de control a grosimii stratului n timpul procesului de depu-nere i, drept urmare, posibilitatea obinerii straturilor cu grosimi prestabilite; obi-nerea straturilor de puritate nalt, ntruct procesele au loc n vid naintat.

Bibliografie

1. Maissel, L. I., Glang, R., Handbook of Thin Film Technology, New York,McGraw Hill Book, 1970, 568 p.2. , . ., To , ,

, 1967, 320 c.3. Spnulescu, I., Fizica straturilor subiri i aplicaiile acestora, Bucureti, Ed.

tiinific, 1975, 458 p.4. Prospectul instalaiei de evaporare termic n vid UVN-70A-1 (DEM

3.270.003), 80 p.5. Gdea, S., Protopopescu, M., Drimer, D., Metalurgia fizic a semiconductori-

lor, Bucureti, Ed. Acad., 1963, 340 p.6. Gdea, S., Protopopescu, M., Drimer, D., Metalurgia fizic a materialelor se-

miconductoare, Bucureti, Ed. Acad., 1967, 540 p.


37/88

Studiul proprietilor termice ale unor metale lichide la temperaturi nalte 37

7. Prospectul instalaiei de evaporare termic n vid VUP-5 (Nr.2.950.122.TO),80 p.

8. Popa, M. E., Contribuii la studiul proprietilor electrice i optice ale unorcompui semiconductori binari n straturi subiri. Rezumatul tezei de doctorat,Universitatea Al. I. Cuza, Iai, 2003, 56 p.

DEPOSITION OF ZnSe THIN FILMS BY THERMALEVAPORATION TECHNIQUE UNDER VACUUM

Mihail Popa (State University Alecu Russo, Republic of Moldova)Gheorghe Ioan Rusu (University Al. I. Cuza, Romania)

ZnSe thin films by quasi-closed volume thermal evaporation technique under vacuum, usingmachine UVN70A1, have been obtained. To prepare samples with variated structural

characteristics and probably optical and electrical properties, some additional devices at theinstallation of deposited were projected and realized: a device to fix the supports, masks for preparing the thin films and electrodes, protection fences, etc. The realized devices gave the possibility to obtain some thin polycrystalline films ofZnSe in different conditions: the supportstemperature during the deposition varied from 1000 to 1500 K. The distance between the supportand the evaporator was modified from 70 to 120 mm. The thickness of the obtained films was from0.15 to 1.70 m.

Prezentat la redacie la 12 ianuarie 2006

C.Z.U.538.9

STUDIUL PROPRIETILOR TERMICE ALE UNORMETALE LICHIDE LA TEMPERATURI NALTE

Simion Bncil(Universitatea de Stat Alecu Russo, Republica Moldova)

Este argumentat studierea proprietilor termice ale metalelor lichide (difuzivitii,conductivitii i capacitii termice). Este descris instalaia destinat studierii experimentale a pa-rametrilor termici n intervalul de temperaturi 1000 2500 K, utilizndu-se metoda undelor radialede temperatur. Snt prezentate rezultatele studiului metalelor lichideIn, Sn, Ga iPb.

Lucrarea de fa reprezint una dintre etapele de cercetare experimental astrii lichide a substanei, care se efectueaz n cadrul catedrei de Fizic moleculara facultii de Fizic din Universitatea de Stat M.V. Lomonosov din Moscova ia catedrei de Fizic i metodica predrii fizicii a Universitii de Stat A. Russodin mun. Bli [1, 2]. Printre studiile orientate n vederea soluionrii acestei pro-

bleme un rol aparte, u nu n ultimul rnd, i revine cercetrii unor proprieti ter-mice ale substanelor cum ar fi: conductivitatea termic, difuzivitatea termic i


38/88

Studiul proprietilor termice ale unor metale lichide la temperaturi nalte38

cldura specific, adic a acelor caracteristici a cror valoare este determinat esen-ial de micarea termic.

Dintre aspectele importante ale problemelor examinate menionm cercetareaspecificului manifestat de micarea termic n metalele lichide, relevarea influeneielectronilor constitutivi ai metalului asupra proprietilor termodinamice, cercetarearolului electronilor n procesele de transfer. Studiul proprietilor termice ale meta-lelor lichide este important i pentru tehnica modern n legtur cu aplicarea pescar tot mai larg a metalelor lichide n energetica nuclear, tehnica rachetar, me-talurgie i instalaiile energetice (M...).

n studiul proprietilor termice ale metalelor lichide pot fi evideniate urm-toarele probleme:1. cercetarea cldurii specifice a metalelor lichide ntr-un interval larg de stri,

compararea ulterioar a acesteia cu cldura specific a substanelor nemetalice

monoatomice, precum i dezvluirea proprietilor specifice metalelor lichide.Aceste particulariti pot servi ca instrument de elucidare a problemei particip-rii electronilor metalelor lichide n micarea termic, dar pot fi aplicate i pen-tru analiza influenei aciunii reciproce dintre particulele topiturilor metalice;

2. un interes aparte ar trebui s prezinte cercetarea cldurii specifice n acel dome-niu al presiunilor i temperaturilor, n care se produce tranziia de la proprieti-le metalelor la cele ale dielectricilor. Problema despre domeniul i natura aces-tei tranziii rmne deocamdat deschis. Probabil, comportarea cldurii speci-fice n domeniul strilor, n care au loc modificri calitative semnificative ale

naturii topiturii, ar da o informaie suplimentar despre caracterul acestei trans-formri;3. de o importan major sunt cercetrile conductivitii termice i electrice i

analiza comportrii numrului Lorentz pentru examinarea rolului electronilorconductibili ai metalelor lichide n procesul de transfer de cldur.

Rolul principal n cercetarea problemelor enumerate ar trebui s-i revin stu-diului experimental. Dar, deocamdat, teoria strii lichide nu a fost creat. Nu aufost elaborate nici metode efective de descriere cantitativ a proprietilor lichide-lor. Incertitudini exist i n privina naturii micrii termice n lichide.

Un progres semnificativ n problema cercetrii proprietilor termice ale me-talelor lichide a fost realizat la catedra de Fizic molecular a facultii de Fizicdin cadrul Universitii de Stat din Moscova. Aici au fost elaborate mai multe me-tode de cercetare, care se fac distincte prin caracterul lor complex, adic prin posibilitatea obinerii ntr-un experiment a unei multitudini de caracteristici termiceprincipale: cldura specific, difuzivitatea termic i conductivitatea termic. Unadintre aceste metode, metoda undelor radiale de temperatur, a fost utilizat pentrucercetarea sistematic a proprietilor metalelor lichide ntr-un interval larg de tem-peraturi. Cu ajutorul ei au fost studiate caracteristicile termice ale unor metale li-chide ca: praseodim, disproziu, lantan, galiu, taliu, indiu, cositor i plumb [2, 3, 4].

Alegerea metalelor rare n calitate de obiect de studiu nu a fost ntmpltoare i seexplic prin faptul c metalele rare posed caliti specifice deosebite cum ar fi:


39/88


participarea unui numr relativ mare a electronilor din nveliurile interioare lamicarea termic, fapt care se reflect printr-o anomalie exagerat n valorilecldurii specifice, anomalia mic n variaia conductivitii termice i electrice ntimpul topirii, ceea ce, probabil, se explic prin rolul electronilor nveliurilor inte-rioare. Rezultatele cercetrilor expuse n prezentul studiu vin s completezecunotinele despre o serie de metale rare.

Studiul proprietilor termice ale metalelor uor fuzibile a avut ca obiectivcercetarea variaiei caracteristicilor studiate ntr-un interval ct mai larg posibil detemperaturi i compararea conductivitii termice cu a celei electrice. n timpulacestor investigaii, au fost obinute rezultate, care pentru cositor i plumb sunt ndezacord cu datele lucrrilor precedente. n legtur cu aceasta, a devenit necesarstudierea suplimentar i mai amnunit a problemelor de ordin metodic. O parte aproblemei n cauz (i anume controlul deplin al calitii umplerii cu metal a celu-

lelor de lucru ale dispozitivului de msurat) a fost soluionat prin folosirea defec-toscopului [2]. Pentru studierea unei alte probleme, cum este cea a influenei po-sibile a transferului convectiv, autorul a realizat o nou variant a metodicii de m-surare i anume metoda nclzirii exterioare a probei gunoase prin bombardarea cuelectroni, spre deosebire de metoda nclzirii interioare folosit anterior [2, 5]. Cuacest prilej, s-a cerut modificarea cardinal a ntregii pri de lucru a instalaiei ex-perimentale i elaborarea teoriei metodicii noi.

Studiul experimental efectuat a demonstrat c datele noi, obinute de autor,sunt pe deplin veridice i c trebuie pus problema revizuirii uneia dintre concluzii-

le la care s-a ajuns n lucrrile anterioare, concluzie asupra existenei unor devierisensibile negative de la legea Wiedemann-Franz [2].n ultimul timp, n practica studiilor termofizice se aplic metode de determi-

nare a caracteristicilor termice (conductivitatea termic, difuzivitatea termic icldura specific) bazate pe folosirea nclzirii periodice [3]. Aceste metode presu- pun un ir de avantaje: reproducerea continu a datelor, posibilitatea controluluiinterior al rezultatelor, corecia mic ce ine de influena transferului de cldur etc.Metodele de nclzire periodic cunosc cteva variante, distincte prin configuraiacmpului de temperatur i forma semnalului periodic. ntr-un numr covritor devariante se aplic mai cu seam modularea puterii n form de [5]. De regul,modularea n cauz este mai simpl n realizare dect modularea armonic, carenecesit aplicarea unor metode dificile ale analizei armonice pentru prelucrarea re-zultatelor.

Esena metodei date const n urmtoarele. Proba cercetat reprezint un ci-lindru tubular (gunos) sau o celul umplut cu un metal lichid i este format dindou tuburi coaxiale. Suprafaa cavitii este supus nclzirii periodice datoritbombardrii cu electroni. Variaiile de temperatur produse la suprafaa opus senregistreaz fie prin metoda fotoelectric, fie cu ajutorul unui termocuplu. Difuzi-vitatea termic a unui sistem cu geometria cunoscut se determin n funcie de ca-

racterul deplasrii curbelor periodice de variaie a puterii de nclzire i de variaie


40/88


a temperaturii. La calculul cldurii specifice se folosete informaia despre aceleaicurbe de variaie a temperaturii i puterii [2].

n ambele variante eantionul cercetat prezint un vas cilindric cav umplut cuun metal lichid. Vasul se confecioneaz din dou tuburi cu pereii subiri din tan-tal, cu grosimea de 0,1 mm, diametrul interior 6 mm, cel exterior 14 mm i lungi-mea 7080 mm. Fundul i capacul probei se execut din foi de tantal cu grosimeade 12 mm, care, ulterior, se sudeaz de prob prin metoda sudrii electronice.Pentru diminuarea posibilitii de apariie a conveciei, n prob la distana de510 mm, se monteaz perei despritori din lamele de tantal cu grosimea de 0,1mm. Camerele vidate, n care se monteaz proba, reprezint capace din alam cupereii dubli rcii cu ap. Camerele se monteaz pe agregatul de tipul BA-0,5-A cuajutorul garniturilor de vid i al suporturilor confecionate din oel inoxidabil i ca-re conin orificii pentru electrozi, iar n unul din ele (cazul variantei exterioare) o

fereastr de observaie.n timpul msurrilor, n spaiul de lucru, se menine un vid de ordinul

10-510 6Torr. Pereii camerelor sunt prevzui cu ferestre de observaie; o fe-reastr este amplasat n peretele frontal (cazul nclzirii interioare) i dou ferestren peretele lateral (cazul nclzirii interioare). Ferestrele sunt destinate pentru nre-gistrarea pulsaiilor temperaturii i msurarea temperaturii medii.

n cazul nclzirii interioare, catodul reprezint o srm din volfram cu dia-metrul de 0,40,8 mm, care se monteaz pe axa probei. n cazul nclzirii exterioa-re, catodul reprezint 12 srme de volfram cu diametrul de 0,15 mm dispuse uni-

form n jurul probei la distana de 4 mm de aceasta. ntre catod i prob se aplic otensiune n form de de la o schem electronic de modulare. Oscilaiile staiona-re ale temperaturii probei se nregistreaz dup oscilaiile luminozitii suprafeei probei (n apropiere de centrul ei), care apoi sunt orientate spre un multiplicatorfotoelectronic (de tip -29). La ieirea din aparatul -29, componenta con-stant, corespunztoare temperaturii medii a probei, este compensat de tensiuneade polaritate invers introdus prin schema de compensare. Componenta variabileste amplificat de un amplificator de curent constant, al crui coeficient de ampli-ficare a curentului constituie 103105, apoi se nregistreaz de un oscilograf cubucl pe hrtie fotosensibil. n acelai timp, pe aceeai hrtie, se nregistreaz tim-pul, curbele de variaie a intensitii curentului i tensiunii.

Interpretarea rezultatelor experimentale obinute prin metoda nclzirii perio-dice n form de se bazeaz pe faptul c curbele de variaie a temperaturii, careservesc drept surse de informare despre proprietile termice ale mediului, au, nmajoritatea cazurilor, un sector liniar clar pronunat. Pentru exemplu, n figur sereprezint curbele de msurare a temperaturii la suprafaa exterioar a cilindruluimetalic gunos, a crui suprafa interioar se nclzete prin bombardare cu elec-troni dirijat de semnalul n form de .

Prezena sectorului cu nclzire (rcire) liniar presupune c, n limitele unei

semiperioade a procesului, n prob, reuete s se stabileasc aa-numitul regimregulat de genul al doilea [1]. Caracteristic pentru acest regim este invariabilitatea


41/88


vitezei de variaie a temperaturii tuturor punctelor probei. Examinarea acestei fazea procesului poate da o informaie complex despre caracteristicile termice ale ma-terialului studiat. n lucrarea [2] s-a demonstrat c unghiul de nclinare a sectoare-lor liniare ale curbei de variaie a temperaturii, adic viteza de nclzire, faceposibil determinarea cldurii specifice n aceste experimente. Ulterior, se va de-monstra c poziia reciproc a liniilor de nclzire i de rcire permite determinareadifuzivitii termice. Valoarea difuzivitii termice este determinat univoc de seg-mentul t de pe oscilogram, fiind similar, de altfel, cu cea din figur.

n continuare, se va examina fundamentarea metodei referitoare la experi-mentele cu unde radiale de temperatur (n limit se poate obine i cazul nclzirii probelor plane). Fie c suprafaa interioar a probei cilindrice gunoase senclzete de la o surs, a crei putere pe durata unei semiperioade variaz de la+Wpn la W(vezi fig. a). n aceste condiii se vor examina devierile mici de

la temperatura medie corespunztoare unei puteri medii, adic:TTT- . (1)

Condiia la suprafaa de nclzire poate fi redat prin formula:

,LR2Rrr

-W 1

1=

= (2)

unde este conductivitatea termic,L lungimea probei,R1 raza intern a probei.Pentru suprafaa exterioar a probei (r = R2), condiia la limit se va scrie sub

forma

20 Rrr

. (3)

Se neglijeaz, astfel, variaiile mici ale transferului de cldur n limitele uneisemiperioade de variaie a puterii. (Prezena regimului liniar de nclzire i rcireconfirm posibilitatea unei asemenea ipoteze simplificatoare.) Ecuaia difereniala conduciei termice n faza regulat pentru = - Kteste

a

K

dr

dr

dr

d

r

1 (4)

undeKeste viteza de nclzire.

Soluia general a acestei ecuaii conine dou constante de integrare C1 i C2:211

2

ln4

CrCa

Kr . (5)

Condiiile (2) i (3) permit explicitatea uneia dintre constante i exprimarealuiKprinW:

)(

221

22

11

RR

RWaK

. (6)

Apariia termenului constant n relaia (5), care, de altfel, nu este determinatde condiiile limit (2) i (3), este rezultatul motenirii fazei neregulate i a rolu-

lui procesului condiiilor iniiale. Pentru determinarea celei de-a doua constante,este necesar luarea n consideraie a condiiilor iniiale. Aceasta se poate face prin


42/88


aplicarea ecuaiei bilanului integral, n care cantitatea de cldur introdus n prob

t

WdtQ0

se egaleaz cu variaia entalpiei:

dVCp )( 0 (7)

(integrarea se face dup volumul probei), unde 0 reprezint distribuia temperaturiin faza iniial a procesului (pentru t=0); Cp capacitatea termic molar la presiu-ne constant.

a)

b)Curbele oscilaiilor temperaturii: a) teoretic, b) experimental.

n consecin, se obine:),(r (8)

de unde rezult: 22

1

22

122

422

1222 4

ln28

Ra

K

R

R

RR

R

a

KRR

a

KC

. (9)

Prin urmare, n faza de nclzire ecuaia asimptotei curbei periodice are for-ma:

1

22

122

22

212

12202 ln28

),(R

R

RR

RR

a

KRR

a

KKttR

. (10)

Pentru curba de rcire se poate obine o expresie similar:

,ln282 12

21

22

2

2

2

122

210 RRRR RRaKRRaKKtK

(11)


43/88


n care reprezint momentul de timp corespunztor schimbrii polaritii semna-lului puterii.

La deducerea relaiei (11) s-a luat n consideraie c, pentru curba de rcire,

distribuia iniial a temperaturii

'

0 este ),( r calculat dup expresia (10).Ecuaiile asimptotelor (10) i (11) determin punctul lor de intersecie. Pentruintervalul de timp de la t= pn la punctul de intersecie se obine formula

,ln1

41

8 2

22

22

S

S

SS

a

Rt (12)

unde S = R1 | R2. Din aceast relaie se poate determina difuzivitatea termic.Pentru S1 aceste relaii se transform n formul pentru stratul plan:

a

Lt

6

2

(undeL grosimea stratului) . (13)

Att relaiile propriu-zise, ct i metoda de obinere a lor sunt mai simple de-ct n cazul n care s-ar fi examinat acelai proces din perspectiva regimului regulatde genul al treilea 2.

Rezultatele msurrilor capacitilor termice molare ale metalelor cercetatesunt date n tabel.

Capacitile termice molare ale metalelorT,K

Metalul1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

In 6,95 6,87 6,79 6,71 6,63 6,55 6,47 6,39 6,31 6,23 6,15Ga 6,27 6,28 6,30 6,31 6,32 6,33 - - - - -Sn 6,56 6,52 6,48 6,44 6,41 6,37 6,33 6,29 6,25 6,22 6,18Pb 6,85 6,79 6,73 6,68 6,62 6,56 6,51 6,45 6,40 6,34 6,28

Eroarea relativ la determinarea capacitii termice a constituit circa 3...5%.Compoziiile metalelor studiate, exprimate n procente de greutate, sunt ur-

mtoarele: 99,995 Sn; 510-5Sb; 10-5 (Fe, Ga, Au, Zn, Ar); 10-6 (Cu, Bi, Al); 99,99

In;10-5 Fe; 410-6 Cu; 210-5Ni; 10-5Pb; 10-4 Sn; 210-5Zn; 10-5 Tl; 99,997 Ga;99,995Pb; 10-5Sn; 10-4-10-5 (Fe, Ag, Cu, Zn).

Pentru metalele uor fuzibile este caracteristic descreterea monoton a ca-pacitii termice la presiune constant invers proporional cu creterea temperatu-rii. Prin aceast comportare metalele lichide se deosebesc de substanele nemetalicemonoatomice, cum ar fi gazele inerte lichide. La acestea din urm, Cp crete cores-punztor cu mrirea temperaturii. Deosebirea dintre comportarea substanelor ne-metalice i cele metalice demonstreaz influena esenial a tipului de interaciunemolecular asupra proprietilor termodinamice ale substanei, specificul manifes-trii legturii metalice.

Dependena de temperatur a conductivitii electrice a probelor a fost studia-

t anterior de ctre autor prin metoda poteniometric [2]. Pe baza rezultatelor ex-perimentale acumulate s-a calculat numrul lui Lorentz.


44/88

44

Experienele efectuate confirm valabilitatea legii lui Wiederman-Frantz pen-tru toate metalele studiate ntr-un interval de variaie a temperaturii mai mare cucirca 1600Kdect punctul lor de topire.

Bibliografie

1. , .., - , , , 1967 325 c.

2. , .., 2000 . - - , , - , 1973, 189 .

3. Bncil, S. Proprietile termice ale metalelor rare // Conferina Naional de

Termotehnic, ediia a VIII a. Vol.I, Piteti, 1998. p.5-7.4. , .., // - , . VII, 1, , 1974, c. 68-71.

5. , .., , .., , .., , .., - // ,

6, 1972, c. 638-643.

THE STUDY OF THE THERMAL PROPERTIES OF SOME LIQUIDMETALS AT HIGH TEMPERATURES

Simion Bncil(State University Alecu Russo, Republic of Moldova)

The study of the thermal properties of liquid metals and namely of diffusion, conductivityand thermal capacity is motivated. The given article also describes the installation for the experi-mental study of thermal characteristics of liquid metals for the temperature 1000 2500 K using themethod of radial waves of temperature. The results of the investigation of liquid metals In, Sn, Gaand Pb are presented.

Prezentat la redacie la 15 decembrie 2005


45/88

45

C.Z.U. 550.388.2

( . ., )

- F- , - . . - S - -, F2 F-spread .

, - - - .

, ( , -, ,

) , - -. .

[1, 2] , - - -.

-

- F- , , - , - S - , - F2 F-spread.

-

. ,


46/88

46

, .

[1-3] - . , 15 .

[1] S . - .

, ,

, , - S. - -. , S [1], , - , , .

S -

, , - -, S ( - F2). , S : fbS - ( f < fbS S , , - ) f0Es - , . . , . , fEs = f0Es - fbEs -

Es. , , fEs = 0. S -, , , .

- -. . 1 - f0Es fbEs, 1980 . , -

fbEs f0Es . - fEs ES 0,5 1 , -


47/88

47

~ 5 . 15. 6. . 30. . f0Es.

. 1. sEf0

sbEf

. 2. sEh sEf0 -

. 2 ( , 14 23 1980 . 1 2 ), -

h'Es f0Es Es, . -, h'Es S - , - , - , . 1.

, , , - , -

(), , - . , F-spread, F , - , - (., , [4]). - F-spread , - , , - .

, -

M o

1,0

2 ,0

3 ,0

4 ,0

5 ,0

6 ,0

7 ,0

8 ,0

9 ,0

10,0

3:00

4:00

5:00

6:00

, 3 0 0 E

f0Es,

100

105

110

115

120

125

130

135

140

h'Es,

foEs - 1fEs - 2h 'E s - 1h 'E s - 2

M o , 1980

1,0

1 ,5

2 ,0

2 ,5

3 ,0

3 ,5

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

, 3 0 0 E

f,MHz

foEs

fbEs


48/88

48

F-spread. . PF(%) F-spread 9 ( UT+2h, ). 1980 . - . 3. PEs(%) - .

. 3.

sPE FP

. 4. .0 2cFf

- PEs PF , , -

- F-. F2 . (. . 4), - f0F2 - ( - ~ 2 . 30 . - ~ 6 .) ( ~ 4 . 30.). - , f0F2 , - ~ 0,15 . , ~ 4 . 30 . F2 Ne2,8 108 ./3, , - .

, 1 9 80

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

, 3 00

PEs,

%

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

PF,

%P E s

P F

M o , 1 9 80

3 ,0

3 ,1

3 ,2

3 ,3

3 ,4

3 ,5

3 ,6

3 ,7

0

:00

2

:00

4

:00

6

:00

, 3 00

E

foF2,

M


49/88

49

. 5. PEs -

. 6.

- , . - , Es , : - PEs , . . 5 PEs - 1980 . 1981 ., - .

- Es , , - (. . 6). f0F2 PF -

.

, F . - Es, F F-spread. , - . [1],

M o

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

, 3 00

E

PEs,

%1 2 . 1 9 8 0

0 1 . 1 9 8 1

,

1 4 : 3 0

1 5 : 3 0

1 6 : 3 0

1 7 : 3 0

1 8 : 3 0

1.12

11.12

21.12

31.12

10

.1

20

.1

30

.1

,300

E

M


50/88

50

- - .

Es, (. . 1), , [5].

, - F2 , - f0F2 (. 4). F-spread (. 3), , . , -

- (. [1, 3, 5]).

PEs . - PEs - ~ 15 . (PEs = 93,6 %), ~ 19 . 15. (PEs = 42 %). . 5 - 1981 . PEs : 15 . 45.PEs = 90,3 %, 18 . 45.PEs = 42 %. , -

- Es, . , PEs - , PEs, -- , PEs, - (. . 6). , , 1 31 - 15 . 05. 15 . 09. . - . : 1 31 15 . 10. 16

Date post:	10-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	emilaurinel
View:	213 times
Download:	0 times

Fizica-si-Tehnica-Vol-1

Documents