10870

Усилие возникающие в углеволокне Тугл. определяется как проекция сдвигающей силы Т верхней половины сечения относительно нижней на ось углеволокна:

Учитывая полученные данные из эксперимента цельной балки можно оценить и вывести требуемую площадь углеродного волокна необходимую для аналогичной работы составной балки. расчет также можно выполнить с учетом полученного коэффициента включения в работу и оптимального угла армирования.

Теоретические изыскания можно сравнить с натурным экспериментом, который планируется провести в ближайшее время.

Литература

1.Крицин А.В., Уточкина Е.С., Лобов Д.М., Тихонов А.В. Оценка прочности и деформативности образцов составных деревянных балок, объединенных углеродной лентой // Приволжский научный журнал. №2(26). Н.Новгород, ННГАСУ, 2013. С. 7-13.

2.Лихачева С.Ю., Тихонов А.В., Лобов Д.М. Изучение соединений деревянных конструкций с использованием материалов из углеродного волокна // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании : сборник материалов Международной научной конференции (12–13 ноября 2014 г., Москва) / М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. - Электрон. дан. и прогр. ( 29 Мб). Москва, МГСУ, 2015. С. 186-190.

3.Крицин А.В., Лихачева С.Ю., Лобов Д.М., Тихонов А.В. Экспериментальные исследования деревянных балок, усиленных углеродной лентой // Приволжский научный журнал. №3(35). Н.Новгород,

ННГАСУ, 2015. С. 103-109.

4.Лобов Д.М. Усиление деревянных конструкций углеродным волокном // 15-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки’2013». Т.1. Н.Новгород, ННГАСУ, 2013. С.184-187.

5.Шилин, А. А. Внешнее армирование железобетонных конструкций композитными материалами / А. А. Шилин, В. А. Пшеничный, Д. В. Картузов. - М. :Стройиздат, 2007. - 184 с.

90

Толкачев Д.С.

(ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»)

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСА ЭКСИМЕРНОГО ЛАЗЕРА НА ИОННООБЛУЧЕННЫЙ GAAS

Имплантация больших доз ионов переходных элементов позволяет формировать ферромагнитные полупроводники – материалы, имеющие большие перспективы применения в спиновой электронике. Примером может служить GaAs:Mn, полученный имплантацией ионов Mn+ в GaAs. Структура облученного ионами полупроводника в результате накопления радиационных дефектов становится аморфной, и для ее восстановления требуется отжиг. При этом происходит рекристаллизация облученного слоя и движение фронта кристаллизации от ненарушенной подложки к поверхности. Было показано [1], что отжиг с помощью импульса эксимерного KrF лазера с длиной волны 248 нм и длительностью ≈ 30 нс позволяет формировать однофазный ферромагнитный полупроводник GaAs:Mn, имеющий температуру Кюри не менее 110 К.

В данной работе проведено моделирование профилей температуры в облученных ионами слоях GaAs в различные моменты лазерного импульса в зависимости от плотности падающей на образец энергии.

Для расчета модели используем уравнение теплопередачи с учетом внешних источников тепла от лазерного импульса:

энергии в момент времени t, величина – тепловой поток; является

коэффициентом термодиффузии, который связан с теплопроводностью χ, массовой плотностью ρ и теплоемкостью следующим образом: .

При решении будем использовать метод Грина. Одномерная функция Грина в однородной среде может быть записана:

(2)

91

Мы должны рассмотреть две различные среды: окружающий воздух и ионно-облученный GaAs (поверхность образца соответствует х = 0). Коэффициент термодиффузии для воздуха составляет aair≈20×10-6 м2/с и сравним с термическим коэффициентом диффузии для кристаллического GaAs при T = 300 K, a=26.2×10-6 м2/с.Таким образом, перенос тепла в воздухе и в GaAs подобен и описывается уравнением (1). Отметим, что потоком энергии от х = 0 в окружающий воздух можно пренебречь из-за низкой теплоемкости воздуха.

Используя функцию Грина (2) можно решить уравнение теплопередачи (1) для произвольного времени и источников, зависящих от положения в пространстве. Используем временную зависимость [2]

кристаллического GaAs при λ = 248 нм (длина волны эксимерного лазера KrF) коэффициент поглощения α = 2×106 см-1, глубина поглощения в кристаллическом GaAs (расстояние, на котором интенсивность излучения уменьшается в e раз) = 5 нм [4], а коэффициент отражения для аморфного GaAsравен R 0.2 [4]. Тогда для упрощения моделирования предположим, что энергия вносится в точке = 0, то есть, на поверхности. Решение будем искать в виде:

(3)

Тепловой поток в толщу GaAs будет зависеть как от величины падающей энергии лазера, так и от профиля мощности.

Моделирование процесса было выполнено в WolframMathematica 9.Обычно временная зависимость мощности лазерного импульса описывается гауссианой. Время импульса лазера 30 нс, а величину мощности будем изменять.

Представленные ниже расчеты теплового потока пренебрегают изменениями энтальпии при плавлении и рекристаллизации. Но для более точного программирования процесса, на наш взгляд, нужно учитывать, что много таких параметров, как теплоемкость, теплопроводность, плотность, коэффициент отражения от GaAs, зависят от температуры, а, следовательно, они изменяются в процессе лазерного импульса. Попробуем учесть температурные зависимости части этих параметров: теплоемкости, теплопроводности и плотности.

Задача усложняется тем, что именно и определяла температуру в

каждой точке. Будем использовать значения температуры на поверхности, полученные при моделировании с постоянными значениями , затем

92

Рис 1. Расчетный температурный профиль GaAs для различных времен с шагом 2 нс в течение одного лазерного импульса согласно профилю мощности KrF лазера в виде гауссианы с величиной плотности энергии 260 мДж/. Черная черта – это температура плавления для GaAs (1515 К [5]).

На рис.1 видно, что в приповерхностном слое при выбранной плотности энергии импульса достигается максимальная температура 1715 К.

Аналогичные графики можно построить для плотностей энергии, соответствующих 400 и 500 мДж/. На рис. 2 и рис. 3 показаны значения температуры на глубине 100 нм и 250 нм для трех значений плотности энергии лазера.

Рис.2. Временная зависимость температуры для GaAs на глубине 100 нм при различных значениях плотности энергии лазера

93

Рис.3. Временная зависимость температуры для GaAs на глубине 250 нм при различных значениях плотности энергии лазера.

На рис. 3 показаны значения температуры на глубине 250 нм для трех значений плотности энергии лазера. Максимальная расчетная температура, которая достигается при 500 мДж/ – 1987 К,при 400 мДж/ – 1670 К, при 260 мДж/см2 – 1150 К. Получаем резкое возрастание температуры у поверхности при возрастании плотности энергии и более равномерное распределение температуры по глубине на спаде энергии импульса во время действия лазера. Видно, что плавление достаточно толстого слоя достигается при плотности энергии лазера 260 мДж/, при этом расплавляется приповерхностный слой толщиной порядка 100 нм.

При моделировании мы не учли, что коэффициент отражения меняется при фазовом переходе до значений выше 60% в жидкой фазе, что приводит к более низкой температуре по сравнению с рассчитанной температурой. Следовательно, все значения температур, которые превышают температуру плавления, рассчитаны недостаточно корректно. Продолжительность времени нахождения GaAs в жидкой фазе сильно изменяется с приложенной плотностью энергии. Структурные свойства будут сильно зависеть от толщины расплавленного слоя. Если граница раздела жидкость/твердое тело достигает в его максимальной протяженности неимплантированного кристаллического объемного GaAs материала, то почти идеальное восстановление может начаться от кристаллического объемного GaAs. Если расплавленный слой не превышает имплантированного слоя, рекристаллизация начинается от зерен рекристаллизации различной ориентации в имплантированном аморфном GaMnAs и приводит к поликристаллическому нарастанию вблизи максимальной глубины плавления. В общем, представленная полуаналитическая модель действует для малых глубин плавления.

Таким образом, мы представили расчет по зависимым от времени характеристикам теплового потока в течение и после 30 наносекундного

94

лазерного импульса. Не только длительность импульса, но также форма плотности энергии и размер лазерного пучка играют важную роль в процессе нагревания и охлаждения. Быстрое охлаждение образца после жидкофазной эпитаксии является существенным. В противном случае легированный марганцем GaAs имеет тенденцию к кластерообразованию, если концентрация магнитной легирующей примеси лежит выше предела твердотельной растворимости (около 1019 см-3).

Литература

1.Формирование однофазного ферромагнитного полупроводника (Ga,Mn)As импульсным лазерным отжигом / Ю.А. Данилов, H. Boudinov, О.В. Вихрова, А.В. Здоровейщев, А.В. Кудрин, С.А. Павлов, А.Е. Парафин, Е.А. Питиримова, Р.Р. Якубов // Физика твердого тела. – 2016. – Т.58, в.11.

–С.2140-2144.

2.Zhou S. Dilute ferromagnetic semiconductors prepared by the combination of ion implantation with pulse laser melting / S. Zhou // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2015. – V.48. – P.263001, 1-25.

3.Оптические свойства полупроводников / В.И. Гавриленко, А.М. Грехов, Д.В. Корбутяк, В.Г. Литовченко / Киев: Наукова думка, 1987.

P.207-216.

Heat flow model for pulsed laser melting and rapid solidification of ion implanted GaAs / T. Kim, M.R. Pillai, M.J. Aziz, M.A. Scarpulla, O.D Dubon, K.M. Yu, J.W. Beeman, M.C. Ridgway // J. Appl. Phys. – 2010. – V.108. – P.013508.

4.Adachi S. Properties of Semiconductor Alloys: Group IV, III-V and IIVI Semiconductors // S. Adachi/ Gunma, Japan: Wiley, 2009. P.52.

Усов Ю.В., Павлов Д.А., Бобров А.И., Малехонова Н.В., Дорохин М.В.

(ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»)

ИССЛЕДОВАНИЕ МИШЕНЕЙ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ MN3GA5

Квазикристалл – особый тип упаковки атомов в твёрдом веществе, характеризующийся некристаллографической осью симметрии, дальним ориентационным порядком и отсутствием трансляционной симметрии [1, 2]. Данное строение наблюдается в ряде галлидов марганца, в частности у Mn101.5Ga162.5 и Mn2Ga5. Однако единой методики получения

95

эпитаксиальных слоёв квазикристаллов ещё никем не было разработано. Подобные соединения являются перспективными материалами для создания ферромагнитных инжекторов спиновых светоизлучающих диодов[3]. С помощью таких светодиодов возможна передача информации не только самой электромагнитной волной, но и её левой и правой поляризацией. Это позволяет увеличить объём передаваемых данных, а также при необходимости применить новый способ шифрования сигнала.

Целью моей работы было структурное исследование двух мишеней на основе соединения Mnи Ga, с помощью которых методом лазерного распыления были выращены образцы с квазикристаллами и без на подложке GaAs.

Для создания мишеней использовались марганец и галлий, взятые в различных пропорциях и помещённые в специально заготовленные кварцевые ампулы. В них был создан форвакуум, после чего их закупорили и нагрели до температуры расплава компонентов. Затем ампулы резко охладили, поместив в воду.

Структурные исследования были проведены на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100F (JEOL). Химический состав определялся посредством энергодисперсионного детектора X-MAX (Oxfordinstruments), смонтированном на этом же микроскопе. Калибровка дифракционных картин осуществлялась по рефлексам материала подложки – арсениду галлия [100].

На основании полученных результатов было установлено, что мишень, от которой не получили квазикристаллы, представляла собой аморфизованный сплав марганца и галлия в соотношении атомных процентов 0,55 (рис. 1).

Рис.1 Электронограмма мишени на основе галлида марганца, от которой не удалось получить квазикристаллы

96

Напротив, другая мишень содержала в себе 2 типа квазикристаллов в большом количестве, аморфная составляющая отсутствовала, что подтверждается соответствующими картинами дифракции (рис. 2 и 3). Все рефлексы картин были проиндицированны, на основании полученных данных можно было сделать вывод, что электронограммы соответствовали материалам Mn101.5Ga162.5 ориентации [201] и Mn2Ga5 ориентации [113].

Рис. 2. ЭлектронограммаMn101.5Ga162.5 ориентации [201].

Рис.3. ЭлектронограммаMn2Ga5 ориентации [113].

По данным энерго-дисперсионного анализа второй мишени было рассчитано соотношение элементов для, возможно, стабильного получения квазикристалловгаллидов марганца, представляющее собой 34,2 ат.% марганца к 65,8 ат.% галлия.

Литература 1. Векилов Ю. Х. Что такое квазикристаллы//Соросовский

образовательный журнал.-1997.-№1.-С. 88-91

97

2.Дмитриенко В. Е., Чижиков В. А. Квазикристаллы и их аппроксиманты.-2012

3.Дорохин М. В., Данилов Ю. А. Измерение поляризационных характеристик излучения наногетероструктур : учебно-методическое пособие. Нижний Новгород : Нижегородский госуниверситет, 2011. 81 c

Фадеева Я.В., Сторожилов И.В.

(ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»)

ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ СВЕРХТЕКУЧЕСТИ И КВАНТОВЫХ СВОЙСТВ БОРНЫХ ОКСИДНЫХ РАСПЛАВОВ

Впоследние годы все большее внимание уделяется исследованию квантовых свойств веществ, сверхтекучести, которые еще не изучены в полной мере ни в одной из стран мира. В современной мировой практике известно всего несколько видов веществ, обладающими признаками сверхтекучести: это жидкий и твердый гелий, водород. Явление сверхтекучести наблюдается у них при температурах, близких к абсолютному нулю и его обнаружение требует сложного технологического процесса и больших энергетических затрат.

Совсем недавно, в 2011-2013 году, [1-5] впервые выявлена сверхтекучесть борных оксидных расплавов при высоких температурах; установлены многие свойства квантовой жидкости, такие как: способность

кперетеканию, аномально высокая теплопроводность, двухжидкостная структура, формирование специфических квантовых воронок.

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью проверки воспроизводимости, надежности методик исследования квантовых свойств и полученных ранее результатов.

Научная новизна работы заключается в том, что для проверки используются специально разработанные методы исследования

сверхтекучести и квантовых свойств борного оксидного расплава В2О3, представляющие значительный интерес для развития современных представлений о явлениях сверхтекучести и квантового состояния.

Внастоящее время новый класс квантовых сверхтекучих жидкостей недостаточно изучен и пока не нашел своего применения на практике: в науке и промышленности. В перспективе возможно практическое их применение в качестве эффективных теплоносителей с большим КПД, высокотемпературных сверхпроводников.

98

Цель работы – экспериментальное изучение основных квантовых свойств и сверхтекучести неорганических полимеров на основе борных оксидных расплавов.

Способность борных оксидных расплавов к перетеканию была исследована по разработанной в ННГАСУ методике [5]. Ячейка состоит из двух платиновых тиглей: малого 1 и большого 2, вставленных один в другой. Большой тигель заполняется борным стеклом 5 и накрывается керамической крышкой 3. В проволочной корзине 4, которая крепится к керамической трубке 6, тигли погружаются в трубчатую печь при температуре 800 - 1000 oC с выдержкой 30 минут. После остывания мы наблюдали появление В2О3 в малом платиновом тигле и изменение уровней расплава ∆l в двух тиглях (рис. 1). Заполнение малого тигля обычно составляет 5-7 мм при общей его высоте 2 см. Подобный опыт был проведен десятки раз и каждый раз мы получали одинаковый результат, приведенный выше.

Рис. 1. Способ получения однокомпонентной сверхтекучей квантовой жидкости на основе расплава неорганического полимера

В работе были изучены гидродинамические условия образования воронок в расплаве В2О3 при его охлаждении от температуры 800-1000оС до комнатной температуры. Как показали экспериментальные данные, при охлаждении расплава В2О3 происходит образование необычной центральной воронки при полном отсутствии механических воздействий на расплав, что подтверждает полученные ранее результаты и наличие квантовых свойств у расплава В2О3 [3].

Наиболее интересное наблюдение было при проведении масштабного опыта, где брали большой керамический тигель массой 600 г и наполняли его борным стеклом. После выдержки в печи и остывания

99