ФГБНУ «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов»

С. В. Прокудин, А. С. Усеинов

Применение метода измерительного индентирования является перспективным для изучения структурных фазовых переходов в кристаллических материалах, таких как кремний. Рассмотрены экспериментальные результаты исследования поведения образцов кремния с различной кристаллической ориентацией и степенью легирования при нагружении алмазным индентором в виде пирамиды Берковича. Для изучения электрических параметров в качестве материала индентора использовали легированный бором полупроводниковый монокристалл алмаза. Для подтверждения структурных превращений в кремнии применен метод рамановской спектроскопии. Одновременно с измерением механического отклика материала при индентировании регистрировали ток, протекающий в области контакта наконечника с образцом. Показано, что изменение значения тока дает дополнительную информацию об условиях взаимодействия индентора с материалом. Обсуждено влияние изменений удельного сопротивления и контактной площади, происходящих при фазовом превращении, на измеряемое значение тока.

Авторы выражают благодарность А. В. Кириченко (ФГБНУ ТИСНУМ) за содействие при проведении измерений методом рамановской спектроскопии.
Работа выполнена в рамках государственного контракта № 16.523.12.3003.

1. Лебеденко, И. Ю. Исследование наномеханических свойств зубной эмали / И. Ю. Лебеденко, С. Д. Арутюнов, С. А. Муслов, А. С. Усеинов // Кафедра. − 2009. − № 32. − С. 24—28.
2. Усеинов, А. Механические свойства сверхтонких углеродных алмазоподобных покрытий / А. Усеинов, К. Гоголинский // Наноиндустрия. − 2010. − № 5. − С. 54—56.
3. Гоголинский, К. В. Оценка изгибной жесткости и деформации микроразмерных исполнительных элементов устройств микросистемной техники / К. В. Гоголинский, А. А. Жуков, А. В. Капустян, В. А. Королева, А. С. Усеинов // Нано− и микросистемная техника. − 2011. − № 1. − С. 39—42.
4. Domnic, V. Phase transformations in silicon under contact loading / V. Domnic, Y. Gogotsi // Reviewers on advanced materials science. − 2002. − N 3. − P. 1—36.
5. Усеинов, А. С. Измерение модуля Юнга сверхтвердых материалов с помощью сканирующего зондового микроскопа «НаноСкан» / А. С. Усеинов // Приборы и техника эксперимента. − 2004. − № 1. − С. 134—138.
6. Useinov, A. Mutual consistency of hardness testing at micro− and nanometer scales / A. Useinov, K. Gogolinskiy, V. Reshetov // International journal of materials research. − 2009. − N 7. − С. 968.
7. Усеинов, А. С. Измерение механических свойств методом царапания / А. С. Усеинов, С. С. Усеинов // Наноиндустрия. − 2010. − № 6. − С. 28—30.
8. Гоголинский, К. В. Измерения твердости в субмикро− и нанометровом диапазонах линейных размеров / К. В. Гоголинский, В. Н. Решетов, А. С. Усеинов // Мир измерений. − 2010. − № 8. − С. 41—47.
9. Гоголинский, К. В. Об унификации определения твердости и возможности перехода при ее измерении к размерным величинам / К. В. Гоголинский, В. Н. Решетов, А. С. Усеинов // Измерительная техника. − 2011. − № 7. − С. 28—34.
10. Сошников, А. И. Исследование и модифицирование полупроводниковых структур алмазными токопроводящими зондами / А. И. Сошников // Нанотехника. − 2008. − Т. 3, вып. 15. − C. 72—76.
11. ISO 14577:1−4 2002. Metallic materials − Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1, − Geneva: International organization for standardization, 2002.
12. Булычев, С. И. Метод кинетической твердости и микротвердости в испытаниях вдавливанием индентором / С. И. Булычев, В. П. Алехин // Заводская лаборатория. − 1987. − № 11. − С. 76—79.
13. Oliver, W. C. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology / W. C. Oliver, G. M. Pharr // J. Mater. Res. − 1992. − V. 7, N 6. − P. 1564—1583.
14. Джонсон, К. Механика контактного взаимодействия / К. Джонсон. − М. : Мир, 1989. − 506 с.
15. Tonkov, E. Phase transformation of elements under high pressure / E. Tonkov, E. G. Ponyatovsky. − Boca−raton : CRC Press, 2005. − P. 385.
16. Rao, R. Patterning of silicon by indentation and chemical etching / R. Rao, J. E. Bradby, J. S. Williams // Appl. Phys. Lett. − 2007. − N 3. − P. 1—3.
17. Gogotsi, Y. G. Phase transformations in materials studied by micro−Raman spectroscopy of indentations / Y. G. Gogotsi, A. Kailer, K. G. Nickel // Mater. Res. Inovations. − 1997. − N 1. − P. 3—9.
18. Kailer, A. Phase transformations of silicon caused by contact loading / A. Kailer, Y. G. Gogotsi, K. G. Nickel // J. Appl. Phys. − 1997. − № 7. − P. 3057—3063.
19. Mann, A. B. Contact resistance and transformations during nanoindentation of silicon / A. B. Mann, D. van Heerden, J. B. Pethica, P. Bowes, T. P. Weihs // Philosophical Mag. A. − 2002. − N 10. − P. 1921—1929.
20. Горелик, С. С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков / С. С. Горелик, М. Я. Дашевский. − М. : МИСиС, 2003. − 480 c.