Материал: Метод микротвердости для исследования распространения электроакустических сигналов миллиметрового диапазона

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

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

.4 Эффект дальнодействия в кремнии при низкотемпературном нагреве

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

.5 Биологическое действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (КВЧ)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Методика эксперимента

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

,

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

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

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

 (1)

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

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

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

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

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

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

Рис. 4. Структура диодного чипа КД.

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

Рис. 5. Электрическая схема соединения диодов

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

3. Результаты и их обсуждение

.1 Зависимость относительного изменения микротвердости от длительности облучения светом

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

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

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