Materials of Electronics Engineering (E-Journal) / Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники
Not a member yet
466 research outputs found
Sort by
Влияние кальция на удельную теплоемкость и изменение термодинамических функций алюминиевого проводникового сплава AlTi0.1
Full text linkAluminum in terms of electrical conductivity among all known metals ranks fourth after silver, copper and gold. The electrical conductivity of annealed aluminum is approximately 62% IACS of the electrical conductivity of annealed standard copper, which at 20 °C. is taken as 100% IACS. However, due to its low specific gravity, aluminum has a conductivity per unit mass 2 times greater than copper. This property of aluminum gives us an idea of the economic viability of using it as a material for conductors. With equal conductivity (the same length), the aluminum conductor has a cross-sectional area 60% larger than copper, and its mass is only 48% of the mass of copper. In most cases, in electrical engineering, the use of aluminum as a conductor is difficult, and often simply impossible due to its low mechanical strength. An increase in the mechanical strength of aluminum is possible due to the introduction of alloying additives, i.e. creating alloys. In such a case, the mechanical strength increases, causing a noticeable decrease in electrical conductivity. The heat capacity of the aluminum conductor alloy AlTi0.1 (Al + 0.1 wt.% Ti) with calcium in the “cooling” mode was determined from the known heat capacity of the standard aluminum sample. Equations are obtained that describe the cooling rates of specimens made from an aluminum conductor alloy AlTi0.1 with calcium and a reference. Based on the calculated values of the cooling rates of the samples, the equations for the temperature dependence of the heat capacities of the alloys and the standard were formed. The temperature dependences of changes in enthalpy, entropy, and Gibbs energy for the aluminum alloy AlTi0.1 with calcium are calculated by integrating the specific heat capacity. The heat capacity, enthalpy, and entropy of the AlTi0.1 alloy decrease with increasing calcium concentration, and increase with increasing temperature, while the value of the Gibbs energy has an inverse relationship.Среди всех известных металлов, таких как серебро, золото, медь, алюминий по электропроводности занимает четвертое место. Электропроводность меди при 20 °C принимается за 100 % IACS, алюминия в отожженном состоянии она составляет 62 % IACS. Однако, если учесть удельный вес алюминия, то на единицу массы его проводимость в 2 раза больше, чем у меди. Из этого следует, на сколько выгодно применение алюминия в качестве материала для проводников. При одинаковой проводимости (одна и та же длина) проводник из алюминия имеет площадь поперечного сечения на 60 % больше, чем медь. При этом его масса составляет всего 48 % массы меди. Из-за низкой механической прочности в ряде случаев в электротехнике использование в качестве проводника алюминия затруднено или просто невозможно. Легированием другими металлами алюминия можно повысить его механическую прочностью, несмотря на заметное снижение электропроводности. В статье представлены результаты исследования теплоемкости алюминиевого проводникового сплава AlTi0.1 (Al + 0,1 % (мас.) Ti) с кальцием. Исследование проведены в режиме «охлаждения» с использованием в качестве эталона алюминия марки А5N (99,999 % Al). Получены полиномы, описывающие скорости охлаждения образцов из сплавов и эталона. По рассчитанным значениям скоростей охлаждения образцов из исследуемых сплавов сформированы уравнения, описывающие температурную зависимость термодинамических функций (энтальпия, энтропия, энергия Гиббса) сплавов путем интегрирования зависимостей их теплоемкостей. Установлено, что термодинамические функции и теплоемкость сплавов с ростом температуры увеличиваются, а от концентрации кальция уменьшаются.
Детектирование неоднородных магнитных полей при помощи магнитоэлектрического композита
No full textMagnetoelectric (ME) composites can be useful due to their wide range of possible applications, especially as sensors of weak magnetic fields at room temperature for magnetocardiography and magnetoencephalography techniques in medical diagnostic equipment. In most works on the topic of ME composites, structures are tested in uniform magnetic fields; however, for practical application, a detailed consideration of the interaction with inhomogeneous magnetic fields (IMF) is necessary. In this work we made measurements of IMF with radial symmetry of individual thin wire with AC voltage with different placements of ME sensor. A ME self-biased structure b-LN/Ni/Metglas with a sensitivity to magnetic field of 120 V/T was created for IMF detection. The necessity of external biasing magnetic field is avoided by a nickel layer and its remanent magnetization. ME composite shows a non-zero ME coefficient of 0.24 V/(cm·Oe) in absence of DC external magnetic field. It is shown that output voltage amplitude from ME composite, which is located in AC IMF, is dependent from relative position of investigated sample and magnetic field lines. Maximum ME signal is obtained when long side of ME sample is perpendicular to the wire, and symmetry plane which divides the long side in two similar pieces contains an axis of the wire. In frequency range from 400 Hz to 1000 Hz in absence of vibrational and other noises a limit of detection has value of (2 ± 0.4) nT/Hz1/2.Перспективность использования магнитоэлектрических (МЭ) композитов обусловлена широким спектром их возможного применения, особенно в качестве сенсоров малых магнитных полей при комнатной температуре в медико-диагностическом оборудовании для магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии. В большинстве работ по изучению МЭ-композитов структуры измеряют в однородных магнитных полях, однако, для практического применения необходимо детальное рассмотрение взаимодействия с неоднородными магнитными полями (НМП). Проведены измерения НМП с радиальной симметрией, возникающего вокруг тонкого провода с переменным электрическим током, при разных положениях МЭ-датчика относительно единичного провода. Для детектирования НМП подготовлена градиентная МЭ-структур b-LN/Ni/Metglas с коэффициентом чувствительности к магнитному полю 120 В/Тл. За счет наличия слоя никеля и его остаточной намагниченности не было необходимости в подаче подмагничивающего поля. МЭ-композит показал ненулевое значение МЭ-коэффициента (0,24 В/(см · Э)) в отсутствии постоянного внешнего магнитного поля. Показано, что амплитуда выходного сигнала с МЭ-композита, расположенного в переменном НМП, зависит от взаимного расположения исследуемого образца и силовых линий магнитного поля от единичного проводника. При этом наибольший сигнал достигается, когда длинная сторона МЭ-образца перпендикулярна к проводнику с током, а плоскость симметрии, разделяющая длинную сторону пластины пополам, содержит ось проводника. В области частот от 400 Гц до 1 кГц, где влияние вибрационных шумов и других наводок не даёт большой вклад, лимит детектирования структуры составляет (2 ± 0,4) нТл/Гц1/2
Барьеры для инжекции электронов и дырок из подложки кремния в ВЧ-магнетронно напыленные пленки In2O3 : Er
Full text linkThe In2O3 : Er films were deposited on Si substrates by the RF magnetron sputtering technique. For the Si substrates of both n- and p-type the current through the MOS-structure (Si/In2O3 : Er/In-contact) was described by the thermionic emission of the main currents over the barrier, with the correction of the applied voltage into the partial voltage drop in silicon. By the temperature dependence measurements of the forward currents at small under-barrier biases the barriers for the current injection from Si into the films were found equal to the 0.14 eV and 0.3 eV for the electrons and holes accordingly. The obtained small barrier for the holes is described by the presence of the defect state density. It tails from the valence band maximum into the In2O3 : Er band gap and provides there the conduction channel for holes. The defect state density in the In2O3 : Er band gap is proved by the PL data in the respective energy range 1.55–3 eV. The band analysis for the hetero-structure Si/In2O3 : Er is performed. It gives the energy gap between the electrons in the In2O3 : Er conduction band and the holes in the band gap channel equal to the 1.56 eV.Пленки In2O3 : Er были напылены на подложки кремния с помощью ВЧ-магнетронного распыления-осаждения. Для подложек кремния как n-, так и p-типа проводимости токи через полученные МОП-структуры (Si/In2O3 : Er/In-контакт) были описаны в рамках модели термоэмиссии основных носителей через барьер с коррекцией приложенного напряжения на потенциал, падающий в кремнии. С помощью измерения температурной зависимости прямых токов при малом, подбарьерном смещении были найдены барьеры для инжекции электронов и дырок из кремния в пленки, равные 0,14 и 0,3 эВ, соответственно. Полученный невысокий барьер для дырок объясняется наличием плотности дефектных состояний, которые простираются от края зоны валентности в запрещенную зону In2O3 : Er и создают там канал проводимости для дырок. Наличие плотности дефектных состояний в запрещенной зоне In2O3 : Er подтверждается данными фотолюминесценции в соответствующем интервале энергий 1,55—3,0 эВ. Выполнен анализ зонной структура гетероперехода Si/In2O3 : Er. На его основе установлен энергетический интервал между электронами в зоне проводимости In2O3 : Er и дырками в канале проводимости в запрещенной зоне, равный 1,56 эВ.
Конвертер терагерцового излучения на основе метаматериала
Full text linkSince the early 1980s, the terahertz range (from 0.1 to 10 THz) attracts constant attention of both fundamental and applied physics. Due to its unique properties, terahertz radiation finds it’s applications in spectroscopy, defectoscopy, and security systems. The construction of efficient absorbers and converters in terahertz range is crucial for further development of terahertz technologies. In this work, we use a frequency-selective high-Q metamaterial to construct a converter of terahertz radiation into the infrared radiation. The converter consists of a metamaterial absorber of terahertz radiation covered with a micrometer thick layer of graphite, which emits in the infrared range the energy absorbed by the metamaterial. We have made a numerical electrodynamic and associated thermal simulation of the radiation converter. The metamaterial simulation at 96 GHz (low opacity window of the atmosphere) shows the electromagnetic radiation absorption coefficient of 99.998%, and the analytically calculated converter efficiency of 93.8%. Concluding the above our terahertz radiation converter may contribute to security systems and defectoscopy setups.С начала восьмидесятых годов XX века терагерцовый диапазон (от 0,1 до 10 ТГц) привлекает неослабевающее внимание как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Благодаря своим уникальным свойствам терагерцовое излучение используется для решения широкого спектра задач в спектроскопии, дефектоскопии и обеспечения безопасности. Создание эффективных поглотителей и преобразователей терагерцового излучения является сейчас основой для развития терагерцовых технологий. В настоящей работе рассматривается использование частотно-избирательного высокодобротного метаматериала для создания конвертера терагерцового излучения в инфракрасный диапазон длин волн. Предложен конвертер, состоящий из метаматериального поглотителя терагерцового излучения, покрытого микрометровым слоем графита, переизлучающим поглощенную метаматериалом энергию в инфракрасном диапазоне. Произведен численный электродинамический и сопряженный с ним тепловой расчет предлагаемого конвертера излучения. Результаты численного моделирования метаматериала на частоте 96 ГГц (окно прозрачности атмосферы) показали коэффициент поглощения электромагнитного излучения равный 99,998 %, а аналитически рассчитанный коэффициент полезного действия разработанного конвертера составил 93,8 %. Благодаря этому разработанный нами конвертер терагерцового излучения может найти применение в области досмотрового контроля в сфере транспортной безопасности и дефектоскопии
Принципиально новые подходы к решению теплофизических задач применительно к наноэлектронике
Full text linkCurrently, there is a rapid development of thermophysics of solids associated with the need of creating models with a high degree of predictive reliability. This paper presents new approaches to solving relevant issues related to the study of heat transfer in semiconductors and dielectrics, mainly concerning nano-structures. The first of the considered tasks is the creation of a statistical model of the processes of interaction of heat carriers – phonons – with rough surfaces of solids. For the first time authors proposed a method based on the statistics of the slopes of the profile of a random surface. The calculation results are the mean free paths of phonon between the opposite boundaries of the sample, which are necessary for calculating the effective thermal conductivity in ballistic and diffusion-ballistic regime of heat transfer, depending on the roughness parameters. The second task is to develop methods for calculating the processes of heat transfer through the contact surfaces of solids. We were able to show that, taking into account the phonon dispersion and the corresponding restrictions on the frequency values, the modified acoustic mismatch model for calculating Kapitsa resistances can be extended to temperatures above 300 K. Previously, the limit of applicability of this method was considered to be a temperature of 30 K. Moreover, the proposed method is also generalized to the case of rough interfaces. The third task is a new approach to determining the thermal conductivity of solids. The authors have developed a method of direct Monte Carlo simulation of phonon kinetics with strict consideration of their interaction due to the direct use of the laws of conservation of energy and quasi-momentum. The calculations of the thermal conductivity coefficient for pure silicon in the temperature range from 100 to 300 K showed good agreement with the experiment and ab initio calculations of other authors, and also allowed us to consider in detail the kinetics of phonons.В настоящее время наблюдается интенсивное развитие теплофизики твердых тел, связанное с необходимостью создания моделей, обладающих высокой степенью предсказательной надежности получаемых результатов. В работе представлены новые подходы к решению ряда актуальных задач, связанных с изучением переноса тепла в полупроводниках и диэлектриках, в основном, касающихся наноструктур. Первая из рассмотренных задач — создание статистической модели процессов взаимодействия переносчиков тепла — фононов — с шероховатыми поверхностями твердых тел. В основе разработанного метода впервые применена статистика наклонов профиля случайной поверхности. Результатами расчета являются длины пробегов фононов между противоположными границами образца, которые необходимы для расчета эффективной теплопроводности в баллистическом и диффузионно-баллистическом режимах теплопереноса в зависимости от параметров шероховатости. Вторая задача — развитие методов расчета процессов переноса тепла через поверхности контакта твердых тел, имеющих различные теплофизические свойства. Удалось показать, что при учете дисперсии фононов и соответствующих ограничений на значения частот, модифицированная модель акустического несоответствия для расчета сопротивлений Капицы может быть распространена на температуры выше 300 К. Ранее пределом применимости этого метода считалась температура 30 К. Также проведено обобщение предложенного метода на случай шероховатых интерфейсов. Третья задача — новый подход к определению теплопроводности твердых тел. Авторами развит метод прямого Монте-Карло моделирования кинетики фононов со строгим учетом их взаимодействия за счет непосредственного использования законов сохранения энергии и квазиимпульса. Проведенные расчеты коэффициента теплопроводности для чистого кремния в диапазоне температур от 100 до 300 К показали хорошее согласие с экспериментом и расчетами других авторов, а также позволили в деталях рассмотреть кинетику фононов
Отказоустойчивые самосинхронные схемы
Full text linkThe article considers the problem of developing synchronous and self-timed (ST) circuits that are tolerant to faults. Redundant ST coding and two-phase discipline ensures that ST circuits are more soft error tolerant than synchronous counterparts. Duplicating ST channels instead of tripling reduces the fault-tolerant ST circuits’ redundancy and retains their reliability level compared to synchronous counterparts.Статья исследует проблему создания отказоустойчивых самосинхронных (СС) схем. Использование избыточного СС-кодирования и двухфазной дисциплины работы обеспечивает более высокую сбоеустойчивость СС-схем в сравнении с синхронными аналогами. Использование дублирования канала обработки данных вместо традиционного для синхронных схем троирования позволяет сократить избыточность СС-схем в отказоустойчивом исполнении и обеспечивает более высокий уровень надежности в сравнении с синхронными аналогами
Об актуальности проблемы синтеза новых материалов в условиях инновационного развития промышленности
No full textВ статье рассматриваются актуальные проблемы синтеза новых материалов в современных условиях. Отмечено, что сегодня это важнейшая стратегическая задача инновационного развития промышленности России. Сформулированы факторы, определяющие актуальность этой задачи. Дан краткий анализ состояния российской микроэлектроники. Показана значимость методов математического моделирования и необходимость развития инновационных подходов в области синтеза новых материалов. Выделены основные направления научных исследований, связанные с разработкой новых модельных представлений, методов и алгоритмов, применяемых в области математического моделирования структур и свойств наноматериалов, а также систем на их основе, рассмотренные на IV Международной конференции «Математическое моделирование в материаловедение электронных компонентов» (МММЭК-2022). В работе показано, что для дальнейшего развития методов и средств математического моделирования требуется отечественная высокопроизводительная среда для научных исследований, обладающая комфортным пользовательским интерфейсом, гибкостью в настройке ресурсов, высокой производительностью и надежностью
Источник нейтронов для исследования биологических объектов сформированный из поверхностно соприкасающихся конусов, выполненных из борированных сферопластиков
Full text linkAt the Prometheus medical accelerator with a proton beam energy of 225 MeV, a source of fast and epithermal neutrons was constructed and measurements of neutron dose profiles at the output of the neutron channel were carried out using the BDMN-100 detector. A heavy NaI target was used to produce fast neutrons. Together with the research laboratory of the Central Laboratory of Avangard JSC, a new protective material against neutrons called wikineutron was developed, with a different percentage of 10B. This new material has been studied many times at the Prometheus proton accelerator and the Pakhra electron accelerator. Based on the developed new protective materials against neutrons, a shadow protection was formed, made in the form of surface contacting cones, forming a channel of fast and epithermal neutrons. Fast neutrons can be used for remote therapy. Also, a neutron beam can be used to study biological objects and cells. It is also possible to use a neutron source from the Prometheus accelerator for the treatment of superficial tumors. The developed neutron channel can be used for medical work on the creation of new radiopharmaceuticals containing boron and other highly absorbing elements. The developed neutron source is a compact low-power source of therapeutic neutrons, which can be used for the treatment of superficial types of cancer. The main goal of the work was: the formation, based on the developed neutron-absorbing materials, of a neutron channel, which has a simple design and can be used for boron-neutron capture therapy and nadepithermal therapy; creation on the neutron channel of a beam of epithermal neutrons and supra-epithermal neutrons to assess the effectiveness of the use of radiopharmaceuticals.The developed neutron-absorbing materials made it possible to create a neutron channel of epithermal neutrons and supra-epithermal neutrons for therapy and the development of gold-based radiosensitizers.На медицинском ускорителе «Прометеус» при энергии пучка протонов 225 МэВ был сконструирован источник быстрых и эпитепловых нейтронов, а также проведены измерения дозных профилей нейтронов на выходе нейтронного канала с помощью детектора БДМН-100. Для получения быстрых нейтронов применялась тяжелая мишень NaI. Совместно с исследовательской лабораторией ЦЗЛ АО «Авангард» разработан новый защитный материал от нейтронов c разным процентным соотношением 10B под названием wikineutron. На его основе формировалась теневая защита, выполненная в виде поверхностно соприкасающихся конусов, конструирующая канал быстрых и эпитепловых нейтронов. Разработанный нейтронный канал может использоваться для проведения медицинских работ по созданию новых радиофармпрепаратов, содержащих бор и другие сильнопоглощающие элементы. Возможно также применение нейтронного источника от ускорителя «Прометеус» для терапии поверхностно расположенных опухолей. Основной целью работы было формирование на основе разработанных нейтронопоглощающих материалов нейтронного канала, который обладает простой конструкцией и может быть применен для борнейтронзахватной и «надэпитепловой» терапии, а также создание на нейтронном канале пучка эпитепловых и надэпитепловых нейтронов для оценки эффективности применения радиофармпрепаратов. Разработанные нейтронопоглощающие материалы позволили создать нейтронный канал эпитепловых и надэпитепловых нейтронов для терапии и разработки радиосенсибилизаторов на основе золота
Электрофизические свойства, мемристивное и резистивное переключение в заряженных доменных стенках в ниобате лития
No full textCharged domain walls (CDW) in ferroelectric materials are interesting from fundamental and applied points of view, since they have electrical properties different from bulk ones. At the microstructural level, CDW in ferroelectrics are two-dimensional defects that separate regions of the material with different directions of spontaneous polarization vectors. Compensation of the electric field of the bound ionic charge of the CDW by mobile carriers leads to the formation of extended narrow channels with increased conductivity in the original dielectric material. By controlling the position and angle of inclination of the CDW relative to the direction of spontaneous polarization, it is possible to change its conductivity in a wide range, which opens up broad prospects for creating memory devices, including for neuromorphic systems. The review presents the current state of research in the field of formation and application of CDW formed in single crystals of uniaxial ferroelectric lithium niobate (LiNbO3, LN) as resistive and memristive switching devices. The main methods for forming CDW in single crystals and thin films of LN are considered, and modern data on the electrophysical properties and methods for controlling the electrical conductivity of CDW are presented. The prospects for using CDW in memory devices with resistive and memristive switching are discussed.Заряженные доменные стенки (ЗДС) в сегнетоэлектрических материалах интересны с фундаментальной и прикладной точек зрения, так как они обладают электрофизическими свойствами, отличными от объёмных. На уровне микроструктуры ЗДС в сегнетоэлектриках представляют собой двумерные дефекты, разделяющие области материала с различающимися направлениями векторов спонтанной поляризации. Компенсация электрического поля связанного ионного заряда ЗДС подвижными носителями приводит к формированию протяженных узких каналов с повышенной проводимостью в исходно диэлектрическом материале. Управляя положением и углом наклона ЗДС по отношению к направлению спонтанной поляризации, можно изменять её проводимость в широком диапазоне, что открывает широкие перспективы для создания устройств памяти, в том числе для нейроморфных систем. В обзоре представлено современное состояние исследований в области формирования и применения ЗДС, сформированных в монокристаллах одноосного сегнетоэлектрика ниобата лития (LiNbO3, LN), в качестве устройств резистивного и мемристивного переключения. Рассмотрены основные методы формирования ЗДС в монокристаллах и тонких пленках LN, приведены современные данные по электрофизическим свойствам и способам управления электропроводностью ЗДС. Обсуждены перспективы применения ЗДС в устройствах памяти с резистивным и мемристивным переключением
Квантово-механическое моделирование переключения поляризации в кристаллах HfO2
Full text linkThe work is devoted to the study of the process of changing the polarization of hafnium oxide crystals in the orthorhombic phase associated with the gradual weakening of the polarization effects in FeRAM elements based on thin films of hafnium oxide HfO2. To solve the problem, quantum-mechanical calculations of the structure of orthorhombic hafnium oxide were carried out, a possible way of crystal rearrangement during a change in polarization upon application of voltage was identified, and its optimization was carried out using the elastic band method. The values of the polarization change and the energy barrier of the corresponding transition are obtained. A study of the stability of this transition has been carried out. The results of a series of computational experiments using high-performance computing systems of hybrid architecture based on the Center for Collective Use of the FRC IU RAS are presented. An analysis of the results shows that, despite the low energy barrier of the transition, the probability of a spontaneous change in polarization is low due to the impossibility of changing the polarization of an individual cell without taking into account the influence of the polarizations of neighboring cells.Работа посвящена исследованию процесса изменения поляризации кристаллов оксида гафния в орторомбической фазе, связанного с постепенным ослаблением поляризационных эффектов в FeRAM-элементах на основе тонких пленок оксида гафния HfO2.Для решения задачи проведены квантово-механические расчеты структуры орторомбического оксида гафния, идентифицирован возможный путь перестройки кристалла при смене поляризации при приложении напряжения и произведена его оптимизация с помощью метода эластичной ленты. Получены величины изменения поляризации и энергетический барьер соответствующего перехода. Проведено исследование устойчивости данного перехода. Представлены результаты серии вычислительных экспериментов с применением высокопроизводительных вычислительных систем гибридной архитектуры на базе Центра коллективного пользования Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление». Анализ результатов показывает, что, несмотря на невысокий энергетический барьер перехода, вероятность самопроизвольной смены поляризации невелика благодаря невозможности смены поляризации отдельной ячейки без учета влияния поляризаций соседних ячеек.