Тонко и не рвётся
В полупроводниковой технике применяют тонкие кремниевые пластины — диаметром 10 см и более, а толщиной порядка 100 мкм. Использование тонких пластин — тоньше листа бумаги — не прихоть. Когда на кремниевой пластине создаётся структура мощного прибора, то выделяющееся тепло надо отводить, и чем пластина тоньше, тем эффективнее теплоотвод.
В физике обычно разделяют объёмные и поверхностные свойства, в частности, считается, что механическая прочность и электросопротивление — свойства объёмные, а отражение света или электронная эмиссия — поверхностные. Иногда ситуация оказывается сложнее, например, прочность стекла зависит от обработки поверхности, а если речь идёт о тонких слоях — то электросопротивление начинает зависеть от того, что происходит на поверхности. Более того, часто оговариваются, что «поверхность» — это фактически и поверхность, и приповерхностный слой.
Сотрудники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и Производственного комплекса «ФИД-Техника» (Санкт-Петербург) изучили зависимость прочности этих, тоньше листа бумаги, пластин. И обнаружили, что прочность пластин связана с параметрами профиля их поверхности: чем более гладкой становится поверхность пластины после обработки и чем хаотичнее расположены неровности, тем пластина прочнее. В зависимости от того, как обрабатывались пластины, их прочность изменялась — ни много ни мало в 8 раз (от 0,13 до 1,0 ГПа). Исследователи подобрали оптимальный режим и объяснили, чем он отличается от других: на последних этапах обработки следует прибегать к химико-механической полировке со съёмом материала с поверхности не более 3—5 мкм.
Авторы статьи проанализировали существующие способы измерения прочности тонких кремниевых пластин и изложили соображения о том, как именно её следует измерять.
Козлов В. А., Николаев В. И., Шпейзман В. В. и др. Влияние химико-механической обработки кремниевых пластин на морфологию их поверхности и прочность. ЖТФ, 2023, т. 93, вып. 5, с. 643.
Восстановление вместо окисления
Нагрев используется во многих технологических процессах, например, для восстановления кристаллической структуры и снятия внутренних напряжений после неупругой деформации (рекристаллизационный отжиг). При нагреве на воздухе и вообще в среде, содержащей газы-окислители (O2, CO2, H2O, SO2), большинство металлов окисляется. Обычно окисление представляет проблему, поэтому отжиг металлов приходится либо вести в вакууме, защитной (Ar, N2) или восстановительной (H2, CO) среде, либо мириться с необходимостью очищать окислы с поверхности. Это делает дороже технологический процесс и усложняет жизнь.
Медная трубка после термообработки: 1 — области окисленной поверхности, 2 — зона восстановленной поверхности.Фото из реферируемой статьи.
Тут нужно сказать, что восстановление в химии — это не способ «вернуть всё как было», а электрохимический процесс, обратный окислению. Если вещество-окислитель (не обязательно кислород) забирает у атомов, например, металла часть их электронов, то восстановитель возвращает эти электроны на место, и из того же оксида металла снова получается чистый металл.
Сотрудники Института прикладных исследований АН РТ и Физико-технического института им. Е. К. Завойского (Казань) брали медные трубочки диаметром 10 мм или полосочки шириной 16 мм, размещали их внутри металлических трубок (из низкоуглеродистой стали 20 или титана) внутренним диаметром 18 мм и всю эту конструкцию нагревали до 900°С внутри трубчатого нагревателя. Температура трубки в середине нагревателя, в зоне максимального нагрева, естественно, была выше, чем с её концов. Когда медные образцы (после охлаждения установки) доставали, то поверхность центральных участков, находившихся при максимальной температуре, была чистая и блестящая, а на концах — сильно потемневшая. За «химией», происходящей внутри раскалённой печи, исследователи наблюдали, измеряя в ходе эксперимента разность электрических потенциалов между медными образцами и металлической трубкой, заодно контролируя вес образцов с помощью весов. Оказалось, что до температуры около 615°С поверхность меди в эксперименте ожидаемо окислялась, а её масса росла за счёт образования оксида, но при более высоких температурах начинался обратный процесс восстановления меди — она «избавлялась» от кислорода, а её масса начинала уменьшаться.
Полученные результаты авторы статьи трактуют как пример электрохимического механизма восстановления оксидов меди, в котором кислород при превышении определённой температуры начинает играть роль переносчика электрического заряда между медью и окружающей её металлической трубкой. Она берёт окисление «на себя», а заодно «вытягивает» кислород из меди, тем самым восстанавливая её.
Титаном защищать медь от окисления, наверное, накладно, а железной трубой — отчего бы и нет?
Пилягин М. В., Тагиров Л. Р. Восстановление меди из оксидов при нагревании в воздухе. Письма в ЖТФ, 2023, вып. 9, с. 9.
Космос и пыль
В Солнечной системе есть пыль. Но мелкая со временем должна «выметаться» давлением солнечного света, а крупная — падать на Солнце. А раз пыль всё равно присутствует, значит, имеются её источники. Это ядра комет, потоки межзвёздной пыли, частицы, выбитые высокоскоростными микрометеоритами из космических тел вроде Луны, и пылевые бури, подобные марсианским. Улететь от материнского тела пыли помогает и электростатическое взаимодействие — её частицы заряжаются посредством фотоэмиссии под действием солнечного излучения.
Некоторые проявления пыли в космосе и атмосфере Земли. Слева — изображение коронального (от солнечной короны) и зодиакального (отражённого от пыли) света, сделанное космическим аппаратом Clementine (NASA), когда Солнце было позади Луны. Белая область на краю Луны — зодиакальный свет, яркая точка вверху — Венера. Справа — серебристые облака, наблюдаемые 6 июля 2020 года в Нижнем Новгороде, фото М. Е. Викторова. Иллюстрация из реферируемой статьи.
Специалисты из Института космических исследований РАН, Объединённого института высоких температур РАН, Института астрономии РАН, Национального исследовательского университета «МЭИ» (Москва) и Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) представили всесторонний обзор этих и других сопутствующих процессов по своим и литературным данным. Многие из этих процессов происходят, например, на поверхности астероидов и спутников Марса: для них скорости, при которых пыль покидает родительское тело, не 2,4 км/с, как для Луны, а лишь 6—10 м/с. Авторы обзора рассматривают процессы с межзвёздной пылью и напоминают, что на этих пылевых частицах открыто около 270 молекул.
Изучение космической пыли важно и для теории — потому что несёт на себе отпечаток многих процессов, и для практики — пыль влияет на работу космических аппаратов и на деятельность человека. В частности — того, который ступит на поверхность Луны. Для начала.
Кузнецов И. А., Захаров А. В., Зелёный Л. М. и др. Пылевые частицы в космосе: возможности экспериментальных исследований. Астрономический журнал, 2023, т. 100, № 1, с. 41.
