Исследование радиофизических характеристик полупроводниковых материалов

"Научный аспект №5-2024" - Радиотехника

УДК 538.958

Малинский Владимир Андреевич – магистрант Кубанского государственного университета.

Бузько Владимир Юрьевич – кандидат химических наук, доцент Кубанского государственного университета.

Аннотация: В выполненной магистерской диссертационной работе исследованы радиофизические электромагнитные диэлектрические свойства полимерных композитов на основе порошков различных диэлектрических электронных материалов – диоксида титана TiO₂, титанатов щелочноземельных металлов (CaTiO₃, Ca_0.5Sr_0.5TiO₃, Sr_0.5Ba_0.5TiO₃), титаната свинца PbTiO₃, кальций-медного титаната состава CaCu₃Ti₄O₁₂ и полиэтилена высокой плотности ПЭВП.

Ключевые слова: спектроскопия, диоксид титана, титанат кальция, полиэтилен высокой плотности, полупроводниковый материал, радиофизические характеристики.

Введение

Изучение радиофизических характеристик полупроводниковых структур является одним из ключевых направлений в науке и технологии. Это связано с тем, что полупроводники являются основными элементами многих электронных и оптических приборов и устройств, таких как транзисторы, светодиоды, солнечные батареи, фотодетекторы. Изучение их радиофизических свойств играет важную роль в улучшении и оптимизации характеристик этих устройств.

Радиофизические характеристики полупроводниковых структур определяют способность материала вести электрический ток, его поглощение и рассеяние света, проницаемость материала для электромагнитных волн и прочие свойства. Для их изучения используются различные методы, такие как измерение проводимости, концентраци, спектроскопия, микроскопия и другие.

Использованные материалы и оборудование

В практической части диссертационной работы были использованы следующие образцы исследуемых титанатных материалов:

1) коммерческий порошок диоксида титана TiO₂ (титана двуокись (IV), квалификации ЧДА, "Вектон", РФ);

2) порошок титаната кальция CaTiO₃, приготовленный пирохимическим методом в «Лаборатории электромагнитных наноматериалов» Кубанского государственного университета кандидатом химических наук Бузько В.Ю.;

3) порошок титаната свинца PbTiO₃, приготовленный пирохимическим нитрат-цитратным золь-гель методом в «Лаборатории электромагнитных наноматериалов» Кубанского государственного университета кандидатом химических наук Бузько В.Ю.;

4) порошок смешанного кальций-бариевого титаната Ca_0.5Ba_0.5TiO₃, приготовленный пирохимическим нитрат-оксалатным золь-гель методом в «Лаборатории электромагнитных наноматериалов» Кубанского государственного университета кандидатом химических наук Бузько В.Ю.;

5) порошок смешанного стронций-бариевого титаната Sr_0.5Ba_0.5TiO₃, приготовленный пирохимическим нитрат-оксалатным золь-гель методом в «Лаборатории электромагнитных наноматериалов» Кубанского государственного университета кандидатом химических наук Бузько В.Ю.;

6) порошок кальций-медного титаната CaCu₃Ti₄O₁₂, приготовленный пирохимическим нитрат-глицинатным золь-гель методом в «Лаборатории электромагнитных наноматериалов» Кубанского государственного университета кандидатом химических наук Бузько В.Ю.;

7) парафин технический в гранулах (РФ, квалификация «технический»);

8) гранулированный полиэтилен высокой плотности ПЭВП/СВМПЭ (РЕ 1000 Original ”S", M_r ≈ 5·10⁶ г/моль, РФ, ПМК СибМашПолимер).

Оборудование

1) двухлучевой спектрофотометр Hitachi U-3900 (HITACHI High Technologies, Япония) с двухканальной интегрирующей сферой для получения спектров диффузного отражения.

2) Электронный микроскоп сверхвысокого разрешения JEOL JSM-7500F и приставка ЭДА-микроанализа «INCA X-Max»

3) Двухпортовой векторный анализатор цепей «KC901V Deepace»

Исследование микроструктурных и электромагнитных свойств полимерно-диэлектрических композитов на основе порошка диоксида титана

Микроструктура поверхности частиц исследованного порошка диоксида титана и спектр ЭДА, отражающий состав использованного порошка TiO₂ представлены на рисунке 1. Можно видеть, что химический состав исследованного образца порошка диоксида титана TiO₂, определенный методом рентгеноспектрального энергодисперсионного микроанализа, является характерным для диоксида титана химического метода производства.

Рисунок 1. Микроструктура частиц исследованного порошка TiO₂ и соответствующий спектр ЭДА.

Исследование микроструктурных характеристик и электромагнитного радиоэкранирования порошков титанатов щелочноземельных металлов

Рисунок 2. Электронная микрофотография для исследованного образца порошка CaTiO₃

Согласно данным рисунка 2, частицы порошка титаната кальция размером до 5 мкм являются удлиненными агломератами, состоящими из наночастиц средним размером около 65±20 нм. Вероятнее всего такая специфичная форма частиц порошка CaTiO₃ связана с особенностями метода его лабораторного приготовления и термообработки.

Спектр оптического диффузного отражения и соответствующее преобразование Кубелки-Мунка для исследованного порошка титаната кальция представлены на рисунке 3. Полученный спектр диффузного отражения является довольно характеристичным для ультраширокозонного электронного материала белого цвета и имеет в себе все черты, отличительные от диоксида титана.

Рисунок 3. Спектр оптического диффузного отражения и преобразование Кубелки-Мунка для исследованного порошка CaTiO₃

Было обнаружено, что исследованный порошок титаната кальция CaTiO₃ характеризуется рассчитанной шириной запрещенной зоны прямого электронного перехода E_g(dir) ≈ 3.54±0.03 эВ. Для непрямого электронного перехода оценочная величина ширина запрещенной зоны для порошка CaTiO₃ составляет E_g(indir) ≈ 3.27±0.02 эВ. Полученные результаты по величинам ширины запрещенной зоны, определенным для исследованного порошка CaTiO₃ хорошо согласуется с известными экспериментальными данными.

Исследование электромагнитного радиоэкранирования порошков титанатов щелочноземельных металлов

На рисунке 4 приведены измеренные экспериментально частотные зависимости расчетной характеристики электромагнитного экранирования (для толщины слоя композиционного материала 10 мм) для исследованных образцов композитных материалов на основе порошков титанатов металлов (50% масс.) и ПЭВП для 4G и 5G диапазонов мобильной связи.

Согласно данным рисунка 4, учитывая равные доли использованных неорганических титанатных наполнителей, наилучшие характеристики электромагнитного экранирования показали полимерные композиты на основе порошка смешанного кальций-стронциевого титаната Ca_0.5Sr_0.5TiO₃ и порошка кальций-медного титаната CaCu₃Ti₄O₁₂. По видимому, это связано как со степенью равномерного распределения частиц порошков использованных титанатов металлов в полимерной матрице высокоплотного полиэтилена так и с их объемной долей наполнения в композите, которая будет наибольшей для материалов с более мелкими частицами.

Рисунок 4. Частотные зависимости характеристики электромагнитного экранирования для исследованных образцов радиоэкранирующих композитов на основе порошков титанатов металлов и ПЭВП.

Согласно данным таблицы 1, можно сделать вывод, что по сравнению с практически радиопрозрачным полиэтиленом высокой плотности исследованные образцы композиционных материалов на основе порошков смешанного кальций-стронциевого титанат, кальций-медного титаната и титаната свинца при массовой доле диэлектрического наполнителя 50% являются достаточно эффективными электронными радиоэкранирующими материалами в отношении радиоэкранирования для электромагнитных волн как 4G так и 5G диапазонов мобильной связи.

Таблица 1. Усредненные характеристики эффективности электромагнитного экранирования (SE) для изготовленных образцов радиоэкранирующего композитов на основе порошков исследованных титанатов и ПЭВП для 4G и 5G диапазонов мобильной связи.

композит	SE, дБ (4G)	SE, дБ (5G)
Чистый ПЭВП	-0,03±0,01	-0,05±0,02
CaTiO3–ПЭВП	-1,12±0,02	-2,27±0,11
Ca0.5Sr0.5TiO3–ПЭВП	-1,79±0,05	-3,43±0,07
Sr0.5Ba0.5TiO3–ПЭВП	-1,77±0,06	-2,38±0,05
CaCu3Ti4O12–ПЭВП	-3,16±0,09	-3,79±0,10
PbTiO3–ПЭВП	-2,95±0,10	-5,46±0,19

Заключение

1) Обнаружено, что исследованный порошок диоксида титана в рутильной фазе с размерами частиц 134±28 нм является электронным материалом с шириной запрещенной зоны 3,17 эВ. Можно рекомендовать добавки микропорошка рутильного диоксида титана для использования в виде радиопоглощающего/радиоэкранирующего неорганического армирующего наполнителя к полимерно-композиционным материалам с радиоэкранируюшими свойствами.

2) Обнаружено, что исследованные порошки титанатов щелочноземельных металлов (CaTiO₃, Ca_0.5Sr_0.5TiO₃, Sr_0.5Ba_0.5TiO₃) также являются типичными ультраширокозонными электронными материалами с шириной запрещенной зоны более 3,5 эВ. По своим характеристикам эти порошки титанатов являются эффективным диэлектрическими наполнителями для различных полимерных материалов для защиты от импульсных микроволновых излучений. Исследованный полимерный композит на основе порошка кальций-стронциевого титаната Ca_0.5Sr_0.5TiO₃ является хорошим диэлектрическим радиоэкранирующим наполнителем среднего уровня. Можно рекомендовать добавки микропорошка кальций-стронциевого титаната Ca_0.5Sr_0.5TiO₃ для использования в виде радиоэкранирующего минерального наполнителя вместе с порошками ферримагнетиков к полимерно-композиционным материалам для увеличения их радиоэкранирующих свойств без значимого возрастания электрической проводимости таких композитов.

3) Обнаружено, что исследованный порошок кальций-медного титаната состава CaCu₃Ti₄O₁₂ (CCTO), приготовленный пирохимическим золь-гель методом в «Лаборатории электромагнитных наноматериалов» Кубанского государственного университета, является широкозонным полупроводниковым электронным материалом с шириной запрещенной зоны около 2,5 эВ. По своим радиофизическим характеристикам исследованный порошок CaCu₃Ti₄O₁₂ является эффективным неорганическим радиоэкранирующим наполнителем для различных полимерных материалов для защиты от импульсных микроволновых излучений. Также можно рекомендовать добавки микропорошка кальций-медного титаната состава CaCu₃Ti₄O₁₂ для использования в виде радиоэкранирующего минерального армирующего наполнителя к полимерно-композиционным материалам.

4) Обнаружено, что исследованный порошок титаната свинца PbTiO₃, приготовленный пирохимическим золь-гель методом в «Лаборатории электромагнитных наноматериалов» Кубанского государственного университета, является широкозонным электронным полупроводниковым материалом с шириной запрещенной зоны прямого электронного перехода E_g(dir) ≈ 3.04±0.03 эВ. По своим радиофизическим характеристикам исследованный порошок PbTiO₃ также является эффективным неорганическим радиоэкранирующим наполнителем для различных полимерных материалов для защиты от импульсных микроволновых излучений, однако практическое применение его сомнительно из-за токсичности для людей свинец-содержащих соединений.

Список литературы

1. Hardell L., Carlberg M. Health risks from radiofrequency radiation, including 5G, should be assessed by experts with no conflicts of interest. // Oncology Letters. Vol. 20. 2020. № 4. A93.
2. Karipidis K., Mate R., Urban D., Tinker R., Wood A. 5G mobile networks and health –a state-of-the-science review of the research into low-level RF fields above 6 GHz. // Journal of Exposure Science & Environmental Epidemiology. Vol. 31. 2021. p. 585–605.
3. Vyzulin S.A., Buz’ko V.Yu., Kalikintseva D.A., Goryachko A.I., Sarin L.I., Kolantsov O.A., Syr’ev N.E. Magnetic and dielectric properties of composites based on magnetic microspheres // Journal of Physics Conference Series. Vol. 1389. 2019. № 1. p. 012161. DOI:10.1088/1742-6596/1389/1/012161
4. Vladimir Buz’ko, Igor Shamray, Alexander Goryachko, Sergei Udodov, Anatoly Abashin. Electromagnetic characteristics of biosilicа from rice husk. // E3S Web of Conferences. 263. 2021. p. 01013.
5. Бузько В.Ю., Удодов С.А., Чариков Г.Ю., Иванин С.Н., Горячко А.И., Литвинов А.E., Шуткин И.Ю., Астахов В.А. Свойства радиопоглощающих композитов бетон-микропорошки Ст3. // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2021, № 5, С. 20-30.
6. Бузько В.Ю., Удодов С.А., Литвинов А.E., Иванин С.Н., Горячко А.И., Чариков Г.Ю. Свойства радиопоглощающих композитов бетон-микропорошки латуни. // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2021, № 5, С. 31-39.
7. Fukuda, R. Kitoh and I. Awai, Microwave characteristics of TiO₂-Bi₂O₃ dielectric resonator. // Jpn. J. Appl. Phys. 32, 4584 (1993)
8. Juan Li, Renli Fu,, Yue Xu, Zhenxiao Fu & Hongjuan Su. The microstructure and dielectric properties of titanium oxide doped with nano CuO. // Journal of advanced dielectrics, Vol. 4, No. 3 (2014) 1450025