Cтруктура, физические свойства и характеристики материалов и устройств, полученных пучковой технологией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Цой Валерьян Эдуардович

• Цой Валерьян Эдуардович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Цой Валерьян Эдуардович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЯВЛЕНИЕ ДИСКРЕТНОСТИ СТРОЕНИЯ И УРОВНИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1.1. Явление дискретности, экспериментальный разброс и уровни физических свойств твердых тел

1.2. Объекты и методики экспериментов, обработка результатов измерений

1.3. Статистические методы получения надежных, достоверных, повторяемых и воспроизводимых результатов

1.4. Закономерности разброса экспериментальных данных при физических измерениях

1.5. Универсальность явления дискретности физических

свойств твердых тел

1.6. О прогнозировании свойств и создании материалов и

устройств с предельными физическими характеристиками

1.7. Постановка задачи диссертационной работы

ГЛАВА 2. ПУЧКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ: МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА С ПРЕДЕЛЬНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И ХАРАКТЕРИСТИКАМИ 2.1. Универсальный способ устранения разброса

экспериментальных данных

2.2. Три физических состояния твердого тела по масштабному

фактору

2.3. Явление одноэлементного масштабного эффекта

2.4. Явление многоэлементного масштабного эффекта - эффект пучка

2.5. Теория пучка и многоэлементных структур

2.5.1. Теория пучка

2.5.2. Оптимальное число элементов в пучке

2.6. Концепция пучковой или п-технологии материалов и устройств:

нано-, микро-, макротехнология

2.6.1. Определение пучка, основополагающие и

фундаментальные принципы п - технологии и п - устройств

2.6.2. Суть пучковой технологии

2.7. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПУЧКОВЫЕ ПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

3.1. Введение

3.2. Пучковые проводники электрического тока; низкое, сверхнизкое значения электрического сопротивления

3.3. Феномен пучка и условия его реализации в проводниках электрического тока

3.4. Дискретность структуры и экспериментальный разброс в проводниках электрического тока; устранение разброса и

улучшение свойств проводников

3.4.1. Уровни электрического сопротивления или уровни диссипации энергии; устранение разброса сопротивления

и снижение сопротивления до сверхнизких значений

3.4.2. Устранение разброса и практические формулы расчета

для получения проводников со сверхнизким сопротивлением

3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПУЧКОВЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

4.1. Введение

4.2. Разброс и устранение разброса физических свойств и характеристик в диэлектриках. Эффект пучка в диэлектрических материалах и устройствах

4.3. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПУЧКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

5.1. Введение

5.2. Структурные и концептуальные особенности пучковых фотоэлектрических преобразователей

5.3. Тестирование пучковых ФЭП

5.3.1. Результаты измерений в лабораторных условиях

5.3.2. Параллельное соединение элементов

5.3.3. Последовательное соединение элементов

5.3.4. Тестирование квантового выхода

5.4. Температурная стабильность, эффективность и надежность

пучковых фотоэлектрических преобразователей

Выводы по главе

Общие итоги работы

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Протоколы и заключения ФГУП Роскосмоса

«Научный центр Келдыша»

Протокол

Протокол

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Cтруктура, физические свойства и характеристики материалов и устройств, полученных пучковой технологией»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Теоретические и экспериментальные исследования свойств твердых тел и создание физических основ получения материалов и устройств с заданными физическими свойствами и характеристиками актуальны и востребованы. Их важность, актуальность и востребованность обществом, всегда привлекала огромное число исследователей.

В настоящее время, в век высоких технологий, особенно важны и актуальны физические способы модифицирования и получения материалов и устройств с уникальными физическими свойствами, которые для своего осуществления не требуют перестройки химической структуры твердых тел и, следовательно, не требуют больших материальных затрат.

Концепция пучковой технологии получения материалов и устройств с предельными свойствами и характеристиками относится именно к этим физическим методам модифицирования без изменения химического строения твердого тела. Поэтому выбранная диссертационная тема актуальна и важна.

В настоящей работе на базе новейшей структурно-статистической кинетической теории разрушения твердых тел и полимеров (Карташов Э.М., Шевелев В.В., Цой Б.), объединившей существовавшие концепции (механической, статистической, кинетической, термодинамической, ангармонизма межатомных связей, сильных и слабых связей, прочностных состояний, релаксационной спектрометрии) развивается новый подход не только к проблеме прочности и разрушения многоэлементных статистических структур -пучков из числа N > 1 составляющих элементов, но и вообще к проблеме изменения и улучшения физических свойств материалов и устройств на их основе [1-3].

В результате получили дальнейшее развитие теоретические и экспериментальные представления о закономерностях и явлении пучка, создана теория многоэлементных структур [4-6] - теория пучка.

Выдвинутая автором диссертации концепция пучковой технологии явилась физической и методологической основой создания материалов, кон-

струкций, приборов и устройств с высокими и сверхвысокими значе-ниями физических характеристик. Пучковая технология объединила в себе три современные технологические концепции: субмикронную (или нанотехноло-гию с размерностью дефектов в телах 1-100 нм), микронную (размерностью дефектов 100-1000 нм) и макротехнологию (размерность дефектов 100010000 нм).

Состояние проблемы до начала исследований автора. В физике конденсированного состояния за последние 20 лет произошли следующие фундаментальные изменения.

1. Теоретически (Г.М. Бартенев, Э.М. Карташов, В.В. Шевелев) и экспериментально (Б. Цой, Д. Шерматов) открыта и установлена связь между микрогетерогенностью (дискретностью) структуры твердых тел и дискретностью микродефектов в них, и как следствие, найдено объяснение появлению дискретного спектра уровней прочности, долговечности, обнаруживаемого статистическими методами. Дискретный спектр уровней прочности рассматривается как основа новой микромеханики разрушения твердых тел. С помощью дискретного спектра уровней прочности стало возможным установить детальные различия между процессами разрушения массивных, тонких (низкопрочное, высокопрочное состояние), и сверхпрочных образцов [2, 3, 6-10].

2. Открыто явление дискретности физических свойств твердых тел, и как следствие, открыты закономерности одноэлементного и многоэлементного масштабных эффектов - «эффект Б. Цоя», эффект пучка или «эффект Цоя-Карташова-Шевелева» (Б. Цой, Э.М. Карташов, В.В. Шевелев [6, 11-13]), которые дальнейшее развитие получают в работах Цоя В.Э. и сотрудников.

3. Создана и развита (Э.М. Карташов, В.В. Шевелев и Б. Цой) структурно-статистическая кинетическая теория разрушения твердых тел, объединившая все прежние подходы и концепции: механический, кинетический, статистический, термодинамический, ангармонизм межатомных связей, прочностных состояний, релаксационной спектрометрии и др. [1, 3].

4. Развивается новое направление в физике конденсированного состояния - физика пучков и многоэлементных структур, которая становится основой получения материалов и устройств со сверхвысокими (предельными) физическими свойствами и характеристиками [1, 3-6, 8, 14-18] (Б. Цой, Д. Шер-матов, В.В. Шевелев, Э.М. Карташов, В.Э. Цой).

5. Различные направления в науке, технике и технологии: физика прочности и механика твердого тела, электрофизика, электроника, материаловедение, нанотехнология, приборостроение и целый ряд др. объединены в единую физическую концепцию (Б.Цой, Д.Шерматов, В.Э.Цой, В.В. Шевелев, Э.М.Карташов). В результате создана пучковая технология материалов, конструкций и устройств с предельными физическими свойствами и характеристиками.

В связи с этим исторический ход развития физики прочности, механики, электрофизики, электроники, материаловедения, приборостроения, нанотех-нологии и др. предопределили содержание и предмет исследований диссертационной работы автора.

Цель диссертационной работы заключается в дальнейшем развитии и исследовании закономерностей экспериментального разброса физических свойств и характеристик одноэлементных и многоэлементных структур из твердых тел (пучков, тросов, стопок и т.д.), разработке на их базе физических основ получения материалов, конструкций, приборов и устройств с низкими, высокими и сверхвысокими (предельными) физическими свойствами и характеристиками .

Научная новизна работы заключается в исследовании закономерностей разброса и устранения разброса данных эксперимента; проведении экспериментальных исследований статистических закономерностей физических свойств многоэлементных структур - пучков волокон и пленок (стопок, жгутов и т.д.), на основе которых:

1. Подтверждено существование трех физических состояний твердых тел по масштабному фактору - низкомодового (массивные образцы, низкие

значения физических характеристик и свойств), высокомодового (тонкие пленки и волокна, высокие значения физических характеристик и свойств) и сверхмодового (пучки пленок и волокон, предельные значения свойств и характеристик); при этом показано, что тонкие твердые тела в пучке нахо-дятся в особом физическом состоянии - когда грубые дефекты структуры подавлены (замаскированы) наличием в материалах дефектов или бездефектных мест и тем самым обеспечивается явление сверхвысокого увеличения физических свойств и характеристик материалов и конструкций из них; кроме того, в пучке кроме сверхвысокого увеличения характеристик устраняется разброс экспериментальных данных.

2. Развивается единая физическая концепция: пучковая технология материалов и устройств с заданными (низкими, высокими и сверхвысокими, т.е. предельными) физическими свойствами и характеристиками.

3. На основе концепции пучковой технологии разработаны, изготовлены, запатентованы и предложены для практического использования:

3.1. Пучковый сверхпротяженный и сверхпрочный трос, канат и цепь (патент ЯИ 2352699).

3.2. Пучковые проводники электрического тока с контролируемыми и сверхнизкими значениями электрического сопротивления.

3.3. Пучковый диэлектрический материал со сверхнизким тангенсом угла диэлектрических потерь (материалы для работы в условиях СВЧ излучения) и сверхвысокой механической и электрической прочностью.

3.4. Пучковые полупроводниковые приборы принципиально нового поколения, в частности высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи для солнечных энергетических систем, а также систем лазерной передачи энергии на расстояние и термофотовольтаики (патенты ЯИ 2364008, ЕР 015205, ЯИ 2367063, ЕР013788, ЯИ 2355066, КЯ 10-2009-7000414).

Практическое значение работы выражается в том, что оно применимо и применяется в настоящее время в различных отраслях науки, техники и промышленности в виде всевозможных многослойных пучков, жгутов, сто-

пок, тросов или «пирожков», начиная с такелажной, резиново-кордной и шинной промышленности, в производстве композиционных материалов и кончая радиоэлектроникой и компьютерной техникой. Кроме того, стало возможным научно обоснованно создавать высокотехнологичные материалы и устройства с превосходными электрофизическими, механическими и др. характеристиками, например элементы компьютерной памяти, конденсаторы, изоляторы, сверхточные резисторы и т.д.

Данные диссертационной работы рекомендуется использовать в энергетике, электротехнике, технике и строительстве, в химической, радиоэлектронной, в текстильной и резиново-кордной промышленности, в оборонной промышленности и предприятиях занятых переработкой и выпуском материалов, а также в проектных и конструкторских организациях.

Основные положения, выносимые на защиту:

-результаты исследований закономерностей разброса данных эксперимента;

-экспериментальные результаты исследований статистических закономерностей физических свойств многоэлементных структур - пучков, волокон и пленок;

-устранение разброса экспериментальных данных и усиление физических свойств в многоэлементных структурах;

-единая физическая концепция получения материалов и устройств с заданными физическими свойствами (пучковая технология);

-применение пучковой технологии в получении проводников, диэлектриков и полупроводников с превосходными физическими характеристиками.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечивается статистически выверенными данными, корректностью постановки задач исследования и обоснованностью использования теоретических закономерностей, корректным использованием математического аппарата, применением современных программных средств и измерительной аппара-

туры, согласованностью данных, полученных как лично автором, так и другими исследователями. Инженерные решения, использованные в диссерта-циионной работе, защищены международными и Российскими патентами.

Личный вклад автора в выполнении задач и целей диссертации заключается в непосредственном и прямом исполнении работ по исследова-нию дискретного спектра физических свойств и характеристик материалов и конструкций на их основе, а также в исследовании закономерностей физи-ческих свойств многоэлементных структур и конструкций - пучков, в экспериментальных измерениях, в непосредственном проектировании и изготовлении пучковых материалов и устройств, в обработке и обобщении результатов экспериментов той части, которая выполнена в соавторстве с руководителем, сотрудниками и партнерами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем», г. Вологда, 2005, 2006 гг.; Международной научно-технической конференции студентов и ас-пи-рантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» МЭИ(ТУ), г. Москва, 2007 г.; Международном форуме «Энергетика и экология», г. Москва, 2008 г.; SynEnergy Forum (S.E.F.) - 2 «The conference for International Synergy in Energy, Environment, Tourism and Information Technology»; Piraeus, Greece 24 - 26 September 2009; Седьмой всероссийской научной молодежной школе с международным участием «Возобновляемые источники энергии», г. Москва, 2010 г.; Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», г. Севастополь, 2015 г.; заседаниях кафедры динамика и прочность машин им. В.В. Болотина ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», 2007, 2009, 2013, 2015 гг; заседаниях кафедры робототехники, ме-хатроники, динамики и прочности машин ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», 20162017 гг.; Международной конференции «Перспективы развития физической науки», г.Душанбе, 2016 г.; заседаниях кафедры физики твердого тела Таджикского национального университета, 2016-2017 гг.

Основное содержание диссертации опубликовано в 18 работах, из них 5 публикаций в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 194 страницах, включая приложение, 67 рисунков, 14 таблиц и списка цитируемой литературы из 132 наименований.

Ключевые слова: пучковая технология, прочность, долговечность, дискретный спектр, уровни прочности, термофлуктуация, сверхпрочность.

ГЛАВА 1. ЯВЛЕНИЕ ДИСКРЕТНОСТИ СТРОЕНИЯ И УРОВНИ

ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1.1. Явление дискретности, экспериментальный разброс и уровни физических свойств твердых тел

Природа статистического распределения (разброса) данных при измерениях физических характеристик и свойств твердых тел интенсивно обсуждалась многие годы с самых различных позиций [1, 3, 14, 19-24]. Одни утверждали, что это есть результат естественных ошибок эксперимента, связанный с неизбежными в каждом эксперименте случайными погрешностями измерений и с невозможностью абсолютно точно каждый раз воспроизвести условия испытания (например, с трудностями поддержания температуры, нагрузки, масштаба одноэлементных одиночных образцов1 и т.д.). Другие считали, что это есть результат наличия и развития в теле структурных дефектов. Поскольку появление того или иного дефекта в теле есть событие случайное и стохастическое, то отсюда и неоднозначность результатов измерений, даже если бы случайные погрешности отсутствовали. Третьи исследователи объясняли наличие разброса развитием в телах случайных термических флуктуаций и т.д. Однозначного ответа, однако, на закономерности проявления этого природного явления никто не давал.

В любом случае было ясно, что при наличии разброса физических свойств в образцах из твердых тел, невозможно изготовить устройства с заданными однозначными эксплуатационными характеристиками.

Как оказалось, одной из причин разброса, например, долговечности и прочности материалов и конструкций из них является наличие или образование под нагрузкой в слабых местах структуры тел субмикротрещин (СМТ). При этом имеет место распределение трещин по размерам, в том числе и наиболее опасных (трещин разрушения) имеющих дискретный характер,

1 Примечание. В подавляющем случае исследователями использовались в качестве объектов одноэлементные образцы твердых тел, когда образец состоит из одиночной тонкой или массивной монопленки или волокна.

обусловленный дискретностью структуры и именно это распределение обусловливает разброс экспериментальных значений [19]. Развитый авторами [1-3, 6-8, 13-17, 21, 25-29] подход позволил описать это распределение, т.к. другие методы (например, дифракционные из-за ограниченности-этим методом возможно измерение размеров дефектов не более 40 нм) не эффективны.

Дискретность (гетерогенность) строения проявляется еще на атомном уровне (размер атома и межатомное расстояние - 0,2 и 0,3 нм). Дискретность строения удобно рассматривать на твердых телах и полимерах, которые обладают гетерогенностью в более крупном масштабе - на молекулярном и надмолекулярном уровнях.

Современные взгляды о строении твердых тел, например, полимеров связаны с представлениями об иерархии отдельных (дискретных) надмолекулярных структур (микродоменов, доменов, супердоменов или микрофибрилл, фибрилл и т.д.) в аморфных и кристаллических телах.

В классических твердых телах, к примеру, в монокристалле кварца - это дискретности структуры в виде микронеоднородностей (надатомных и надмолекулярных) с чередованием упорядоченных областей, размеры которых доходят от 1,5 до 20 нм.

В понятие структуры входят и дефекты. Школой С.Н. Журкова показано, что дискретность строения является причиной локальных перенапряжений и образования в них дефектов, снижающих прочность материала [19]. Согласно развитого ими концентрационного критерия, образующиеся при нагружении образца мелкие и крупные субмикротрещины (на границах надмолекулярных структур и иных слабых мест) сливаются и переходят в обычную магистральную трещину разрушения. Образующиеся при нагружении дефекты имеют некоторое дискретное распределение по их размерам. При этом разрывное напряжение а зависит от размера (длины) начальной трещины разрушения 10. Чем больше 10, тем меньше а и наоборот. Поскольку каждому типу дефектов соответствует свое разрывное напряжение, дискретному распределению дефектов по их размерам должны соответствовать диск-

ретные значения разрывных напряжений (или долговечности) в виде ряда а1, а2, а3...ап (или ряда т1, т2, т3....тп). Эти дискретные значения разрывных напряжений и долговечности были впоследствии названы дискретными уровнями прочности и долговечности.

Эти представления исторически и логически приведшие вначале к идее явления дискретности прочности, а затем долговечности, в итоге привели к открытию явления дискретности физических свойств твердых тел [2, 3, 6-8, 21, 25-29]. Однако, явление дискретности физических свойств материалов, несмотря на свое реальное существование и научную привлекательность, не получила какого либо подтверждения и дальнейшего развития в рамках указанной научной школы. От дискретности строения материи (открытых древнегреческими и древнеримскими мыслителями) и дискретности дефектов, распределенных по их размерам (открытых в основном школой академика Журкова) до открытия явления дискретности прочности, долговечности и других физических свойств необходим был длительный период комплексных экспериментально-теоретических исследований, что и было сделано авторами [2, 3, 6-8, 25] и продолжено автором настоящей диссертации.

Свое подтверждение и развитие явление дискретности получило в рамках структурно-статистической кинетической теории разрушения твердых тел, созданной и развитой Карташовым Э.М., Цоем Б. и Шевелевым В.В. [2, 3, 6-8, 25].

Открытие дискретности физических свойств и характеристик твердых тел позволило авторам [2, 3, 6-8, 25], а также автору данной диссертации установить, во-первых, что наличие дискретно распределенных по размерам дефектов адекватно приводит к разбросу не только физико-механических характеристик (долговечности, прочности, деформации), но и любых других структурно-чувствительных физических свойств и характеристик [14] (например, электрической прочности, долговечности, тангенса угла диэлектрических потерь, электрического сопротивления, емкости, индуктивности, напряжения ионизации и т.д.); во-вторых, к разбросу физических свойств и

характеристик приводят термофлуктуационные и релаксационные процессы в вершинах дискретно распределенных по размерам дефектов; в-третьих, к разбросу экспериментальных значений приводит воздействие внешних факторов в зависимости от их вида, интенсивности и характера.

Как оказалось, распределение дефектов по размерам проявляется при изменении масштабного фактора образцов. Возникающий в этом случае разброс назван масштабно-статистическим [14, 2, 3, 6-8, 25].

При изменении величины приложенной нагрузки на образец проявляется термофлуктуационная природа разброса данных эксперимента. Этот вид разброса авторами [3] назван термофлуктуационным.

С изменением температуры опыта начинает проявляться релаксационная природа разброса данных эксперимента, которая названа релаксационным разбросом [3]. Эти три составляющие разброса определяют в материалах и конструкциях из них комплекс всех его физических свойств.

Авторами [3] также установлена закономерность распределения значений физических свойств и характеристик твердых тел при внешнем многофакторном воздействии (масштаба, напряжения, температуры, поверхностно-активных жидких сред, излучений, физических и химических добавок, ориентации и др.), заключающаяся в том, что при этом происходит изменение (увеличение или уменьшение) разброса значений физических характеристик твердых тел в зависимости от величины, интенсивности, вида и других характеристик этого воздействия, обусловленная дискретностью их строения, наличием дискретно распределенных по размерам дефектов, термофлуктуа-ционными, релаксационными и другими процессами, протекающими в твердых телах, в том числе в их дефектных областях [2, 3, 6-8, 25]. Это было подтверждено и в более поздних работах, включая других исследователей, в частности автора настоящей диссертации [14, 16-18, 24, 30-32].

Таким образом, была наконец разрешена многолетняя в науке дискуссия о необычайно больших, до восьми десятичных порядков и более, разброса данных физического эксперимента. В целом, стало ясно, что вся совокуп-

ность приведенных в литературе результатов экспериментов (например, в [13]) с данными автора настоящей диссертации [14-18, 24, 30-31] свидетельствовали о случайном и вероятностном характере разброса данных при физических измерениях одноэлементных образцов твердых тел. Это означало, что, прежде всего, для создания материалов и изделий с заданными физическими свойствами должны быть экспериментально получены законы распределения (разброса) величин, характеризующих эти физические свойства образцов твердых тел.

В связи с этим в нижеследующем разделе обобщены теоретические и экспериментальные методы нахождения функций распределения, описаны методы обработки, расчета экспериментального разброса при физических измерениях, принятые в литературе и использованные в настоящей работе.

1.2. Объекты исследований и методики экспериментов, обработка результатов измерений

В работе над диссертацией автором использованы стандартные методики и объекты, которые не отличались от использованных в работах предшественников. Поэтому автор не уделяет детального внимания их описанию, а ограничивается лишь ссылкой, где они подробно описаны и использованы [1, 2, 14, 19, 22, 25, 29, 33-36].

В качестве объектов исследования использовались: твердые полимеры и классические твердые тела, аморфные и кристаллические; органического и неорганического происхождения; диэлектрики, полупроводники и проводники. Образцы выбирались по масштабному фактору, брались массивные и тонкие образцы, волокна и пленки, в виде одиночных элементов и многоэлементных структур (пучков), которые широко используются в промышленности и хорошо изучены исследователями.

Детальному рассмотрению и обсуждению представлены, ввиду их важности, лишь статистические методы [1, 14, 33]. Необходимо отметить, что

автором использованы при электрофизических измерениях более совершенные прецизионные приборы фирмы Кейтли и Флюке, чем это было в ранних работах по указанным ссылкам. В частности, ток, потенциал и сопротивления образцов измерялись на 5,5 и 7,5 разрядных прецизионных приборах Кейтли 2420, 6220, 2182А и др.

Физические свойства и характеристики материалов являются случай-ными величинами, ввиду термофлуктуационного характера разрушения и предшествующих ему различных процессов релаксации, а также случайного характера распределения дефектов структуры по набору характеризующих их параметров, определяющих степень их опасности для целостности материала образца. Их полное описание основывается на функции распределения, функции интегрального распределения или плотности распределения вероятностей значений случайной величины [1, 2, 14, 33].

Наиболее часто для характеристики способности материала противодействовать внешней нагрузке используют две величины: разрывное напряжение ар (прочность), т. е. то напряжение а = ур, при котором материал разрушается, если он испытывался в условиях постоянной скорости нагружения (у- скорость нагружения, ? - долговечность, т. е. время от начала нагруже-ния материала, до его разрушения в режиме постоянной внешней нагрузки).

Для получения информации о функции распределения указанных случайных величин ар и т и их числовых характеристик обычно проводится достаточно большое число соответствующих испытаний однотипных образцов одного и того же материала в неизменных условиях. При этом важное значение имеет правильная статистическая обработка результатов экспе-римента [2, 3, 6-8, 14, 33].

Пусть произведено N независимых испытаний на прочность или долговечность в одинаковых условиях. Получено N чисел х1, х2, ... , хN. Символом х здесь обозначены полученные значения разрушающего напряжения ар или логарифма долговечности т. Если произвести еще N испытаний на других об разцах того же материала, то получатся другие N чисел, отличные от перво-

го набора, и т. д.

Общепринятая математическая модель процесса измерения сводится к тому, что полученные в испытаниях значения прочности или долговечности считаются реализациями случайных величин Х1, Х2, ... , Хм. Реализациями случайной величины Х1 являются значения прочности или долговечности, полученные при каждом первом испытании в сериях из N независимых испытаний; результаты каждого второго испытания - это реализации случайной величины Х2 и т. д. Совокупность случайных величин Х1, Х2, ... , XN образует случайный вектор, который называется выборкой объема N. Поскольку все испытания независимы и проводились в одинаковых условиях, то случайные величины XI, образующие выборку, независимы и имеют один и тот же закон распределения, выражаемый интегральной функцией распределения Г(х) или дифференциальной функцией распределения (плотностью вероятности) _Дх). Поэтому вместо N случайных величин можно рассматривать одну случайную величину £ с упомянутым законом распределения. С этой точки зрения случайные величины X образующие выборку, суть просто N копий случайной величины Ни функция распределения случайной величины описывающая выборку, ни ее параметры (математическое ожидание, дисперсия и др.) не известны и могут быть лишь оценены (приближенно найдены), как отмечалось во введении, из экспериментальных данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Цой Валерьян Эдуардович, 2018 год

// W

/ W

/ W U, mV

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Рис.6.11

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Рис.6.12

Рис.6.11-6.12. Вольтамперные и вольт-мощностные характеристики образцов p-13 и n-39 при температуре +25ОС и падающей мощности 3700 mW/cm2.

Рис.6.5-6.6. Зависимости напряжения холостого хода (Ш^ и тока короткого замыкания от температуры для образцов p-13 (индекс p) и п-39 (индекс п) при различных значениях плотностей мощности излучения (индекс Р).

Рис.6.13-6.14. Вольтамперные и вольт-мощностные характеристики образцов р-13 и п-39 при отрицательных температурах и падающей мощности 470 mW/cm2

Рис.6.15-6.16. Вольтамперные и вольт-мощностные характеристики образцов p-13 и n-39 при отрицательных температурах и падающей мощности 1260 mW/cm2.

j = f(U)

11-13

/ '

X

[| 1 9

\

Р, mW/cm2 1400

Р - ОД

Р 13 \

х- Л

\

\

1

- U, mV \

100 200 300 400 500 600 700 000 900 1000

0 100 200 300 400 500 600 ГОО 800 900 1000

Рис.6.17 Рис.6.18

Рис.6.17-6.18. Вольтамперные и вольт-мощностные характеристики образцов p-13 и n-39 при отрицательных температурах и падающей мощности 3700 mW/cm2

Тем не менее, изменение фактора заполнения образца п-39 как при положительных, так и при крайних отрицательных температурах предпочтительнее, чем образца p-13 (рис. 6.19).

Характер изменения зависимости КПД от падающей мощности образца п-39 так же предпочтительнее как при положительных, так и при крайних отрицательных температурах, чем образца p-13 (рис. 6.20). Учитывая, что это первый опыт изготовления пучковых ФЭП на кремнии n-CZ-Si, получен довольно интересный и обнадеживающий результат, требующий дальнейшего изучения. В частности применения более чистого n-FZ-Si при изготовлении элементов.

В целом оба образца, изготовленные как на p-Si, так и на п^ при отрицательных температурах показали достойные результаты. Полученные результаты позволяют надеяться на то, что при соответствующих модификациях дизайна и технологии они могут найти применение, как для питания космических аппаратов, так и для преобразования лазерного излучения.

Рис. 6.19. Зависимость фактора заполнения образцов p-13 и п-39 от падающей мощности при положительной и крайних отрицательных температурах.

О 5С0 100D 15С0 2000 2S00 cOOD 35С0 -1003 Рис. 6.20. Зависимость КПД образцов p-13 и n-39 от падающей мощности при положительной и крайних отрицательных температурах.

6.2. Результаты измерений пучковых ФЭП на кремнии п типа проводимости в ИК лазере с длиной волны 1062 нм.

Результаты измерений пучковых ФЭП на кремнии п-типа проводимости в ИК лазере на длине волны 1062 нм приведены на рисунках 6.21 - 6.26.

Как видно из этих рисунков, на кремнии п типа проводимости значения КПД не были достигнуты таких высоких результатов, как на кремнии р типа проводимости, однако, зависимость КПД от плотности мощности излучения получена достаточно привлекательной.

В экспериментах плотность мощности лазерного излучения с длиной волны 1062 нм варьировали до 5540 мВт/см2 (что составляет более 40 солнечных постоянных). Экспериментальная зависимость КПД от плотности мощности лазерного излучения показана на рис. 6.23. КПД мало меняется в широком диапазоне освещенностей.

Представленной на рисунке 6.21 зависимости КПД от освещенности соответствуют на рис. 6.22 -6.23 практически линейное преобразование мощности лазерного излучения в электрическую мощность и ток.

Линейному преобразованию мощности лазерного излучения в электрическую мощность и ток в широком диапазоне освещенностей соответствуют стабильно высокие значения напряжения холостого хода (свыше 690 тУ), фактора заполнения Ff вольтамперной характеристики (свыше 0,6) и сверхнизкого значения удельного внутреннего сопротивления (рис. 6.24 - 6.26).

Рис.6.21. Зависимость КПД (Е: пучкового ФЭП на кремнии п-типа от плотности мощности Ршр излучения ИК лазера на длине волны 1062 нм.

BOO 700 600 500 400 300 200 100 О

> *

0 10 00 20 00 30 00 40 00 SO 00 60 ¡пр. mWycm2

Рис.6.22. Зависимость выходной электрической мощности Pout пучкового ФЭП на кремнии n-типа от плотности мощности Pinp излучения ИК лазера на длине волны 1062 нм.

Jec = f(P_inp)

J ас. mA/cmli

ItfUO 1600 14OO 1200 1000 ООО 600 4UO

О

---

* *

t 1

Р_шр. mW/cr i2

Рис. 6.23. Зависимость плотности тока короткого замыкания Jsc пучкового ФЭП на кремнии п- типа от плотности мощности Ршр излучения ИК лазера на длине волны1062 нм.

Uoc. mV

700 690

670

650 640

630

620

Uoc = f[P inp)

ж"

/

: /

: /

! /

P_inp, mw/cm;

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Рис. 6.24. Зависимость напряжения холостого хода Uoc пучкового ФЭП на кремнии п-типа от плотности падающей мощности Pinp излучения ИК лазера на длине волны 1062 нм.

0.85

0.80

0.75

0.70

0.S5

0.60

0.Б5

0.Б0

Ff

Ff=f[P_inp)

+ +

; + . + + t *

: ♦ + : + Ф r—* ♦ 5 - J ♦ ♦

Ф * ♦ : +

+ + +

■ i Pinp. mW/cn 2

1000

2000

3000

«00

5000

6000

Рис. 6.25. Зависимость фактора заполнения вольтамперной характеристики Ff пучкового ФЭП на кремнии п-тиш от плотности мощности Pinp излучения ИК лазера на длине волны 1062 нм.

+

: *

: \

| V

i V

♦ т—

р_ in р. mW./cm2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Рис. 6.26. Зависимость удельного внутреннего сопротивления Rs пучкового ФЭП на кремнии n-типа от плотности мощности Pinp излучения ИК лазера на длине волны 1062 нм.

Таким образом, пучковый ФЭП на на основе n-Si представляет собой класс приборов, заслуживающий дальнейшего исследования и развития. Полученные данные позволяют рассчитывать на то, что при соответствующем изменении дизайна элемента - настройке его спектральной чувствительности на длинноволновую составляющую - вполне можно добиться более высокой эффективности преобразования.

Заключение 1

Образцы пучковых ФЭП, сконструированные и выполненные согласно патентов RU 2367063 C2, RU 2369941 C2, RU 2355066 C2, PCT/RU2010/00008, PCT/RU2010/000582, PCT/RU 2008/000314, EP 08 827 3, US 12/993,359, PCT/RU2010/000582, PCT/RU2010/00008, PCT/RU 20005/000547, ЕР 05857395.7-2203, KR 102010-7004570, KR10-2009-7000414, KR 10-2010-7028663, UAE1162/2010, BR 20/12/2010) были представлены ООО Кронул. Испытания этих образцов были проведены с целью исследования их характеристик при облучении монохроматическим лазерным облучением при двух длинах: 808 нм и 1062 нм.

В испытаниях со стороны ООО Кронул участвовали: Цой Б., Будишевский Ю.Д., Машталир Н.Н. и Цой В.Э.

2. Из данных, полученных в ходе экспериментов, можно заключить, что представленные пучковые кремниевые ФЭП показали высокие результаты при крайних отрицательных температурах и высоких падающих мощностях ИК лазера.

3. Для пучковых ФЭП на монокристаллическом р-кремнии в ходе экспериментов были получены рекордные результаты: в концентрированном ИК-излучении при плотности падающей мощности 1260 mW/cm2 и температуре -145ОС КПД составил 45,2%.

4. Принцип, заложенный в концепции пучковых ФЭП, может быть применен для повышения КПД в области X = 808 - 1062 нм с изменением дизайна ФЭП, применением более чистых исходных материалов, в частности FZ-Si и современных методов микроэлектроники при изготовлении ФЭП.

Можно ожидать увеличение КПД при использовании п-ФЭП, адаптированных для монохроматического излучения инфракрасного спектра. По мере развития технологии пучковых фотопреобразователей, заложенный в ней принцип может быть применен и для создания более высокоэффективных ФЭП из прочих полупроводниковых материалов.

В паре с пучковым ФЭП также возможно использование лазерного диодного модуля с волоконной доставкой излучения и КПД «от розетки» около 45 %, излучающего на частоте 970 нм, что также повысит эффективность преобразования.

5. Таким образом, проведенные измерения и полученные результаты показывают, что образцы пучковых ФЭП, разработанные и изготовленные согласно вышеуказанных патентов и представленные ООО Кронул могут представлять интерес не только при разработке систем преобразования и передачи энергии на расстояние, но и в обычных солнечных концентраторных системах и батареях.