Дисертації (ПФ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Цао Цзесян; Стронський, Олександр Володимирович; Левицький, Сергій МиколайовичЦао Цзесян. Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 10 Природничі науки за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційні дослідження присвячені встановленню та опису закономірностей термодинамічних (нагрів, фазові переходи) та кінетичних (дифузія, масоперенос) процесів у телуриді кадмію та гетеросистемі плівка металу/CdTe при потужному наносекундному лазерному опроміненні у різних середовищах, і, відповідно, вирішенню проблеми формування та керованої зміни фізичних (електричних, фотоелектричних, оптичних) властивостей поверхневих шарів даних напівпровідників при реалізації умов істотного відхилення від термодинамічної рівноваги. При теоретичному описі експериментальних результатів буде враховано часова та просторова нелокальність у кінетичних явищах переносу. На основі отриманих експериментальних даних і теоретичного аналізу будуть отримані принципово нові фундаментальні та науково-практичні результати щодо формування та модифікації нано- та мікро- розмірних шарів телуриду кадмію та кремнію, оскільки потужне наносекундне лазерне опромінення гетеросистем у різних середовищах (гази, рідини) дозволяє значно змінювати та варіювати в широкому діапазоні коефіцієнти сегрегації, дифузії і розчинності домішок, легуючих елементів та власних точкових дефектів. А також, що важливо, ефективно використовувати так званий ефект «замороження» активованих атомів та «нетепловий» процес введення заданоголегуючого елементу за механізмом бародифузії. На основі даних досліджень в подальшому може бути створена широка гама високоефективних елементів інформаційної техніки. Проблема формування та керованої зміни фізичних (в т.ч. електричних, оптичних) властивостей напівпровідникових гетероструктур і тонкоплівкових систем при дії потужного наносекундного лазерного випромінювання, при якому реалізуються умови істотного відхилення від термодинамічної рівноваги, а особливо – в умовах порушення принципу локальної термодинамічної рівноваги. Це, відповідно, потребує вивчення та опису процесів дифузії (масопереносу) та дефектоутворення в умовах порушення даного, одного зосновних, принципів класичної термодинаміки. Такі умови, при яких відбуваються швидкі фазові перетворення та сублімація, реалізуються наприклад при наносекундному (імпульсному) лазерному опроміненні (ІЛО) напівпровідників в області фундаментального поглинання та металів. Такий спосіб, на відміну від типових (квазірівноважних) методів вирощення та формування нано- та мікро- розмірних напівпровідникових шарів, дозволяє значно змінювати та варіювати в широкому діапазоні коефіцієнти сегрегації, дифузії і розчинності домішок, легуючих елементів, точкових дефектів у напівпровідниках та подавити ефект самокомпенсації домішкових центрів активації через так званий ефект «замороження». Наближення локальної рівноваги справедливе, якщо час релаксації, протягом якого встановлюється рівновага у макроскопічно малих (але з великою кількістю частинок) областях, набагато менше характерного часу конкретного фізичного процесу (зокрема при ІЛО), тобто швидкість руйнування рівноваги, багато менше швидкості релаксації системи до локальної рівноваги. Комплекс експериментальних та теоретичних досліджень дозволить отримати загальні закономірності термодинамічних та кінетичних процесів модифікування гетеросистем та оптимізувати умови та режими лазерного опромінення для формування приповерхневих шарів напівпровідників із заданими електричними, фотоелектричними та оптичними характеристиками, що може бути використано для приладних функціональних структур різноманітного призначення (наприклад, детектування ІЧ, рентгенівського та гамма випромінювання). Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на основі кремнію та телуриду кадмію, а саме встановлення та опис закономірностей дифузії легуючих атомів та генераційно-релаксаційних процесів у дефектній підсистемі при наносекундному лазерному опроміненні CdTe, Si та систем плівка металу/напівпровідник, коли реалізуються умови локальної часової та(або) просторової нерівноважності, сильного впливу фізичної та геометричної нелінійностей. Зокрема відбуваються надшвидкі процеси фазових переходів - тверде тіло-газ, тверде тіло-розплав-тверде тіло з великою швидкістю поширення фазової границі (1-20 м/с). Тобто процеси переносу легуючих атомів, домішок, вакансій та міжвузлових атомів відбуваються в напівпровіднику при швидкості нагріву та охолодження ~1010 К/с, швидкості плавлення-кристалізації ~ 10 м/с, що співмірне зі швидкістю поширення власне збурень концентрації. Це, з одної сторони, дозволяє отримати приповерхневі шари напівпровідників з унікальними фізичними, електричними, фотоелектричними та оптичними характеристиками, проте з другої сторони потребує кропіткого експериментального та теоретичного вивчення процесів дифузії та дефектоутворення в локально-нерівноважних умовах. Відповідно, на вирішення даної фундаментальної задачі і спрямовані дисертаційні дослідження. При цьому були виміряні та проаналізовані електричні, фотоелектричні та оптичні характеристики приповерхневих шарів CdTe після наносекундного лазерного опромінення. Новизна дисертаційних досліджень базується на детальному експериментальному та теоретичному описі процесів дифузії (масопереносу, дефектоутворення) з урахуванням часової та просторової нелокальностей при наносекундному лазерному опроміненні напівпровідників, які є базою функціональної фото- та оптоелектроніки - CdTe, систем плівка металу/CdTe, Si. Оскільки методи імпульсного лазерно-індукованого твердофазного та рідкофазного легування на сьогодні інтенсивно використовуються для формування омічних та випрямляючих контактів, формування тонких бар‘єрних, інверсійних та варізонних гомо- та гетеро- шарів із заданими електричними, фотоелектричними та фізичними характеристиками. Це необхідно при створенні структур для приладів фотоелектроніки, оптоелектроніки та сенсорної електроніки нового покоління. Також, незважаючи на цілий напрямок робіт щодо наносекундної лазерно-індукованої модифікації приповерхневих шарів напівпровідників CdTe, Si та гетеросиcтем на їх основі, при описі фізичних процесів в них не було враховано просторову та (або) часову нелокальності. В той же час це просто необхідно для керування різноманітними фізичними параметрами при створенні напівпровідникових структур для функціональних елементів інформаційних систем. Метою дисертаційної роботи є дослідження термодинамічних та кінетичних процесів модифікування гетеросистем на основі телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання. У дисертації було отримано наступні наукові результати: Розроблена методика лазерно-індкуваного легування і утворення p-n переходу в кристалах CdTe. Під дією лазерного випромінювання долається феномен самокомпенсації легуючих домішок і вводиться висока концентрація In в тонкий поверхневий шар CdTe і можна отримати неглибокі і гострі p-n переходи. Підтверджена перевага лазерного легування з відносно товстою легуючою плівкою In. Розроблена методика забезпечує лазерно-індуковане легування без нагріву області товстої плівки In і кристалу CdTe, уникаючи термічно індукованих змін та погіршення структури і характеристик напівпровідника. Визначено коефіцієнти масопереносу індію в CdTe у різних областях при наносекундному опроміненні ексимерним лазером структури Іn/CdTe. Отримано профіль розподілу атомів індію в телуриді кадмію р- типу після однократного опромінення структури Іn/CdTe з боку плівки індію імпульсом ексимерного (λ = 248 нм) лазера, визначена оптимальна величина густини енергії для формування інверсного приповерхневого шару (n- типу). Було знайдено що в діапазоні протяжності лазерних імпульсів в межах від 7 нс до 120 нс, поріг плавлення CdTe значно залежить від коефіцієнта поглинання α(λ). Завдяки тому що глибина теплової дифузії стає значно більше ніж глибина проникнення лазерного випромінювання в CdTe для імпульсів протяжністю довше ніж 1 мкс, вона починає залежати від спектральної залежності коефіцієнта відбивної здатності R(λ). Було встановлено що поріг плавлення значно змінюється коли довжина хвилі випромінювання λ змінюється для більш коротших протяжностей лазерних імпульсів τp. Встановлено, що домінуючим механізмом масопереносу при наносекундному лазерному твердофазному легуванні CdTe індієм є бародифузія. Відповідно, інтенсивне та швидке проникнення атомів індію в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури Іn/CdTе обумовлене значними градієнтами термонапруг, що виникають за рахунок швидких процесів нагріву, плавлення, паро- і плазмоутворення з «ударними» швидкостями протікання. Тому при формуванні різкого p-n- переходу на малій глибині у CdTe при створенні детекторів доцільним є забезпечення різких градієнтів тиску, а не значний нагрів. Показано, що механізми концентраційної дифузії індію в CdTe і затягування атомів Іn фронтом лазерно-ідукованої ударної хвилі при її виникненні та поширенні не є домінуючими та визначальними механізмами масопереносу індію в структурі Іn/CdTe з товщиною плівки Іn 30-400 нм при наносекундному лазерному опроміненні. Практична цінність дисертаційної роботи полягає у тому, що розроблена методика лазерноіндкуваного легування і утворення p-n переходу в кристалах CdTe була успішно використана для виготовлення детекторів рентгенівських та γ-рентгенівських променів, які були використані в приладах з питань моніторингу та безпеки навколишнього середовища. Отримані результати показують можливість контрольованої модифікації фізичних властивостей CdTe при виготовленні структур і приладів різного призначення на їх основі шляхом зміни концентрації домішкових атомів і власних точкових дефектів у різних частинах об‘єму CdTe при ІЛО та були використані для оптимізації лазерностимульованої обробки поверхні і стимульованого легування кристалів CdTe. У вступі визначено напрями та об‘єкт дослідження, сформульовано мету і завдання, визначено методи дослідження, обґрунтовано актуальність та наукову новизну дисертаційної роботи, практичну цінність одержаних результатів та наведено дані про публікації та апробацію дисертаційних досліджень. Перший розділ присвячено огляду та аналізу літературних даних по темі дисертаційної роботи. Розглянуто та проаналізовано роботи стосовно модифікації фізичних властивостей CdTe при виготовленні структур і приладів різного призначення на їх основі. У другому розділі наведено основні методи досліджень властивостей та створення досліджуваних структур на основі CdTe: технологічні процеси підготовки кристалів CdTe для досліджень і виготовлення діодних структур In/CdTe/Au; хіміко-динамічна обробка поверхні кристалів; формування електродів; формування легованого шару, люмінесценція, фотопровідність, дослідження вольт-амперних характеристик створених діодних структур In/CdTe/Au. У третьому розділі наведено результати моделювання дифузійного руху наночастинок у кристалі CdTe при лазерно-індукованому легуванні. Застосування лазерного випромінювання для легування кристалів CdTe в аргоні доводить, що діоди In/CdTe/Au вироблені при енергетичній густині: 170 мДж/см2 мають дуже високі випрямні властивості. Зокрема, конструкція має дуже високий прямий струм при відносно малому струмі витоку. Це є проста і реалізуєма версія теорії технології легування кристалів і формування діодних структур. Підтверджено переваги лазерного легування кристалів CdTe. Лазерне легування шляхом опромінення структури In/CdTe за допомогою наносекундних лазерних імпульсів – це твердофазний процес без нагрівання великої кількості кристалів CdTe, що дозволяє уникнути пошкодження кристала. Під дією лазера долається феномен самокомпенсації легуючих домішок і вводиться висока концентрація In в тонкий поверхневий шар CdTe. Отже, в області поверхні CdTe, можна отримати неглибокі і гострі p-n переходи. Підтверджена перевага лазерного легування з відносно товстою легуючою плівкою In. Однією з ключових особливостей лазерної технології для легування шару кристалічного CdTe p-типу з дуже високою концентрацією домішок n-типу є використання відносно товстої легуючої плівки In. Забезпечує лазерно-індуковане легування без нагріву області товстої плівки In і кристалу CdTe, уникаючи термічно індукованих змін та погіршення структури і характеристик напівпровідника. Розроблена методика лазерноіндкуваного легування і утворення p-n переходу в кристалах CdTe була успішно використана для виготовлення детекторів рентгенівських та γрентгенівських променів, які були використані в приладах з питань моніторингу та безпеки навколишнього середовища. У четвертому розділі наведено результати досліджень механізмів масопереносу індію в Cd(Zn)Te при дії наносекундних лазерних імпульсів. Отримано профіль розподілу атомів індію в телуриді кадмію р- типу після однократного опромінення структури Іn/CdTe з боку плівки індію товщиною 30 нм імпульсом ексимерного (λ = 248 нм) лазера тривалістю p = 20 нс при густині енергії Епад = 100 мДж/см2. Дана величина густини енергії є оптимальною для формування інверсного приповерхневого шару (n- типу). Проведено аналіз спектрів пропускання фотопровідності та фотолюмінесценції. Виявлено, що глибина дифузії становить 100 нм і спостерігається пік при 6 нм, що вказує на перевищення дрейфової складової швидкості атомів за дифузійну. Встановлено, що коефіцієнт масопереносу атомів Іn в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури плівка In/CdTe залежить від відстані від поверхні CdTe і зростає, що пов‘язано зі швидкою зміною з часом неоднорідної деформації кристалічної решітки (наростанням та спадом gradP) у процесі дифузії індію. Визначено коефіцієнти масопереносу індію в CdTe у різних областях при наносекундному опроміненні ексимерним лазером структури Іn/CdTe з товщиною плівки Іn 30 нм з боку металу при Епад = 100 мДж/см2 : D0 = 1,1·10-6 см2/с, D1 = 3,9·10-6 см2/с, D2 = 1,46·10-5 см2/с, D3 = 5,2·10-5см2/с. У п’ятому розділі представлено результати досліджень залежності порога плавлення CdTe від довжини хвилі та часу дії імпульсу лазерного випромінювання. Було знайдено що в діапазоні протяжності лазерних імпульсів в межах від 7 нс до 120 нс, поріг плавлення CdTe значно залежить від коефіцієнта поглинання α(λ). Завдяки тому що глибина теплової дифузії стає значно більше ніж глибина проникнення лазерного випромінювання в CdTe для імпульсів протяжністю довше ніж 1 мкс, вона починає залежати від спектральної залежності коефіцієнта відбивної здатності R(λ). Було встановлено що поріг плавлення значно змінюється коли довжина хвилі випромінювання λ змінюється для більш коротших протяжностей лазерних імпульсів τp. Було знайдено що зміни в параметрах нерівноважних надлишкових носіїв, таких як збільшення в швидкості поверхневої рекомбінації С від 103 м/с до105 м/с і також в глибині дифузії LD від 0,4 мкм до 2 мкм може змінювати поріг плавлення CdTe щонайменше на 25%. Модуляція протяжності імпульсів рубінового лазера в межах (20 ±5) нс приводить до 35% зміни відносного порога плавлення ΔIth/Ith. Обчислені значення порога плавлення CdTe добре співвідносяться добре з експериментальними даними відомими з літератур. Отримані результати були використані для оптимізації лазерностимульованої обробки поверхні і стимульованого легування кристалів CdTe. У шостому розділі наведено результати досліджень процесів масопереносу індукованих лазерними наносекундними імпульсами та формування інверсійних і варізонних шарів в твердих розчинах на основі телуриду кадмію. Було встановлено, що домінуючим механізмом масопереносу при наносекундному лазерному твердофазному легуванні CdTe індієм є бародифузія. Відповідно, інтенсивне та швидке проникнення атомів індію в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури Іn/CdTе обумовлене значними градієнтами термонапруг, що виникають за рахунок швидких процесів нагріву, плавлення, паро- і плазмоутворення з «ударними» швидкостями протікання. Тому при формуванні різкого p-n- переходу на малій глибині у CdTe при створенні детекторів доцільним є забезпечення різких градієнтів тиску, а не значний нагрів. Показано, що механізми концентраційної дифузії індію в CdTe і затягування атомів Іn фронтом лазерно-ідукованої ударної хвилі при її виникненні та поширенні не є домінуючими та визначальними механізмами масопереносу індію в структурі Іn/CdTe з товщиною плівки Іn 30-400 нм при наносекундному лазерному опроміненні. Встановлено, що середня дрейфова швидкість переміщення атомів Іn в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури Іn/CdTe при Епад = 100 мДж/см2 становить за різними розрахунками 3…24 см/с. Атоми Іn дифундують під дією механічної сили градієнту деформацій. Зроблені розрахунки в рамках даної роботи можуть бути застосовані до більшості структур плівка металу-напівпровідник для аналізу масопереносу (дифузійних процесів) у різних частинах об‘єму структури при ІЛО в процесі виготовлення різноманітних функціональних напівпровідникових структур. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 5 статтях у фахових вітчизняних та міжнародних наукових журналах (2 статті - третій квартиль міжнародних науково-метричних баз SCOPUS та WoS; 1 стаття - четвертий квартиль міжнародних науково-метричних баз SCOPUS та WoS), 2 статті у фаховому вітчизняному журналі та 4 тезах доповідей на конференціях.Документ Відкритий доступ Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Чиркова, Анна Петрівна; Халатов, Артем АртемовичЧиркова А.П. Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. – Кваліфікаційна наукова робота на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Найменування вищого навчального закладу, в якому провадилася підготовка: НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО». Дисертаційна робота присвячена вивченню аеродинаміки та теплообміну димових труб ТЕС, розташованих у нескінченному просторі, у міській інфраструктурі та на промисловому майданчику ТЕС. В роботі отримані нові наукові результати, що характеризують фізичні особливості розподілу швидкості, температури, статичного тиску та коефіцієнта тепловіддачі на поверхні конічної труби за різних граничних умов. Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури до кожного розділу, додатку. Загальний обсяг дисертації становить 128 сторінок, включаючи 45 рисунків та 6 таблиць, загальна кількість використаних джерель становить 77 посилань. У вступі розглянуто основні проблеми енергетики України, повязані з експлуатацією димових труб ТЕЦ. Обґрунтовується актуальність теми дисертації, ставляться завдання для її досягнення. Обґрунтовано метод дослідження. Розглянуті нові наукові результати та їх практичне значення, зв'язок дисертації з програмою фундаментальних робіт НАН України, особистий внесок автора та апробація результатів дослідження. У першому розділі представлено короткий огляд сучасного стану проблеми експлуатації димових труб ТЕС. Розглянуто основні конструкції димових труб, проаналізовано основні проблеми їх експлуатації, пов'язані з випаданням хімічно агресивного конденсату, що призводить до деградації внутрішньої поверхні димових труб та порушення екологічно безпечних умов їх експлуатації. Детально розглянуто особливості аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні круглого нескінченного циліндра для докритичного, надкритичного та трансзвукового режимів обтікання. Проаналізовано вплив зовнішньої турбулентності та шорсткості поверхні на теплообмін і аеродинаміку при поперечному обтіканні труби. Наводиться рівняння для профілю швидкості набігаючого вітру для трьох типів інфраструктури навколишнього простору. Розглянуто особливості обтікання димової труби та окремих будівель на майданчиках АЕС та ТЕС за різного напрямку вітру. Сформульовано мету роботи, обґрунтовано основні завдання для дослідження, зроблено вибір методу дослідження. У другому розділі розглянуто методичні аспекти комп'ютерного моделювання аеродинаміки та теплообміну при зовнішньому обтіканні одиночної конічної труби, яка розташована на земній поверхні. Наводиться математичний опис проблеми, розглянуто геометричні моделі, які досліджені у роботі, аналізуються особливості завдання граничних умов. Розглянуті методи чисельного розв'язання системи диференціальних рівнянь руху та енергії, способи дискретизації рівнянь та методи розв'язання системи алгебраїчних рівнянь. На прикладі теплообміну при докритичному режимі обтікання круглого циліндра виконано верифікацію сіткової моделі та обґрунтовано модель турбулентності, що застосовується в роботі. У третьому розділі виконано комп'ютерне моделювання аеродинаміки та теплообміну на поверхні одиночної конічної димової труби, розташованої у нескінченному просторі, а також у міській інфраструктурі. Запропоновано геометричну та комп'ютерну моделі димової труби, розглянуто методичні аспекти чиселного моделювання та представлено програму досліджень. У розрахунках на поверхні труби задавалися граничні умови І роду, використана RNG k-e модель турбулентності. Максимальні значення тепловіддачі досягаються в середній частині труби, біля земної поверхні та у гирлі труби. Виявлено, що конусність труби практично не впливає на середню по всій висоті труби. Форма профілю швидкості вітру перед димовою трубою, яка визначається типом інфраструктури навколишнього простору, має значний вплив на розподіл локальної тепловіддачі по висоті труби. Зі зростанням середньої швидкості набігаючого потоку вітру середня по всій висоті труби тепловіддача зростає приблизно за лінійним законом. У четвертому розділі розглянуті аеродинаміка та теплообмін біля одиночної конічної димової труби, розташованої в умовах промислового майданчика ТЕС. Для виконання досліджень розроблено спрощену геометричну та комп'ютерну моделі майданчика ТЕС, які враховують основні елементи її інфраструктури. На поверхні труби задавалися граничні умови І роду, а в розрахунках використана RNG k-e модель турбулентності. На межах майданчика ставився профіль швидкості, який відповідає умовам міської забудови. Програма досліджень включає різний напрямок вітру та різні сезонні температурні умови, що притаманні для умов України. Показано, що інфраструктура майданчика ТЕС істотно впливає на умови обтікання димової труби та тепловіддачу. Показано, що періодична зміна швидкості, температури, тиску та теплообміну в кормовій частині труби має місце тільки вище даху машинного залу. Використання у розрахунках рівномірного профілю швидкості перед трубою може призводити до значних помилок у розрахунках локальной тепловіддачі. У приземній зоні труби та в області машинного залу тепловіддача може бути заниженою і завищеною порівняно з результатами розрахунку для рівномірного профілю швидкості, а вище даху машинного залу це рівняння показує завищені результати. Виконано порівняльний аналіз розподілу локальної тепловіддачі по висоті труби при різному напрямку вітру. В дисертаційній роботі отримано наступні наукові результати: Вперше: 1. Виявлено періодичний характер зміни швидкості, тиску, температури та коефіцієнта тепловіддачі в кормовій частині конічної димовоїтруби при її поперечному обтіканні для різних граничних умов. 2. Показано, що для труби у нескінченному просторі з рівномірним профілем швидкості вітру на вході конусність труби не впливає на середню по висоті труби тепловіддачу. Зі зростанням швидкості набігаючого потоку середній коефіцієнт тепловіддачі зростає практично лінійно – як при рівномірній, так і при змінній по висоті трубі швидкості потоку. 3. Показано, що інфраструктура міського простору та промислового майданчика ТЕС має істотний вплив на локальну тепловіддачу димової труби ТЕС, що зумовлено впливом шару біля земної поверхні на граничні умови, відривними та тривимірними течіями. 4. Виконано дослідження та отримано нові результати, що характеризують аеродинаміку та теплообмін біля зовнішньої поверхні димової труби за умов сумісного впливу інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Удосконалено: 5. Методичні рекомендації щодо комп'ютерного моделювання аеродинаміки та локального теплообміну на зовнішній поверхні одиночної конічної труби при її поперечному обтіканні в умовах міського простору та промислового майданчика ТЕС. 6. Методика розрахунку локального теплообміну на зовнішній поверхні конічної димової труби при сумісному впливі швидкості, температури та направлення потоку вітру з урахуванням інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Набуло подальшого розвитку: 7. Більш глибоке розуміння фізичного механізму процесів аеродинаміки та локального теплообміну при поперечному обтіканні одиночної конічної димової труби, розташованій в міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. 8. Розуміння, що умови експлуатації димової труби ТЕС (розташування, напрям вітру, інфраструктура навколишнього простору та промислового майданчика ТЕС) мають суттєвий вплив на аеродинаміку димової труби та повинні враховуватися при розрахунку зовнішнього теплообміну. Практичне значення результатів, представлених у дисертації: 1. Отримані в роботі результати формулюють більш точні та обґрунтовані рекомендації в частині графіка режиму роботи нових димових труб, а також димових труб, що знаходяться в експлуатації ТЕС, вони також можуть використовуватися для оцінки залишкового ресурсу димової труби з урахуванням деградації її внутрішнього стану у процесі експлуатації. Оримані результати використані у науковій роботі «Розроблення методів і засобів підвищення експлуатаційної надійності та екологічної ефективності димових труб теплоенергетичних установок» (договір № 1-102/02, тема № 1.7.1.890) в рамках Цільової програми наукових досліджень Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України, реєстраційний № 0120U101123. 2. Отримані результати можуть бути використані для вдосконалення математичних моделей під час комп'ютерного моделювання зовнішньої аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні конічної димової труби за складних граничних умов.Документ Відкритий доступ Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Ольховик, Ілля Володимирович; Воронов, Сергій Олександрович; Неймаш, Володимир БорисовичОльховик І.В. Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Найменування вищого навчального закладу, у якому здійснювалась підготовка: НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО». Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів кристалізації аморфного кремнію індукованої оловом та механізмів формування нанокристалів кремнію у шаруватих структурах a-Si/Sn. Досліджено можливість використання різних видів лазерного випромінювання для створення умов кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом та одночасно контролю якості нанокристалів кремнію. Зміст дисертаційного дослідження подано в п’яти розділах, де представлено та обґрунтовано основні результати роботи. У вступі обґрунтовується актуальність теми, загальні положення, формулюється мета і завдання дослідження. Ставляться задачі для її досягнення. Перераховуються методи дослідження плівкових напівпровідникових матеріалів. Стисло перераховуються отримані наукові результати та практичне значення результатів представлених у дисертації. У першому розділі проведено короткий аналіз основних літературних даних по проблемам сонячної енергетики та перспективних шляхів їхвирішення засобами кремнієвих технологій. Зокрема розглянуті принципові фізичні та технічні обмеження ефективності сонячних елементів. Показано, що суттєвого підвищення ефективності сонячних елементів можна досягти завдяки використанню каскадного принципу їх побудови. Описані основні недоліки існуючих СЕ каскадного типу та можливі шляхи їх подолання за рахунок використання квантових точок у вигляді нанокристалів кремнію. Продемонстровано, що одною з перешкод цьому є недостатній розвиток технологій керування розмірами нанокристалів та розділення шарів з різними розмірами нанокристалів. Розглянуто основні уявлення про процеси МІК та описані переваги використання саме олова для МІК кремнію. Детально описано сучасні уявлення про механізм сприяння оловом переходу кремнію із аморфного у кристалічний стан. Приведено результати експериментів, що свідчать про здатність лазерного опромінення впливати на такий перехід. Обґрунтована мета дослідження і сформульовані експериментальні задачі для її досягнення. У другому розділі коротко описані методи виготовлення і дослідження плівкових напівпровідникових матеріалів, які використані у роботі. Це - виготовлення шаруватих структур Si/Sn/Si осадженням із газової фази; комбінаційне розсіювання світла; електронна мікроскопія; атомно-силова мікроскопія; рентгенівський флуоресцентний аналіз). Представлені методи аналізу експериментальних даних. У тому числі – методи аналізу фазового стану кремнію по спектрам раманівського розсіювання на основі теорії просторово обмежених фононів. У третьому розділі представлені результати дослідження особливостей мікроструктури поверхні та об’єму шаруватих плівок Si/Sn/Si, які виготовлені шляхом послідовного осадження парів кремнію та олова і використані у роботі в якості об’єктів дослідження. Показано, що первопричиною структуризації поверхні плівок Si/Sn/Si, є розплавлення і розпад на мікро-краплі шару олова під час осадження кремнію. Вперше досліджено і описано мікро- та наноструктурування плівок аморфного кремнію при його формуванні на поверхні розплавленого металу. Засобами атомно-силової та електронної мікроскопії отримані кількісні дані про шорсткість та латеральні розміри і форми структуризації рельєфу поверхні Si в залежності від товщини шару олова. Виявилося, що шаруваті плівки Si/Sn/Si, виготовлені методом термічно-вакуумного осадження, мають поверхню, рельєф якої структуруваний у вигляді квазі-сферичні утвореннь з латеральним розміром від 20 нм до 2-3 мкм. В залежності від товщини шару олова їх форма і розмір змінюється від випуклих еліпсоїдів та багатокутників до гроно-подібних дендритів фрактального типу. Такі дендрити можуть створювати поруватий (розміри пор лежать в діапазоні від 1 до 100 нм) шар аморфного кремнію, фізичні властивості якого досі не вивчалися. В результаті досліджень впливу термообробок таких шаруватих плівок Si/Sn/Si в області 800 С° експериментально продемонстрована можливість отримання завдяки індукованій оловом кристалізації аморфного кремнію аморфно-кристалічного нанокомпозиту, який містить кристаліти кремнію з середніми розмірами 3 нм та їх часткою в об’ємі понад 90 %. У четвертому розділі представлені результати дослідження процесів утворення нанокристалів кремнію у плівкових структурах Si/Sn та Si/Sn/Si при температурах 20 – 550 0С під опроміненням лазерним опроміненням з довжиною хвилi λ = 488,0 нм і потужністю 104 - 106 Вт/см2 при різних умовах тепловідводу в підкладку. Порівняльний аналіз Раманівських спектрів свідчить, що лазерне опромінення потужністю 10 мВт/мкм2 за час 1-6 хв здатне перевести приблизно половину кремнію в шаруватій структурі a-Si/Sn із аморфного у кристалічний стан, що в умовах термообробки в темряві потребує принаймні на порядок більшого часу. Виявилося, що процеси кристалізації аморфного кремнію індукованого оловом прискорюються під дією лазерного опромінення і без впливу на температуру. Тобто має місце нетепловий механізм лазерного сприяння ОІК. Характерно, що він діє лише при температурах вище 230 0С (температура плавлення олова). Експериментально виявлена і досліджена чутливість фононного піку новостворених нанокристалів кремнію до інтенсивності опромінення лазерного збудження КРС. Встановлено, що ця чутливість не повязана зі зміною температури, а зумовлена оптичною компонентою впливу лазерного світла. Даний ефект інтерпретовано впливом нерівноважної заселеності фононів, що виникає через електрон-фононну взаємодію фотоіндукованих носіїв заряду внаслідок високого темпу генерації останніх при високій потужності збудження. У п’ятому розділі представлені результати дослідження впливу на оловом індуковану кристалізацію аморфного кремнію кількох видів імпульсного лазерного опромінення. Засобами раманівської спектроскопії шаруватих структур Si/Sn та Si/Sn/Si проаналізовано особливості генерації і накопичення нанокристалів Si під лазерним опроміненням з довжиною хвилі 535 нм і 1070 нм з тривалістю імпульсів 10 нс і 150 мкс в діапазоні потужності лазерного променю від 1,4 ∗ 104 Вт см2 до 2,18 ∗ 108 Вт см2. Опромінення здійснювалося як одинарними імпульсами, так і серіями по 2 - 5 імпульсів. Виявилося, що як і випадках опромінення безперервним лазером, утворення, ріст і накопичення нанокристалів тут теж мають порогів характер залежності від інтенсивності світла. Експериментально показано, що змінюючи потужність лазерного променю в імпульсі і кількість серій одноімпульсних сканувань можливо регулювати розмір і концентрацію нанокристалів в аморфно-кристалічному нанокомпозиті, що утворюється, з 1,5 до 5,0 нм і з 40 до 90% відповідно. Цей результат може служити принциповою основою для розробки технологій виготовлення шаруватих структур нанокремнію з різною шириною забороненої зони для СЕ каскадного типу на кремнієвих наноточках. Глибина прогріву поверхневого шару аморфного кремнію лазерним імпульсом крім потужності визначається довжиною хвилі (коефіцієнтом поглинання) та тривалістю імпульсу . Наприклад, для інфрачервоного ( = 1040 нм) лазеру при =150 мкс теплова глибина th = 6 10-5 см. Для зеленого ( = 535 нм) th = 8 10-6 см. Очевидно, що глибина і ступінь прогріву шаруватих структур, яких відбувається процес ОІК Si, можуть служити технологічними факторами формування шарів nc-Si заданих розмірів і заданого просторового розподілу. Додаткові можливості управління процесами МІК надає застосування коротких лазерних імпульсів великої потужності. В дисертаційній роботі отримано наступні наукові результати: Вперше: 1. Виявлено фрактальний характер структуризації аморфного кремнію в мікро- і нанометровому масштабі при його осадженні із газової фази на поверхню рідкого олова. 2. Експериментально показано, що стимулюючий вплив лазерного опромінення на оловом індуковану кристалізацію аморфного кремнію має не теплову (тобто не впливаючу на температуру зразку) складову. Висунута гіпотеза механізму її дії через збільшення розчинності аморфного Si в олові на інтерфейсі їх шарів під час ОІК в наслідок ослаблення і обриву ковалентних зав’язків a-Si, викликаних фото-іонізацією лазерним світлом та екрануванням нерівноважними фото-електронами. 3. Експериментально показано, що саме нетеплова складова впливу лазерного світла викликає нелінійний за інтенсивністю «червоний» зсув раманiвського спектру нанокристалiчного кремнію, на відміну від спектру монокристалічного Si. Це може свідчити на користь гіпотези про нерівноважну заселеність фононів через електрон-фононну взаємодію фотоіндукованих носіїв заряду внаслідок високого темпу генерації останніх при високій потужності збудження лазерним світлом. Удосконалено: 1. Удосконалено технологію виготовлення шаруватих плівок Si/Sn/Si за методом термічно-вакуумного осадження із газової фази в плані покращення контролю їх якості завдяки з’ясуванню впливу співвідношення товщин шарів на мікроструктуру об’єму та рельєфу поверхні плівок. 2. Удосконалено точність оцінки розмірів нанокристалів Si із аналізу їх Раманівських спектрів завдяки експериментальному виявленню нелінійної чутливості таких спектрів до інтенсивності світлового збудження комбінаційного розсіювання. Набуло подальшого розвитку: 1. Розуміння впливу головних параметрів лазерного випромінювання: довжини хвилі випромінювання, тривалості лазерного імпульсу та інтенсивності лазерного опромінення та температури на формування нанокристалів кремнію в шаруватих структурах Si/Sn, Si/Sn/Si при різних умовах тепловідводу. 2. Експериментальне підтвердження чутливості раманівського спектру нанокристалів кремнію до інтенсивності лазерного опромінення навіть при стабільній температурі на відміну від спектру монокристалічного кремнію. Цей факт інтерпретовано встановленням в області вимірювання нетеплового розподілу фононів, залежного від рівня оптичного збудження, що в результаті впливає на раманівський спектр нанокристалів у вигляді низькочастотного зсуву фононної смуги нанокристалів. 3. Оцінювання стимулюючого впливу інтенсивності лазерного випромінювання на процеси кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом та встановлено його пороговий характер. Даний результат інтерпретовано фазовим переходом олова із твердого у рідкий стан при відповідній інтенсивності лазерного випромінювання. Це може свідчити на користь механізму кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом через утворення евтектики Sn-Si. Практичне значення результатів представлених у дисертації полягає в: 1. Підтверджені можливості використання безперервного лазерного випромінювання для створення температурних умов кристалізації аморфного кремнію індукованої оловом. Та одночасно для контролю температури обробки, розміру новостворених кристалів та частки нанокристалічної кремнієвої фази в шаруватих структурах Si/Sn за допомогою аналізу спектрів комбінаційного розсіювання світла. 2. Отримані в роботі результати можуть бути використані для вдосконалення технології виготовлення аморфно-кристалічних нанокомпозитів на основі кремнію і контролю якості шаруватих структур Si/Sn/Si для виробництва електронних приладів фотоелектричного перетворення.Документ Відкритий доступ Упругое и неупругое рассеяние при участии дейтрона и структура дейтрона на малых расстояниях(Национальная академия наук Украины, Институт ядерных исследований, 2012) Кривенко-Эметов, Ярослав Дмитриевич; Кобушкин, Александр Петрович; Институт ядерных исследований НАН Украины