Теплоустойчивость теллурида кадмия в инфракрасных детекторах для мониторинга пожарной обстановки

Введение. Тепловое воздействие пожара на технические средства — распространенная и серьезная проблема. В этой  связи  представляется актуальной задачей  исследование  физико-химических  и  тепловых  превращений  в устройствах  на  основе  теллурида  кадмия при техногенных  или  природных  пожарах. По  ряду  материалов подобные  исследования не  проводились,  а  имеющиеся  результаты  недостаточны  или узкопрофильны. В предложенной  статье представлены  новые  данные  по  дефектостойкости  и  применимости  материала  в зависимости  от  теплового  воздействия.

Цель  исследования — изучение особенностей деградации  под воздействием экстремальных температур для создания новых материалов с заданными свойствами.

Материалы и методы. Исследовались образцы теллурида кадмия (CdTe), используемые в солнечных панелях и детекторах.  В  практической части работы  оценивалось тепловое  воздействие  на  образец  обычных  и экстремальных  температур  с  последующим  изучением  материала  методами  просвечивающей  электронной микроскопии. Эксперименты имитировали зону теплового воздействия пожара. Расчетно-теоретическая работа заключалась в  совершенствовании  математической  модели  физико-химических  превращений  и  эволюции дефектов при тепловом воздействии до 1092 °С. Математическая модель учитывала теплодозу, характерную для неуправляемого горения. Для решения уравнений задействовали программный пакет Maple.

Результаты исследования. Визуализировано формирование дефектов в образце CdTe при существенно разных уровнях теплового воздействия. Нижняя граница — около 20 °С, верхняя — более 600 °С. Детально проработаны превращения в контрольных образцах CdTe при воздействии температуры до 1092 °С с шагом 15 °С. Точечные дефекты,  обусловленные  воздействием  температуры,  представлены  как  фактор  разрушения  материала,  а следовательно, и сбоев в работе устройства. Решена система уравнений, которая учитывает комплекс параметров: частоту  колебаний атомов  в  решетке,  температуру,  концентрации  узлов  CdTe, междоузельных  атомов  и вакансий,  миграцию  и  присоединение  междоузельных  атомов  и  вакансий.  Графически  представлены концентрации вакансий и междоузельных атомов в образцах CdTe в зависимости от толщины и температуры. Итоги  научных  изысканий  позволяют  утверждать,  что  детекторы  на  основе  CdTe относительно  корректно работают только  при  теплодозе  до  400 °С.  В  диапазонах  400–600 °С  дефектная  сеть  материала  активно эволюционирует, препятствуя разрушению. Однако дальнейшее увеличение теплового воздействия приводит к полной деградации оборудования, что не позволяет использовать теллурид кадмия в экстремальных условиях даже непродолжительное время.

Обсуждение и  заключение.  Предложенная  усовершенствованная  модель  физико-химических  превращений  в устройствах на основе CdTe в зонах теплового воздействия позволит более избирательно подходить к вопросу использования оборудования. Кроме того, необходимо совершенствовать материалы и повышать их стойкость к экстремальным температурам.

1. Glas F. A simple calculation of energy changes upon stacking fault formation or local crystalline phase transition in semiconductors. Journal of Applied Physics. 2008;104(9):093520. https://doi.org/10.1063/1.3009338

2. Мозжерин А.В., Паклин Н.Н. Дефектообразование в теллуриде кадмия. В: Тр. XXV Междунар. науч.-практ. конф., посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. Красноярск: Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева; 2021. С. 581–582.

3. Логинов Ю.Ю, Браун П.Д., Дьюроуз К. Закономерности образования структурных дефектов в полупроводниках A B . Москва: Логос; 2003. 304 с.

4. Логинов Ю.Ю., Мозжерин А.В., Брильков А.В. Электронно-микроскопические исследования дефектообразования в легированных примесями монокристаллах CdTe, ZnS, ZnSe. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2013;3(49):209–211. https://vestnik.sibsau.ru/en_US/vestnik/902/ (дата обращения: 25.07.2023).

5. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. Москва: Техносфера; 2006. 256 с. URL: https://www.technosphera.ru/lib/book/83 (дата обращения: 25.07.2023).

6. Loginov Y.Y., Mozzherin A.V., Paklin N.N. Particularities of the interstitial atoms and vacancies clusters formation in a thin cadmium telluride foil during in situ electron irradiation in a TEM. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2022;1230:012013. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1230/1/012013

7. Горичок И.В. Энтальпия образования дефектов Шоттки в полупроводниках. Физика твердого тела. 2012;54(7);1373–1376. URL: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/665 (дата обращения: 25.07.2023).

8. Loginov Yu.Yu., Mozzherin A.V., Paklin N.N. Modeling structural defect formation in cadmium telluride during electron irradiation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019;467:012007. https://doi.org/10.1088/1757-899X/467/1/012007

9. Паклин Н.Н., Логинов Ю.Ю., Мозжерин А.В. Равновесное распределение дефектов в теллуриде кадмия до воздействия внешних факторов. Сибирский аэрокосмический журнал. 2022;23(2):315–320. https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-2-315-320