MIKROMÉRETÛ MINTÁK DEFORMÁCIÓINAK VIZSGÁLATA. A telephelyi veszélyhelyzet-kezelés

Átírás

1 A telephelyi veszélyhelyzet-kezelés Az atoerôû alapvetôen rendelkezik a veszélyhelyzetek (nukleáris és hagyoányos) kezeléséhez szükséges szeélyi és tárgyi feltételekkel és erôforrásokkal. A felülvizsgálat egállapította, hogy a veszélyhelyzeti és a súlyosbaleset-beavatkozási képesség a nezetközi ajánlások és a nezeti szabályozások követelényei alapján épül fel. A felkészülés idôszakában készenléti rendszer és eszközök, illetve riasztással aktiválható szervezet biztosítja a beavatkozó képességet. A felkészültség biztosításának irányelvei és a konkrét tervezési alapjai a nukleáris baleseti eseények ellett egyéb veszélyhelyzetek felszáolására is biztosítottak. Norál idôszakban kötelezô ellenôrzési, képzési és gyakorlási rendszer eredényezi a beavatkozási képesség fenntartását. A paksi atoerôûben ûködô balesetelhárítási szervezet jelenlegi forájában ne teljesen alkalas a tervezési alapján túli esetek, azaz a több blokkon egyidejûleg bekövetkezô balesetek kezelésére. Több-blokkos súlyos baleset esetén a jelenlegi szervezet ég több váltást figyelebe véve se tudja biztosítani a folyaatos tevékenységet, az elhárítási feladatokra rendelkezésre álló álloány létszáa elhúzódó idôtartaú tevékenység esetén ne elegendô. Ilyenkor a balesetelhárítási szervezet külsô erôk bevonásával tudja kezelni a helyzetet. Bizonyos tervezésen túli külsô eseények olyan értékû szeélyi és anyagi kárt okozhatnak, hogy a helyzet kezelése indenképpen az országos hatáskörû szervezetek közreûködését igényli. A balesetelhárítási tevékenységeket úgynevezett védett vezetési pontról lehet irányítani, annak elvesztésekor az irányítási feladatokat a tartalék vezetési pontról kell végrehajtani, ahol az irányítási és kounikációs feltételek jelenleg ne teljes értékûek. Ezért a védeli követelényeknek (földrengés, sugárzás, környezeti hôérséklet stb.) egfelelô, az irányítás és a kounikáció eszközeit tekintve a védett vezetési ponttal egyenértékû tartalék vezetési pont létesítését határoztuk el. A paksi atoerôûben végrehajtott célzott biztonsági felülvizsgálat igazolta, hogy az erôû blokkjai teljesítik a tervezési alaphoz tartozó követelényeket, beleértve a belsô és külsô hatásokkal szebeni védettség kritériuait. Az atoerôû védettsége a vizsgált kulcseseényekkel szeben is jó. A vizsgálatok alapján rögzíthetô volt, hogy a fukusiai tapasztalatok feldolgozása és a célzott biztonsági felülvizsgálat eredényei azonnali beavatkozásokat ne tesznek szükségessé. A felülvizsgálat eellett arra is ráutatott, hogy több lehetôség kínálkozik a tartalékok növelésére a kis valószínûségû, de a tervezési alapon túli terheléseket eredényezô hatásokkal vagy azok következényeivel szeben. A célzott biztonsági felülvizsgálat során különbözô javító intézkedések lehetôségeit tártuk fel. A javító intézkedések négy különbözô kategóriába sorolhatóak: külsô hatásokkal (földrengés, elárasztás) szebeni védettség fokozása, kezelési utasítások ódosítása, újak készítése, eglévô és alternatív villaos betáplálási vagy hûtési lehetôségek biztosítása és súlyos balesetek következényének csökkentése. A javító intézkedések végrehajtását követôen a villaos betáplálás és a végsô hôelnyelô, valaint a pihentetô edencék hûtésének tartós elvesztése csakne lehetetlenné válik. Ezért a súlyos balesetek bekövetkezésének valószínûsége az eddigi alacsony értékhez képest is radikálisan csökken. Az extré külsô eseények ugyan továbbra is okozhatnak károkat a telephelyen, de e károk biztonsági hatása jelentôsen csökken. A több-blokkos balesetek esélye ég a jelenlegi rendkívül kis értékhez képest is elhanyagolhatóvá válik. MIKROMÉRETÛ MINTÁK DEFORMÁCIÓINAK VIZSGÁLATA Hegyi Ádá, Ratter Kitti, Ispánovity Péter Dusán, Groa István Eötvös Loránd Tudoányegyete, Anyagfizikai Tanszék A kristályos anyagok képlékeny alakváltozását ikroszkopikus alapon leíró elélet a 20. század elején jött létre, aikor 1934-ben Orován, Polányi és Taylor bevezette a diszlokáció fogalát és sikeresen alkalazta azt a képlékeny alakítás kvantitatív vizsgálatára. A diszlokáció vonalszerû rácshiba, aely sok tekintetben hasonlít a folyadékok áralásakor kialakuló örvényekhez. Alapvetô különbség azonban, hogy A projekt az Európai Unió táogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul eg (a táogatás száa TÁMOP 4.2.1/B-09/1/KMR ). aíg a folyadékörvény egy vektortér (nevezetesen a sebességtér) örvényessége, addig a diszlokáció egy tenzortér (az elasztikus disztorzió) örvényessége. Ezért tulajdonságai lényegesen bonyolultabbak. Ezekre ég a késôbbiekben részletesebben kitérünk. Az évek során sikerült a diszlokációk feszültségterét és kölcsönhatásukat is eghatározni, ezáltal lehetôvé vált a kristályos anyagok deforáció közben történô ozgásának leírása. Minél több diszlokációt tartalaz az anyag, annál keényebb, hiszen a diszlokációk akadályozzák egyást ozgásukban, így ugyanakkora plasztikus (aradandó) deforáció csak nagyobb HEGYI ÁDÁM, RATTER KITTI, ISPÁNOVITY PÉTER DUSÁN, GROMA ISTVÁN: MIKROMÉRETŰ MINTÁK DEFORMÁCIÓINAK VIZSGÁLATA 77

2 külsô kényszer hatására tud kialakulni. Azt ondhatjuk, hogy az egyedi diszlokációk elélete jól kidolgozott, és képes száot adni nagyon sok hétköznapi jelenségre, például arra, hogy a deforáció hatására az anyag keényebb lesz, illetve hogy az ötvözetek (acél, bronz) sokkal keényebbek, int a tiszta anyagok. Ugyanakkor, ég ha jól kilágyított anyagot veszünk is, ai azt jelenti, hogy kevés benne a diszlokáció, a keresztetszet 1 c 2 -nyi felületét akkor is ~ 6 diszlokáció döfi át. Ez az érték a deforáció hatására 4 nagyságrenddel is növekedhet. A vonalhibák ilyen nagy száa ad okot arra, hogy ozgásukat a terodinaikához hasonlóan statisztikus fizikai eszközökkel vizsgáljuk. Ez a egközelítés az utóbbi 15 évben ugrásszerû fejlôdésen ent keresztül, aelyben az ELTE Anyagfizikai Tanszékén ûködô kutatócsoport [1] aktív szerepet játszott [2 5]. Döntô jelentôségû, hogy az eléleti kutatások ellett lehetôségünk van a deforációs folyaat különbözô skálákon (atoi, ezoszkopikus, akroszkopikus) történô száítógépes odellezésére. Érdees egelíteni, hogy sok ezer processzort tartalazó szuperszáítógépek használatával képesek vagyunk néhány 0 n élhosszúságú kockában levô atook (~1 illiárd ato) ozgását deforáció közben követni, képet kapva a diszlokációk atoi szinten történô ozgásáról. Mezoszkopikus szinten, két nagyságrenddel nagyobb kockában a ai száítógépekkel lehetôség van a diszlokációk, int kölcsönható vonalhibák kollektív ozgásának követésére (diszkrét diszlokációdinaika). A ai kutatások legnagyobb kihívása a különbözô hosszúságskálák összekapcsolása (ultiscale odelling of aterials). A transzissziós elektronikroszkópok és a legújabb technológiájú kétsugaras pásztázó elektronikroszkóp/ fókuszált ionsugaras eszközök (SEM/FIB) elterjedésével lehetôség nyílik az anyag nanoéteres nagyságrendû egfigyelésére és egunkálására. Más anyagfizikai kísérleti eszközök is léteznek (például nanokeénységérô, nanoindenter), aelyek hasonló érettartoányban képesek fizikai vizsgálatokat végezni. Mint azt a fentiekbôl láthatjuk, az anyagfizikai kutatásokban a 21. század elejének egyik nagyon fontos fejleénye, hogy a kísérleti és sziulációs éretek összeértek. A sziulációk az eléleti egfontolások alapján készülnek, tehát lehetôség nyílt arra, hogy eléleteinket közvetlenül kísérleti úton ellenôrizzük, alátáasszuk. A cikk egírásának apropóját egy, a közelúltban ikron éretû oszlopokon (ikropillár) elvégzett deforációs kísérlet adta, aely ne várt eredényt hozott és ezért szükségessé teszi a plasztikus deforációról alkotott eddigi képünk jelentôs felülvizsgálatát. Kiderült ugyanis, hogy a akroszkopikus éretû intákkal ellentétben a ikron éretû inták esetében a feszültség-deforáció görbe ne sia, hane a diszlokációk kollektív, lavinaszerû ozgása következtében véletlen lépcsôket tartalaz. A lépcsôk helye és hossza intáról intára változik. Így tehát ebben a érettartoányban az anyag tulajdonságairól csak valószínûségi kijelentéseket tudunk tenni. A jelenség leírása a statisztikus fizika egy új kihívása. Diszlokációk [6] Mivel a fentiekben isertetett jelenségért a diszlokációk együttes ozgása felelôs, ezért elôször röviden isertetjük a diszlokációk néhány fontos egyéni tulajdonságát. Kristályos anyagokban különbözô típusú rácshibák alakulnak ki, aelyeket kiterjedésük alapján csoportosíthatunk. Nulla dienziós hibák a vakanciák és intersticiális atook, aelyeket ponthibáknak is hívunk. Habár ezek jelentôsen befolyásolhatják az anyagok plasztikus tulajdonságait, a cikkben vizsgált probléakör szepontjából nincs jelentôségük. A diszlokációk egydienziós vonalhibák. Szerkezetüket legegyszerûbben Andrade odelljével szeléltethetjük. Az egyes atosorokat erev hengerként képzeljük el. Vegyünk két hengersort egyás alatt, aelyek egy fél hengerátérônyivel el vannak tolva egyáshoz képest. A hengersorban a hengerek (azaz atosorok) közti erôt úgy képzelhetjük el, int rugalas guiszalagokat. Próbáljuk eg a két hengersort eltolni egyáson. Ha egyszerre az összes hengert szeretnénk elozdítani, ahhoz nagyon nagy erô kellene. Azonban, ha ne egyszerre, hane szakaszosan ozdítjuk el egyáshoz képest a két hengersort, akkor a guiszalagok egfeszülésével az elozdulás hulláként egy végig a hengereken, és ire a hullá végig ér, az egész sor elozdul egy hengernyit. Másik példa 1. ábra. Él- (fölül), illetve csavardiszlokáció (alul) odellje. T 78 FIZIKAI SZEMLE 2012 / 3

3 lehet egy hosszú, nagyon nehéz szônyeg. Hogyan tegyük arrébb? Ha az egészet próbáljuk elhúzni ne fog sikerülni, azonban csináljunk a végén egy felgyûrôdést, és toljuk végig azt a szônyegen. Aikor a felgyûrôdés a ásik végére ér az egész szônyeg elozdult. A diszlokáció a kristályos anyagban egy ilyen könnyen ozgó lokalizált deforációs állapot, aelyet a véges rácsállandó stabilizál. A deforációk ilyen leírását a kísérletek igazolják, hiszen a aradandó deforációhoz tartozó csúsztatófeszültség-érték közel két nagyságrenddel kisebb annál, int ait a teljes atosor elozdításához létre kellene hozni. A diszlokációkat legegyszerûbben úgy képzelhetjük el, hogy veszünk egy töbi anyagot, ajd félig bevágjuk egyik atosíkja entén, ide beteszünk egy extra atookból álló félsíkot, végül összeragasztjuk és az atookat engedjük rugalasan relaxálni (1. ábra). Mivel a félsík behelyezéséhez az atookat a vonalra erôlegesen kell elozdítani, az ilyen típusú vonalhibát éldiszlokációnak hívjuk. Fontos egjegyezni, hogy alacsony hôérsékleten az éldiszlokáció csak a betoldott félsíkra erôlegesen tud ozogni. Ez annak a következénye, hogy a betoldott sík irányában történô ozgáshoz atook eltüntetése, illetve keltése szükséges. Egészen pontosan a diszlokációvonalon levô atooknak a felületre kell kijutniuk, illetve onnan a vonalhoz kell eljutniuk. Ez csak diffúzióval valósulhat eg, aely csak agas hôérsékleten száottevô. Egy ásik típust kapunk, ha veszünk egy hengert és egy alkotójával párhuzaosan bevágjuk egy sugara entén a középpontjáig, ezután a két részt a vágás entén a henger tengelyével párhuzaosan eltoljuk, ajd újra összeragasztjuk (1. ábra). Az ilyen vonalhibát csavardiszlokációnak hívjuk. Terészetesen a fenti leírások csak két, de nagyon fontos, speciális esetet jelentenek. A valóságban leggyakrabban a kettô keveréke fordul elô. Fontos foglalkozni a diszlokációk kölcsönhatásával. Megutatható, hogy egy echanikai feszültségtér hatására a diszlokációra a feszültséggel arányos erô hat. Mivel a diszlokáció aga körül is létrehoz feszültséget, ha ebbe a térbe egy ásik diszlokációt helyezünk, akkor erre erô hat. A kölcsönhatás sokban hasonlít az áraok közötti kölcsönhatásra, aennyiben a távolsággal fordítottan arányos, azaz hosszú hatótávolságú. Ugyanakkor a diszlokáció létrehozásából adódóan (egy adott irányból félsíkot tolunk be) erôsen anizotróp. Nanoéretû deforációs kísérletek A echanikai tulajdonságok vizsgálatának gerincét a 21. században is azok a érési ódszerek adják, aelyeket a tudoányág egszületésének hajnalán alkalaztak. Ezek egyszerû nyújtó, összenyoó és csavaró vizsgálatok. A különbség az alkalazható intaéret jelentôs csökkenésében, és a érési érzékenység növekedésében utatkozik. 1 #4 1 2 #6 1 5 #2 4 5 #2 4 #5 5 5 # #4 30 #1 2. ábra. Különbözô éretû ikropillárok és a deforációs lépcsôk [7] ban a Science folyóirat Saple diension influence strength and crystal plasticity [7] cíel közölt egy cikket, aely hengeres alakú, néhány ikroéter átérôjû inták (ikropillárok) egytengelyû összenyoással történô vizsgálatával foglalkozik. Aint ár a bevezetésben is utaltunk rá, különösen érdekes új jelenségre bukkantak. A intán az állandó sebességgel történô összenyoáshoz szükséges erôt érték a benyoódás függvényében, és a kapott görbén lépcsôket találtak. SEM-vizsgálatok tanulsága szerint a inták oldalán egfigyelhetôk a lépcsôszerû deforáció nyoai (2. ábra). A cikk egjelenése óta a probléakör intenzív kutatások tárgya. A egfigyelt lépcsôket a diszlokációk kollektív, lavinaszerû ozgása okozza, aely akroszkopikus intákban is lejátszódik. Azonban csak akkor jelenik eg a inta külsô deforációs kényszerre adott akroszkopikus válaszán (int például a feszültség-deforációs görbe), ha a inta éreteit néhány ikron alá csökkentjük. A vizsgálatok szerint a jelenség okát a diszlokáció-diszlokáció kölcsönhatás hosszú hatótávolsága adja. HEGYI ÁDÁM, RATTER KITTI, ISPÁNOVITY PÉTER DUSÁN, GROMA ISTVÁN: MIKROMÉRETŰ MINTÁK DEFORMÁCIÓINAK VIZSGÁLATA 79

4 Ez a jelenség szátalan technikai alkalazásban, de különösen a ikroelektronikában fontos. Az alkalazás szepontjából újonnan felerülô probléákat egy egyszerû példával illusztráljuk. Iseretes, hogy a különbözô anyagok egy jól definiált feszültség elérése (folyásfeszültség) után kezdenek plasztikusan deforálódni. A folyáshatár érnöki definíciója a 0,2%-os plasztikus deforációhoz tartozó feszültség. A folyáshatár több külsô körülénytôl (hôérséklet, anyagi inôség), és száos belsô jellezôtôl (diszlokációeloszlás különbözô paraéterei) függ. A folyáshatár egyszerûen érhetô például egytengelyû nyújtással. Azonban, ha ikronos éretû intán kívánjuk ezt elvégezni, aelyet ikroechanikai és ikroelektronikai alkalazások tehetnek szükségessé, az elôbbiekben leírt véletlen deforációs ugrások következtében az anyag ne egy jól eghatározott ponton kezd el deforációsebesség, g (%) folyni, hane a folyáshatár értéke intáról intára változhat. Így tehát a folyáshatár szokásos érnöki definíciója ne használható. Az anyag szilárdságára új statisztikus definíciót kell adni. Az Eötvös Egyete Anyagfizikai Tanszékén hoszszú évek óta folynak eléleti, illetve száítógépes kutatások, valaint röntgen vonalprofil vizsgálatok a diszlokációk ozgásának statisztikus fizikai ódszerekkel történô leírása céljából [2 5]. Vizsgálataink során két úton is szeretnénk egiserni a diszlokációlavinák létrejöttét és eloszlásukat, valaint a feszültség-deforáció görbék statisztikus tulajdonságait. Az egyik a diszkrét diszlokációdinaikai sziuláció, aellyel összenyoás közben követjük a diszlokációk ozgását egy 0,5 μ élhosszúságú kockában. A ásik pedig az, hogy ionsugaras egunkálóval kifaragunk viszonylag nagyobb száú, néhány ikron átérôjû ikropillárt, ajd azokat egy egfelelôen átalakított nanoindenterrel összenyova egérjük a inták erô-elozdulás görbéit. Mivel a sziulációs és a kísérleti vizsgálatok közel ugyanakkora intán történnek, lehetôség van a két ódszer eredényeinek közvetlen, kvalitatív összehasonlítására feszültség, (MPa) t ext 3. ábra. 3D sziulációval kapott tipikus diszlokációeloszlás (bal fölsô ábra). (A különbözô árnyalatok eredetileg színek különbözô típusú diszlokációkat jelölnek.) Különbözô kezdeti konfigurációhoz tartozó feszültség-deforáció görbék, illetve azok átlaga (jobb fölsô ábra). Átlagos deforációsebesség-feszültség görbe (bal alsó ábra). A deforáció átlagos szórása a feszültség függvényében (jobb alsó ábra). feszültség, t ext (MPa) átlagos deforációszórás, Dg (%) g 0, ,1 0,2 0,3 0,4 deforáció, g (%) feszültség, (MPa) t ext Diszkrét diszlokációdinaikai sziuláció A diszlokációk ozgását a ai több tízezer processzort tartalazó szuperszáítógépekkel atoi szinten is lehetôség van egy 200 n élhosszúságú kockában (~1 illiárd ato) vizsgálni. Az ilyen vizsgálatok nagyban hozzájárulhatnak a diszlokációs folyaatok jobb egértéséhez, de a sziulációk jelentôs idôigényük iatt nyilván csak igen korlátozott szában kivitelezhetôk. Ezért koplex diszlokációs folyaatok vizsgálatára nagyobb hosszúságskálán történô egközelítést, az úgynevezett diszkrét diszlokációdinaikát alkalazzák. Ez azt jelenti, hogy a diszlokációvonalak fent elített kölcsönhatását figyelebe véve követjük a vonalak ozgását. Mivel a vonalak ozgása atoi szinten sok ato együttes ozgásával valósul eg, a diszlokáció ozgása során rácsrezgéseket kelt. Ez energiaveszteséggel jár. Ezért a diszlokáció ozgása ne konzervatív folyaat és a ozgás során az energiaveszteséget súrlódási erô bevezetésével figyelebe kell venni. Ez az erô általában jól közelíthetô egy, a diszlokáció sebességével arányos kifejezéssel. Mivel a diszlokációk gyorsulása a legtöbb esetben kicsi, a diszlokációk ozgásegyenletében a gyorsulást tartalazó inerciatagot elhanyagoljuk a 80 FIZIKAI SZEMLE 2012 / 3

5 ábra. Mikropillár kifaragásának lépései. súrlódási erô ellett. Így tehát a diszlokáció sebességérôl feltételezzük, hogy arányos a rá ható erôvel (túlcsillapított dinaika). A diszlokációdinaikai sziulációban a vonalak kis szegenseire ható erô kiszáítása után a szegenst az erôvel arányosan a diszlokáció csúszósíkjában elozdítjuk. Ezután gondoskodunk arról, hogy a diszlokációvonal összefüggô aradjon, és ha ellenkezô elôjelû diszlokációk találkoznak, akkor azok egseisüljenek. A fent leírt ódszer a diszlokációk hosszú távú kölcsönhatása, illetve a bonyolult topológia következtében rendkívül nagy száítógépkapacitást igényel. A sziulációk a fent elített intaéret és realisztikus diszlokációsûrûség ( 14 2 ) ellett is több napos futási idôket igényelnek. A sziulációs kódok kifejlesztése sok éves csapatunkát tesz szükségessé. A világban indössze háro ilyen prograot fejlesztettek ki. Ezek közül kettôben az Anyagfizikai Tanszék fiatal kutatói is részt vettek. A pillárokban a deforáció során lejátszódó diszlokációfolyaatok tanulányozására egy 0,5 μ élhosszúságú Al-kockában, idôben lineárisan növekvô külsô feszültség alkalazása ellett követtük a diszlokációk ozgását, és eghatároztuk a inta deforációját az alkalazott feszültség (idô) függvényében nagyszáú kiindulási diszlokációkonfiguráció esetén. Egy tipikus diszlokációkonfiguráció, valaint néhány tipikus feszültség-deforáció görbe látható a 3. ábrá n [8]. Látható, hogy a kísérleti eredényekhez hasonlóan a görbék véletlen lépcsôket tartalaznak, és erôsen függnek a kiindulási diszlokáció-elrendezéstôl. Annak érdekében, hogy a különbözô diszlokációelrendezôdéshez tartozó feszültség-deforációs görbék statisztikus tulajdonságairól ondani tudjunk valait, eghatároztuk azok adott feszültséghez tartozó átlagát, illetve szórását, valaint az átlagos deforációsebességet (3. ábra). Fontos új eredény, hogy indegyik görbe tanulsága szerint a deforációs folyaat két jól elkülöníthetô szakaszra osztható. Fókuszált ionsugaras egunkálás A ikropilláros kísérletek szepontjából fontos elôfeltétel, hogy nagyszáú, azonos paraéterekkel rendelkezô ikropillárt lehessen készíteni. Száunkra ezt az tette lehetôvé, hogy az ELTE TTK az Európai léptékkel a tudásért, ELTE elnevezésû TÁMOP pályázat keretében beszerzett egy FEI Quanta 3D FEG kétsugaras pásztázó elektronikroszkópot. A két sugár azt jelenti, hogy necsak elektronforrással, hane ionforrással is rendelkezik (a berendezés részleteit lásd [9]-ben). Mindkét nyaláb alkalas ikroszkópi kép készítésére, és eellett a fókuszált ionnyalábbal (focused ion bea = FIB) a inta felülete néhány nanoéteres pontossággal egunkálható. A fókuszált ionnyaláb (FIB) ûködési elve hasonló, int a pásztázó elektronikroszkópé [9]. A galliuionokat elektroos tér gyorsítja a kiválasztott energiára, és ágneses lencsék pásztázzák a inta felülete entén. Az ionok elôállítása a következôképpen történik: volfrá anyagú galliutartályhoz vékony volfrátû csatlakozik. A felelegített, folyékony galliu nedvesíti a volfrátût, ahol kihúzófeszültség ionizálja a tû hegyén összegyûlt galliuatookat, így Ga + keletkezik. Az ionoszlopban a kiválasztott gyorsító feszültség (2 30 kv) a kívánt energiára gyorsítja az ionokat, aelyek a intába becsapódva különbözô terékeket keltenek. Keletkeznek szekunder elektronok, aelyek ikroszkópi kép készítésére használhatóak. Ezen kívül szekunder ionok is keletkeznek, aelyek a inta anyagából kiütött ionizált részecskék. Elég nagy energiát és áraerôsséget választva a inta anyaga hatékonyan és szabályozott ódon porlasztható. Ez teszi lehetôvé a inta felületén nanoéteres skálájú struktúrák kialakítását. A érésekhez a ikropillárokat FIB-es egunkálással készítettük. Réz egykristályt porlasztottunk körgyûrû alakú aszkon keresztül. Ehhez egy, az irodaloban isertetett eljárásoktól néileg különbözô ódszert fejlesztettünk ki. A porlasztást több lépésben kellett végezni, ivel inél nagyobb áraerôsséget használunk, annál inkább széttartó a nyaláb, és ezért a körgyûrûaszkon kívül is porlaszt, így ne alakítható ki a szabályos hengeralak, ezzel roncsolva a pillárt. Ugyanakkor csökkenô áraerôsséggel a porlasztás ideje lényegesen növekszik. Mivel a deforáció statisztikus tulajdonságainak vizsgálatához nagyszáú pillárra volt szükség, a gyártási idô igen lényeges. Ezért egyre szûkülô körgyûrûaszkokat használtunk. A folyaat néhány kiragadott ozzanata látható a 4. ábrán. Az el- HEGYI ÁDÁM, RATTER KITTI, ISPÁNOVITY PÉTER DUSÁN, GROMA ISTVÁN: MIKROMÉRETŰ MINTÁK DEFORMÁCIÓINAK VIZSGÁLATA 81

6 5. ábra. 20 darab egyás elletti pillár. sô képen a pillár száára kijelölt terület látható, illetve a körgyûrû aszk. A külsô átérô 15 μ, a belsô 7 μ. A élységet, azaz a pillár agasságát úgy választottuk, hogy ne haladja eg a pillár átérôjének négyszeresét. 3 μ átérôjû pillárokat készítettünk, így a élység axiu 12 μ lehetett. A ásodik, felülnézeti ábrán látható, hogy a nagyobb áraerôsséggel végzett porlasztás után a pillár forája ne henger, hane kissé kúpos. Utolsó lépésben ezért lényegesen kisebb áraerôsséget kellett választani, és a két körgyûrû átérôjét egyre csökkenteni, aíg a jobb oldali ábrán látható 3 μ átérôjû, henger alakú pillár el ne készült. Ezzel a ódszerrel sikerült nagyobb száú, néhány százalék pontosságig azonos geoetriájú pillárt egyás ellett kifaragni (5. ábra). Nanoindentációs kísérlet Miután integy 40 pillárt sikerült kifaragnunk, a következô lépés a inták állandó deforációsebességgel történô összenyoása ellett a feszültség-deforáció görbék felvétele. Ehhez az ELTE-n található 6. ábra. Különbözô pillárokon ért erô-elozdulás görbék, valaint azok átlaga (balra), logaritikus skálával is (jobbra). 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1 0,7 erõ (N) 0 0 0,5 1 1,5 2 elozdulás ( ) erõ (N) 0,1 0,001 0,01 0,1 1 elozdulás ( ) 7. ábra. Összenyoott ikropillárok. UMIS típusú nanoindentert használjuk. Ez a ûszer szervootoros és piezoelektroos ozgatókkal van felszerelve a intatartó tálca ozgatásához. A tálcát két bázispont között tudjuk ozgatni. Az egyik neve Indenter a ásiké CCD. A CCD álláshoz egy 5 egapixeles digitális CCDkaera tartozik. A kaera koaxiális egvilágítással egy százszoros nagyítású objektívlencsével készít képet a intáról. Ezzel a ikroszkóppal keressük eg a pillárokat. A kaera felbontása az optikailag lehetséges legjobb felbontást súrolja (0 n/pixel), így éppen elegendô ahhoz, hogy a pillárokat lássuk. Az Indenter állásban található a gyéánt összenyoó fej, aely csonkakúp ala- 82 FIZIKAI SZEMLE 2012 / 3

7 kú 4 μ végátérôvel. Az összenyoás közben az alkalazott erôt tudjuk vezérelni. Az összenyoófej alá a CCD-kaerával beállított pillárokkal száos kísérletet kellett elvégeztünk ire hosszan tartó tökéletesítések után az elsô sikeres összenyoást el tudtuk végezni. Az így kapott görbéken jól definiált lépcsôket sikerült egfigyelni. Tipikus erô-összenyoódás görbék láthatók a 6. ábrán. A 7. ábra fölül egy tipikus összenyoott pillárt utat. Jól látható, hogy a felületen lépcsôk jelentek eg. A 7. ábra alul az 5. ábrán látható pillárok összenyoás utáni képeit utatja. Annak egfelelôen, hogy az erôdeforáció görbék lényegesen különböznek, a pillárok deforáció utáni alakja is nagyon eltér. Több kísérletet elvégezve, ajd kiszáítva az azonos erôhöz tartozó deforációk átlagát ár sia görbét kapunk (6. ábra). Ez azt utatja, hogy a lépcsôk valóban véletlenszerûen jelennek eg. A sziulációs eredényekhez hasonlóan (3. ábra) itt is egfigyelhetô egy viszonylag jól definiált töréspont az átlagos görbén, aely a deforációs folyaatot két szakaszra osztja. Összefoglalás Megállapítható, hogy ind a száítógépes diszkrét diszlokációdinaikai sziulációk, ind a kísérleti eredények azt utatják, hogy statisztikus érteleben a ikronos éretû intákon is definiálható egy karakterisztikus feszültségérték, aely a akroszkopikus intákon érhetô folyáshatárral rokon ennyiség. Fontos azonban kieelni, hogy ez a karakterisztikus feszültség ne azt jelenti, hogy ennél kisebb feszültsénél seilyen intán ne jelenhet eg nagy aradandó alakváltozás. Ugyanakkor a feszültség értéke az adott intasorozat szilárdságát éri. Ahhoz tehát, hogy a ikron éretû objektuok echanikai tulajdonságait jelleezni tudjuk egyetlen érés ne elegendô, ivel csak intasokaságra érvényes statisztikus tulajdonságok állapíthatók eg. Ez a feliserés paradigaváltást jelent a kristályos anyagok deforációs tulajdonságainak vizsgálatában. A száítógépek által vizsgált tartoány és a kísérleti éretek egyre nagyobb átfedésével új kutatási terület nyílik a ikro- és nanoechanika, valaint a nanoelektronika felé, aely ár a jelen és ég inkább a jövô technológiája. Irodalo I. Groa: Link between the icroscopic and esoscopic lengthscale description of the collective behavior of dislocations. Phys. Rev. B 56 (1997) I. Groa. F. F. Csikor, M. Zaiser: Spatial correlations and higherorder gradient ters in a continuu description of dislocation dynaics. Acta Mater. 51 (2003) I. Groa, G. Györgyi, B. Kocsis: Debye Screening of dislocations. Phys. Rev. Lett. 96 (2006) P. D. Ispánovity, I. Groa, G. Györgyi, P. Szabó, W. Hoffelner: Criticality of Relaxation in Dislocation Systes. Phys. Rev. Lett. 7 (2011) Kovács István, Zsoldos Lehel: Diszlokációk és képlékeny alakváltozás. Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, D. M. Diiduk, C. Woodward, R. LeSar, M. D. Uchic: Scale-free interittent flow in crystal plasticity. Science 312 (2006) P. D. Ispanovity, I. Groa, G. Györgyi, F. F. Csikor, D. Weygand: Subicron Plasticity: Yield Stress, Dislocation Avalanches, and Velocity Distribution. Phys. Rev. Lett. 5 (20) Havancsák K., Lendvai J.: Nagyfelbontású pásztázó elektronikroszkóp az Eötvös Egyeteen. Fizikai Szele 61/ (2011) ÉBREDJ, MERT JÖN A FEKETE ENTRÓPIA! Martinás Katalin, ELTE TTK Fizikai Intézet Huller Ágoston festőűvész Fizikus: Mûteredben, az ajtóval szeközti fal bal sarkában található pasztell képnek azt a cíet adtad, hogy Ébredj, ert jön a fekete entrópia! Ne tartod különösnek, ha ûvész a terészettudoányok fogalotárából kölcsönöz cínek valót? Egyáltalán, i indított az elített kép cíadására? Festô: Beszélgetéseink e téáról. Ahogyan Te bôvíted az isereteidet a ûvészeti élényeiddel, hasonlóképp fordulok jóaga a terészettudoányok felé. Persze ne int szakeber, hane csak int érdeklôdô. Egy idô elteltével rá kell döbbenni, hogy Te is, Én is ugyanannak a probléának vagyunk rabjai, a világ egiserhetôségének. Aiben különbözünk az a egfogalazás nyelvezete. Bevallo, hogy száora az entrópiatörvény nagyon pessziista. A terészet egyirányúsága a rolás szinoniája. Az entrópia növekedése is azt jelenti, hogy életinôségünk egyre rosszabb lesz? Fizikus: Ne. Festô: Lehetne részletesebben? Fizikus: Kezdjük az elején. Örülök, hogy érdeklôdsz az entrópia iránt. Már integy ötven éve, hogy Snow A két kultúrában azt írta, hogy a terodinaika II. fôtétele legalább annyira az eberi kultúra fontos elee, int Shakespeare. Ugyanakkor ne tekinthetô civilizált ebernek az, aki ne iseri Shakespeare-t. Viszont az entrópiát, a terodinaika II. fôtételét csak kevesen iserik (azóta is). Hogy érezzük a hasonlat élységét, tudoásul kell vennünk, hogy Shakespeare az örök eberi tapasztalatokat összegzi ûveiben. És a ásodik fôtétel? Ugyanezt teszi, képlettel elbeszélve. Shakespeare-t sokan iserik. De azért a ár sokan iserik ha csak közvetetten is az entrópia szót is. Generációnk a hatvannyolcasok aerikai irodalában az entrópia a hanyatlás, a rolás szinoniája. MARTINÁS KATALIN, HULLER ÁGOSTON: ÉBREDJ, MERT JÖN A FEKETE ENTRÓPIA! 83