Вступ

Зацікавленість ниткоподібними кристалами (НК), відомими ще з ХVII ст., викликана не стільки незвичністю їхніх ростових форм, скільки високою пружністю та механічною міцністю, близькою до теоретичної, що пояснюється їхньою високою структурною досконалістю. Крім того, НК властиві велика коерцитивна сила під час перемагнечування, мала швидкість випаровування, окислення та розчинення, велика швидкість спаду фотоструму, особливості дифузії тощо. Це прекрасні об’єкти фізичних досліджень, оскільки дають змогу в широких межах змінювати досконалість структури і в такий спосіб моделювати різні умови для перевірки правильності деяких теоретичних розрахунків для уточнення існуючих уявлень і отримання нових даних про фізичну природу багатьох процесів, що перебігають у твердих тілах. Унікальна геометрія НК порушила питання про механізми їх утворення й стимулювала разом з тим теоретичні й експериментальні дослідження механізмів і кінетики росту кристалів загалом завдяки простоті моделей для одновимірного випадку. І, нарешті, НК, а з початком нового тисячоліття і нанорозмірні НК, або нанонитки, завдяки своїм унікальним розмірам, формі й властивостям усе ширше застосовуються в науці і техніці. Із НК виготовляють високочутливі давачі вібрацій, напружень і температур, високочутливі мініатюрні тензодавачі для вимірювання механічних характеристик, сенсори різноманітних фізичних величин, надміцні композиційні матеріали, армовані монокристалічними волокнами, автоемісійні електронні прилади вістряного типу, мініатюрні підвіски у приладах, мікрозонди тощо. Цікавими є дослідження сегнетоелектрики, феромагнетизму та надпровідності у ниткоподібних кристалах.
Сьогодні найбільш вивченими з фізичного погляду є ниткоподібні кристали Si, Ge та твердого розчину Si1-хGeх. Це зумовлено простотою їх виготовлення та широким спектром практичного застосування. Останнім часом інтерес до цих кристалів викликаний ще одним чинником – особливостями прояву розмірних ефектів.
Щодо спостереження розмірних залежностей в НК Si можна виділити три характерні групи розмірів кристалів: квантові (діаметр d < 50 нм), мезоскопічні (d < 0,5 мкм), макроскопічні (d > 1 мкм). У кристалах з квантовими розмірами (меншими від довжини хвилі де Бройля) спостерігаються ефекти квантування хвильових функцій елементарних частинок, що приводить до істотної відмінності властивостей нанониток від об’ємного матеріалу. Фізичні властивості НК мезо¬скопічних розмірів відрізняються від об’ємних властивостей кристала за рахунок впливу поверхні. Таким впливом поверхні можна пояснити виявлені в НК Si з діаметрами < 0,5 мкм зміну параметра кристалічної ґратки із зменшенням розміру кристалів, зміщення піків фундаментального відбивання у короткохвильову область стосовно їх положення у масивному кремнії, появу видимої люмінесценції з великим квантовим виходом. У кристалах макроскопічних розмірів проявляються так звані “геометричні” розмірні залежності, пов’язані здебільшого з різним легуванням кристалів різного діаметра.
Сьогодні ниткоподібні кристали кремнію, германію та їхніх твердих розчинів виявились ідеальною елементною базою для створення сенсорів різноманітних фізичних величин: тиску, деформацій, прискорення, зусиль, переміщень, температури, різниці температур, вологості, параметрів атмосфери тощо. Вони характеризуються високою чутливістю, унікальними механічними властивостями, можливістю роботи у різних амплітудно-частотних і температурних інтервалах. Такі сенсори використовуються у найрізноманітніших галузях практичної діяльності людини, включаючи медицину, транспортні засоби, телекомунікації, екстремальні умови експлуатації, гранично допустимі навантаження на межі механічного руйнування об’єктів. Сенсори фізичних величин на основі НК мають малі розміри і дієздатні в різних динамічних режимах, придатні для роботи в умовах високих температур, кріогенних температур, впливу сильних магнетних полів, агресивних середовищ тощо.
У пропонованій книзі зроблено спробу узагальнити експериментальні та теоретичні результати дослідження особливостей прояву деформаційно- та магнето-стимульованих ефектів у сильнолегованих ниткоподібних кристалах Si, Ge та твердого розчину Si1-хGeх макроскопічних розмірів з концентрацією домішки поблизу переходу метал-діелектрик. Проведено аналіз сучасних методів вирощування мікро- та нанорозмірних ниткоподібних кристалів Si, Ge та їхніх твердих розчинів. Наведено результати комплексного дослідження електропровідності, магнетоопору, п’єзоопору, коефіцієнта Зеєбека ниткоподібних кристалів Si, Ge та Si1-хGeх у широкому інтервалі температур за впливу сильних магнетних полів і деформацій, що було використано для створення сенсорів механічних і теплових величин на їх основі. Подано конструктивні особливості та наведено технічні характеристики сенсорів деформації, тиску, зусилля, температури, градієнта температур на основі ниткоподібних кристалів кремнію, германію та твердих розчинів Si1-хGeх.