The influence of multilayer metal-carbon coatings composition with different arrangement of functional layers on their surface morphology

This research was supported by the grants of Belarussian Republican Foundation for Fundamental Research BRFFR № T17KIG-009

Влияние температуры от 20 до 100 °С на удельную поверхностную энергию и вязкость разрушения пластин кремния

The influence of temperature in the range from 20 to 100 °C on the specific surface energy and fracture toughness of standard silicon wafers of three orientations (100), (110) and (111) was studied. Silicon wafers were heated on a special thermal platform with an autonomous heating controller, which was installed under the samples. At each temperature, the samples were kept for 10 min. The specific surface energy γ after exposure to temperature was determined by atomic force microscopy (AFM). Fracture toughness during and after exposure to temperature was determined by indentation followed by visualization of the deformation region using AFM. It has been established that the specific surface energy γ of Si wafers with orientation (100) and (111) increases with increasing temperature from 20 to 100 °C, and for orientation (110) it increases at temperatures from 20 to 80 °C, and then decreases. The diagonal length d of indentation marks, performed both during the heating process and after heating, decreases by increasing the temperature from 20 to 100 °C. The crack length c decreases on silicon wafers during indentation during heating from 20 to 100 °C, and after exposure to temperature, the length increases. When the plates are exposed to temperature, the fracture toughness KIC increases with increasing temperature: for orientation (100) – up to 1.61 ± 0.08 MPa·m1/2, for (110) – up to 1.60 ± 0.08 MPa·m1/2 and for (111) – up to 1.66 ± 0.04 MPa·m1/2. A direct correlation was established between KIC, measured during  exposure to temperature, and an inverse correlation between KIC measured after exposure to temperature and specific surface energy for the (100) and (111) orientations. An inverse correlation was obtained by KIC at the (110) orientation when exposed to temperatures of 20–40 and 80–100 °C, and after exposure, a direct correlation was obtained. At 60 °C there is no correlation. The results obtained can be used to improve the mechanical properties of silicon wafers used in solar cells and microelectromechanical systems (operating at temperatures up to 100 °C).Проведены исследования влияния температуры в диапазоне от 20 до 100 °С на удельную поверхностную энергию и вязкость разрушения стандартных пластин кремния трёх ориентаций (100), (110) и (111). Пластины кремния нагревали на специальной термоплатформе с автономным контроллером нагрева, которую устанавливали под образцы. При каждой температуре образцы выдерживали в течении 10 мин. Удельная поверхностная энергия γ после воздействия температуры определялась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Вязкость разрушения во время и после воздействия температуры определялась методом индентирования с последующей визуализацией области деформации методом АСМ. Установлено, что удельная поверхностная энергия γ пластин кремния ориентации (100) и (111) увеличивается с увеличением температуры от 20 до 100 °С, у ориентации (110) – увеличивается при температурах от 20 до 80 °С, а затем снижается. Длина диагонали d отпечатков индентирования, выполняемых как в процессе нагрева, так и после нагрева, уменьшается с увеличением температуры от 20 до 100 °С. Длина трещин c уменьшается на пластинах кремния при индентировании во время нагрева от 20 до 100 °С, а после воздействия температуры длина увеличивается. Во время воздействия температуры на пластины вязкость разрушения KIC увеличивается с увеличением температуры: для ориентации (100) – 1,61 ± 0,08 MПa·м1/2, для (110) – до 1,60 ± 0,08 MПa·м1/2 и для (111) – до 1,66 ± 0,04 MПa·м1/2. Установлена прямая корреляция KIC , измеренной во время воздействия температуры, и обратная корреляция KIC , измеренной после воздействия температуры, c удельной поверхностной энергией для ориентаций (100) и (111). Обратная корреляция KIC с γ получена на ориентации (110) при воздействии температур 20–40 и 80–100 °С, а после воздействия – прямая корреляция. При 60 °С корреляции нет. Полученные результаты могут быть использованы для улучшения механических свойств кремниевых пластин, используемых в солнечных элементах и микроэлектромеханических системах (работающих при температурах до 100 °С)

Friction coefficient obtained using AFM as a criterion of changes in the surface properties after low-temperature plasma treatment

This research was supported by the grant of Belarussian Republican Foundation for Fundamental Research BRFFR No.F17-118

Способы повышения точности определения вязкости разрушения твёрдых хрупких материалов при индентировании

Method for determining of the fracture toughness of brittle materials by indentation is described. The critical stress intensity factor KIC quantifies the fracture toughness. Methods were developed and applied to improve the accuracy of KIC determination due to atomic force microscopy and nanoindentation. It is necessary to accurately determine parameters and dimensions of the indentations and cracks formed around them in order to determine the KIC . Instead of classical optical and scanning electron microscopy an alternative high-resolution method of atomic force microscopy was proposed as an imaging method.Three methods of visualization were compared. Two types of crack opening were considered: along the width without vertical displacement of the material and along the height without opening along the width. Due to lack of contact with the surface of the samples under study, the methods of optical and scanning electron microscopy do not detect cracks with a height opening of less than 100 nm (for optical) and less than 40–50 nm (for scanning electron microscopy). Cracks with opening in width are determined within their resolution. Optical and scanning electron microscopy cannot provide accurate visualization of the deformation area and emerging cracks when applying small loads (less than 1.0 N). The use of atomic force microscopy leads to an increase in accuracy of determining of the length of the indent diagonal up to 9.0 % and of determining of the crack length up to 100 % compared to optical microscopy and up to 67 % compared to scanning electron microscopy. The method of atomic force microscopy due to spatial three-dimensional visualization and high accuracy (XY ± 0.2 nm, Z ± 0.03 nm) expands the possibilities of using indentation with low loads.A method was proposed for accuracy increasing of KIC determination by measuring of microhardness from a nanoindenter. It was established that nanoindentation leads to an increase in the accuracy of KIC determination by 16–23 % and eliminates the formation of microcracks in the indentation.Приведено описание метода определения вязкости разрушения хрупких материалов индентированием. Количественно вязкость разрушения характеризуется критическим коэффициентом интенсивности разрушения KIC . Использование атомно-силовой микроскопии и наноиндентирования позволило разработать и применить способы повышения точности определения KIC . Для определения KIC необходимо точно определять параметры и размеры отпечатков индентирования и образованных вокруг них трещин. В качестве метода визуализации вместо классических оптической и сканирующей электронной микроскопий предложен альтернативный высокоразрешающий метод атомно-силовой микроскопии.Проведено сравнение трёх методов визуализации. Рассмотрено два типа раскрытия трещин: по ширине без смещения материала по вертикали и по высоте без раскрытия по ширине. Методы оптической и сканирующей электронной микроскопий из-за отсутствия контакта с поверхностью исследуемых образцов не определяют трещины с раскрытием по высоте менее 100 нм (для оптической) и менее 40–50 нм (для сканирующей электронной микроскопии). Трещины с раскрытием по ширине определяют в рамках своей разрешающей способности. Оптическая и сканирующая электронная микроскопии не могут обеспечить точную визуализацию области деформации и формирующихся трещин при применении малых нагрузок (меньше 1,0 Н). Применение атомно-силовой микроскопии приводит к повышению точности определения длины диагонали отпечатка до 9,0 % и определения длины трещины до 100 % по сравнению с оптической микроскопией и до 67 % по сравнению со сканирующей электронной микроскопией. Метод атомно-силовой микроскопии благодаря пространственной трёхмерной визуализации и высокой точности (по XY ± 0,2 нм, по Z ± 0,03 нм) расширяет возможности применения индентирования с применением низких нагрузок.Предложен способ повышения точности определения KIC за счёт измерения микротвёрдости с наноиндентора. Установлено, что наноиндентирование приводит к повышению точности определения KIC на 16–23 % и исключает образование микротрещин в отпечатке

Определение вязкости разрушения алмазоподобных тонких покрытий на мягком и твердом подслоях методом наноиндентирования

The results of a study of the structure and physical and mechanical properties of diamond-like coatings (DLC) on sublayers of different hardness are presented. The coatings have high hardness, but at the same time they are prone to delamination and destruction due to high residual internal stresses. The fracture toughness was determined by the nanoindentation method and the energy calculation method using approach-retraction curves. Atomic force microscopy was used to study the surface structure and deformation region after nanoindentation. A change in the surface structure and roughness of DLC was established depending on the sublayer. Low roughness is characteristic of DLC on a copper sublayer. Applying а titanium sublayer leads to an increase in the elastic modulus of the DLC. The microhardness of both coatings is practically the same. AFM studies have shown two different types of DLC deformation after nanoindentation with a Berkovich pyramid. A crack on coatings with a copper sublayer propagates around the indentation print, and on an DLC with a titanium sublayer, it propagates along the edges of the indentation. It was found that the fracture toughness of DLC on a Ti sublayer is 33 % lower compared to DLC on a Cu sublayer due to a decrease in stress relaxation inside the coating. The considered coatings can be used in microelectronics for protection against mechanical damage on contacting and rubbing surfaces.Представлены результаты исследования структуры, физико-механических свойств обладающих высокой твердостью, но в то же время склонностью к расслоению и разрушению из-за высоких остаточных внутренних напряжений алмазоподобных покрытий (АПП) на подслоях различной твердости. Вязкость разрушения определяли методом наноиндентирования и энергетическим методом расчета с использованием кривых подвода-отвода. Для исследования структуры поверхности и области деформации после наноиндентирования использовали атомносиловую микроскопию. Установлено изменение структуры поверхности и шероховатости АПП в зависимости от подслоя. Низкая шероховатость характерна для АПП на медном подслое. Нанесение титанового подслоя приводит к повышению модуля упругости АПП. Микротвердость у обоих покрытий практически одинаковая. АСМ-исследования показали два различных типа деформации АПП после наноиндентирования пирамидой Берковича. Трещина на покрытиях с медным подслоем распространяется вокруг отпечатка индентирования, а на АПП с титановым подслоем – вдоль граней отпечатка. Установлено, что вязкость разрушения у АПП на титановом подслое на 33 % ниже по сравнению с АПП на медном подслое за счет уменьшения релаксации напряжений внутри покрытия. Рассмотренные покрытия воз можно применять в микроэлектронике для защиты от механических повреждений контактирующих и трущихся поверхностей

Properties of CrSi2 Layers Obtained by Rapid Heat Treatment of Cr Film on Silicon

The changes in the morphology and the electrophysical properties of the Cr/n-Si (111) structure depending on the rapid thermal treatment were considered in this study. The chromium films of about 30 nm thickness were deposited via magnetron sputtering. The rapid thermal treatment was performed by the irradiation of the substrate’s back side with the incoherent light flux of the quartz halogen lamps in nitrogen medium up to 200–550 ◦C. The surface morphology was investigated, including the grain size, the roughness parameters and the specific surface energy using atomic force microscopy. The resistivity value of the chromium films on silicon was determined by means of the four-probe method. It was established that at the temperatures of the rapid thermal treatment up to 350◦C one can observe re-crystallization of the chromium films with preservation of the fine grain morphology of the surface, accompanied by a reduction in the grain sizes, specific surface energy and the value of specific resistivity. At the temperatures of the rapid thermal treatment from 400 to 550◦C there originates the diffusion synthesis of the chromium disilicide CrSi2 with the wave-like surface morphology, followed by an increase in the grain sizes, roughness parameters, the specific surface energy and the specific resistivity value

Локальная корреляционная метрика для оценки качества комбинирования АСМ-изображений

The problem of assessing the quality of combining component images formed in two synchronous channels of an atomic force microscope (AFM images), is considered. A computationally simple quality metric for combining component AFM images, based on local correlation coefficients is proposed, taking into account the contribution of each of the component AFM images to the resulting combined AFM image and the correlation between component AFM images. It is shown that local correlation provides a higher accuracy of AFM images combination quality estimation in comparison to the global correlation.Рассмотрена задача оценки качества комбинирования компонентных изображений, формируемых в двух синхронных каналах атомного силового микроскопа (АСМ-изображений). Предложена вычислительно простая метрика качества комбинирования компонентных АСМ-изображений на основе коэффициентов локальной корреляции, учитывающая вклад каждого из компонентных АСМ-изображений в результирующее комбинированное АСМ-изображение и корреляцию между компонентными АСМ-изображениями. Показано, что локальная корреляция обеспечивает более высокую точность оценки качества комбинирования АСМ-изображений по сравнению с глобальной корреляцией

Исследование острой и хронической токсичности гомеопатического сиропа Стодаль

The study of acute and chronic toxicity of the homeopathic preparation syrup Stodal, produced by the Laboratory of Boiron, France, widely used in medical practice as an effective antitussive agent. Stodal with a single intragastric administration to outbred mice and rats at doses of 5, 10, 15, 20 and 25 ml / kg and intraperitoneal administration to rats at doses of 2.5; 5; 7.5; 10 and 12.5 ml / kg did not cause death of animals. In experiments on mice in females with intraperitoneal administration of homeopathic syrup Stodal LD50 was 17.2 (13.1 - 22.6) ml/kg and in males LD50 was 19.6 (16.1 - 24.0) ml/kg. Homeopathic syrup Stodal with daily oral administration to rats and rabbits in doses of 1 ml / kg and 10 ml/kg for one month did not cause changes in the General condition, behavior, appearance and pronounced changes in body weight of animals. Toxic effects of stodal syrup were not observed in clinical and laboratory, pathomorphological and histological studies performed in the conventional volume.Проведено исследование острой и хронической токсичности гомеопатического препарата сироп Стодаль, производства Лаборатории Буарон, Франция, широко используемого во врачебной практике как эффективное противокашлевое средство. Стодаль при однократном внутрижелудочном введении аутбредным мышам и крысам в дозах 5, 10, 15, 20 и 25 мл/кг и внутрибрюшинном введении крысам в дозах 2,5; 5; 7,5; 10 и 12,5 мл/кг не вызывал гибели животных. В опытах на мышах у самок при внутрибрюшинном введении сиропа гомеопатического Стодаль LD50 составила 17,2 (13,1-22,6) мл/кг, у самцов LD50 составила 19,6 (16,1-24,0) мл/кг. Гомеопатический сироп Стодаль при ежедневном пероральном введении крысам и кроликам в дозах 1 мл/кг и 10 мл/кг в течение одного месяца не вызывал изменений общего состояния, поведения внешнего вида и выраженных изменений массы тела животных. Токсических эффектов сиропа Стодаль не отмечено при клинико-лабораторном, патоморфологическом и гистологическом исследованиях, выполненных в общепринятом объёме

Влияние воздействия низкотемпературной плазмы атосферного барьерного разряда на структуру и свойства мембран эритроцитов и тромбоцитов

The plasma of the atmospheric barrier discharge (PBR) is used to treat various types of diseases and damage to the skin and soft tissues; however, the mechanism of interaction of PBR with biological material has not been precisely established to date. One of the promising methods for estimation changes in the structure and properties of cell membranes at the nanoscale is atomic force microscopy (AFM). In this article the results of the influence of the barrier discharge low-temperature plasma on the structure and properties of erythrocytes and platelets are presented. By the AFM-method, the shape, morphology of membranes, and adhesive forces on the surface of the cells were determined, which is one of the characteristic parameters for assessing changes occurring at the molecular level with the cell membrane. In this work, we used an experimental complex for generating a low-temperature plasma of a dielectric barrier discharge based on a coaxial type device and an adjustable source power from 10 to 30 W. A change in the structure of the erythrocyte membranes without changing the shape of the cells themselves was established. On the non-fixed erythrocytes, the adhesion force is increased after exposure. On the surface of both erythrocytes and platelets, the presence of particles of submicron size was established, which may be due to the release of cell contents or the destructive effect of plasma on the proteins of the outer layer of the membrane. The cells, which are fixed with a 0.5-mm solution of glutaraldehyde on mica substrates, both retain their disk-like shape and membrane structure, which may be due to the formation of covalent cross-links between membrane lipids and glutaraldehyde, and residual liquid content in the cell volume after interaction with a chemical reagent. Red blood cells are more resistant to short-term exposure to PBR (1 minute) compared with platelets. The results of the studies can be used to establish patterns and the biochemical processes under the influence of PBR on blood cells.Низкотемпературная плазма атмосферного барьерного разряда (ПБР) применяется для лечения различных типов заболеваний и повреждения кожи и мягких тканей, однако механизм взаимодействия ПБР с биологическим материалом к настоящему моменту точно не установлен. Одним из перспективных методов, позволяющих оценить изменения структуры и свойств мембран клеток на наноуровне, является атомно-силовая микроскопия (АСМ). В данной работе представлены результаты влияния ПБР на структуру и свойства эритроцитов и тромбоцитов. АСМ-методом изучены морфометрические и локальные механические свойства поверхности клеток, что является одним из характеристических параметров оценки изменений, происходящих на молекулярном уровне с клеточной мембраной. Авторами использовался экспериментальный комплекс для генерации низкотемпературной плазмы диэлектрического барьерного разряда на основе устройства коаксиального типа и регулируемой мощностью источника от 10 до 30 Вт. Установлено изменение структуры мембран эритроцитов с сохранением формы самих клеток. Для эритроцитов, высушенных на воздухе, отмечается резкий рост силы адгезии после воздействия ПБР. На поверхности эритроцитов и тромбоцитов установлено наличие частиц субмикронного размера, что может быть следствием выхода содержимого клетки или разрушительного воздействия плазмы на белки наружного слоя мембраны. Фиксированные 0,5%-ным раствором глутарового альдегида на подложках слюды образцы клеток сохраняют свою дисковидную форму и структуру мембраны, что может быть связано с образованием ковалентных сшивок между липидами мембраны и глутаровым альдегидом, а также остаточным содержанием жидкости в объеме клетки после взаимодействия с химическим реагентом. Эритроциты являются более устойчивыми к кратковременному воздействию ПБР (1 мин) по сравнению с тромбоцитами. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при установлении закономерностей и протекания биохимических процессов под воздействием ПБР на клетки крови

Исследование хронической токсичности таблеток Гомеовокс

Relevance. Assessment of chronic toxicity is a necessary stage of preclinical research a tablets Homeovox homeopathic. The aim of present research is study of chronic toxicity of a tablets Homeovox homeopathic.Methods. Homeovox was administered orally to males and females of rats and rabbits in doses of 100 and 1 000 mg / kg for three months. The appearance and the general state of animals were observed, the dynamics of body weight, feed and water consumption, behavioral reactions, rectal temperature, state of the cardiovascular system (electrocardiography, blood pressure measurement) were evaluated, hematological, biochemical and pathomorphological examinations were conducted to determine possible toxic effects and their reversibility, possible target organs and local irritant effect.Results. Parameters registered in the conducted studies did not get out the limits of the reference values for these species of animals. Homeovox did not cause any regular changes in the structure of the internal organs of rats and rabbits.Conclusion. Homeovox, administered to rats and rabbits for three months orally daily in doses of 100 and 1 000 mg / kg, did not demonstrate toxic effects and local irritant effect. Актуальность. Исследование хронической токсичности является необходимым этапом доклинического исследования таблеток Гомеовокс гомеопатических, применяемых для лечения ларингитов различной этиологии.Целью настоящей работы явилось изучение хронической токсичности таблеток Гомеовокс гомеопатических.Методы. Гомеовокс вводили ежедневно самцам и самкам крыс и кроликов перорально в дозах 100 и 1 000 мг/кг, в течение трёх месяцев. Наблюдали за внешним видом и общим состоянием животных, оценивали динамику массы тела, потребление корма и воды, поведенческие реакции, ректальную температуру, состояние сердечно-сосудистой системы (электрокардиография, измерение артериального давления), проводили гематологические, биохимические и патоморфологические исследования для определения возможных токсических эффектов и их обратимости, возможных органов-мишеней и местного раздражающего действия.Результаты. Параметры, регистрируемые в проведённых исследованиях, не выходили за пределы референтных значений для данных видов животных. Гомеовокс в условиях настоящего эксперимента не вызывал закономерных изменений структуры внутренних органов крыс и кроликов.Заключение. Гомеовокс, вводимый крысам и кроликам в течение трёх месяцев перорально ежедневно в дозах 100 и 1 000 мг/кг, не продемонстрировал токсических эффектов и местного раздражающего действия. Исследование, проведённое в соответствии с методическими рекомендациями, не установило данных, препятствующих клиническому испытанию таблеток Гомеовокс, покрытых оболочкой гомеопатических