Київський університет імені Тараса Шевченка
Київський університет імені Тараса Шевченка
На правах рукопису
Вінніченко Микола Вікторович
УДК 535.34
ОСОБЛИВОСТІ ОПТИЧНого поглинання МЕТАЛЕВИХ АМОРФНИХ ТА ОПРОМІНЕНИХ ВИСОКОЕНЕРГЕТИЧНИМИ ІОНАМИ ПОЛІКРИСТАЛІЧНИХ СИСТЕМ
01.04.05 - оптика, лазерна фізика
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ - 1998
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі оптики
Київського університету імені Тараса Шевченка
Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук
Поперенко Леонід Володимирович
Київський університет імені Тараса Шевченка
професор кафедри оптики
фізичного факультету
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник
кандидат фізико-математичних наук Карпуша Василь Данилович, Сумський державний університет, доцент кафедри загальної фізики фізико-технічного факультету
Провідна установа
Харківський державний університет імені О. Горького.
Захист відбудеться “25” січня 1999 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в Київському університеті імені Тараса Шевченка (252022, м. Київ-22, просп. Академіка Глушкова, 6, фізичний факультет)
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці фізичного факультету Київського університету ім. Тараса Шевченка (252022, м. Київ-22, просп. Академіка Глушкова, 6)
Автореферат розісланий “22” грудня 1998 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор фізико-математичних наук,
професор Охріменко Б. А.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми та постановка задачі.
Розупорядковані металеві матеріали внаслідок унікальних фізичних властивостей є перспективними для застосування у сучасних мікроелектроніці, електротехніці, ядерній та космічній технологіях. Вони, залежно від способу їх виготовлення та технології обробки, можуть мати високу корозійну стійкість та механічну твердість, стійкість до опромінення високоенергетичними частинками. Існує багато галузей науки і техніки, де саме розгляд проблем впливу дії іонів або атомів на оптичні властивості матеріалу є важливим. Часто після такої іонної дії на дзеркала структура металевої поверхні стає аморфною.
Проте, досі проблематичним є створення подібних матеріалів із заданими наперед властивостями. В першу чергу це пов’язано з тим, що узагальнена теорія процесу масопереносу та розупорядкування приповерхневої структури під дією високоенергетичних потоків частинок у завершеному вигляді ще не побудована, а також детально не розроблені технології високоенергетичної поверхневої обробки матеріалів за рахунок імплантації іонів.
Багато в чому формування необхідних властивостей таких матеріалів визначається особливостями електронних характеристик приповерхневого прошарку й, зокрема, будовою його електронного спектру поблизу рівня Фермі. Дані про зміни в атомній структурі та енергетичному спектрі густини станів електронів поблизу рівня Фермі внаслідок дії різноманітних чинників (температурний режим, іонне бомбардування, пластична деформація, тощо) дозволять керовано змінювати технологічні параметри для створення розупорядкованого середовища і отримувати задані наперед властивості матеріалів.
Оптичні параметри розупорядкованої системи в певній мірі характеризують особливості її атомної структури та електронного спектру поблизу рівня Фермі. Зокрема, ефективним методом визначення оптичних констант розупорядкованих середовищ і аморфних металевих сплавів (АМС) є еліпсометрія при відбиванні світла, оскільки вона чутлива до змін у ближньому порядку на фоні зруйнованого дальнього та дозволяє досліджувати особливості оптичних властивостей, зумовлені переходами із 3d-подібних електронних рівнів на рівень Фермі, віддалених від нього на глибину біля 5 еВ.
Визначення спектрів оптичних констант після з’ясування кутових залежностей еліпсометричних параметрів дозволяє адекватно пояснити варіацію властивостей аморфних металевих сплавів, загартованих із розплаву різної температури чи після пластичної деформації.
Однак, при дослідженні оптичних властивостей аморфних металевих середовищ для однозначної інтерпретації результатів необхідне моделювання структури приповерхневого прошарку, що вимагає наробки відповідних вимірювальних та обчислювальних процедур поряд з проведенням експериментів з керованої та контрольованої модифікації цього шару.
Іонне бомбардування є широкозастосовним методом змін поверхневого прошарку металів, причому така обробка дозволяє також імітувати умови опромінення діагностичних дзеркал у термоядерному реакторі. Крім того, дослідження впливу взаємодії цього шару з іонами в процесі імплантації на оптичні властивості металевих поверхонь дозволило б зрозуміти їх взаємозв’язок з мікрорельєфом і структурою поверхні та покращити стійкість дзеркал до опромінення високоенергетичними частинками.
Застосування нульової еліпсометричної методики при багатьох кутах падіння світла поряд із моделюванням структури скін-шару та растровою електронною мікроскопією поверхні дозволяють кількісно оцінювати ефект модифікації поверхні та структурних змін на ній при іонному бомбардуванні та(чи) подальшому нанесенні тонких плівок певних матеріалів.
Таким чином, виникає необхідність постановки та розв’язання актуальної для сучасної металооптики фізичної задачі, що полягає у з’ясуванні зв’язку електронної структури та атомного розупорядкування з оптичними властивостями як металевих аморфних сплавів, так і розупорядкованих внаслідок опромінення високоенергетичними іонами приповерхневих шарів полікристалічних металів. Для цього потрібно провести комплексні дослідження зазначених матеріалів еліпсометричним методом при доповненні його даними растрової електронної мікроскопії та нейтронографії.
Метою роботи є:
1.
Встановити взаємозв’язок змін мікрорельєфу поверхні та оптичних властивостей полікристалічних матеріалів, опромінених заданими потоками високоенергетичних іонів, для створення вимірювальних та обчислювальних процедур з адекватним моделюванням структури порушеного приповерхневого шару та визначенням особливостей оптичного поглинання модифікованого іонною обробкою приповерхневого шару металевих дзеркал за допомогою спектральної еліпсометрії як в середній ІЧ області спектру (0.05-0.6 еВ), так і в ближній ІЧ, видимій та ближній УФ області (0.5-4.9 еВ).
1.
Визначити поведінку оптичних характеристик та особливості змін у спектрі оптичної провідності АМС в зв’язку із заміщенням частини атомів металу атомами металоїду та внаслідок пластичної деформації.
1.
Знайти взаємозв’язок між параметрами атомної структури, отриманими з дослідів по дифракції нейтронів від імпульсного джерела, та оптичними характеристиками аморфного сплаву, загартованого із розплавів різної температури, як до опромінення нейтронами, так і після нього.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
1.
Встановлено закономірності модифікації оптичних властивостей дзеркал із полікристалічних металів (Al, Cu, нержавіюча сталь) обробкою іонами водню (дейтерію), інертних газів (He2+, Ar2+), металів (Al2+, Cu2+, Cr2+) та послідовної обробки такими іонами. З’ясовано, що причиною змін оптичних властивостей іонно-бомбардованих дзеркал є залежність мікрорельєфу поверхні від динаміки процесу масопереносу на ній при такій обробці.
1.
Охарактеризовано оптичним методом композиційний структурний перехід від орторомбічної координації атомів ближнього порядку до тетрагональної у аморфному сплаві Fe-B при збільшенні концентрації бору та досліджено вплив ступеню пластичної деформації на оптичні властивості металевого скла Fe-B-Si-C.
1.
З’ясовано вплив варіації термодинамічних умов гартування на характер координацій атомів у ближньому оточенні за спектральними залежностями оптичних характеристик стрічок аморфного металевого сплаву Fe-Cr-B.
1.
Встановлено зв’язок параметрів атомної структури аморфного металевого сплаву Fe-Cr-B, після тривалого опромінення низькоенергетичними нейтронами від імпульсного джерела, та зміни оптичних характеристик цього сплаву внаслідок такої обробки.
Практичне значення одержаних результатів:
1.
Отримано взаємозв’язок між модифікованою (іонним бомбардуванням та/чи нанесенням плівок) структурою поверхні полікристалічних металевих дзеркал та її оптичними характеристиками, що дозволяє оптимізувати режими іонної обробки для створення дзеркал, оптичні властивості яких будуть найбільш стійкими до опромінення високоенергетичними частинками.
1.
Запропоновано завдяки еліпсометричним та нейтронографічним дослідженням АМС оптимальні термодинамічні умови гартування розплаву для отримання високої однорідності структури таких сплавів.
1.
Визначено рівень змін оптичних характеристик аморфних металевих сплавів на основі заліза при легуванні атомами металоїду та під дією таких зовнішніх чинників, як нейтронне опромінення, пластична деформація, тощо.
Положення, що виносяться на захист:
1.
Результати комплексних оптичних досліджень змін мікрорельєфу дзеркал із полікристалічних металів (Al, Cu, нержавіюча сталь), викликаних як окремою обробкою іонами водню (дейтерію), інертних газів (He2+, Ar2+), металів (Al2+, Cu2+, Cr2+), так і комбінованою обробкою такими іонами, а також з’ясований при цьому взаємозв’язок мікрорельєфу поверхні дзеркал та її оптичних властивостей.
1.
Результати співставлення та аналізу даних з нейтронної дифракції та оптичних вимірювань для металевого аморфного сплаву Fe-Cr-B, загартованого із розплавів різної температури, та чисельні оцінки структурних, оптичних та електронних характеристик цього сплаву після нейтронного опромінювання, знайдених у наближенні Кавея-Мотта.
1.
Ефекти впливу варіації як термодинамічних умов виготовлення стрічок АМС Fe-Cr-B на характер ближнього порядку і їх електронні характеристики, так і концентрації бору в аморфному металевому сплаві Fe-B поблизу структурного переходу, з яким пов’язана зміна в координації атомів металу у ближньому оточенні від орторомбічної до тетрагональної, на оптичні властивості сплаву.
Особистий внесок здобувача.
Здобувачем опубліковано ряд праць у співавторстві, де співавторами виконано роботи з іонної модифікації поверхонь, розрахунку залежності дози іонного опромінення від товщини шару, нанесення плівок, виготовлення зразків металевого скла, растрової електронної мікроскопії та ІЧ еліпсометрії. Здобувачем здійснено всі еліпсометричні вимірювання у залежності від кута падіння світла, спектроеліпсометричні дослідження у інтервалі енергій зондуючих фотонів 0.5-4 еВ, нейтронографічні дослідження на імпульсному джерелі нейтронів, чисельну обробку результатів та моделювання оптичних властивостей, а також постановку задач та інтерпретацію результатів еліпсометричних та нейтронографічних досліджень.
Апробація результатів роботи та публікації.
Основні матеріали дисертації опубліковано у 6 статтях у наукових журналах та 9 матеріалах і тезах конференцій. Матеріали дисертації доповідались на міжнародних конференціях, зокрема на 11th International Symposium on Boron, Borides and Related Compounds (Tsukuba, Japan, 1993); Всеукраїнській конференції молодих вчених (фізика) (Київ, 1994); Міжнародній літній школі-семінарі з фізики та хімії поверхні (Київ, 1994); 6th European Magnetic Materials and Applications Conference, EMMA’95 (Wien, 1995); Міжнародній науковій конференції, присвяченій 150-річчю з дня народження видатного українського фізика та електротехніка Івана Пулюя “Фізика в Україні” (Львів, 1995); 12й международній конференції “Взаимодействие ионов с поверхностью”, (Звенигород, Россия, 1995); 12й та 13й Національній школі-семінарі з міжнародною участю “Спектроскопія молекул та кристалів” (Ніжин, 1995; Суми, 1997); 9th International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials (Bratislava, Slovakia, 1996); 23rd Europ. Phys. Soc. Conf. on Controlled fusion and plasma physics (Kyiv, 1996); 23rd European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods (Kyiv, 1996); Міжнародній науковій конференції з оптичних методів діагностики матеріалів та пристроїв для опто-, мікро- та квантової електроніки, OPTDIM’97 (Київ, 1997); 5й Українській конференції з керованого термоядерного синтезу (Київ, 1997); International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, ICMCTF’98 (San Diego, USA, 1998); 8й Міжнародному семінарі “Діагностика поверхні іонними пучками” (Ужгород 1998).
Структура та обсяг дисертації.
Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури, що містить 107 найменувань робіт. Роботу викладено на 134 сторінках машинописного тексту, який містить 37 рисунків та 12 таблиць.
КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У Вступі стисло обгрунтовано актуальність теми та мету досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, а також сформульовано положення, що виносяться на захист.
В першому розділі зроблено огляд літератури, а саме розглянуто сучасний стан фундаментальної проблеми взаємозв’язку характеристик розупорядкованої або аморфної структури з оптичними властивостями металевих матеріалів та відбудови шляхом теоретичного моделювання їх спектру електронних станів. Вказано на можливу роль ефектів зародження слабкої андерсонівської локалізації при розгляді електронної структури та оптичних властивостей металевого скла. Обгрунтовується застосування оптичних методів до вивчення змін в електронній та атомній структурах таких систем. Проведено порівняльний аналіз оптичних властивостей виготовлених різними методами розупорядкованих металевих матеріалів та уточнено задачі дослідження.
У другому розділі для вироблення оптимального експериментального підходу розв’язання поставленої задачі досліджень проаналізовано як характеристики методів спектральної та багатокутової еліпсометрії та дифракції нейтронів від імпульсного джерела, так і специфіку обробки результатів вимірювань. Розглянуто технічні параметри експериментальних установок та особливості методик їх юстування. З’ясовано, як оптимально здійснити вимірювання кутових залежностей еліпсометричних параметрів на довжині хвилі 632.8 нм у діапазоні кутів падіння світла j=65-800. Спектроеліпсометричні вимірювання виконано у середній ІЧ (0.05-0.62 еВ), ближній ІЧ, видимій та ближній УФ областях (0.5-4.9 еВ) залежно від об’єктів дослідження. Нейтронографічні вимірювання проведено на багатодетекторній установці при кутах розсіювання ~50, 100, 200, 350, 580, 900 та 1480 у діапазоні значень модуля вектора розсіювання 0.25-50 -1.
Показано, що для отримання помітних змін оптичних сталих металевих дзеркал необхідно опромінювати їх іонами до доз порядку 10 зна, а повний флуєнс іонів не повинен бути вище 21016 іонів/см2 за умови, коли зміною стехіометричного складу приповерхневого шару внаслідок іонної обробки можна знехтувати. З цією метою проводили опромінення дзеркал із Сu, Al та нержавіючої сталі відповідно іонами Сu2+, Al2+ та Cr2+ з енергіями близько Е 1-3 МеВ з наступним травленням мідних дзеркал іонами He2+ (Е=4 кеВ) та/чи Ar2+ (Е 3 МеВ) та дзеркал із алюмінію та нержавіючої сталі іонами водню та дейтерію (Е 1 кеВ). До того ж, вивчали боровані дзеркала із нержавіючої сталі, котрі застосовуються як стійкі до окислення та іонної обробки оптичні поверхні.
Розглянуто технологічні параметри виготовлення та наступної обробки як модельних розупорядкованих покрить із олова, так і аморфних металевих сплавів на основі заліза. Для досліджень були обрані наступні АМС, виготовлені методом надшвидкого загартування розплаву на диску, що обертається: 1) аморфний металевий сплав Fe100-XBX у вигляді стрічок завширшки 7-8 мм та завтовшки 20-40 мкм з концентраціями х=14, 16, 17, 20 атомних відсотків бору; 2) щойно виготовлені стрічки сплаву типу Metglas 2605 SC Fe81B13Si4C2 товщиною 25 мкм та пластично деформовані шляхом холодної прокатки до товщин 16 та 10 мкм стрічки; їх ширина складала ~10 мм; 3) стрічки АМС Fe70Cr15B15 шириною 10 мм, виготовлені із перегрітого до різних температур над точкою плавлення розплаву, а саме із розплаву з температурами ТР=1230-1250, 1310, 1350 та 1600 0С. Окремо досліджували оптичні властивості зразків цієї групи після їх опромінення протягом тривалого часу (~12 годин) низькоенергетичними нейтронами у потоці ~1011 нейтронів/(см2с) на установці LAD (ISIS, Оксфордшир, Великобританія).
У третьому розділі розглянуто результати еліпсометричних та електронно-мікроскопічних досліджень полікристалічних металевих дзеркал із міді, алюмінію та нержавіючої сталі, поверхні яких були модифіковані опроміненням високоенергетичними іонами та нанесенням плівок за керованих та контрольованих умов, розроблено процедуру кількісної оцінки ефектів імплантації та розпилення поверхні з урахуванням окислення дзеркал.
Зокрема, з’ясовано, що обробка полікристалічних металевих дзеркал зазначеними високоенергетичними іонами призводить до зростання ефективного показника заломлення дзеркала n при зменшенні ефективного показника поглинання k та коефіцієнта відбивання дзеркала R незалежно від типу та енергії іонів чи матеріалу дзеркала. Ці зміни слабкіші для випадку обробки іонами (Ar2+, Cu2+, Cr2+), ніж у випадку дії більш легких іонів (H+, D+) чи послідовних обробок іонами металу та водню/аргону. Найбільші зміни оптичних констант спостерігались при опроміненні алюмінієвих дзеркал іонами дейтерію кеВних енергій, а найменші - при опромінюванні дзеркал із нержавіючої сталі іонами водню з енергією ~1 кеВ.
Проміжні зміни оптичних констант спостерігались для мідних дзеркал. Обробка мідних полікристалічних дзеркал іонами Ar2+ (Е=3 МеВ) призводила до менших змін їх оптичних параметрів (головного кута падіння, показників заломлення та поглинання, коефіцієнту відбивання), ніж бомбардування іонами He2+ (Е=4 кеВ). У випадку дії іонів аргону це пов’язано, згідно даних растрової електронної мікроскопії, з формуванням мікрорельєфу у вигляді досить плоских плато розміром 10-100 мкм, тоді як у випадку дії іонів гелію з виникненням значно дрібнішого мікрорельєфу у вигляді ямок травлення.
За умови послідовної обробки мідних дзеркал різними іонами з’ясовано, що травлення іонами He2+ (Е=4 кеВ) на глибину 0.7 мкм попередньо імплантованих іонами Cu2+ (E=3 МеВ) дзеркал, викликає більш суттєві зміни оптичних властивостей, ніж послідовне розпилення таких же імплантованих мідних дзеркал іонами Ar+ (Е=3 МеВ) та He2+, але на меншу глибину. У наближенні ефективного середовища (наближення Бругеммана та Максвела-Гарнета) оцінено, що такі зміни оптичних властивостей імплантованих мідних дзеркал виникають внаслідок значного зростання (не менш ніж на 40% у порівнянні з необробленими дзеркалом) частки оксиду Cu2O у приповерхневому прошарку дзеркала. Останнє вказує на відповідну модифікацію мікрорельєфу поверхні дзеркала за рахунок заповнення утворених дефектів поверхні оксидом. Дослідження мікрорельєфу цих дзеркал за допомогою растрової електронної мікроскопії продемонструвало, що шорсткість поверхонь імплантованих іонами Cu2+ дзеркал після розпилення іонами Не2+ зумовлена виступами висотою 2.5 мкм, причому на окремих ділянках, що займають менше 50% площі, в місцях виступів з’являються заглиблення. Такий мікрорельєф є характерним при ерозії поверхні металів під дією легких іонів, коли відбувається блістеринг, тобто явище розпушення поверхні під дією атомів гелію, які накопичуються на глибині скін-шару в металі. На дзеркалах міді, що не імплантувалися мідними іонами, ерозія проявляється слабкіше і дефекти поверхні типу блістерів не спостерігаються.
Спектроеліпсометричні дослідження методом Бітті-Кона в діапазоні енергій зондуючих фотонів w=1.0-4.9 еВ зразків нержавіючої сталі показали істотне зниження їх оптичної провідності s(w) після опромінення іонами Cr2+ (E=3 МеВ, доза 11 зна) у всьому вивченому спектральному інтервалі, у той час як коефіцієнт відбивання R лише незначно спадав при енергіях фотонів w=1-2.5 еВ і зростав у області w=2.5-4.9 еВ. Растрова електронна мікроскопія не виявила змін мікрорельєфу поверхні цих дзеркал, у той час як Оже-аналіз показав присутність плівки вуглецю на поверхні дзеркала, що і пояснює отриману поведінку оптичних спектрів.
Показано, що борування дзеркал із нержавіючої сталі, як необроблених, так і опромінених МеВними іонами хрому, призводить до суттєвих змін їх оптичних констант, причому ці зміни найбільші у середній ІЧ та ближній УФ областях спектру. Зокрема, для дзеркал, покритих плівкою бору завтовшки 20 нм, у порівнянні з такими ж, але попередньо опроміненими іонами хрому дзеркалами, докорінно змінюється хід спектральних залежностей дійсної e1 і уявної e2 частин діелектричної функції у всій дослідженій області спектру. Отримані зміни оптичних властивостей зазначених дзеркал були пов’язані з формуванням такого скін-шару на дзеркалі, котрий має в цілому кращу провідність, ніж неопромінене дзеркало, поверхня якого з самого початку мала прошарок оксиду чи інших адсорбованих плівок. Проведене моделювання плівки бору на поверхні цієї групи дзеркал показало, що її структура складніша, ніж припускалось спочатку (однорідна поглинаюча плівка на металевій підкладці), а саме, що плівка є неоднорідною або покриває дзеркало не суцільним шаром, як це припускалось, а окремими острівцями. До того ж, поверхневий шар бору може бути окисленим.
У четвертому розділі на основі експериментального підходу досліджено невпорядковану металеву поверхню еліпсометричним методом з використанням для аморфних металевих сплавів на основі заліза розроблених у розділі 3 вимірювальних та обчислювальних процедур.
Методом кутової еліпсометрії охарактеризовано концентраційний структурний перехід від орторомбічної координації атомів ближнього порядку до тетрагональної у аморфній металевій системі Fe100-XBX, що спостерігається у відповідності до результатів моделювання атомної структури іншими авторами при концентрації x=16 ат. % бору і узгоджується з відомими із літератури даними по дослідженню питомого електричного опору та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії для цих сплавів. Отримане зі спектроеліпсометричних вимірювань збільшення напівширин смуг поглинання спектру оптичної провідності (ОП) при енергіях фотонів w=0.5-1.0 еВ та 1.0-2.0 еВ зі збільшенням концентрації х аморфізатора (бору) спричинюється уширенням відповідних електронних рівнів, переходи між якими зумовлюють появу цих смуг, внаслідок зростання ступеню розупорядкування атомної структури при збільшенні концентрації бору.
Для опису структурної анізотропії приповерхневого шару АМС на основі заліза введено оптичний параметр 0, за змінами якого вдалося з’ясувати, що пластична деформація аморфних стрічок шляхом холодної прокатки зумовлює суттєві зміни в ближньому порядку атомної структури сплаву, а саме, появу витягнутих і відповідно орієнтованих мікрообластей (кластерів) після першої прокатки та додаткове розупорядкування цієї мікроструктури після другої. Вплив пластичної деформації на спектральні залежності оптичних параметрів цієї системи полягає як у зменшенні абсолютних значень ОП та коефіцієнта відбиття після прокатки зразків, так і в уширенні основної смуги поглинання та деякому її зміщенні у довгохвильову область після прокатки стрічок.
В свою чергу, розмиття згаданої смуги поглинання після прокатки вказує на уширення d-подібної зони після деформації стрічок, а деяке її зміщення в ІЧ область - на відповідне незначне зміщення EF у напрямку до цієї зони.
З метою дослідження впливу термодинамічних умов гартування на особливості енергетичного спектру густини станів електронів поблизу рівня Фермі АМС проведені модельні експерименти з дослідженням ОП розупорядкованих покрить олова. Отримано, що зі зростанням швидкості охолодження розплаву основна смуга поглинання Sn звужувалася і дещо зміщувалась як у довгохвильову область спектру, так і у протилежний бік, майже до її положення в спектрі ОП масивного олова; крім того, зростала інтенсивність цієї смуги в спектрі оптичної провідності при таких перетвореннях структури цього металу. Звуженню даної смуги може відповідати зменшення ширин зон внаслідок збільшення у середньому міжатомних відстаней (наближення послабленого міжатомного зв’язку) при такому способі загартування.
Вплив температури розплаву на оптичні властивості загартованого із нього металевого скла Fe70Cr15B15 полягав у зміщенні його основної смуги поглинання у спектрі ОП (рис.1) (1-2.2 еВ) до ІЧ області на 0.4 еВ, що вказувало на зменшення енергетичної щілини між рівнем Фермі та зоною 3d-подібних електронних станів матриці (заліза) при гартуванні АМС із розплаву найвищої температури (1600 0С). Більш чітке окреслення смуг поглинання в спектрі ОП і їх ідентифікація з відповідними міжзонними переходами дозволяють інтерпретувати у наближенні послабленого міжатомного зв’язку поведінку цих смуг при підвищенні температури розплаву звуженням відповідних зон за рахунок збільшення середньої відстані між атомами заліза в АМС, загартованому із розплаву вищої температури.
Рис.1 Спектральні залежності оптичної провідності аморфного металевого сплаву Fe70Cr15B15 у залежності від температури розплаву, із якого його було виготовлено
Спостережувані зміни в оптичних спектрах цих АМС підтверджено результатами нейтронографічних досліджень, в яких завдяки дифракції нейтронів від імпульсного джерела виявлено за змінами структурного фактору S(Q), що міжатомні відстані у аморфному сплаві, отриманому з перегрітого розплаву, змінюються в більш широкому інтервалі, ніж у сплаві, загартованому із розплаву при нижчій температурі.
Вдалося з’ясувати, що після нейтронного опромінювання змінюється характер спектрів оптичних характеристик в ІЧ, який стає відмінним від Друде-подібного (рис.2).
При цьому на основі вимірювань параметрів атомної структури, а саме положення першого піку структурного фактору QP та після припущення, що для металевого скла справджується електронний критерій термостабільності Нагеля-Таука, тобто QP~2kF, де kF - фермієвський хвильовий вектор, розраховано спектр оптичної провідності даного сплаву у наближенні Кавея-Мотта |
(1)
де (0) - статична провідність; =1/, - релаксаційна частота; l - довжина локалізації хвильової функції електрона з енергією Фермі.
Отримані зміни характеру провідності АМС Fe70Cr15B15 у ІЧ області після нейтронного опромінення (рис.3) можуть свідчити про зростання вкладу до оптичної провідності переходів електронів з урахуванням ступеню їх локалізації, який може збільшуватись при нейтронному опроміненні внаслідок створення додаткового розупорядкування структури.
а |
б
Рис.2 Спектральні залежності дійсної e1 (а) та уявної e2 (б) частин діелектричної проникності АМС Fe70Cr15B15, загартованого із розплаву температури 1250 0С, до (криві 1) та після (криві 2) нейтронного опромінення.
Рис.3 Спектри оптичної провідності АМС Fe70Cr15B15, загартованого із розплаву 1250 0С (криві 1, 1’) та 1600 0С (криві 2, 2’), виміряні (1, 2) та розраховані у наближенні Кавея-Мотта (1’, 2’). На вставці - ті ж спектри у логарифмічному масштабі для ділянки спектру w=0.05-0.3 еВ.
Після тривалого опромінення низькоенергетичними нейтронами оптичні характеристики сплаву, гартованого із розплаву з найнижчою температурою, наблизилися до сплаву, охолодженого із розплаву найвищої температури.
Такі зміни оптичної провідності та структурного фактору АМС можна пов’язати зі структурною релаксацією аморфної металевої стрічки внаслідок тривалого опромінювання нейтронами, яке призводить до часткового зняття внутрішніх напруг матеріалу без утворення областей кристалізації, тобто до формування більш однорідної структури АМС. Підкреслимо, що подібні зміни в структурі АМС спостерігали після їх бомбардування іонами Ar+ у тліючому розряді протягом 0.5-1 хвилини іншим авторами.
У Висновках коротко викладено найбільш важливі наукові та практичні результати і сформульовано основні положення роботи та рекомендації щодо їх використання.
ВИСНОВКИ
1.
З’ясовано, що без створення нових підходів до еліпсометричного експерименту в металооптиці і проведення комплексних досліджень структури приповерхневого шару та поведінки діелектричної функції металевих аморфних й опромінених високоенергетичними іонами полікристалічних систем не можливе подальше уточнення як параметрів електронного спектру по обидві сторони від рівня Фермі і кінетичних характеристик електронів провідності з урахуванням ступеню їхньої локалізації, так і оцінка змін цих величин та зсуву рівня Фермі в залежності від термодинамічних умов виготовлення таких систем та способу обробки. У свою чергу, це перешкоджає вирішенню пов’язаної з варіацією ближнього атомного порядку проблеми взаємозв’язку оптичних властивостей з електронною структурою як полікристалічних металевих матеріалів, оброблених різними іонами, так і аморфних металевих систем на основі заліза після тривалого опромінення нейтронами чи пластичної деформації.
1.
Встановлено, що для розв’язання сформульованої фізичної задачі необхідно виконати в широкому спектральному інтервалі методами нульової та ненульової еліпсометрії вимірювання оптичних поляризаційних характеристик і здійснити пошук оптимальної моделі приповерхневого шару для оцінки однорідності та структурної довершеності поверхні іонно-бомбардованих і аморфних металевих структур шляхом вибору відповідних алгоритмів для обчислювальних процедур з включенням до них даних з растрової електронної мікроскопії та нейтронографії.
1.
Досліджено методами багатокутової еліпсометрії у відбитому світлі та растрової електронної мікроскопії структурні особливості поверхні та оптичні властивості дзеркал із Cu, Al та нержавіючої сталі після обробки іонами He2+ (4 кеВ), Ar2+ (3 МеВ) та H+(D+) (~1 кеВ) відповідно. Отримані зміни оптичних властивостей зумовлені модифікацією мікрорельєфу поверхні полікристалічних металів, найбільш суттєвою у випадку травлення алюмінієвих дзеркал дейтерієвою плазмою та мідних дзеркал іонами гелію зазначеної енергії. Обробка іонами аргону дзеркала із міді викликала слабкіші зміни їх оптичних властивостей, а поверхня нержавіючої сталі була найстійкішою до опромінювання іонами.
1.
Показано, що у випадку послідовної обробки металевих дзеркал іонами того ж металу (алюмінієвого дзеркала - іонами алюмінію, мідного дзеркала - іонами міді) з енергією 1-3 МеВ чи іонами дейтерію кеВних енергій (алюмінієве дзеркало) та іонами гелію при тих же енергіях (мідне дзеркало), вже попередня обробка іонами металу суттєво позначається на оптичних параметрах мідного дзеркала, що призводить до погіршення його відбивальної здатності. У наближенні ефективного середовища показано, що такі зміни оптичних властивостей мідних дзеркал виникають внаслідок значного зростання (не менше, ніж на 40% у порівнянні з необробленими дзеркалом) частки оксиду Cu2O у приповерхневому прошарку дзеркала.
1.
З’ясовано закономірності змін оптичних властивостей дзеркал із нержавіючої сталі після нанесення на них плівок бору за контрольованих умов. У припущенні, що бор утворює однорідну ізотропну плівку на металевій підкладці, розраховано оптичні константи плівки бору для довжини хвилі падаючого світла l=632.8 нм та її товщини, відповідно nB=2.53, kB~10-4 d=7.6 та 16.6 нм. Такі результати свідчать, що плівка має складнішу структуру, ніж припускалося. Отримано, що нанесення такої плівки найбільше позначається на оптичних властивостях дзеркал у ІЧ області спектру, причому ці зміни помітніші для дзеркал попередньо імплантованих іонами хрому з енергією 3 МеВ.
1.
В аморфній системі Fe100-XBX методом багатокутової еліпсометрії композиційний структурний перехід від орторомбічної координації атомів ближнього порядку до тетрагональної, що спостерігається, за даними інших авторів, також поблизу концентрацій бору х=16-17 ат. %. Оптичні дані добре узгоджуються з відомими із літератури результатами дослідження електричного опору та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії для цієї аморфної системи.
1.
З’ясовано за даними багатокутової еліпсометрії, що поведінка оптичних параметрів пластично деформованих стрічок зумовлена появою витягнутих і відповідно орієнтованих мікрообластей (кластерів) після першої прокатки та додатковим розупорядкуванням цієї мікроструктури після другої прокатки. Із поведінки спектрів оптичної провідності та дійсної частини діелектричної функції вдалося визначити, що пластична деформація може викликати не тільки зміну енергетичного спектру густини станів електронів поблизу рівня Фермі, а й впливати на механізм розсіювання електронів провідності. Шляхом пластичної деформації можна керовано змінювати структурні та електронні властивості аморфних металевих стрічок.
1.
Отримано при вивченні впливу динамічних умов загартування на оптичні властивості модельної металевої системи - покрить з олова, що зі зростанням швидкості охолодження розплаву основна смуга поглинання звужується і дещо зміщується в бік менших значень енергій зондуючих фотонів, а також збільшується інтенсивність цієї смуги в спектрі оптичної провідності. Звуженню даної смуги може відповідати зменшення ширин зон внаслідок змін в координації найближчого оточення атомів та викликаного розупорядкуванням зростання середніх міжатомних відстаней (наближення послабленого міжатомного зв’язку).
1.
Показано, що вплив температури розплаву на оптичні властивості загартованого із нього металевого скла Fe70Cr15B15 полягає у зміщенні його основної смуги поглинання до ІЧ області, зумовленому зменшенням енергетичної щілини між рівнем Фермі та зоною 3d-подібних електронних станів матриці (заліза). Більш чітке окреслення смуг поглинання при енергіях фотонів w=0.5-1.0 та 1.0-2.2 еВ в спектрі ОП і їх ідентифікація з відповідними міжзонними переходами дозволяють інтерпретувати у наближенні послабленого міжатомного зв’язку поведінку цих смуг при підвищенні температури розплаву звуженням 3d-подібних зон внаслідок збільшення середньої відстані між атомами перехідних металів в АМС, загартованому із розплаву вищої температури.
1.
Встановлено взаємозв’язок між зміною оптичних властивостей та параметрів атомної структури аморфного металевого сплаву Fe70Cr15B15, загартованого із розплаву різної температури. Модифікація атомної структури сплаву при цьому полягає у тому, що міжатомні відстані у аморфному сплаві, отриманому з перегрітого розплаву, змінюються хаотично у більш широкому інтервалі, ніж у сплаві, загартованому із розплаву при нижчій температурі. Тривале опромінювання порівняно невеликими потоками теплових нейтронів викликає структурну релаксацію АМС, що суттєво позначається на їх оптичних і електронних властивостях, змінюючи Друде-подібний хід залежностей оптичних сталих в інфрачервоній області спектру на такий, що описується у наближенні Кавея-Мотта, яке враховує явище слабкої локалізації електронів з енергією Фермі.
1.
Обгрунтовано, що при високоенергетичній іонній обробці, тривалість та вибір режиму якої здійснюється у залежності від фізико-хімічних властивостей металу, з якого виготовлено дзеркало (з врахуванням рівня адгезії та хімічної стійкості осадженого шару, швидкості окислення матеріалу дзеркала, наявність смуг поглинання в спектральній області функціонування дзеркала тощо), за рахунок безпосереднього розпилення матеріалу приповерхневого прошарку дзеркала в процесі обробки зменшуються параметри шорсткості його поверхні.
1.
Рекомендовано для забезпечення максимальної стійкості оптичних властивостей металевих дзеркал до розпилення поверхні застосовувати у якості покрить для них матеріали, котрі мають максимальну однорідність структури, отриману внаслідок розупорядкування, що досягається перегрівом розплаву над точкою плавлення та структурної релаксації стрічки при наступній тривалій обробці її низькоенергетичними частинками за умови зняття механічних напруг.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Vinnichenko M.V., Poperenko L.V. Spectroellipsometry of surface layers of deformed strips made of amorphous metal alloys // Functional Materials. - 1995. - Vol.25, № 2. - P. 258-261
1.
Voitsenya V. S., Bardamid A. F.,. Borisenko Yu. N, Grigorenko B. V., Gritsyna V. I., Gritsyna V. T., Konovalov V. G., Orlinskij D. V., Poperenko L. V., Ruzhitskij V. V., Rubalko V. F., Shapoval A. N., Vinnichenko N. V., Yakimov K. I. Imitations of effects of a fusion reactor environment on optical properties of metallic mirrors // Journal of Nuclear Materials.-1996.-Vol.233-237. - P.1239-1243
1.
Поперенко Л. В., Вінніченко М. В. Вплив іонного бомбардування на оптичні властивості та мікрорельєф поверхонь нікелевих та мідних дзеркал // Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки. - 1997. - №4. - С. 388-395
1.
Poperenko L. V., Vinnichenko M. V., Meleshchuk O. I. Modification of optical properties of metallic mirrors irradiated by different ions // Proc. of SPIE. - 1997. - Vol. 3237. - p. 94-98
1.
Poperenko L. V., Voitsenya V. S., Vinnichenko M. V. Ellipsometric probing of the metallic mirrors with modified surface // Proc. of SPIE.-1998.-Vol.3359.-P.109-112
1.
Поперенко Л. В., Вінніченко М. В., Хеннон А. С., Роселер А. Особливості атомної будови та оптичних властивостей аморфних металевих сплавів загартованих із перегрітого розплаву // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. Наукові записки Рівненського державного педагогічного інституту. - 1998. №6. - С. 32-36
1.
Вінніченко М. В., Дашевський М. М., Поперенко Л. В., Рево С. Л. Оптичні властивості покрить олова, виготовлених методом набризкування розплаву // Тези доп. ХІІ Нац. школи-семінару з міжнар. участю “Спектроскопія молекул та кристалів”. - Ніжин, 1995. - С. 79
1.
Поперенко Л. В., Бардамид А. Ф., Якимов К. И., Винниченко Н. В. Эллипсометрические исследования имплантированных медных зеркал, облученных ионами аргона и гелия // Материалы 12й международной конференции “Взаимодействие ионов с поверхностью” (ВИП 95).-Звенигород.-1995.-Т.2.-С.329-332
1.
Bardamid A. F., Poperenko L. V., Vinnichenko M. V., Voitsenya V. S., Yakimov K. I. Ellipsometrical investigations of stainless steel mirrors irradiated by chromium ions // Europhysics Conference Abstracts. Contributed Papers. 23rd Europ. Phys. Soc. Conf. on Controlled fusion and plasma physics. - Kyiv. - 1996. - Vol. 206, Part 3. - P. 1473-1476
1.
Poperenko L. V., Vinnichenko M. V., Kovalenko E. Modification of optical properties of metallic mirrors irradiated by different ions // Abs. 23rd Europ. Meeting on atmospheric studies by optical methods. Kyiv, 1996. - P. 95
1.
Poperenko L. V., Shaikevich I. A., Zakharenko N. I., Vinnichenko N. V. Reflectoellipsometric and magnetometric research of the surface's layer of Fe-B ribbons // Abstracts of 11th International Symposium on Boron, Borides and related compaunds (ISBB 93). Tsukuba, 1993. - P. 109.
1.
Poperenko L. V., Vinnichenko M. V. The features of atomic structure and optical properties of ferromagnetic disordered alloys // Abstracts of 6th Europ. Magn. Mater. and Appl. Conf. (EMMA’95). - Wien, 1995. - P. 81
1.
Поперенко Л. В., Мелещук О. І., Вінніченко М. В., Войценя В.С. Контроль структурних змін на поверхні опромінених металевих дзеркал методом спектральної еліпсометрії // Тези доп. ХІІІ Нац. школи-семінару з міжнар. участю “Спектроскопія молекул та кристалів”. - Суми, 1997. - С. 210
1.
Poperenko L. V., Voitsenya V. S., Vinnichenko M. V., Konovalov V. G., Sato K., Sagara A., Tsuzuki K. Optical effects of metallic mirrors surface modification // Abstracts of Intern. Conf. on Metallurgical Coat. and thin films (ICMCTF 98). - San Diego (USA), 1998.-P.105
1.
Поперенко Л., Вінніченко М., Хенон А., Роселер А. Спектроеліпсометрична діагностика приповерхневих прошарків в металевому склі після довготривалого опромінення низькоенергетичними нейтронами // Матеріали VIII Міжнар. семінару “Діагностика поверхні іонними пучками”. - Ужгород. - 1998. - С. 77-78
Вінніченко М. В. Особливості оптичного поглинання металевих аморфних та опромінених високоенергетичними іонами полікристалічних систем. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика і лазерна фізика. - Київський університет імені Тараса Шевченка, Київ, 1998.
Дисертаційну роботу присвячено дослідженню взаємозв’язку оптичних властивостей з атомно-електронною структурою як полікристалічних металевих матеріалів, опромінених іонами металів та газів, так і аморфних металевих сплавів на основі заліза, отриманих з варіацією термодинамічних умов їх виготовлення та способу обробки стрічки. З’ясовані закономірності модифікації оптичних властивостей полікристалічних металів при бомбардуванні іонами металів та інертних газів. Особливості оптичних властивостей пов’язані зі змінами мікрорельєфу поверхні за рахунок імплантації іонів та осадження на ній відповідних плівок. Показані переваги еліпсометричного експерименту у взаємозв’язку із нейтронографічним дослідженням атомної будови для вивчення закономірностей модифікації атомно-електронної структури аморфних металевих стрічок при варіації термодинамічних умов гартування та наступного тривалого опромінення нейтронами.
Ключові слова: оптичні властивості, іонне опромінення, еліпсометрія, металеві дзеркала, аморфний металевий сплав, дифракція нейтронів.
Винниченко Н. В. Особенности оптического поглощения металлических аморфных и облученных высокоэнергетическими ионами поликристаллических систем.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика и лазерная физика. - Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1998
Диссертация посвящена исследованию взаимосвязи оптических свойств с атомно-электронной структурой как поликристаллических металлических материалов, облученных ионами металлов и газов, так и аморфных металлических сплавов на основе железа, полученных при вариации термодинамических условий их изготовления и способа обработки ленты. Выяснены закономерности модификации оптических свойств поликристаллических металлов при бомбардировке ионами металлов и инертных газов. Особенности оптических свойств связаны с изменениями микрорельефа поверхности за счет имплантации ионов и осаждения на ней соответствующих пленок. Показаны преимущества эллипсометрического эксперимента во взаимосвязи с нейтронографическими исследованиями атомного строения для изучения закономерностей модификации атмно-электронной структуры аморфных металлических сплавов при вариации термодинамических условий закалки и последующего продолжительного облучения нейтронами.
Ключевые слова: оптические свойства, ионное облучение, эллипсометрия, металлические зеркала, аморфный металлический сплав, дифракция нейтронов.
Vinnichenko M. V. Optical absorption peculiarities of metallic amorphous and irradiated by high energy ions polycrystalline systems. - Manuscript.
Thesis for candidate’s degree by specialty 01.04.05 - optics and laser physics. - Kyiv Taras Shevchenko University, Kyiv, 1998.
The dissertation is devoted to investigation of the optical
