Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В.М. БАКУЛЯ
СТАРИК СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ
УДК 621.793:539.216.2
Підвищення оптико-механічних
характеристик багатошарових інтерференційних
покриттів шляхом введення до їх складу захисних алмазоподібних плівок
Спеціальність –.02.01 “Матеріалознавство”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів
ім. В.М. Бакуля НАН України.
Науковий керівник:
кандидат фізико-математичних наук,
старший науковий співробітник,
Гонтар Олександр Григорович,
Інститут надтвердих матеріалів
ім. В.М. Бакуля НАН України,
учений секретар.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор,
Ляшенко Борис Артемович,
Інститут проблем міцності
ім. Г.С.Писаренка НАН України, завідувач
лабораторією зміцнення поверхні елементів конструкцій;
кандидат технічних наук,
Бондар Іван Васильович,
мале державне науково-виробниче впроваджувальне
підприємство “ЕКМА”НАН України,
провідний науковий співробітник.
Захист відбудеться 6 грудня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.
Автореферат розісланий 5 листопада 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.І. Лавріненко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Джерелами інформації про оточуюче середовище в областях електромагнітного спектру, де людське око нечутливе до випромінювання, є пристрої технічного зору. Найбільш стрімко розвивається розробка приладів технічного зору для інфрачервоного діапазону спектру. За останні 15–років теплобачення вийшло на якісно новий рівень, що обумовило зріст виробництва та широке впровадження тепловізійної техніки у військові системи та у різні галузі господарської діяльності (медицина, транспорт, охорона, протипожежна техніка, тощо). Розробники тепловізорних приладів особливу увагу приділяють робочому діапазону 8-12 мкм, оскільки в нього входять довжина хвилі СО лазера 10,6 мкм і пік випромінювання людського тіла 9,3-9,8 мкм.
Одним із головних елементів тепловізора є об’єктив, який складає біля 20 % вартості всього термографічного приладу і складається з просвітлених переважно германієвих лінз. Багатошарове просвітлююче інтерференційне покриття виготовляється з прозорих в ІЧ області матеріалів, переважно оксидів, фторидів халькогенідів. Вхідне вікно об’єктива безпосередньо контактує з навколишнім середовищем, тому від його механічної і хімічної стійкостей залежить термін стабільного функціонування всього приладу. Робоча поверхня оптичного покриття має забезпечувати стійкість характеристик до атмосферних чинників і часу та можливість її очистки в експлуатаційних умовах. Крім того, такі покриття можуть експлуатуватися в надскладних умовах: в космосі, на підводних човнах, на літаках, на зброї. Набір матеріалів для забезпечення стійкості покриттів для діапазону 8-12 мкм обмежений. Конструктори покриттів найчастіше використовують YO, який забезпечує “”групу механічної стійкості покриття за ОСТ-3-1901-85, що є недостатнім для сучасного технічного рівня. Використання в конструкції багатошарового інтерференційного покриття захисного шару з надтвердого алмазоподібного матеріалу є актуальною науково-практичною задачею, оскільки дозволить підвищити механічну, корозійну і термічну стійкості робочої поверхні оптичного елементу і, за рахунок цього, збільшити стабільність і термін його експлуатації.
Проблеми вдосконалення методів встановлення фізичних параметрів тонких плівок та конструювання оптичних покриттів, оптимізація існуючих і пошук нових конструкцій багатошарових покриттів, які б забезпечували високі оптичні характеристики і не були б складними в їх технологічній реалізації є актуальними, оскільки оптичні характеристики інтерференційного покриття визначають чутливість і спектральний діапазон роботи тепловізорної техніки. Використання нових, нешкідливих здоров’ю людини і екологічно безпечних, плівкоутворюючих матеріалів для виготовлення багатошарових покриттів є актуальною проблемою в розрізі світового прагнення до збереження екологічного стану планети.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дослідження, висвітлені у цій роботі, в основному виконувалися у відповідності з тематикою проблеми 1.3.3.1. “Утворення та ріст кристалів та плівок” по темах 1.6.7.1338 “Формування плівкових багатошарових структур на основі алмазоподібного вуглецю і сполук рідкісноземельних металів для створення оптичних та захисних покриттів з підвищеними фізико-механічними властивостями” (№ державної реєстрації 0100U004820) та 1.6.7.1341 “Дослідження та спрямоване формування наноструктурних вуглецевмісних плівкових матеріалів для використання в оптичних, електродних та медичних системах” (№ державної реєстрації 0104U008125).
Метою роботи є підвищення механічних і оптичних характеристик багатошарових інтерференційних покриттів за рахунок введення в його склад захисних алмазоподібних плівок.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні задачі:
– Виконати математичне моделювання і визначити з еліпсометричних та фотометричних вимірювань дисперсії показників заломлення, коефіцієнта поглинання та оптичну неоднорідність вуглецевмісних покриттів та оксидів і фторидів рідкісноземельних металів, як складових багатошарових покриттів.
– Провести експериментальні дослідження і вивчити залежності фізичних властивостей вуглецевмісних покриттів від технологічних параметрів їх осадження та вибрати захисну плівку, придатну для роботи в дальньому ІЧ діапазоні і з високими механічними характеристиками.
– Провести математичне моделювання конструкції просвітлюючого покриття, створити зразки і дослідити їх оптичні і механічні характеристики.
– Провести дослідно-виробничу перевірку одержаних результатів.
Об’єктом дослідження є багатошарові інтерференційні покриття для ІЧ діапазону спектру.
Предметом дослідження є вивчення фізичних властивостей плівкових матеріалів і синтезованих з них шаруватих структур з метою створення багатошарових інтерференційних покриттів з підвищеними оптичними і механічними характеристиками.
Методи дослідження. Для опису взаємодії електромагнітного випромінювання з матеріалом використано методи Абелеса і Хейфілда-Уайта. Розв’язок обернених задач оптики шаруватих середовищ виконано оптимізаційними багатовимірними методами Нелдера-Міда і Левенберга-Марквардта. Проектування інтерференційних покриттів виконане методом голкових варіацій О. Тихонравова. Морфологія поверхні покриттів досліджена методами оптичної, атомно-силової і растрово-електронної мікроскопії. Методи лазерної еліпсометрії і спектральної фотометрії УФ-ІЧ діапазонів були використані для визначення оптичних властивостей матеріалів покриттів. Оптична ширина забороненої зони вуглецьвмісних матеріалів визначалася за методикою Тауца. Структурні особливості вуглецевих конденсатів вивчалися методами атомно-силової мікроскопії та за спектрами комбінаційного розсіювання світла. Товщина покриттів визначалася мікроінтерферометричними, еліпсометричними і фотометричними методами дослідження. Профіль покриттів вивчався методами еліпсометрії, фотометрії, рентгено-спектрального мікроаналізу, оже-спектрометрії, масспектрометрії, атомно-силової мікроскопії. Механічні властивості визначалися методами наноіндентування, склерометрії на атомно-силовому мікроскопі з використанням алмазного зонда та тестуванням міцності оптичних покриттів за ОСТ-3-1901-85.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Встановлено, що введення шару аморфного гідрогенізованого алмазоподібного вуглецю, отриманого методом плазмохімічного осадження з газової фази, до складу багатошарового інтерференційного покриття з оксидів і фторидів рідкоземельних металів підвищує його як механічні, так і оптичні характеристики.
2. Вперше розроблено чисельно-аналітичний алгоритм для розв’язку обернених задач синтезу різнотипних оптичних покриттів з захисним шаром з врахуванням дисперсії оптичних констант матеріалів і неоднорідності шарів, використовуючи методи голкових варіацій О. Тихонравова і багатопараметричної оптимізації Левенберга-Марквардта, за яким виконано моделювання оптичних характеристик матеріалів та оптимізувано конструкцію 11-шарового інтерференційного покриття для діапазону 8-12 мкм з алмазоподібним шаром.
. Встановлено, що високі механічні (нанотвердість 17 ГПа, модуль пружності 164 ГПа) обумовлені високим вмістом sp-координованих атомів вуглецю і оптимальні оптичні (показник заломлення 1.8, прозорі) характеристики притаманні аморфним гідрогенізованим вуглецевим плівкам синтезованим при середній енергії іонів в плазмохімічному реакторі 80-90 еВ і робочій газовій суміші 50 об. % СН і 50 об. % Н.
4. Встановлено, що шар алмазоподібної плівки підвищує композитну та склерометричну нанотвердості 11-ти шарового покриття з оксидів і фторидів рідкоземельних матеріалів з 0,5 до 7 ГПа та з 0,4 до 19 ГПа відповідно, забезпечує механічну міцність покриття вище “”групи згідно ОСТ-3-1901-85 та інтегральний коефіцієнт відбивання світла на рівні 0,1 % в діапазоні 8-12 мкм.
Практична цінність одержаних результатів. Чисельно-аналітичні алгоритми та програмне забезпечення, розроблені у дисертації, дозволяють ставити і розв’язувати практично важливі задачі по дослідженню та конструюванню різнотипних оптичних шаруватих покриттів.
Включення надтвердих алмазоподібних плівок в багатошарові інтерференційні покриття покращує механічну стійкість оптичних елементів, не погіршуючи при цьому їх екологічні характеристики. Оцінка оптичних та механічних характеристик просвітлюючих покриттів показала перспективність їх застосування у тепловізорах, газо-, вологоаналізаторах, лазерних системах, метрологічній апаратурі для оптичних вимірювань та в різнотипних оптоелектронних приладах. Потенційними споживачами такої апаратури є приладобудування, хімічна, газова промисловості, медицина та інші галузі народного господарства.
Розроблено методику визначення оптичних констант і товщини вуглецевих покриттів шляхом проведення імерсійних еліпсометричних досліджень М28.5 –:2007, яка пройшла дослідно-виробничу перевірку в лабораторії оптичних покриттів КП “ЦКБ “Арсенал”і забезпечила підвищення точності і однозначності визначення вхідних даних для проектування багатошарових інтерференційних покриттів.
Випробування алмазоподібних плівок для захисту експериментальних зразків оптичних елементів, які застосовуються в оптичних приладах, розроблюваних в КП “ЦКБ “Арсенал”, підтвердили підвищення механічних характеритсик при задовільній кліматичній стійкості та збереженні низьких втрат енергії на відбиття від поверхні до 0.1%.
Особистий внесок здобувача полягає у аналізі літературних даних з досліджуваної проблеми, безпосередній підготовці і проведенні основних експериментальних та теоретичних досліджень, участі в обговоренні та аналізі результатів досліджень, у постановці разом із науковим керівником конкретних завдань досліджень.
Автор розробив математичні моделі і алгоритми для розв’язку обернених задач математичної фізики. Виконав математичне моделювання оптичних характеристик матеріалів в шаруватих середовищах нанометрових товщин і знайшов оптимальні розв’язки обернених задач типу розпізнавання і оптимальну конструкцію просвітлюючого покриття.
Розробив методику визначення оптичних констант і товщини вуглецевого покриття шляхом проведення імерсійних еліпсометричних досліджень (М 28.5 –:2007).
Ідея створення просвітлюючого покриття з захисною вуглецевою плівкою належить О.Г. Гонтарю і Б.А. Горштейну. Співавтори робіт брали участь у підготовці дослідних зразків, проведенні окремих вимірювань та обговоренні результатів. Одержані результати представлені автором на вітчизняних і міжнародних конференціях, конгресах, семінарах.
Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на: IX міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок”, Україна, Івано-Франківськ, 2003; Конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРИКА”, Україна, Львів, 2003; 14th European conference on diamond, diamond-like materials, carbon nanotubes, nitrides & silicon carbide “DIAMOND”, Австрія, Зальцбург, 2003; NATO advanced research workshop “Innovative Superhard Materials and Sustainable Coatings”, Укра-їна, Київ, 2004; IV международной конференции “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”, Росія, Санкт-Петербург, 2004; ІІ всеукраїнській конференції “Надтверді, композиційні матеріали та покриття”, Україна, Київ, 2004; Summer school “Biomedical applications of carbon surfaces”, Польща, Лодзь, 2004; 4-th Nanodiamond and Related Materials joint with 6-th Diamond and Related Films, Польща, Закопане, 2005; VII международной научно-технической конференции “Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия”, Білорусія, Мінськ, 2006; 7 международной конференции “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении”на 6-м Научно-практическом симпозиуме “Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения”, Україна, Харків, 2006; ІІІ всеукраїнській конференції “Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування”, Україна, Київ, 2006.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 26 наукових праць, серед яких 9 статей, у тому числі 4 статті у наукових журналах з переліку ВАК України по технічних науках, які в достатній мірі висвітлюють основні положення та результати дисертаційної роботи.
Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатку. Робота викладена на 135 сторінках машинописного тексту, містить 85 рисунків і 20 таблиць, 1 додаток та список літератури з 143 найменувань. Загальний об'єм роботи складає 171 сторінку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність розробки багатошарового інтерференційного покриття з високими оптичними і механічними характеристиками, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні результати, що визначають його наукову новизнута практичну цінність.
У першому розділі роботи наведено огляд проблеми синтезу оптичних покриттів. Представлено характеристики просвітлюючих покриттів для дальнього ІЧ діапазону, створених передовими світовими виробниками: Umicore, ТОВ “Блик”, ИЗОВАК, TYDEX, Axsys Technologies, CVI Optical Components, Novotech, Infrared Multilayer Laboratory, ЗАТ “Опто-Технологічна лабораторія”. Виділено два напрямки у сучасному оптичному виробництві просвітлюючих покриттів для ІЧ оптики:
1) осадження послідовності шарів традиційних для ІЧ оптики матеріалів з низькими механічними властивостями і одержання високих оптичних характеристик ІЧ елемента;
) просвітлення підкладки одним товстим механічно стійким шаром і одержання високих механічних характеристик, але з низьким просвітлюючим ефектом.
Переважно традиційні матеріали є токсичними і нездатними забезпечити механічні вимоги. Це здебільшого прості оксиди (TiO, ZrO), фториди (PbF, ThF) та халькогеніди (SbS, ZnSe, PbS). Вони характеризуються певними недоліками, серед яких головними є нестабільність складу (TiO) або структури (ZrO), висока токсичність (PbF, ThF, ZnSe, PbS), низька механічна міцність та розм’якшування матеріалів в інтервалі температур 140-220 С. Провідні фірми світу, а саме: Grubb Parsons (UK), Oriel (USA), Multic (FRG), Edmund Scientific Company (USA), Balzers (Liechtenstein), Leubold Heraus (FRG), Державний оптичний інститут (RU), Державний інститут прикладної оптики (RU) та інші, що займаються створенням та застосуванням оптичних матеріалів, основну увагу приділяють саме їм.
За матеріалами журнальної періодики, довідників, матеріалів конференцій проаналізовано різноманітні форми та методи осадження вуглецевих матеріалів з унікальними фізико-хімічними властивостями (твердість, модуль пружності т.д.), які можуть досягатися в аморфних тонких плівках без границь зерен. Застосування вуглецевих конденсатів різного структурного складу як захисних покриттів для полікарбонатів, п’єзоелектричного матеріалу LiNbO, надпровідних YBCO ІЧ детекторів, оптичних пластикових і магнітних жорстких дисків та патентно-інформаційні дослідження вказують на потенційну перспективність використання алмазоподібної плівки як захисного покриття для багатошарових інтерференційних покриттів.
В літературі відсутні відомості про моделювання багатошарових інтерференційних покриттів з захисними плівками. З цього випливає необхідність проведення експериментальних досліджень оптичних і механічних властивостей захисних плівок та моделювання оптичних характеристик моно-, та багатошарових покриттів з їх використанням.
Другий розділ присвячений апаратно-методичному комплексу, необхідному для виконання поставлених задач.
Описані особливості нестандартної установки на основі плазмохімічного реактора планарного типу з дисковими рівноплощинними електродами (типу реактора Рейнберга) для осадження гідрогенізованих вуглецевих покриттів з газової фази. Для збудження плазми в реакторі використовуєься ламповий високочастотний генератор з частотою 13.56 МГц. Установка дозволяє варіювати середню енергію іонів в реакторі в межах 20-300 еВ, та вміст метану від 10 до 100 об. %.
Енергетичні коефіцієнти відбивання і пропускання світла в ультрафіолетовому, видимому і інфрачервоному діапазонах вимірювались на комп’ютеризованих спектрофотометрах Specord M40 і Specord M80, які мають свідоцтва про повірку робочого засобу вимірювальної техніки № 37/598 і № 37/599 відповідно, видані УкрЦСМ. Для автоматизації обробки експериментальних даних розроблено надбудову для табличного процесора MS Excel. За методом Тауца по аналізу краю фундаментального поглинання визначалася ширина забороненої зони аморфних матеріалів.
Еліпсометричні дослідження проведено на еліпсометрі ЛЕФ 3М-1, для якого створено кювети для проведення вимірювань в рідких середовищах при кутах падіння 50є, 60є, 70є, що дозволяє одержувати додаткові незалежні експериментальні вимірювання, не вносячи змін в стан зразка, і таким чином підвищувати кількість встановлених параметрів при розв’язуванні оберненої задачі еліпсометрії. Розроблено методику М28.5 –:2007 визначення оптичних констант і товщини вуглецевого покриття шляхом проведення імерсійних еліпсометричних досліджень, яка пройшла дослідно-виробничу перевірку в лабораторії оптичних покриттів КП “ЦКБ “Арсенал”, де в результаті її використання встановлено підвищення однозначності визначення оптичних властивостей матеріалів покриттів з еліпсометричних вимірювань.
Нанотвердість матеріалів плівкових покриттів визначалася за кривою навантаження-переміщення алмазного індентора Берковича, виміряною нанотвердоміром Nano Іndenter-ІІ та склерометричним методом за схемою “дряпанням ребром вперед”, використовуючи алмазну мікропіраміду Бірбаума на атомно-силовому мікроскопі NanoScope IIIa Dimension 3000TM.
Вивчення особливостей елементного складу покриттів проведено методом локального мікрорентгеноспектрального аналізу на растрових електронних мікроскопах Camscan-4DV та ZEISS EVO 50XVP, з застосуванням енергодисперсійного рентгенівського мікроаналізатора нового покоління у розширеному діапазоні детектованих елементів (Be-Pu) з використанням каліброваних еталонів INCA ENERGY 450.
Товщини плівок визначалися по викривленню інтерференційних смуг в місцях виступів або впадин на досліджуваній поверхні за комп’ютеризованою методикою оптичного мікроскопа Axioscop 2 MAT.
Механічна стійкість оптичних покриттів визначалася за ОСТ 3-1901-85 згідно з яким випробування проводилися на приладі СМ-55, а візуальний контроль –за допомогою оптичних мікроскопів NU2-E з конфокальним освітленням та Axiovert 2000 end Russ з диференційно-інтерференційним контрастуванням. Однак такі випробування малоефективні при тестуванні механічно стійких покриттів, оскільки не вдається зафіксувати сліди їх пошкоджень навіть на нанорівні, використовуючи атомно-силовий мікроскоп NanoScope IIIa Dimension 3000TM. Тому в роботі розроблено метод тестування зносостійкості з додаванням в зону тертя алмазної пасти марки АСН 3/2 ВВМ. Для напівкількісного аналізу результатів випробування зносостійкості покриттів розроблено алгоритми розпізнавання випробуваної ділянки досліджуваної поверхні покриття і розрахунку відношення площі зношеної поверхні до площі зони контакту.
Розроблено алгоритми та створено програмне забезпечення для керування модернізованим масспектрометром IEU-100, що дозволило реєструвати спектри мас в процесі травлення зразка, і таким чином, визначати профілі розподілу елементів по товщині покриття.
Особливості морфології поверхні досліджувалися на атомно-силовому мікроскопі NanoScope IIIa Dimension 3000TM в режимі періодичного контакту (taping mode), в основі якого лежить явище механічного резонансу, завдяки чому чутливість методу значно підвищується, що дозволяє з більшою точністю досліджувати взаємодію зонд-поверхня.
Дисертаційне дослідження повністю забезпечено апаратно-методичним комплексом необхідним для виконання поставлених задач.
У третьому розділі описано математичну модель шаруватого середовища. Розкрито суть обернених задач аналізу та синтезу для оптичних покриттів. Розглянуто матричний формалізм для опису взаємодії електромагнітного поля з матеріалами. Побудовані ефективні алгоритми розрахунку амплітудних і енергетичних спектральних оптичних характеристик шаруватого середовища. Створено алгоритми та програмне забезпечення для розв’язку різнотипних обернених задач оптики шаруватих середовищ та бібліотеки методів багатовимірної оптимізації Нелдера-Міда і Левенберга-Марквардта.
Побудована математична модель тонкого діелектричного шару, яка включає ступінчастий, лінійний, Гаусів, квадратичний, логарифмічний, експоненціальний та поліноміальний типи розподілу показника заломлення матеріалу шару, дисперсія якого задаєься таблично або параметрами аналітичних функцій Коші, гармонічного осцилятора, осцилятора Лоренца, Друде, Тауц-Лорентца, ефективної середньої апроксимації Бруггемана. Промодельований вплив малих неоднорідностей тонкого вуглецевого покриття на кутові залежності еліпсометричних параметрів та на спектральні залежності коефіцієнта відбивання. На основі співвідношень для потоків енергії, що поширюються у двох взаємно протилежних напрямках, розкрито принцип розрахунку коефіцієнтів відбивання і пропускання з врахуванням задньої сторони підкладки товщина якої перевищує довжину когерентності випромінювання.
Описано обернену задачу спектральної фотометрії, яка полягає у встановленні фізичних властивостей матеріалів із спектрів енергетичних коефіцієнтів відбивання і пропускання світла, та зведено її розв’язок до оптимізаційної некоректно поставленої математичної задачі нелінійного програмування
|
(1) |
Цільова функція
|
(2) |
оцінює відхилення теоретичних значень оптичних параметрів від відповідних експериментальних, є не опуклою і багато екстремальною, тому для її мінімізації застосовано трудомісткі з погляду обчислювальних витрат, методи багатовимірної оптимізації Левенберга-Марквардта (модифікований метод Ньютона) і Нелдера-Міда (деформованого багатокутника). Їх “працездатність”при розв’язку обернених задач фотометрії залежить від конкретної задачі (рельєфу цільової функції, початкової точки, тощо), однак при існуючій високій потужності ЕОМ метод Левенберга-Марквардта, крім меншого часу оптимізації задачі, має ще й тенденцію до знаходження більш “хороших”локальних мінімумів. В знаменниках функції (2) входять задані оцінки похибок в -й спектральній точці при -му куті падіння променя на зразок. Аналогічні члени з доданками, які відповідають різним станам поляризації падаючого променя, та які враховують вплив задньої сторони позначені трикрапками. Вектор параметрів покриття визначений на деякій множині обмежень (), яка обмежена умовами фізичного допуску (наприклад, і ), так і можливою апріорною інформацією.
Обернена задача еліпсометрії характеризується більш різко вираженим яровидним рельєфом цільової функції в порівнянні з фотометричними задачами. А її погана обумовленість породжує одну важливу обставину, зупинка процедури мінімізації рівноймовірно може відбутися в будь-якій точці на “дні яру”, яка задовольняє критеріям зупинки і залежить лише від вибору початкової точки ітераційного процесу. Щоб уникнути цієї залежності, формується вибірка із векторів . Для цього замість початкового вектора береться випадкових точок всередині допустимої множини (1) з рівною ймовірністю . Для кожної початкової точки , , знаходиться точка мінімуму функціоналу , послідовність яких складає вибірку в просторі оцінюваних параметрів. Така вибірка дає можливість поетапного формування нових меж пошуку, що особливо важливо при відсутності достовірної апріорної інформації про невідомі параметри, і таким чином підвищує точність оцінки невідомих параметрів моделі покриття.
Для розв’язку оберненої задачі синтезу –конструюванні багатошарових інтерференційних покриттів, вибрано метод голкових варіацій, запропонований О. Тихонравовим в 1982 році. Особливістю цього підходу є те, що в процесі розв’язку оберненої задачі синтезу число шарів покриття не фіксується, а визначається в самому процесі розв’язку. Новий шар в покриття вводиться з малою товщиною і на профілі показника заломлення має вигляд голки. Аналогічно оберненим задачам типу розпізнавання виконано постановку оберненої задачі проектування оптичних покриттів як оптимізаційної математичної задачі нелінійного програмування (1). Допустима множина визначається можливістю практичної реалізації багатошарового покриття, в тому числі наявними матеріалами. При її визначенні крім, обмежень розглянутих раніше, добавляються обмеження на максимальну кількість шарів, максимальну товщину всього багатошарового покриття, виключається можливість “небажаного”порядку сусідніх шарів (між якими відсутня адгезія, значна дифузія, утруднена технологічна реалізація, і т.д.), першим шаром ставиться механічно стійке покриття (наприклад алмазоподібна плівка). Для всіх матеріалів будуються функції голкових збурень і функція огинаюча знизу . Її мінімум на інтервалі , який відповідає профілю - шарового покриття, визначає координату введення нового шару, а показник заломлення, який реалізує цей мінімум –матеріал нового шару. Таким чином алгоритм сам визначає оптимальний набір матеріалів, з яких проектується оптичне покриття. Методом Левенберга-Маквардта знайдено конструкції різнотипних багатошарових інтерференційних покриттів (відрізаючого, “лінійного”і широкосмугового фільтрів, світлоподілювача) з захисною і оптично активною алмазоподібною плівкою і представлено їх модельні характеристики.
У четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень структури і фізичних властивостей плівкових покриттів та вивчено їх залежність від технологічних параметрів осадження.
При розв’язку широкого кола обернених задач фотометрії і еліпсометрії отримані фізично обґрунтовані дані про дисперсії оптичних констант гідрогенізованих вуглецевих матеріалів, які узгоджуються як між собою, так і з даними незалежних досліджень. Виявлено оптичну неоднорідність а-С:Н покриття на кремнієвих підкладках. Проведено реєстрацію оже- та масспектрів по профілю травлення а-С:Н покриття, та атомносилові дослідження профілю а-С:Н плівки. Вони підтвердили наявність перехідного шару між кремнієм і вуглецевою плівкою, який викликаний не повним зтравлюванням оксиду кремнію SiO.
За формулами, запропонованими в роботі Франта і ін. побудована модель дисперсії а-С:Н матеріалів. Ця модель враховує два модифіковані осцилятори Лорентца, які відповідають і переходам
|
, |
(3) |
та функцію яка описує окіл ширини забороненої зони . Параметри функції мають фізичний зміст: –ширина забороненої зони; і описують форму забороненої зони (експоненціальна апроксимація); визначає форму . Якщо то форма в області енергій вище ширини забороненої зони описується залежністю Тауца. Використовуючи таку модель дисперсії по оптичних дослідженнях можна в першому наближенні визначати відношення sp/sp фракцій у вуглецевмісних матеріалах. Розв’язуючи обернені задачі еліпсометрії і фотометрії знайдено оптимальні параметри моделі дисперсії для алмазоподібного гідрогенізованого вуглецю:
|
еВ, еВ, еВ, |
еВ, еВ, еВ, |
, (фіксований параметр), еВ. |
На рис. 1 показано добре узгодження спектральних залежностей оптичних констант розрахованих за даною моделлю дисперсії та встановлених з експериментальних досліджень. Згідно з цими параметрами показник заломлення а-С:Н плівки на довжині хвилі 10 мкм складає 1,8.
Досліджено ІЧ-спектри пропускання вуглецевмісних матеріалів а-С:Н, a-SiC:H і a-SiC на предмет наявності смуг поглинання в області 8-12 мкм (1250- 833 см-1). Домінуючими є смуги поглинання в області 800 см-1 (a-SiC:H) і 750 см-1 (a-SiC), які можна приписати коливанням розтягу Si-C зв’язку. Крім цієї основної смуги в плівках a-SiC:H фіксується також дві додаткові смуги біля 1000 см-1. За нашими дослідженнями і за літературними даними незалежних досліджень гідрогенізований вуглець не має сильних смуг поглинання в області 8-12 мкм і може бути використаний в конструкції просвітлюючого покриття в цьому діапазоні спектра.
|
Рис. 1. Дисперсії оптичних констант алмазоподібного вуглецю: 1 –розраховані по моделі дисперсії з параметрами, наведеними в тексті; 2 –визначені по спектрах відбивання; 3 –визначені із еліпсометричних вимірювань. |
За методом Тауца досліджено оптичну ширину забороненої зони вуглецевмісних матеріалів. Для плівок a-SiC:Н і a-SiC ширини забороненої зони складає 2,7 еВ і 1,9 еВ відповідно. При цьому край поглинання в плівках a-SiC:Н більш крутий, ніж в плівках a-SiC. Вивчено залежності величини плівок a-SiC:H і a-SiC від температури вакуумного відпалу. При збільшенні температури відпалу до 650 оС ширина забороненої зони гідрогенізованих плівок зменшується від 2,7 еВ до 2,5 еВ. Для плівок a-SiC спостерігається зворотна залежність: значення збільшується при підвищенні температури відпалу до 550 оС з 2 еВ до 2,3 еВ, і далі майже не змінюється, принаймні в межах похибки вимірювання.
Аналіз ІЧ спектрів плівок a-SiC:H після відпалу показує, що збільшення температури відпалу приводить до зменшення інтенсивності смуги поглинання біля 2100 см-1, що свідчить про обрив кремній-водневих зв’язків. На основі цих досліджень можна стверджувати, що величина забороненої зони і її зміни в плівках a-SiC:H при відпалі визначається в основному присутністю водню: характером водневих зв’язків в матриці аморфного SiC, дифузією і ефузією водню.
Виконані нами дослідження залежності оптичної ширини забороненої зони а-С:H плівок від складу робочої газової суміші показали, що найбільші значеннями притаманні плівкам, які осаджені при середній концентрації метану (50 60 об. %). При зниженні концентрації метану вміст водню у плівках зменшувався і, аналогічно до a-SiC:Н плівок, зменшувалися значення .
Встановлено зв'язок технологічних параметрів осадження (напруги автозміщення , і складу газової суміші) а-С:Н матеріалів з їх структурою і механічними властивостями (рис. 2). Експериментально встановлено, що енергія іонів в розрядному проміжку (напруга автозміщення ) має більший вплив на нанотвердість а-С:Н покриттів, ніж склад газової суміші.
|
Рис. 2. Узагальнені данні про нанотвердість а-C:Н плівок осаджених при різних параметрах осадження. |
По величині плівки умовно розділені на графіто-, полімеро- і алмазоподібні покриття. В першій області ( нижче -100 В) відбувається осадження полімероподібних а-С:Н плівок. На полімерну природу отриманих плівок вказує діаграма проникнення індентора Берковича, для якої спостерігається утворення гістерезиса при повторному навантаженні. Утворення петлі гістерезису є типовим для полімерних матеріалів і викликано їх в’язкопружною поведінкою при деформуванні.
Спектри комбінаційного розсіяння показують, що зростання потужності зумовлює кутове розупорядкування міжвуглецевих зв’язків. Це підтверджується чітко вираженим високочастотним зсувом G-смуги та зростанням інтенсивності D-смуги, і вже при вище -100 В відбувається перехід до осадження алмазоподібних а-С:Н плівок. Плівкам, осадженим при середній енергії іонів 80-90 еВ в плазмохімічному реакторі і робочій газовій суміші 50 об. % СН і 50 об. % Н притаманний високий вміст sp-координованих атомів вуглецю, що забезпечує їх нанотвердість 17 ГПа і відсутність в’язкопружності. Експериментально встановлено, що для алмазоподібних а-С:Н плівок характерний низький модуль пружності (порядку 164 ГПа) і спостерігається високе пружне відновлення глибини відбитка, біля 90 % від усього переміщення індентора при нанесенні відбитка пов’язано з пружною деформацією плівки, тоді як, наприклад, для сталі цей показник не перевищує 12 %.
З подальшим збільшенням енергії іонів відношення sp/sp в а-С:Н плівках монотонно зменшується (чим вище енергія іонів, тим менше водню в плівці, який стабілізує sp зв’язки в гідрогенізованій плівці). На співвідношення інтенсивностей ID/IG впливає також розмір областей графітної складової у плівці: збільшення розмірів мікрокристалітів графіту в базисній площині та збільшення їх кількості викликає зменшення ID/IG. Таким чином, при збільшенні величини вище -300 В відбувається перехід від осадження алмазоподібних до осадження графітоподібних а-С:Н плівок. А при порядка -600 В вклад графітової складової в а-С:Н плівках настільки значний, що викликає суттєве зменшення нанотвердості плівок до 10 ГПа.
Нанотвердість і модуль пружності a-SiC плівок вищі, ніж у a-SiC:H, 17 ГПа, 180 ГПа і 12 ГПа, 130 ГПа відповідно. Це пояснюється щільною морфологією a-SiC плівок в порівнянні з наноструктурованою об’ємною морфологією a-SiC:H покриттів, яка допускає низьку густину і високу пористість матеріалу.
Аналіз кривих навантаження-переміщення для захищеного і незахищеного оптичного покриття показує, що а-С:Н плівка значно поліпшує механічні властивості багатошарового покриття. Проникнення індентора до глибини 50 нм в захищеному 130 нм алмазоподібною плівкою покритті вимагає в 6 разів більшого навантаження, ніж для незахищеного (рис. 3).
Багатошаровим покриттям без захисної плівки характерна комплексна нанотвердість порядку 0,5 ГПа і модуль пружності порядку 70 ГПа. Комплексна нанотвердість захищеного алмазоподібною а-С:Н плівкою оптичного покриття збільшується майже за лінійним законом із збільшенням товщини захисної плівки до 200 нм. Алмазоподібна плівка товщиною 200 нм підвищує комплексну нанотвердість багатошарового покриття до рівня 7 ГПа і знижує модуль пружності на 10 %. Така відмінність із модулем пружності для одного а-С:Н шару викликана тим, що поле пружних напружень далекодіюче, тому модуль пружності усереднюється по великому об’єму зразка і тонка гідровуглецева плівка не може його істотно змінити. Пластична течія зосереджена у вузькій області безпосередньо біля відбитка. Тому нанотвердість є більш локальною характеристикою порівняно з модулем пружності.
З використанням атомно-силової мікроскопії проведено склерометричні дослідження незахищеної та захищеної робочих поверхонь оптичного покриття при трьох однакових навантаженнях (11,8, 16,5 та 21,2 мкН). Незахищене покриття має в 6 разів глибші пошкодження алмазним зондом, ніж захищене при тих же навантаженнях. Встановлено, що захист оптичного покриття 200 нм алмазоподібною а-С:Н плівкою збільшує склерометричну нанотвердість з 0,4 до 19 ГПа, що значно підвищує його стійкість до мікроподряпин, виникнення яких має місце при експлуатації оптичних елементів.
Проведені тести механічної стійкості захищеного 130 нм алмазоподібною плівкою оптичного покриття показують, що при виконанні всіх умов, описаних в ОСТ 3-1901-85 для найвищої “”групи та збільшенні кількості обертів з передбачених 3000 до 10000, на поверхні, захищеній алмазоподібною плівкою, не
|
Рис. 3. Криві навантаження-переміщення при наноіндентуванні незахищеного багатошарового оптичного покриття та захищеного алмазоподібною а-С:Н плівкою товщиною 130 нм. |
вдається зафіксувати сліди зносу навіть на нанорівні в атомносиловому мікроскопі. Для можливості аналізу зносу а-С:Н плівки, випробування були проведені в більш жорстких умовах –з додавання в зону контакту алмазної пасти. Тестувалися а-С:Н покриття товщиною 100 нм осаджені на Ge при різних технологічних параметрах. По відношенню площі зруйнованої плівки до площі поверхні контакту, було виявлено область технологічних параметрів (напруга автозміщення 200-300 В, склад газової суміші 40-60 об. % СН) при яких осаджуються найбільш зносостійкі покриття.
Атомно-силові дослідження поверхні алмазоподібних плівок, осаджених на Ge після їх випробування на зносостійкість показують, що відбувається лише незначний абразивний знос плівки і формується поверхня з порядку 10 нм, проти 1 нм поза зоною тертя.
Аналогічне випробування механічної міцності з додаванням алмазної пасти і витримкою 1000 обертів на приладі СМ-55 були проведені і на оптичних багатошарових покриттях з/без захисної алмазоподібної пасти. Після такої обробки захищена поверхня оптичного покриття має менше механічних руйнацій ніж незахищена. По наявності зон, в яких після абразивного зносу залишилася а-С:Н плівка, і по мікроскопічних дослідженнях границь, де наконечник “з’їжджав”і “наїжджав”на а-С:Н плівку, можна впевнено констатувати факт, що вуглецева плівка має досить сильну адгезію з шаром YO і під дією зсуваючої сили розривається в горизонтальних напрямах
При рентгеноспектральному дослідженні торцевих перерізів багатошарових покриттів виявлено взаємну дифузію ітрію та цинку на межі ZnS / YF. Така перехідна область впливає на оптичні характеристики покриття і при оптимізації конструкції необхідно знати її параметри. Введення в конструкцію покриття тонкого (до 70 нм) бар’єрного прошарку з оксиду гафнію (HfO) суттєво зменшує міжшарову взаємну дифузію компонент.
Виконані дослідження морфології поверхні алмазоподібних покриттів різного складу за допомогою атомно-силової мікроскопії. Поверхня a-SiC:H плівок, отриманих реактивним магнетронним розпиленням кремнію в атмосфері Ar+CHмає наноструктуровану морфологію. Для a-SiC:H покриттів становить 20-30 нм. Поверхня плівок складається з окремих морфологічних утворень з характерним розміром 20-30 нанометрів. Ці морфологічні утворення у свою чергу згруповані у більші морфологічні утворення, що мають характерний поперечний розмір 100-150 нанометрів.
Поверхня a-SiC плівки, отриманої методом прямого іонно-плазмового осадження з використанням модифікованого вакуумно-дугового джерела з катодом з карбіду кремнію, покрита “кратерами”різного діаметра і макродефектами у вигляді поглиблень і виступів. Їх морфологія характеризується високим значенням , порядку 200 нм.
Поверхня наноалмазних (a-С NanoDiamond) плівок, отриманих методом високочастотного (2,4 ГГц) хімічного осадження із газової фази, характеризується наявністю нанокристалів алмазу розміром 100-200 нм. Шорсткість поверхні таких плівок визначається , порядку 50 нм.
Поверхня a-C плівки, одержаної методом дугового розпилення вуглецевого катода, має наноутворення розмірами 1-5 мкм. Особливістю цього методу є “виривання”з катоду і осадження на підкладку нанооб’ємів речовини різної маси. Таким плівкам характерні високі значення , порядку 500 нм.
Поверхні плівок, осаджених методом хімічного осадження із газової фази, можуть мати атомарно гладку форму з порядку 1 нм, і параметри їх синтезу мало впливають на їх морфологію.
Картографуванням поверхні методом скануючої зондової мікроскопії встановлено, що осадження а-С:Н плівки не вносить змін в величину шорсткості оптичних багатошарових покриттів, якої становить порядку 16-18 нм. Такий висновок також підтверджується даними розсіяння світла поверхнею оптичного кварцу і а-С:Н плівкою, осадженою на нього.
В п’ятому розділі на основі одержаних результатів експериментальних досліджень оптичних властивостей матеріалів покриттів за допомогою розробленого програмного забезпечення виконано оптимізацію базової конструкції просвітлюючого покриття, за якою синтезовано багатошарове покриття з підвищеними оптичними і механічними характеристиками.
На основі порівняння, вивчених у четвертому розділі, властивостей вуглецевмісних матеріалів a-C:H, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond встановлено, що оптимальним захисним і оптично активним матеріалом шару для багатошарового просвітлюючого покриття з робочим дальнім ІЧ діапазоном є гідрогенізований аморфний вуглець (а-С:Н), осаджений плазмохімічним методом при напрузі автозміщення -200 В і складом робочої газової суміші 50 об. % Н і 50 об. % СН.
|
YO/YF/YO/YF/YO/ZnS/Ge/ZnS/YO3 |
a-С:Н/YO/YF/ HfO/YF/HfO/ZnS/HfO/Ge/ZnS/YO |
|
а |
б |
|
Рис. 4. Профіль показника заломлення базового (а) та оптимізованого (б) просвітлюючого покриття для довжини хвилі = 10 мкм. |
|
Рис. 5. Експериментальний спектр коефіцієнта відбивання від поверхні германієвого клину з просвітлюючим покриттям. |
При моделюванні конструкції просвітлюючого покриття за основу було взято 9-ти шарове покриття (рис. 4 а), яке спроектовано і синтезовано КП “ЦКБ “Арсенал”і забезпечує коефіцієнт відбивання на рівні 0,15 % в діапазоні 8-12 мкм та групу “”за ОСТ-3-1901-85. В результаті оптимізації конструкції між шостим і сьомим та замість третього і п’ятого шарів було введено бар’єрний прошарок HfO, а також 190 нм захисний і оптичноактивний шар алмазоподібного гідрогенізованого вуглецю (рис. 4 б).
За оптимізованою конструкцією 11-ти шарового покриття на виробничих потужностях лабораторій оптичних покриттів КП “ЦКБ “Арсенал”та 13/2 ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України синтезовано зразки просвітлюючих покриттів, оптичні характеристики яких представлені на рис. 5. В результаті експериментальних досліджень їх експлуатаційних характеристик встановлено, що введення шару алмазоподібного гідрогенізованого вуглецю підвищує композитну нанотвердість з 0,5 до 5 ГПа, механічну міцність вище “”групи, зменшує втрати енергії на відбиття до 0,1 % при задовільних волого і термічній стійкостях, про що складено технічний акт. Узгодженість експериментальної і розрахованої кривої свідчить про задовільне технологічне відтворення конструкції багатошарового покриття. Розбіжності, пов’язані з недостатнім врахуванням при моделюванні дифузії між шарами, розсіянням світла на границях розділу шарів та відхиленнями реальної товщини шарів від закладеної в розрахунках.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ
У роботі вирішена актуальна науково-технічна задача по створенню інтерференційного покриття для дальнього ІЧ діапазону спектру 8-12 мкм, з низькими втратами енергії, та високими механічними споживчими якостями, завдяки унікальним механічним властивостям верхнього алмазоподібного шару.
Результати доведено до практичної реалізації і зроблено наступні висновки:
. Досліджено вплив технологічних параметрів осадження а-С:Н покриттів на їх фізичні властивості і встановлено області технологічних параметрів, при яких осаджуються графіто-, полімеро- та алмазоподібні а-С:Н покриття і встановлено оптимальні режими з точки зору отримання і стабільного відтворення оптимальних оптичних та високих механічних характеристик гідрогенізованого вуглецю –середня енергія іонів 80-90 еВ, газова суміш 50 об. % СН і 50 об. % Н, які забезпечують осадження плівки з високим вмістом sp-координованих атомів вуглецю, показником заломлення 1,8 при довжині хвилі 10 мкм, нанотвердістю 17 ГПа і модулем пружності 164 ГПа.
. Побудована математична модель тонкого діелектричного шару, яка базується на детальному аналізі впливу на його спектральні характеристики таких факторів як поглинання, неоднорідність шару, дисперсія оптичних констант матеріалу та на основі детального дослідження різних типів обернених задач оптики шаруватих середовищ розроблені ефективні підходи до розв’язку обернених задач еліпсометрії і фотометрії та синтезу оптичних покриттів.
. На основі оптичних експериментальних досліджень виконано моделювання дисперсії показників заломлення, коефіцієнтів поглинання та оптичних неоднорідностей вуглецевих покриттів та оксидів і фторидів рідкісноземельних металів, як складових багатошарових покриттів і виявлено існування нечітких границь розділу між шарами багатошарового покриття і як наслідок оптичну неоднорідність, для зменшення якої запропоновано використовувати тонкі бар’єрні прошарки оксиду гафнію.
. На основі математичного моделювання та комплексних досліджень фізичних властивостей аморфних та нанокристалічних вуглецьвмісних матеріалів (a-C:H, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond), отриманих різними методами, встановлено, що оптимальним захисним і оптичноактивним шаром багатошарового інтерференційного покриття з робочим діапазоном довжин хвиль 8-12 мкм є гідрогенізований алмазоподібний вуглець (а-С:Н), отриманий методом плазмохімічного осадження із газової суміші метану і водню, і встановлено, що його використання в багатошарових інтерференційних покриттях підвищує їх оптичні характеристики, механічну міцність до 10000 обертів згідно ОСТ-3-1901-85, композитну та склерометричну нанотвердості з 0,5 до 7 ГПа та з 0,4 до 19 ГПа відповідно, здатність до пружного відновлення робочої поверхні та не збільшує шорсткості поверхні.
. За даними експериментальних досліджень виконано моделювання конструкції просвітлюючого покриття з підвищеними експлуатаційними характеристиками для германієвого ІЧ вікна з робочим діапазоном 8-12 мкм, по якій синтезовано зразки оптичних елементів, які впевнено відноситься до групи “”згідно ОСТ-3-1901-85 і мають інтегральний коефіцієнт відбивання випромінювання в діапазоні 8-12 мкм рівний 0,1 %.
. На основі результатів еліпсометричних досліджень розроблено методику визначення оптичних констант і товщини вуглецевих покриттів шляхом проведення імерсійних еліпсометричних досліджень М28.5 –:2007, яка разом з науковими та практичними результатами дисертаційної роботи пройшла дослідно-виробничу перевірку в оптичній лабораторії КП “ЦКБ “Арсенал”і підвищила точність і однозначність визначення вхідних даних для проектування багатошарових інтерференційних покриттів.
Основні результати роботи висвітлено у наступних публікаціях:
Автор провів спектрофотометричні дослідження a-SiC плівок, визначив та проаналізував ширину забороненої зони та її залежність від вмісту вуглецю в матеріалі. Взяв участь в аналізі та обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор провів спектрофотометричні вимірювання. Виконав комплексний порівняльний аналіз краю фундаментального поглинання a-SiC:H і a-SiC плівок, а також впливу на нього температури вакуумного відпалу. Брав участь в аналізі та обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Провів спектрофотометричні і еліпсометричні вимірювання. Виконав моделювання профілю оптичних характеристик вуглецевого покриття по еліпсометричним і фотометричним вимірюванням і виявив існування перехідної області між кремнієм і алмазоподібною плівкою. Конкретизував структуру статті, проаналізував отримані результати та сформулював висновки.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Провів спектрофотометричні і еліпсометричні вимірювання та визначив оптичні властивості вуглецевих покриттів. Встановив області технологічних параметрів осадження вуглецевих покриттів, при яких утворюються оптимальні для використання в ІЧ оптиці плівки. Виконав моделювання спектральних оптичних характеристик покриттів та оптимізацію конструкції інтерференційних покриттів. Конкретизував структуру статті, проаналізував отримані результати та сформулював висновки.
Автор провів спектрофотометричні вимірювання. Експериментально дослідив край фундаментального поглинання аморфного гідрогенізованого карбіду кремнію a-SiC:H. Взяв участь в аналізі та обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів, в систематизації та узагальненні досліджень нанотвердості, в аналізі та обговоренні отриманих результатів та у формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Провів спектрофотометричні вимірювання. Виконав моделювання оптичних характеристик аморфного вуглецю, оптимізацію конструкції інтерференційного багатошарового покриття. Взяв участь в аналізі та обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор провів спектрофотометричні вимірювання. Виконав комплексний порівняльний аналіз краю фундаментального поглинання a-SiC:H і a-SiC плівок, а також впливу на нього температури вакуумного відпалу. Взяв участь в аналізі та обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Виконав моделювання оптичних характеристик аморфного вуглецю, оптимізацію конструкції інтерференційного багатошарового покриття. Провів спектрофотометричні вимірювання. Конкретизував структуру статті, проаналізував отримані результати та сформулював висновки.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів, в систематизації та у-загальненні досліджень нанотвердості, в аналізі та обговоренні отриманих результа-тів та у формулюванні висновків.
Автор провів спектрофотометричні вимірювання. Виконав аналіз краю фундаментального поглинання a-SiC:H плівок. Взяв участь в аналізі та обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Виконав моделювання оптичних характеристик аморфного вуглецю, оптимізацію конструкції інтерференційного багатошарового покриття. Провів спектрофотометричні вимірювання. Взяв участь в аналізі отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Виконав моделювання оптичних характеристик аморфного вуглецю, оптимізацію конструкції інтерференційного багатошарового покриття. Провів спектрофотометричні вимірювання. Взяв участь в аналізі отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Провів еліпсометричні вимірювання та розробив програмне забезпечення для їх інтерпретації. Виконав моделювання профілю оптичних характеристик вуглецевого покриття по еліпсометричним і фотометричним вимірюванням. Проаналізував отримані результати та сформулював висновки.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Провів спектрофотометричні вимірювання. Взяв участь в аналізі та обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Провів спектрофотометричні вимірювання. Проаналізував отримані результати та сформулював висновки.
Автор взяв участь у виготовлені зразків вуглецевих покриттів. Провів спектрофотометричні і еліпсометричні вимірювання. Виконав моделювання оптичних характеристик аморфного вуглецю, оптимізацію конструкції інтерференційного багатошарового покриття. Проаналізував отримані результати та сформулював висновки.
АНОТАЦІЯ
Старик С.П. Підвищення оптико-механічних характеристик багатошарових інтерференційних покриттів шляхом введення до їх складу захисних алмазоподібних плівок. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – “матеріалознавство”. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2007.
Дисертацію присвячено проблемі підвищення оптичних і механічних характеристик багатошарових інтерференційних покриттів. Вивчено фізичні властивості і структурні особливості вуглецевмісних матеріалів a-C:H, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond та встановлено, що оптимальним захисним і оптично активним матеріалом шару для багатошарового просвітлюючого покриття з робочим дальнім ІЧ діапазоном є гідрогенізований алмазоподібний вуглець (а-С:Н), осаджений плазмохімічним методом при середній енергії іонів 80-90 еВ і газовій суміші 50 об. % СН і 50 об. % Н. При цих параметрах осаджуються плівки з високим вмістом sp-координованих атомів вуглецю, що забезпечує їх високі механічні властивості (нанотвердість порядку 17 ГПа, модуль пружності 164 ГПа).
Розроблено ефективні методи розв’язку обернених задач оптики шаруватих середовищ типу розпізнавання і проектування, з допомогою яких виконано оптимізацію конструкції нерівнотовщинного багатошарового просвітлюючого покриття для діапазону 8-12 мкм. Синтезовані по ній зразки впевнено відносяться до групи “”згідно ОСТ-3-1901-85 і мають інтегральний коефіцієнт відбивання світла на рівні 0,1 % в діапазоні 8-12 мкм при задовільних термо- і вологостійкостях.
Ключові слова: алмазоподібна плівка, багатошарове інтерференційне покриття, а-С:Н, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond, обернена задача.
АННОТАЦИЯ
Старик С.П. Повышение оптико-механических характеристик многослойных интерференционных покрытий путем введения в их состав защитных алмазоподобных пленок. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 –“материаловедение”. Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2007.
Диссертация посвящена актуальной проблеме оптического материаловедения –повышению оптических и механических характеристик многослойных интерференционных покрытий, благодаря введению в его конструкцию защитного углеродного алмазоподобного слоя.
Построена математическая модель тонкого диэлектрического слоя, основанная на детальном анализе влияния на его оптические свойства таких факторов как поглощение, неоднородность слоя, дисперсия оптических констант материала. Исследованы особенности решения обратных задач синтеза и анализа оптики слоистых сред. Разработанные эффективные подходы, использующие оптимизационные методы второго порядка, к решению обратных задач эллипсометрии, фотометрии и синтеза разнотипных оптических покрытий, с помощью которых выполнена оптимизация конструкции неравнотолщинного многослойного просветляющего покрытия для диапазона 8-12 мкм.
При решении широкого круга обратных задач фотометрии и эллипсометрии получены физически обоснованные данные о профиле и дисперсии оптических констант алмазоподобных гидрогенизированых материалов, которые согласуются между собой и с данными независимых исследований. Обнаружено оптическими и подтверждено структурными исследованиями образование переходного слоя на границе раздела кремния и гидрогенизированого углерода содержащего кислород оставшийся после травления естественного окисла кремния.
На основании результатов эллипсометрических исследований разработано методику определения оптических констант и толщины углеродных покрытий путем проведения иммерсионных эллипсометрических исследований М28.5 –:2007.
Исследованы зависимости свойств и структурных особенностей сверхтвердых углеродосодержащих материалов a-C:H, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond от технологических параметров осаждения и установлено, что оптимальным защитным и оптически активным материалом слоя для многослойного просветляющего покрытия с рабочим дальним ИК диапазоном есть гидрогенизированый аморфный углерод (а-С:Н), осажденный плазмохимическим методом при средней энергии ионов 80-90 эВ і газовой смеси 50 об. % СН і 50 об. % Н. При этих параметрах осаждаются пленки с высоким содержанием sp-координированных атомов углерода, что обеспечивает их високие механические свойства (нанотвердость порядка 17 ГПа, модуль упрогости 164 ГПа).
Синтезированы образцы просветляющих покрытий и исследованы их эксплуатационные характеристики. Покрытие уверенно относится к группе “”согласно ОСТ-3-1901-85 и имеет интегральный коэффициент отражения света на уровне 0,1 % в диапазоне 8-12 мкм при удовлетворительной влаго- и термостойкостях.
Ключевые слова: алмазоподобная пленка, многослойное интерференционное покрытие, а-С:Н, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond, обратная задача.
SUMMARY
Starik S. Improvement of Optomechanical Characteristics of Multilayer Interference Coatings by Inserting Protective Diamond-Like Films into the Coating Composition. –Manuscript.
Dissertation for Scientific Degree of Candidate of Science (Engineering) in speciality 05.02.01 –Material Science. V.N. Bakul Institute for Superhard Materials of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2007.
The dissertation is concerned with a topical problem of the improvement of optical and mechanical characteristics of multilayer interference coatings by inserting a functional layer of diamond-like hydrogenated carbon into the coating composition. Studied were physical properties and structure peculiarities of a-C:H, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond carbon-containing materials. It has been found that the optimal protective and optically active material for a layer of a multilayer antireflection coating with a far IR band is hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) plasma-chemically deposited from a gas mixture of 50 vol % CH and 50 vol % H at a mean ion energy of 80–eV. The films deposited at these parameters have a high concentration of spconfiguration carbon atoms, which provides for their high mechanical characteristics (the nanohardness of the order of 17 GPa and elastic modulus of 164 GPa).
Effective methods have been developed to solve identification and design types inverse problems of optics of layered media. With these methods the structure of multilayer antireflection unequal-in-thickness coatings for the range of 8–m has been optimized. Samples synthesized according to this structure are assigned with confidence to group 0 in accordance to OCT-3-1901-85 State Standard and exhibit an integral reflection coefficient of about 0.1 % in the range of 8-12 m, the thermal and water resistances being satisfactory
Keywords: Diamond-like film, а-С:Н, a-SiC:H, a-SiC, a-C, a-C NanoDiamond, multilayer interference coatings, inverse problem.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Підписано до друку 3.11.2007. Формат 6090/16. Папір офсет. № 1.
Друк офсет. Ум. друк. арк. 1,3. Обл. вид.арк. 1,1. Тираж 100 екз. Зам. 947.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Віддруковано в типографії “Карат”
м. Київ, вул. Литвиненко-Вольгемут, 2-а.
тел./факс: (044) 229-11-40