Особливості оптичного поглинання металевих аморфних та опромінених високоенергетичними іонами полікристалічних систем - Курсовая работа

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. Крім того, дослідження впливу взаємодії цього шару з іонами в процесі імплантації на оптичні властивості металевих поверхонь дозволило б зрозуміти їх взаємозвязок з мікрорельєфом і структурою поверхні та покращити стійкість дзеркал до опромінення високоенергетичними частинками. Таким чином, виникає необхідність постановки та розвязання актуальної для сучасної металооптики фізичної задачі, що полягає у зясуванні звязку електронної структури та атомного розупорядкування з оптичними властивостями як металевих аморфних сплавів, так і розупорядкованих внаслідок опромінення високоенергетичними іонами приповерхневих шарів полікристалічних металів. Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному: 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. Положення, що виносяться на захист: 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 зясований при цьому взаємозвязок мікрорельєфу поверхні дзеркал та її оптичних властивостей.Зясовано, 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 повязаної з варіацією ближнього атомного порядку проблеми взаємозвязку 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. Встановлено, що для розвязання 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. Обробка іонами аргону дзеркала із міді викликала слабкіші зміни їх оптичних властивостей, а поверхня нержавіючої сталі була найстійкішою до опромінювання іонами. 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.

Зясовано, 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 повязаної з варіацією ближнього атомного порядку проблеми взаємозвязку 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.

Встановлено, що для розвязання 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.

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.

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.

Зясовано 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 ?=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.

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.

Зясовано 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.

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 звязку).

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 N?=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 звязку 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.

Встановлено взаємозвязок 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.

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Poperenko L. V., Shaikevich I. A., Zakharenko N. I., Vinnichenko N. V. Reflectoellipsometric and magnetometric research of the surfaces layer of Fe-B ribbons // Abstracts of 11th International Symposium on Boron, Borides and related compaunds (ISBB 93). Tsukuba, 1993. - P. 109.

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

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

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

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.

Размещено на