1.НЕУПРУГИЕ ПРОЦЕССЫ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ ЗОЛОТА И МЕДИ (1074555)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

НЕУПРУГИЕ ПРОЦЕССЫ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ ЗОЛОТА И МЕДИ, НАНЕСЕННЫХ НА КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО

неупругие процессы в тонких пленках

• В металлических тонких пленках имеют место такие же неупругие процессы, что и в массивных металлах, а именно:

• термоупругие потери,

• потери, связанные с точечными дефектами,

• потери в результате дислокаций,

• потери, определяемые фазовыми превращениями,

• внутреннее трение на границах зерен.

• Однако отличия в структуре тонких пленок, большое количество дефектов, механические напряжения и размерные эффекты приводят к значительно более высокому уровню внутреннего трения по сравнению с массивными металлами.

• В большинстве опытов тонкие металлические пленки напыляли на подложку, отделяли от нее, и в полученном пленочном образце исследовали затухание свободных изгибных колебаний. Эти исследования показали, что на диссипацию в тонкой пленке сильное влияние оказывает размер зерен конденсата.

• В поликристаллических пленках с мелкозернистой структурой уровень потерь возрастает во много раз. В качестве примера на рис. 1 приведена характерная температурная зависимость внутреннего трения в тонкой пленке меди.

• Для конденсата с мелкодисперсной (величина зерна ~0,2 мкм) структурой характерен высокий уровень внутреннего трения (рис. 1, кривая /), тогда как для конденсатов со сравнительно большим размером зерен уровень внутреннего трения гораздо ниже (рис. 1, кривая 2). Данные, приведенные на рис. 1, указывают также на достаточно большую величину высокотемпературного фона внутреннего трения в тонкой пленке по сравнению с массивным металлом. Высокотемпературный фон связан с переползанием дислокаций. Поскольку скорость переползания дислокаций пропорциональна механическим напряжениям, уровень которых в тонких пленках обычно значителен, становится понятной высокая интенсивность высокотемпературного фона.

• Исследование влияния адгезии тонкой пленки к подложке на внутреннее трение и разработка подходов к снижению потерь в высокодобротных резонаторах из кварцевого стекла с металлическими покрытиями.

• Эксперименты проводили с цилиндрическими и полусферическими резонаторами, изготовленными из кварцевого стекла. На рис. 2 показан внешний вид резонаторов и их расположение в цилиндрической вакуумной камере.

• Полусферический резонатор представляет собой тонкостенную полусферу диаметром ~30 мм, в которой возбуждаются изгибные колебания (рис. 2, а).

• Частота изгибных колебаний определялась формой колебаний полусферы и составляла 8,5 и 17,0 кГц.

• При измерениях полусферический резонатор закрепляли в держателе за осевую ножку. Для возбуждения изгибных колебаний и измерения амплитуды колебаний использовали емкостные электроды. Температуру определяли с помощью термопары медь-константан.

• Цилиндрический резонатор длиной -100 мм подвешивали в специальном держателе в положении равновесия в петле из вольфрамовой проволоки (рис. 2,б). Возбуждение продольных колебаний на частотах 25...50 кГц и их регистрацию осуществляли с помощью емкостных электродов. Для изменения температуры резонаторов в диапазоне -5О...+16О°С

• снаружи устанавливали электронагреватель или азотную рубашку охлаждения. Вакуумная система установки позволяла поддерживать внутри камеры вакуум до 10~5 мм рт. ст.

• Металлические покрытия толщиной около 200 нм наносили на внутреннюю поверхность полусферического резонатора и на торцевые поверхности цилиндрического резонатора. В качестве меры внутреннего трения использовали обратную механическую добротность Q~\ определяемую по времени затухания свободных колебаний в резонаторе:

• где - энергия, рассеянная за один период колебаний; W - энергия колебаний резонатора; / - частота колебаний; г- время затухания свободных колебаний.

• При нанесении металлического покрытия начальная добротность резонатора Q уменьшалась до Qv Разность между величинами Q^ и Q~] представляет собой потери, внесенные в резонатор тонкой пленкой:

• Смысл использования резонаторов двух типов заключается в том, что возбуждаемые в них колебания различны. При продольных колебаниях цилиндрического резонатора его торцы остаются плоскими и металлическое покрытие практически не деформируется, испытывая только отрывные нагрузки, приводящие к локальному отслаиванию пленки и соответственно к внутреннему трению. При этом величина будет зависеть в основном от прочности связи конденсата с подложкой. При изгибных колебаниях полусферы тонкая пленка деформируется вместе с подложкой и вносимые потери определяются всеми перечисленными выше факторами.

• Для определения потерь в собственно материале тонкой пленки , нанесенной на поверхность полусферического резонатора, можно воспользоваться следующей формулой:

• где Yg и Yf - модули Юнга кварцевого стекла и материала покрытия; df - толщина пленки; h – толщина стенки полусферической оболочки резонатора.

• Потери в тонкой пленке, нанесенной на торцы цилиндрического резонатора, составляют:

• где L - длина цилиндра; pg и pf- плотность кварцевого стекла и материала пленки.

• На рис. 3 приведена температурная зависимость потерь в тонкой пленке меди, нанесенной методом вакуумного напыления на торцы цилиндрического резонатора при комнатной температуре. Адгезия к кварцевому стеклу медной пленки, сконденсированной в таких условиях, невысока, и это приводит к появлению неупругого процесса.

• На первый взгляд, чтобы сдвинуть даже слабосвязанную с подложкой металлическую пленку, необходимо создать значительное напряжение, которое не развивается при колебаниях торца цилиндра. Так, при энергии связи 0,2 эВ* величина этого напряжения составляет -500 МПа. Но если в тонкой пленке имеются остаточные механические напряжения или концентрации напряжений в локальных микрообластях, связанные с неоднородностью поверхности, то тогда даже небольшое дополнительное напряжение, создаваемое при колебаниях, может привести к отслаиванию покрытия в микрообластях, локальным пластическим деформациям и как следствие к интенсивному внутреннему трению.

• Эксперименты показали, что величина наблюдаемого пика внутреннего трения, а также положение его максимума на температурной оси зависят от толщины покрытия и условий осаждения. Энергия активации неупругого процесса, определенная по температурному сдвигу максимума пика при изменении частоты колебаний [3], составляет 5-9 ккал/ моль, что довольно близко к величине энергии связи пары медь-стекло [15]. Для пленок золота пластические деформации и внутреннее трение, связанные с низкой адгезией, более интенсивны, так как энергия связи для пары золото-стекло еще меньше. Между тем именно золото представляет наибольший интерес с практической точки зрения:

• оно обладает высокой электропроводностью,

• химической стойкостью,

• не окисляется,

• имеет небольшую (по сравнению, например, с хромом) сорбционную способность

• имеет сравнительно невысокий уровень внутренних напряжений.

• Поэтому снижение внутреннего трения, связанного с низкой адгезией золота к кварцевому стеклу, весьма актуально.

• Известно, что адгезия зависит от способа нанесения покрытия, и наилучшие результаты дает метод магнетронного распыления.

• Большое значение имеют и условия напыления:
  распыление золота в атмосфере аргон-кислород увеличивает адгезию золотой пленки к кварцевому стеклу больше, чем на порядок . Хорошо известным вариантом увеличения прочности сцепления пленки золота со стеклом является предварительное нанесение металлического подслоя, имеющего хорошую адгезию к стеклу. Адгезия существенно зависит от толщины слоя хрома, причем резкое ее увеличение наблюдается при толщине подслоя хрома свыше 400 А, предположительно, пленка хрома становится непрерывной. Этот эффект, по-видимому, связан с взаимной диффузией металлов и образованием на границе раздела фаз твердого раствора.

• Учитывая, что взаимная диффузия будет иметь место до тех пор, пока имеется градиент концентраций, целесообразно напылять не двойной металлический слой, а двухкомпонентную пленку, где одним из ее компонентов является золото, а другим - металл, образующий с золотом твердый раствор и имеющий достаточно хорошую адгезию к кварцевому стеклу. Таким вторым компонентом золотой пленки может быть, например, медь, имеющая достаточно хорошие адгезионные свойства при нанесении покрытия методом магнетронного распыления и при использовании ионной бомбардировки для предварительной очистки поверхности резонатора.

• Кроме того, можно ожидать, что введение второго компонента в умеренной концентрации в чистый металл приведет к дополнительному закреплению дислокаций и к снижению фона внутреннего трения.

• Интенсивность фона внутреннего трения при комнатной температуре в пленке Al-20,7%Ag уменьшилась примерно вдвое по сравнению с пленкой чистого алюминия. примерно вдвое по сравнению с пленкой чистого алюминия.

• Хотя присутствие второго компонента приводит к возникновению процессов упорядочения в пленке, связанные с ними пики внутреннего трения расположены в области достаточно высоких температур и не должны заметно влиять на потери в области средних температур, являющихся рабочими для подавляющего большинства современных приборов. При температуре ~400°С интенсивный пик внутреннего трения, влияние которого очень мало при температуре ниже 200°С.

• Видно, что при низких температурах обе кривые совпадают, т.е. вносимые тонкой пленкой потери невелики. С ростом температуры внутреннее трение в покрытии растет и добротность металлизированного резонатора падает.

• Для выяснения температурной стабильности потерь в бинарном покрытии были выполнены два отжига металлизированного резонатора при температуре 160°С. После каждого отжига измеряли зависимость добротности резонатора от температуры и рассчитывали зависимость.
  Результаты этого опыта приведены на рис. 5.

• Хорошо видно, что после каждого отжига потери в металлическом покрытии возрастают. Причина этого эффекта связана с тем, что при одновременном напылении компонентов сплава на достаточно холодную (по сравнению с температурой перехода порядок-беспорядок сплава) подложку, структура тонкой пленки не соответствует равновесному состоянию. По существу, мы имеем дело с некоторой метастабильной фазой сплава, в которой протекают термически активированные процессы упорядочения.

• Кинетику фазовых превращений отслеживали по изменению электрического сопротивления тонкой пленки и по электронно-микроскопическим данным.

• Было установлено, что аморфная структура пленки уже при низких температурах трансформируется в однофазную кристаллическую структуру, и только затем, при достаточно высоких температурах, переходит в равновесную двухфазную структуру.

• Нестабильность внутреннего трения при термоциклировании (рис. 5) можно объяснить образованием в пленке промежуточной структуры. Кроме того, можно ожидать стабилизации внутреннего трения на некотором уровне при отжиге AuCu-пленки при температуре 260°С. Для проверки этого предположения были выполнены еще два отжига того же самого металлизированного резонатора при этой температуре. Результаты эксперимента, приведенные
  на рис. 6, показали, что действительно
  отжиг при 260°С существенно уменьшает
  имеющиеся потери в покрытии (сравним
  кривую 1 на рис. 6 с кривой 3 на рис. 5),
  кроме того они становятся стабильными,
  что указывает на переход структуры
  пленки в устойчивое состояние.

• Потери в этом состоянии несколько выше,
  чем в исходном (кривая 7, рис. 5), что,
  вероятно, связано с изменением объема
  при фазовых переходах, ведущих
  к изменению механических напряжений
  в пленке и соответственно к изменению
  внутреннего трения.

• Данные о потерях в металлической тонкой пленке при Т * 75°С и значении энергии активации неупругого процесса Е для всех последовательных циклов отжига. Видно, что уменьшение энергии активации сопровождается ростом потерь. Очевидно, это связано с изменением напряжений в пленке в ходе описанных фазовых превращений. С ростом напряжений Е падает, соответственно вероятность разрыва связи конденсат-подложка возрастает, приводя к росту внутреннего трения. После релаксации внутренних напряжений в ходе образования стабильной структуры пленки, энергия разрыва связи возрастет, а внутреннее трение уменьшается.

• Золото обладает биоинертностью — оно не вызывает отрицательных реакций организма.

• То, что золото благотворно действует на организм, было известно давно. Однако только сейчас удалось найти научное объяснение полезным свойствам этого благородного металла.

• Шведские и американские ученые установили, что в маленьких дозах золото способно регулировать иммунную систему человека. Соли золота уменьшают выделение из ядра иммунных клеток протеина, который провоцирует воспаления.

• При опытах с культурами иммунных клеток человека и животных ученым удалось с помощью содержащего в золоте соединения блокировать высвобождение этого протеина.

• Современные научные исследования показали, что золото значительно повышает способность кожи к поглощению и сохранению влаги, способствует саморегенерации
  кожи, замедляет процесс старения. Золото обеспечивает активизацию
  крово- и лимфообращения, оказывает тонизирующий эффект, стимулирует
  обменные процессы.

• Катодная область потенциалов ограничена перенапряжением выделения водорода; анодная область – растворением золота, при Е тем более положительном, чем более прочные комплексы или нерастворимые осадки образует золото с анионом фона (галогениды, серосодержащие соединения).

• На золотом электроде, как и на платиновом, хемосорбируется кислород и образуются оксидные пленки. Адсорбированный кислород принимает участие в анодных процессах, протекающих с изменением кислородного баланса в окисляющемся веществе; оксиды золота ингибируют эти процессы

• Электроды из инертных металлов, в том числе золота, обычно изготовляют из проволочек, или пластин, укрепленных в изолированных трубках из стекла, фторопласта и т.д. или осаждают на электропроводящей подложке электролизом из растворов или напылением соответствующего металла.

Рис.7. Индикаторные электроды проволочные (а, б) и дисковые (в, г) металл; 2 – стекло ; 3 – фторопласт

• Описан вибрирующий Au–Э в виде проволоки для определения меди: Золотая пленка впаивалась в свинцовое стекло, шлифовалась и полировалась в суспензии Al2O3. Перед каждым определением электрод предварительно полировали алмазной пастой различной зернистости (7 и 1 мкм). Дисковый золотой электрод (при определении меди и серебра методом ИВ), полировали тонкой наждачной бумагой, погружали на 10 мин в 0,1 М Се(SO4)2 , затем циклически поляризовали при потенциалах от - 1,0 В до + 0,5 В. Часто после полировки электрода его промывают и обрабатывают ультразвуком в бидистиллированной воде, с частой ее заменой.

• Существует много способов электролитического осаждения золота на отшлифованную поверхность графитовых импрегнированных или стеклоуглеродных электродов.

• А) Достаточно толстый слой золота осаждается на подготовленной графитовой или стеклоуглеродной подложках.

• Раствор хлорида золота концентрации 100 мг/дм3 в 1М HCl тщательно продувается инертным газом для удаления кислорода. Опускают два электрода – индикаторный – ГЭ, и электрод сравнения – ХСЭ. Проводят осаждение золота при перемешивании, потенциале накопления в диапазоне от 0,0 до - 0,40 В, в течение 200 – 300 с.

• Б) Для более равномерного осаждения проводят электролиз в тех же условиях, но без перемешивания.

• В) Получения тонкой пленки золота в режиме “in situ”:

• В анализируемый раствор подготовленной пробы с ГЭ и ХСЭ вносят 0,04 – 0,08 см3 раствора хлорида золота концентрации 100 мг/дм3 и проводят электролиз при перемешивании при потенциале в диапазоне от 0,0 до 0,40 В одновременно с накоплением определяемого аналита (например, ртути).

• При определении мышьяка на ЗГЭ электрохимическая доочистка электрода проводится в условиях: время 20 с, потенциал 0,6 В (фон – трилон Б).

• При низкой адгезии тонких пленок золота и меди, нанесенных на поверхность высокодобротных резонаторов из кварцевого стекла, наблюдается интенсивный пик внутреннего трения в килогерцовом диапазоне частот при температурах О...1ОО°С, который может быть связан с отслаиванием покрытия и пластической деформацией в микрообластях поверхности. Внутреннее трение в тонкой пленке золота может быть существенно уменьшено введением в нее второго компонента (меди), образующего с золотом твердый раствор и улучшающего адгезию покрытия к кварцевому стеклу. Кроме того, введение второго компонента закрепляет дислокации, что приводит к уменьшению дислокационного и зернограничного внутреннего трения.

• Стабилизация диссипативных характеристик двухкомпонентного покрытия AuCu достигается термообработкой при 260°С.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций