Диссертация (1143290), страница 32
Текст из файла (страница 32)
В связи с этимпри формировании пленки диоксида титана на сапфировой подложке термическиенапряжения в диоксиде титана являются растягивающими.Исследования влияния температуры на термоупругие напряжения в пленкахдиоксида титана на сапфировой подложке показали, что при нагреве исследуемойструктуры до 40 0С величина термоупругих напряжений находится на одномуровне и составляет порядка 1,1 ГПа (рисунок 5.51).
Дальнейшее увеличение температуры приводит к возрастанию величины термоупругих напряжений в пленкахдиоксида титана на сапфировой подложке, что может оказывать негативное влияние на характеристики функциональных элементов устройств на основе данныхпленок.225Рисунок 5.51 – Влияние температуры на уровень термоупругих напряженийв пленках диоксида титана на сапфировой подложкеРезультаты расчета термоупругих напряжений в пленках диоксида титана насапфировой подложке на основании результирующего выражения (5.17) представлены на рисунке 5.52.Рисунок 5.52 – Зависимость термоупругих напряжений от температур впленках диоксида титанаНапряжения в пленках диоксида титана на сапфировой подложке толщиной100 нм составили порядка 1 – 3 ГПа по результатам измерений и расчетов.Таким образом, получены тонкие пленки диоксида титана на сапфировойподложке методом центрифугирования с использованием прекурсора диизопро226поксида титана бис (ацетилацетонат), которые могут найти широкое применениедля газочувствительных датчиков и фотоэлектрических преобразователей.
Проведены исследования термоупругих напряжений в тонких пленках TiO 2 на сапфировой подложке, возникающих в связи с различием значений коэффициентов термического расширения пленки и подложки. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при формировании пленки диоксида титана на сапфировой подложке образуются растягивающие термические напряжения. Исследовановлияние температуры на термоупругие напряжения в пленках диоксида титана.Определено, что при температуре нагрева структуры до 40 0С величина термоупругих напряжений находится на одном уровне и составляет порядка 1,1 ГПа.Представленные результаты экспериментальных исследований термоупругихнапряжений в пленках диоксида титана на сапфировой подложке хорошо согласуются с проведенными теоретическими расчетами для толщины пленки порядка 100нм.5.8 Экспериментальные исследования лазерного термораскалыванияпластин сапфираПрименение лазерного излучения в обработке материалов позволяет создатьвысокоэффективную технологию резки материалов, такую как лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ), позволяющую разделять пластины из широкогокруга материалов: сапфира, стекла, керамики и кварца.Лазерное термораскалывание по сравнению с традиционными механическими способами обработки хрупких неметаллических материалов (резки) обладаетрядом достоинств, к основным из которых относятся:- более экономичное применение материала и сокращение количества отходов;- нет механического воздействия на материал;- отсутствие операций шлифования и полирования края;227- увеличение прочности краев благодаря их получению без сколов и поперечных трещин;- повышение точности и воспроизводимости размеров вырезаемых изделий;- большая скорость резки;- возможность реализации резки по сложной траектории.Метод ЛУТ большого класса хрупких неметаллических материалов былвпервые разработан и запатентован в СССР [260], а затем за рубежом [261], поскольку существующие методы резки и обработки поверхности материалов практически исчерпали свои возможности.Целью данного раздела работы является исследование прецизионного и безотходного разделения (термораскалывания) сапфира излучением лазера с длинойволны 1064 нм.Эксперименты по лазерной резке осуществлялись на оборудовании (модельLIMO 100-532/1064-U), включающем инфракрасный Nd:YAG лазер с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 84 нс и мощностью лазерного излучения,определяемой программно в интервале от 0.1 до 100 Вт.
Для осуществения контроля мощности лазерного излучения применялся измеритель мощности CoherentFieldMaxII-TOP.Метод лазерного управляемого термораскалывания материалов состоит вследующем: при нагреве поверхности материала пучком лазера, фокусируемымлинзой сканирующей системы, в зоне нагрева в поверхностных слоях возникаютнапряжения сжатия. Для управления параметрами процесса важно учитывать основные факторы, влияющие на ЛУТ, а именно: свойства материала, параметры излучения лазера и ряд других [262-275].В процессе реализации экспериментальных работ выполнены исследованияпо оптимизации технологического процесса термораскалывания сапфировых подложек лазером. Резка сапфировой пластины производилась следующим образом.На начальной стадии на сапфировую пластину наносился слой графита, обозначающий направление реза.
Слой графита поглощает значительную часть излучения228лазера (порядка 50 %), вызывая локальный нагрев поверхности сапфировой подложки, что обеспечивает появление и продвижение разделяющих трещин методомЛУТ. Сапфировая пластина с нанесенным слоем графита подвергалась воздействию излучения Nd:YAG лазера со скоростью перемещения луча лазера 1 мм/с послою графита, средней мощностью лазера 90 Вт и временем обработки порядка300 – 350 с.На рисунке 5.53 представлена фотография линии реза пластины сапфиравдоль нанесенного слоя графита ИК лазером.а)б)Рисунок 5.53 – Фотографии линии реза пластины с радиусом 30 мм вдольграфитового слоя ИК лазеромДля данного способа резки нет необходимости в нанесении предварительныхнадрезов, как было выполнено в работе [262], а также он дает возможность увеличить эффективность резания, так как позволяет осуществлять сквозную резку, нетребующую дополнительной операции разламывания, расширить возможностьэффективной резки кристаллов практически с любыми размерами, а также увеличить производительность и качество резки.Предлагаемый способ поясняется рисунками 5.54, 5.55.
На рисунке 5.54представлена блок-схема установки лазерного управляемого термораскалываниясапфировых пластин. Устройство для осуществления резки сапфировых пластин229содержит лазерную систему 1, оптико-механическую систему направления и фокусировки излучения 2, механизм перемещения фокального пятна лазера по поверхности образца 3, компьютер и контроллер для управления всеми электронными системами установки 4 и видеокамеру для контроля за процессом 5.На рисунке 5.55 показана фокусирующая система установки лазерногоуправляемого термораскалывания сапфировых пластин. Фокусирующая системасостоит из гомогенизатора 1, оптической линзы 2, системы подвижных оптическихэлементов 3 (гальванометров), фокусирующего объектива F-Theta 4 и предметногостолика 5.
С помощью F-Theta объектива достигается прямая пропорциональностьмежду углом сканирования и расстоянием до рабочего поля, а также фокус лазерного луча всегда находится на плоской поверхности. Гомогенизатор позволяет получить однородное распределение интенсивности по сечению лазерного луча (Побразное распределение интенсивности).12345Рисунок 5.54 – Блок-схема установки лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин230Рисунок 5.55 – Фокусирующая система установки лазерного управляемоготермораскалывания пластин сапфираПо результатам исследований отмечена перспективность применения процесса лазерного управляемого термораскалывания сапфира с помощью излучениялазера с длиной волны 1064 нм. Термораскалывание сапфировых пластин с нанесенным графитовым слоем дает возможность увеличить производительность и качество резки. Определено, что на качество резки сапфировых пластин оказываютвлияние скорость перемещения луча лазера, плотность мощности излучения, форма и размеры пятна лазера на поверхности материала, а также толщина пластинысапфира.Для оптимизации режима лазерного управляемого термораскалывания былипроведены расчеты распределения температуры при нагреве излучением лазераструктуры графит – сапфировая пластина – графит, которые принимают во внимание различные параметры процесса лазерного управляемого термораскалыванияпластин.Опишем случай лазерного воздействия на структуру графит-сапфир-графит(рисунок 5.56).231Рисунок 5.56 – Схема лазерного воздействия на структуру графит-сапфирграфит (толщина сапфировой пластины 2000 – 2400 мкм, толщина графитовогослоя 5 – 10 мкм)Структура графит – сапфир – графит, подвергающаяся воздействию импульсного излучения лазера, изотропна и гомогенна.
Нестационарные одномерныеуравнения теплопроводности для каждого слоя могут быть записаны в виде выражений [234, 235]:∂T1 (x, t)∂2 T1 (x, t)ρ1 с1= k1+ F1 (x),∂t∂x 2(5.18)∂T2 (x, t)∂2 T2 (x, t)ρ2 с2= k2+ F2 (x),∂t∂x 2(5.19)∂T3 (x, t)∂2 T3 (x, t)ρ1 с1= k1+ F3 (x),(5.20)∂t∂x 2где Ti – температуры (К), ρi – плотности (г/см3), ci – удельные теплоемкости(Дж/(г∙К)), ki – коэффициенты теплопроводности (Вт/(см∙К)) графита и сапфирасоответственно, Fi (x) – тепловые источники (результат поглощения излучения лазера) в каждом материале, x – координата, t – время воздействия лазером (с).Распределение плотности мощности светового потока I(x) в поглощающейсреде по глубине x характеризуется законом Бугера-Ламберта при нагревании ла232зерным излучением разных материалов и может быть представлено в дифференциальном виде [213]:dI(x)= −αI(x),dxгде α – коэффициент поглощения (см-1).(5.21)В видимом диапазоне длин волн (от инфракрасной до ультрафиолетовой области) для многих материалов свойственен высокий коэффициент поглощения, который можно рассматривать неизменным [215].
При этом изменение плотностисветового потока по глубине характеризуется интегральным законом БугераЛамберта (тепловой источник). Следовательно, при нагревании излучением лазераструктуры графит-сапфир-графит распределение плотности мощности световогопотока в поглощающей среде по глубине x можно найти с помощью следующихвыражений [215]:F1 = α1 (1 − R1 )I0 exp(−α1 x),F2 = α2 (1 − R 2 )(1 − R1 )I0 exp(−α2 (x − L1 )),F3 = α1 (1 − R1 )2 (1 − R 2 )I0 exp(−α1 (x − L2 − L1 )),(5.22)(5.23)(5.24)где I0 – плотность мощности падающего излучения лазера на поверхность структуры графит-сапфир-графит (Вт/см2), Ri – показатель отражения соответственно графита и сапфировой пластины.Допустим, что на границе верхнего слоя графита толщиной L1 и сапфировойпластины толщиной L2, а также нижнего слоя графита толщиной L3 и сапфировойпластины тепловой контакт идеальный, то есть температуры на границах пленок ипластины равны:T1 (x = L1 – 0, t) = T2 (x = L1 + 0, t),(5.25)T2 (x = L1 + L2 – 0, t) = T3 (x = L1 + L2 + 0, t),(5.26)и равны потоки тепла через границу:∂T1 (x = L1 − 0, t)∂T2 (x = L1 + 0, t)= k2,∂x∂x∂T2 (x = L1 + L2 − 0, t)∂T3 (x = L1 + L2 + 0, t)k2= k1.∂x∂xk1(5.27)(5.28)233Вид решения уравнений (5.18) – (5.20) характеризуется функцией, котораязависит от тепловых источников Fi (x) и величин теплофизических постоянных ρi,ci, ki, а однозначность решения описывается граничными условиями для каждойпоставленной задачи нагрева.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
