Диссертация (1145326), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Однимиз этих свойств является эффективное поглощение электромагнитных волн в СВЧ диапазоне, что позволяет рассматривать гранулированные структуры в качестве перспективных материалов для изготовления тонких широкополосных поглощающих покрытий.Большие величины поглощения электромагнитных волн определены большими значениями диэлектрических и магнитных потерь в гранулированных структурах. Магнитныепотери обусловлены быстрой релаксацией спина наночастиц, которая происходит благодаря спин-поляризационному механизму релаксации [94,121,229]. Диэлектрические потерив гранулированных структурах в области порога перколяции определяются поляризациейэлектронов на кластерных электронных состояниях. Эти состояния формируются s-, pэлектронами внешних оболочек атомов металлов в наночастицах и электронами локализованных состояний дефектов и примесей в межчастичных областях в матрице [94,169,170].Большие значения размера локализации кластерных электронных состояний дают большие величины действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости.
На величины диэлектрической и магнитной проницаемостей гранулированной структуры существенное влияние оказывают также технология напыления и свойства подложки.Одним из перспективных материалов является гранулированная структура углерода с наночастицами кобальта, на котором возможно проведение исследований магнитныхсвойств, особенностей магнитосопротивления, механизма проводимости и микроволновогопоглощения, присущее всем гранулированным структурам [94, 189, 230–232]. В настоящемразделе рассматриваются микроволновые свойства гранулированных структур и задачаразработки легкого и тонкого радиопоглощающего материала.
За основу взят аморфныйгидрогенизированный углерод a-C:H(Co) с наночастицами кобальта. Исследованы потериэлектромагнитного излучения в гранулированных структурах аморфного гидрогенизированного углерода a-C:H(Co), содержащих наночастицы кобальта и напыленных на поликоровые и кевларовые подложки. Материал данного раздела опирается на ряд работ поисследованию пленок a-C:H(Co), проведенных ранее [94,121, 169,229, 232–248].
Гранулированные структуры a-C:H(Co) исследовались в областях ниже перколяционного порога ив области порога перколяции в случае, когда матрица a-C:H находилась в изолирующемсостоянии. Представленные в работе результаты подтверждают, что экспериментальныезависимости могут быть объяснены в терминах модели кластерных электронных состояний и спин-поляризационного релаксационного механизма. На основе проведенных исследований изготовлены многослойные тонкие широкополосные поглощающие покрытия,252[NHCONHCO]nРис.
5.25: Химическая структура арамидных волокон кевларовой ткани.содержащие слои a-C:H(Co), с поглощением не менее 10 dB падающего электромагнитного излучения в диапазоне частот 8 - 80 GHz [248]. На разработанные радиопоглощающиепокрытия получены патенты [250, 251].5.5.1Выращивание гранулированных структур a-C:H(Co)Технология получения радиопоглощающего материала аморфного гидрогенизированного углерода с включениями наночастиц кобальта a-C:H(Co) были выполнены на установке магнетронного распыления. Магнетронное распыление, по сравнению с другимиметодами нанесения пленок, обладает рядом достоинств, основными из которых являются высокая скорость роста пленок, их хорошая адгезия и незначительное загрязнениепосторонними газовыми включениями, низкая температура нагрева подложек, возможность распыления как проводников, так и диэлектриков и получения сверхтонких пленок с малыми радиационными дефектами, безинерционность процесса.
Пленки a-C:H(Co)были выращены на поликоровых подложках и на кевларовой ткани (Рис. 5.25) методоммагнетронного сораспыления графитовой и кобальтовой мишеней на постоянном токе варгон-водородной плазме (80 % Ar и 20 % H2 ). Изменение концентрации вводимого в углеродные пленки кобальта осуществлялось за счет изменения соотношения площадей кобальтовой и графитовой мишеней.
Пленки осаждались на подложки, нагретые до 200◦ C. Враспылительной камере предварительно создавался базовый вакуум 1 µTorr. Осаждениепленок производилось в потоке рабочего газа при давлении 10 mTorr и плотности ионноготока 0.1 A/cm2 . Скорость роста пленок зависела от концентрации вводимого кобальта исоставляла 1.4 - 3.0 nm/min.Состав пленок был определен ядерно-физическими методами элементного анализа назаряженных частицах.
Атомное отношение кобальта к углероду определено из спектровобратного резерфордовского рассеяния протонов при Ep = 1 MeV. Пленки содержаликислород и примеси азота. Их концентрации определялись методом ядерных реакций сдейтронами при Ed = 1 MeV:16O(d,p)17 O,14N(d,p)15 N и12C(d,p)13 C [130]. Исходя из по-лученных данных, находилось отношение x числа атомов кобальта к общему количествуатомов, определенных методами элементного анализа.
Для исследованных пленок значения x лежали в диапазоне от 20 at.% до 61 at.% и соответствовали структуре, находящейся ниже перколяционного порога и в области порога перколяции. Размер частиц кобальта253определялся методом малоуглового рентгеновского рассеяния и с помощью электронноймикроскопии.Пленки a-C:H(Co) на поликоровых подложках имели толщины, лежащие в диапазоне0.64 - 0.81 µm. Средний размер частиц Co увеличивался при увеличении значений x: от2.2 nm при x = 20 at.% до 3.5 nm при x = 61 at.% [169]. Ансамбль ферромагнитных частицкобальта находился в суперпарамагнитном состоянии.Пленки a-C:H(Co), напыленные на высокомодульную арамидную ткань типа СВМ(кевлар), позволили получить покрытия, обладающие высокой прочностью и гибкостью.Микроструктура полученных пленок a-C:H(Co) на арамидных волокнах исследоваласьпри помощи электронного микроскопа JSM-35 (Рис.
5.26) и с помощью электронного микроскопа Vega / LMU фирмы TESCAN. Величина каплеобразных кластеров Co варьировалась от 80 до 800 nm. Для контроля толщины пленок a-C:H(Co) на арамидных волокнахв процессе напыления покрытий одновременно осаждались пленки на стеклянные подложки. Используя пленки на стеклянных подложках, было найдено, что средняя толщинаполученных покрытий a-C:H(Co) на арамидных волокнах составляла 0.85 - 2.1µm. C помощью электронной микроскопии найдено, что покрытие, напыленное на арамидное волокнокевлара, имело неравномерную толщину. На Рис. 5.27 показано (a) SE изображение, полученное при 3 kV среза нити с помощью ионного пучка в PECS Slope cutting tool (фирмаGatan, USA), (b) SE изображение при 10 kV на электронном микроскопе Vega / LMUфирмы TESCAN и (c) изображение при 20 kV.5.5.2Поглощение электромагнитных мод на микрополосковой линииПоглощение электромагнитных мод исследовалось на незамкнутой микрополосковойлинии с волновым сопротивлением 50 Ω (Рис.
5.28) в частотном диапазоне 2 - 18 GHz.Ширина микрополосковой линии составляла 1 mm. В выбранном частотном диапазоневдоль микрополоска распространялась одна мода, т.е. реализовывался одномодовый режим. В экспериментах измерялось поглощение электромагнитной моды на образцах спродольным размером d = 10 mm. Образцы пленок a-C:H(Co) на поликоровых подложкахприкладывались к микрополосковой линии таким образом, чтобы пленка a-C:H(Co) имела непосредственный контакт с микрополоском. В случае покрытий a-C:H(Co) на кевларедля увеличения точности измерений к микрополоску прикладывалось 4 слоя покрытия.Для нахождения потерь электромагнитной моды измерялись амплитуды падающей и отраженной волн.
Величина потерь в dB определялась формулой½¾WRP = −10 lg,Wгде W , WR – мощности падающей и отраженной волн, соответственно.254(5.21)a.b.Рис. 5.26: Покрытие толщиной 1.2 µm на основе структуры a-C:H(Co), напыленное накевлар. Концентрация Co x = 60 at.%. При увеличении: (a) в 40 раз, (b) в 6000 раз.255a.c.b.Рис. 5.27: Покрытие a-C:H(Co), напыленное на арамидном волокне кевлара. (a) SE изображение, полученное при 3 kV среза нити с помощью ионного пучка в PECS Slope cuttingtool, (b) SE изображение при 10 kV и (c) изображение при 20 kV.substratea-C:H(Co)inoutdРис. 5.28: Измерительная ячейка с незамкнутой микрополосковой линией с образцом покрытия a-C:H(Co).256На основе проведенных измерений было найдено, что покрытия a-C:H(Co), напыленные на поликор, обладают большими значениями электромагнитного поглощения P , чемпокрытия с теми же самыми концентрациями кобальта, напыленные на кевлар (Рис.
5.29).В силу того, что была обнаружена анизотропия поглощающих свойств покрытий, образцыa-C:H(Co) прикладывались к измерительной ячейке таким образом, чтобы наблюдалисьмаксимальные значения потерь. Разница между потерями электромагнитной моды в покрытиях a-C:H(Co) на поликоре и потерями в покрытиях a-C:H(Co) на кевларе при тех жесамых толщинах и концентрациях кобальта может быть объяснена более высокими значениями действительной ε0 и мнимой ε00 частей диэлектрической проницаемости пленок,напыленных на поликор, разными значениями спин-поляризационной релаксации и разными величинами удельной проводимости.
Значения ε0 , ε00 прямо пропорциональны размерам локализации кластерных электронных состояний (раздел 4.4 и [94,169,170]). Кластерные электронные состояния (5.1) формируются волновыми функциями s-, p-электроноввнешних оболочек атомов Co в частицах вблизи уровня Ферми и электронами локализованных состояний дефектов и примесей в межчастичных областях в матрице. В областипорога перколяции размеры локализации кластерных электронных состояний становятсябесконечными, что приводит к резкому увеличению диэлектрических потерь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
