РОЗДІЛ 2
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ЛАЗЕРНОГО ОСАДЖЕННЯ ОКСИДНИХ КОНДЕНСАТІВ
Аналізу результатів експериментальних досліджень фазоутворення в оксидних
конденсатах передує спеціальний розгляд особливостей тонкоплівкового стану і
моделювання процесів лазерного напилення оксидних плівок.
2.1. Специфіка тонкоплівкового стану і особливості формування конденсатів,
отриманих методом швидкісного випаровування
У разі переходу до тонкоплівкового стану звичайні матеріали можуть набувати
унікальних властивостей, обумовлених вкрай малою товщиною плівки і великим
значенням відношення її поверхні до об’єму [1-5]. Відомо, що при зменшенні
розмірів зразка матеріалу настає момент, коли якийсь його розмір, істотний для
конкретного фізичного явища, досягає певного характеристичного значення, що
залежить від природи зазначеного явища. Перетворення масивного зразка у тонку
плівку спричиняє у ряді випадків зміну структури матеріалу або принципово інший
перебіг певних явищ [2]. Зокрема, у таких металах як W, Mo, Nb перехід від
масивних зразків до тонких плівок супроводжується зміною об’ємно-центрованої
кубічної гратки (в-фази) на гранецентровану (б-фазу). Можна згадати і про
гальваномагнітні розмірні ефекти у плівках твердих тіл, а також ефекти зміни
властивостей у плівках надпровідних матеріалів. Висновок про певну специфіку
тонкоплівкового стану зроблено нами на підставі загальних міркувань [113]. Як
відомо, поверхня твердого тіла є по суті макродефектом його обўємної структури,
що обумовлений розривом хімічних звўязків граничних атомів (іонів) і появою
нескомпенсованих вільних валентностей, виникненням численних точкових, лінійних
і планарних дефектів, порушенням стехіометрії структуроутворюючих атомів і
періодичності потенціалу кристалічної гратки в поверхневому шарі оксиду,
утворенням термінальних функціональних груп, міграцією домішок тощо. Внаслідок
неможливості стрибкоподібного переходу від періодичної обўємної структури
кристалу до дефектного поверхневого шару без певних структурних наслідків слід
очікувати аморфізації поверхневої області, що спричинятиме істотну відмінність
деяких властивостей граничних шарів порівняно з обўємними. Зазначена
аморфізація дійсно виявлена експериментально (у кварці, наприклад, товщина
аморфного прошарку складає ~ 10 нм [114]). У тонких плівках структурні наслідки
їхнього утворення, мабуть, найбільш відчутні, оскільки в цьому випадку
незначний обўємний шар обмежений зовнішніми поверхнями з двох боків і зазнає
істотного збурення. З цього випливає доцільність окремого розгляду
тонкоплівкового стану твердого тіла.
Специфічною особливістю тонких плівок є існування в них значних внутрішніх
напружень, гранично високих у випадку парофазного їх одержання [2-4]. Якщо при
осадженні конденсату реалізується механізм пара ® рідина ® кристал, то в плівці
виникатимуть зони стиснення і розтягання [5]. Характерною властивістю таких
конденсатів є анізотропія внутрішніх мікронапружень. Вздовж напрямку падіння
парового потоку (в нашому випадку нормально до поверхні підкладки)
мікронапруження в кілька разів більші, ніж в перпендикулярному напрямі. З
підвищенням температури підкладки зазначена анізотропія має слабнути, хоча й
надалі може залишатися доволі відчутною і при високих температурах підкладки,
але істотно менших від температури плавлення напилюваного матеріалу. Окрім
мікронапружень в осаджуваних на підкладці плівках виникають значні
макронапруження (стискаючі або розтягуючі), повўязані з різними коефіцієнтами
термічного розширення матеріалів плівки та підкладки. Рівень таких напружень
може бути дуже високим. Наприклад, у випадку плівок нікелю на алюмінієвій
підкладці в залежності від температури осадження конденсатів у вакуумі
зазначені макронапруження при порівняно невеликій різниці коефіцієнтів
термічного розширення зазначених металів можуть сягати значень, що відповідають
внутрішнім тискам порядку 0,5 - 1,0 ГПа [5]. Набагато більших значень
внутрішнього тиску (можливо, понад порядок відносно попередніх величин) слід
очікувати при нанесенні оксиду на металеву підкладку (у нашому випадку на
молібденову фольгу). Цілком природно, що структурні наслідки внутрішніх мікро-
і макронапружень можуть бути дуже відчутними. Ці специфічні особливості
формування конденсатів, осаджуваних з парової фази на підкладці з регульованю
температурою необхідно враховувати при розгляді структурних перетворень в
оксидних плівках.
Додаткової специфіки набувають плівки, одержувані лазерним напиленням
індивідуальних оксидів або їх композицій, через вкрай динамічнні режими
формування в умовах дуже великої різниці температур парового потоку оксидних
частинок і підкладки, на якій вони конденсуються. Очевидний дефіцит
систематичних даних щодо процесів утворення та еволюції лазерних оксидних
конденсатів робить доцільним теоретичне моделювання таких процесів.
2.2. Моделювання процесів лазерного осадження оксидних конденсатів
Детальна інформація про перебіг процесів при лазерному одержанні тонких плівок
в літературі відсутня. Тому в основу моделювання зазначених процесів нами
покладено метод непрямої ідентифікації моделей за кінцевими результатами
осадження та їх залежністю від умов його реалізації.
Одержання лазерних конденсатів можна поділити на ряд послідовних стадій.
Насамперед це стадія опромінювання мішені, в якій об'єктом моделювання є
матеріал мішені до моменту його випаровування. Потім це стадія переносу
випаровуваного матеріалу до поверхні підкладки. Наступною стадією є стадія
конденсації парового потоку на підкладці. Остання стадія по
- Київ+380960830922