РОЗДІЛ 2
МЕТОДИ ХАРАКТЕРИЗАЦІЇ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ МАТЕРІАЛІВ ТА ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ
УСТАНОВОК
2.1. Дослідження мікрорельєфу поверхні зразків методом атомно- силової
мікроскопії
Дослідження мікрорельєфу поверхні виконувались за допомогою атомно-силового
мікроскопу TopoMetrix SPM. Експерименти проводились у контактному режимі в
повітряній атмосфері. Параметри шорсткості обраховувались за допомогою програми
TopoMetrix SPMLab.
Основний принцип дії атомно-силового мікроскопу полягає у вимірюванні градієнту
сил взаємодії між зондом та поверхнею на відстанях від декількох до сотень
ангстрем (сили Ван-дер-Ваальса). Зондом є гостра голка висотою порядка
декількох мікрометрів, з радіусом закруглення кілька нанометрів, виготовлена із
нітріду кремнію за допомогою фотолітографії та травлення. Зонд закріплюється на
пружний підвіс (кантилевер), який при близькому контакті зі зразком вигинається
у вертикальному напрямку по/проти нормалі до поверхні зразка внаслідок
притягувальної чи відштовхувальної взаємодії, а величина деформації підвісу
пропорційна величині врівноважувальної пружної сили [53, 54]. Латеральні
(бокові) сили призводять до деформації кручення відносно рівноважного
положення. При рівновазі сили, що викликають згин та кручення, компенсуються
силами пружності кантилевера, які моделюються еквівалентними пружинами з
“нормальною” та “латеральною” жорсткістю. Коли змінюється рельєф поверхні
досліджуваного зразка, відповідно змінюється і положення кантилевера для
забезпечення сталості сили взаємодії між атомами поверхні та голки [55].
Для реєстрації зміщення підвісу використовується лазерний промінь, який падає
на підвіс і відбивається від його поверхні, малим зміщенням кантилевера
відповідають великі зміщення лазерного променя. Ці зміни фіксуються позиційно-
чутливим детектором- п’єзоелектричним елементом.
Після математичної обробки даних одержують кількісні характеристики шорсткості
[56]. Найбільш широковживаними з них є середньоквадратична висота шорсткості:
, (2.1)
де -середній профіль поверхні; а також середньоарифметичне відхилення профіля
поверхні
(2.2)
Також обраховують величину Rz- різницю між висотами самої високої та самої
низької точок поверхні, а також параметр Rm- максимальну висоту поверхні.
Даним методом досліджено мікрорельєф поверхні як плівок барвників із записаною
інформацією у вигляді пітів (дірок), так і стрічок аморфних сплавів.
2.2. Еліпсометричні методи характеризації поверхневого шару матеріалів
Найперспективнішими методами визначення оптичних властивостей металів та
сплавів є еліпсометричні методи, які базуються на вимірюванні характеристик
відбитого поляризованого світла від дзеркальної поверхні [57, 58]. Звичайно
вимірюють зсув фаз D між паралельною (p) та перпендикулярною (s) по відношенню
до площини падіння компонентами електричного поля Е відбитого поляризованого
світла, а також азимут Y відновленої лінійної поляризації. Залежно від задачі
ці еліпсометричні параметри визначають при багатьох кутах падіння світла j, але
на одній довжині хвилі l (багатокутова еліпсометрія - БКЕ), чи при багатьох
довжинах хвиль світла і при одному куті падіння (спектральна еліпсометрія -
СЕ).
Вимірювання кутових залежностей еліпсометричних параметрів здійснювались за
нульовою методикою на базі еліпсометру ЛЭФ-3М-1 [57] з робочою довжиною хвилі
l=632.8 нм та у діапазоні кутів падіння світла j від 720 до 820, оскільки
головний кут j0 для більшості досліджуваних металевих систем знаходиться у цих
межах. Це - стандартний еліпсометр, побудований за схемою PCSA: P-поляризатор,
C-компенсатор, S-поверхня зразка, що досліджується, A-аналізатор (рис.2.1).
Принцип реалізації нульового методу полягає в досягненні мінімальної
інтенсивності (гасінні) пучка світла на виході еліпсометру шляхом визначення
певних азимутальних положень його елементів.
Рис.2.1. Схема проведення еліпсометричного експерименту для багатьох кутів
падіння j за нульовою методикою PCSA. 1- гелій-неоновий лазер, 2-модулятор, 3-
чвертьхвильова пластинка, 4-поляризатор, 5-компенсатор, 6-предметний столик зі
зразком, 7-аналізатор, 8-дзеркальна діафрагма, 9-ФЕП, 10- матовий екран,
11-блок живлення лазера, 12-електронний блок, 13-індикатор.
Світловий пучок, що генерується джерелом випромінювання 1 (гелій-неоновий
лазер), модулюється за інтенсивністю модулятором 2 і потрапляє на першу
чвертьхвильову пластинку 3, котра створює циркулярну поляризацію пучка. Після
поляризатора 4 та компенсатора 5 на зразок 6 падає еліптично поляризоване
світло, з такими поляризаційними параметрами, що після відбивання від металевої
поверхні стає лінійно поляризованим і гаситься аналізатором 7.
Вимірюючи відповідним чином азимути поляризатора та аналізатора, які
відповідають мінімальному значенню інтенсивності лазерного випромінювання, що
пройшло через аналізатор 7 і через дзеркальну діафрагму 8 та потрапило на
детектор (фотоелектронний помножувач ФЕП-39А) 9, визначають еліпсометричні
параметри D та Y. Потім будують залежності D або cosD та Y або tgY від кута
падіння j, котрі мають характерний для поглинальної межі поділу вигляд. Із цих
залежностей визначають головний кут падіння j0, при якому D=p/2, і кут при
якому tgY має мінімум. При головному куті падіння досягається найбільша
точність визначення оптичних констант [43].
Так звані зони еліпсометричних вимірів визначають відносно положення “швидкої”
осі компенсатора [57]. Для сформульованих задач дослідження достатньо було
проведення вимірювань у двох зонах, які відповідають положенню компенсатора
С=С0+450. Еліпсометричні параметри D та Y визначатимуться наступними
співвідно
- Київ+380960830922