Физика/7. Оптика

Хило Н. А., Казак Н. С., Мухуров Н. И., Мащенко А. Г., Ропот П. И.

B.I. Stepanov Institute of Physics of NAS of Belarus, Minsk, 220072, Belarus

e-mail: n.khilo@dragon.bas-net.by

Обнаружение локальных неоднородностей теплофизических свойств тонких слоев методом динамической спекл- фотометрии

Измерение тепловых и тепломеханических характеристик нано-структурированных (НС) материалов может быть проведено с использованием двух существенно различных подходов. Первый подход основан на изучении фононного механизма возбуждения и переноса тепловой энергии с учетом конкретной микроструктуры материала. Микроструктурный подход в настоящее время реализуется с применением устройств микро- термального анализа (см., напр. [1-3]). Данные устройства представляют собой модификацию оптических микроскопов ближнего поля, в которых вместо светового излучателя используется тепловой источник. При этом может быть достигнуто пространственное разрешение менее 100 нм. Второй подход – макроскопический, основанный на использовании усредненных эффективных тепловых параметров, которые измеряются экспериментально. Известные оптические методы измерения коэффициента термической диффузии (КТД) материалов реализуют второй подход (см., напр. [4-7]). При этом временная динамика поля температуры в материале рассчитывается на основе уравнения теплопроводности. Достоинство подхода состоит в возможности оперативно измерять КТД, в том числе в процессе производства, что существенно для решения задач дефектоскопии и контроля качества.

Кроме измерения числовых значений тепловых характеристик НС- материалов актуальна задача выявления наличия в них дефектов, которые проявляются в виде значительных отклонений тепловых свойств от среднего значения. Данная задача носит более качественный характер и поэтому реализуется более простыми средствами и имеет более широкую область применения. В данной статье рассмотрен пример решения такой задачи, основанный на использовании спекл- фотометрического метода. Метод включает следующие этапы: 1) НС пленка из оксида алюминия (Al2O3) нагревается лазерным излучением, сфокусированным в точку или в линию; 2) исследуемый участок пленки, расположенный на расстоянии порядка 1 мм от нагревателя освещается зондирующим пучком He-Ne лазера. В отраженном свете наблюдается спекл поле; 3) в результате нагревания пленка расширяется и спекл-поле смещается; 4) изучается временная динамика смещения спеклов в зависимости от пространственной координаты. Рассчитывается некоторый характерный параметр, описывающий данную динамику и измеряется относительная величина данного вдоль поверхности пленки.

В экспериментах использовалась Al2O3- пленка толщиной около 60 мкм и регулярной системой нанопор размером ~ 50 нм. Пример спекл-поля, формируемого пленкой показан на рис. 1. Реальный размер изображения на рис. 1a равен примерно 1 мм. Глубина модуляции интенсивности в изображении близка к единице, что указывает на существенную в оптическом диапазоне мелкоструктурную неоднородность материала. В то же время, анализ непосредственно спекл- поля не позволяет выявить возможные макроскопические неоднородности свойств материала. Поэтому, как указано

(а)

(b)

Рис. 1. Спекл- изображение (а) и увеличенный фрагмент (b) поверхности пленки, полученное в отраженном световом поле.

 

выше, применялся метод временной модуляции спекл поля за счет нагревания пленки. Для количественного описания временной динамики использовалась корреляционная функция (СF) фрагментов изображения, отличающихся временным сдвигом. Корреляционная функция рассчитывалась по площади размером порядка 50 мкм. Далее, для удобства сравнения с термодинамической

Рис. 2. Временная зависимость оптической температуры в заданной точке поверхности. Нормированная функция температуры изменяется в пределах (0¸1). Масштаб по горизонтальной оси равен 2 мс/деление.

 

температурой, вводилась т.н. оптическая температура, т.е. функция , где x, y – декартовы координаты поверхности пленки, t – время. Типичная временная зависимость оптической температуры показана на рис. 2. В соответствии с определением CF, она указывает на степень отличия участка пленки до- и после его нагревания. Анализ функции  позволяет проводить оценку величины КТД материала (см. [7]). С другой стороны, указанным методом может быть получена мгновенная картина распределения оптической температуры по всей поверхности образца. Примеры таких двумерных картин показаны на рис. 3.

 

(a)

(b)

 

(c)

(d)

Рис. 3. Распределение оптической температуры по поверхности Al2O3- пленки.

 

Температурные профили 3a-d получены соответственно в моменты времени 30, 35, 40 и 45 ед. (см. рис. 1b). Красный цвет соответствует более нагретому участку. Размер поверхности, показанный на рисунке 3, равен примерно 180 мкм. Из приведенных рисунков видно, что Al2O3 – пленка имеет большое количество неоднородностей тепловых свойств, характерный масштаб которых ~ 20 микрон. Имеются также более крупномасштабные неоднородности, что видно, например, из отличия левого- нижнего участка поверхности и верхнего участка. Кроме того, имеются неоднородности двух типов: 1) вызывающие повышение температуры и 2) относительно слабо разогреваемые. Данные неоднородности вызваны, по-видимому, напряжениями в пленке а также примесями. Отметим также, что в исследованном образце отсутствуют крупные дефекты типа трещин и пор.

Таким образом, спекл- фотометрическая методика позволяет визуализировать и изучать временную и пространственную структуру неоднородностей и дефектов теплофизических свойств тонких слоев, что показано на примере нано- структурированных Al2O3 пленок.

Литература:

 

[1] P. Janus et al, Microelectr. Eng., 87, 1370, 2010.

[2] A. Hammiche et al, Rev. Sci. Instr., 67, 4268, 1996.

[3] D. M. Price1 et al, J. Thermal Analysis and Calorimetry, 56, 673, 1999.

[4] W.J. Parker, R. J. Jenkins et al, Appl. Phys., 32, 1679, 1961.

[2] R. L. McMasters, R. B. Dinwiddie, A. Haji-Sheikh. J. Thermophysics and heat transfer, 21, 681, 2007.

[3] A. Salazar, M. Gateshki et al. Anal. Science, 17, 95, 2001.

[4]. Anthony T.R., Banholzer W.F., Fleisher J.F., et al. Phys. Rev. B. 4, 1104, 1990.

[5] Fournier D., Plaman K. Diamond and Related Materials. 1995. Vol. 4.P. 809.

[6] Е.В. Ивакин, А.В. Суходолов и др, Квант. Электр., 32, 367, 2002.

[7] N. Mukhurov, A. Maschenko et al, Proc. SPIE, 8073, 80731Bб (2011).