УДК 538.221
МИКРОВОЛНОВАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
А.И. Спольник, д-р физ.-мат. наук,
профессор, В.Г. Власенко, кандидат физ.-мат. наук, доцент, И.В. Волчок,
кандидат физ.-мат. наук, доцент,
Л.М. Калиберда, доцент, М.А. Чегорян,
кандидат физ.-мат. наук, доцент
(Харьковский национальный технический
университет
сельского хозяйства им. П. Василенко)
Представлены результаты экспериментальных исследований применимости
ферромагнитного и парамагнитного резонансов для оценки качества поверхности.
Показано, что эти методы могут быть использованы как экспресс-контроль
шероховатости поверхности различных материалов
Развитие атомной энергетики и радиационных технологий, реализация проекта создания термоядерного реактора невозможны без создания материалов с высокой радиационной и коррозионной стойкостью, которая в значительной степени определяется свойствами их поверхности. Это обусловливает возросший интерес, как к физике поверхностных явлений, так и к методам их исследований. Для диагностики состояния поверхности материалов, подвергнутых различным радиационным воздействиям, наиболее часто используются оптические методы: рефлектометрия, микроинтерферометрия, эллипсометрия, растровая микроскопия. Существенным преимуществом этих методов является бесконтактность и неразрушаемость контролируемых образцов. Однако, как известно, разрешающая способность оптических методов ограничена дифракцией световых волн.
В настоящей работе предлагается для контроля и исследования структурных изменений поверхности ферромагнитных металлов и сплавов использовать ферромагнитный резонанс (ФМР). Высокая чувствительность параметров ФМР к состоянию поверхности позволяет обнаруживать начальные стадии процессов, приводящих к изменению её микрорельефа. Это обстоятельство является принципиально важным при решении задач, связанных с безопасной эксплуатацией реакторов.
Для расширения возможностей оценки шероховатости поверхностей любых материалов в работе предлагается использовать парамагнитные реплики с поверхности исследуемого материала. Измерение интенсивности линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) на этих репликах показали прямопропорциональную зависимость между интенсивностью линии и шероховатостью поверхности материалов.
1. Методика эксперимента
Методика проведения резонансных измерений на металлических образцах имеет одно принципиально важное отличие от аналогичных измерений на диэлектрических образцах. Дело в том, что из-за высокой проводимости металлов при помещении образца в резонатор спектрометра в последнем возникают возмущения СВЧ поля, приводящие к искажению резонансной кривой. Чтобы избежать таких искажений, металлический образец необходимо помещать за пределы резонатора. В наших экспериментах образец прижимался к открытому торцу прямоугольного резонатора, являясь одновременно стенкой резонатора. Настройка резонатора на рабочую частоту производилась с помощью изменения частоты СВЧ поля генератора. При таком расположении образца электрическое поле на его поверхности практически отсутствует, а магнитное СВЧ поле – максимально. Для регистрации сигнала использовался метод модуляции статического магнитного поля, при котором регистрируется производная линии резонансного поглощения, а ширина резонансной кривой определяется как расстояние между экстремальными точками этой производной. Погрешность измерений не превышала 5 %.
Для исследования влияния коррозии на микрорельеф поверхности использовался резонатор с дополнительной системой газовой циркуляции внутри него. Такая система позволяет проводить измерения в различных газовых средах. Устройство, прижимающее образец к резонатору, являлось одновременно теплопроводом, по которому тепло от нагревателя передавалось образцу. Такая система позволяла проводить непрерывную регистрацию линии резонансного поглощения в процессе нагрева образца в агрессивной среде, которой в нашем случае являлся воздух. В качестве материала исследования использовался поликристаллический никель.
Радиационное
воздействие на микрорельеф поверхности осуществлялось бомбардировкой образцов
никеля ионами гелия с энергией 20 кэВ в ионном ускорителе. Диапазон дозы
облучения 1,0∙1016...1,0∙ 1018 ион∙см-2.
Для проверки достоверности результатов, полученных с помощью метода ФМР, параллельно с резонансными проводились оптические и рентгенографические исследования поверхности образцов.
2. Результаты и их
обсуждение
На рис. 1 приведена зависимость ширины линии ФМР 
от времени окисления
образцов никеля. Для анализа этой зависимости величину 
можно представить в виде суммы:
, (1)
где, 
- ширина линии в исходном образце, а 
– уширение линии, связанное с коррозией образца.
При взаимодействии с кислородом воздуха на никеле
возникает пленка окисла NiO,
который представляет полупроводниковое соединение не экранирующее СВЧ поле.
Наличие окисной пленки может приводить к закреплению спинов на поверхности
образца и уширять линию ФМР, но это уширение не зависит от времени. Коррозия
поверхности приводит к изменению микрорельефа поверхности, проявляющееся в
нарушении её зеркальности (появляются геометрические дефекты на поверхности).
Отметим, что оптические методы в течение первых 50 мин окисления не отмечали
изменений микрорельефа поверхности. Аппроксимация экспериментальных данных с
помощью алгоритма Нельдера-Мида, минимизирующего нелинейную функцию нескольких
переменных, привела к следующей зависимости 
:
, (2)
где С и k – постоянные,
определяемые экспериментально.
Как видно из
рис. 1, функция 2 (сплошная кривая) с подгоночными параметрами С =1285,1Э и k=0,0169 с-1 удовлетворительно
описывает экспериментальную зависимость. Вполне обоснованно можно считать, что
в соответствии с зависимостью (2) происходит процесс перестройки микрорельефа
поверхности, а производная этой зависимости по времени определяет скорость
коррозии никеля в атмосфере воздуха при Т = 2800С.
Так как методика
ФМР связана с использованием СВЧ поля, то покрытия (лаки, краски и т.п.) на
поверхности образцов не являются препятствием для получения информации о ширине
линии ФМР и дальнейшей её обработки. Это является ещё одним достоинством метода
ФМР.
Результаты
измерений ширины линии 
в зависимости от
времени облучения 
представлены на рис.
2. Обработка этой зависимости 
показала, что до 
с справедлив закон
, (3)
где 
– ширина линии в
исходном образце, а 
– некоторая постоянная.
Для
объяснения такой зависимости необходимо проанализировать возможные причины уширения
линии в процессе облучения. Можно назвать три возможные причины: дислокационное
уширение 
, т.е. уширение резонансной линии, связанное с увеличением
плотности дислокаций при облучении, уширение 
вследствие
образования пузырьков гелия в никеле при облучении и уширение 
за счет эрозии
поверхности образцов при ионной бомбардировке. Природа 
и 
в металлах достаточно
хорошо изучена (см., например, [1-3]) и, таким образом, можно
оценить вклад этих механизмов в наблюдаемую зависимость 
.
Данные
рентгеноструктурного анализа свидетельствуют об образовании и увеличении плотности
дислокационных петель в процессе бомбардировки образцов никеля ионами Не+. Оценка величины 
с использованием
результатов работы [1] и данных рентгеноструктурного
анализа показывает, что этот механизм уширения линии ФМР при облучении не может
объяснить наблюдаемую зависимость 
от времени облучения
из-за недостаточно большой плотности образующихся дислокаций. Вклад 
также незначителен,
так как малы размеры образующихся пузырьков гелия и их объемная концентрация.
Остается предположить, что основной причиной наблюдаемого поведения
ширины линии ФМР при облучении никеля ионами гелия являются процессы
структурной перестройки микрорельефа поверхности образцов, при которых
нарушается её зеркальность. Из рис. 2 видно, что после бомбардировки никеля в
течение 1500 с закономерность 
накопления нарушений
поверхности изменяется: начиная с 
с, кривая 
выходит на насыщение,
что можно объяснить стабилизацией процесса образования дефектов поверхности при
облучении, при котором искажение зеркальности происходит не за счет образования
новых дефектов, а за счет увеличения размеров уже имеющихся. На этих стадиях
облучения искажения поверхности, возникающие под действием ионного облучения,
диагностируются с помощью оптических методов.
Основываясь на результатах проведенных исследований, можно утверждать, что метод ФМР позволяет обнаруживать начальные стадии деградации поверхности ферромагнитных металлов и сплавов под действием коррозии и ионной бомбардировки, а экспрессность резонансных измерений и их чувствительность к структурным дефектам твердых тел делают метод ФМР в ряде случаев более привлекательным и информативным, чем оптические методы.
3.
Использование метода ЭПР
Для расширения применимости
микроволновой спектроскопии как метода оценки качества поверхностей на любые
материалы (не только ферромагнитные) в работе предложен и апробирован новый
метод, названный нами методом парамагнитных реплик. Этот метод заключается в
нанесении мелкодисперсного парамагнитного порошка на наклонно расположенную
испытуемую поверхность, последующего снятия остатков порошка липкой лентой.
Полученная таким образом парамагнитная реплика поверхности образца помещается в
микроволновый спектрометр и регистрируется интенсивность сигнала ЭПР. Интенсивность сигнала ЭПР 
пропорциональна массе
частиц парамагнитного порошка , находящегося на липкой ленте, масса в свою
очередь прямо пропорциональна шероховатости поверхности: 
, где 
- коэффициент пропорциональности, зависящий от размера и
парамагнитных свойств частиц порошка, 
- высота неровностей профиля. В работе в качестве
парамагнитного порошка использовался парамагнетик 
, измельченный до среднего размера частиц 1 мкм. Эксперименты по определению зависимости
интенсивности сигнала ЭПР от класса чистоты поверхности показали, что вплоть до
9 класса чистоты (
1,6 мкм) наблюдается линейная зависимость 
. Сигналы ЭПР от реплик
с поверхностей более высоких классов чистоты в пределах погрешности
измерений не отличались. Это связано с тем, что размеры неровностей,
соответствующие более высоким классам чистоты, меньше размеров частиц порошка и
не препятствуют скатыванию последних с наклонной поверхности.
Подбором размера частиц порошка и его парамагнитных свойств можно добиться высокой чувствительности такого метода, а быстрота измерения ЭПР делает его экспрессным.
Таким образом, методы ФМР и ЭПР дополняют друг друга и, используя один и тот же микроволновой спектрометр, можно быстро оценивать чистоту поверхностей любых материалов.
Список
литературы
1.
Ахиезер
А.И. К теории уширения линии ферромагнитного резонанса дислокациями / Ахиезер
А.И., В.В. Ганн, А.И. Спольник// ФТТ.– 1975.–Т.17, вып. 8.– С. 2340-2346.
2.
Белозеров
Д.П. Рассеяние однородной прецессии намагниченности на порах / Д.П. Белозеров,
А.И. Спольник // УФЖ.– 1977. – Т.22, вып. 10 – С. 1632-1657.
3.
Спольник
А.И. Особенности уширения линии ферромагнитного резонанса объемными дефектами в
металлах/А.И. Спольник, Л.М. Калиберда, М.А. Чегорян // УФЖ. – 1989. Т. 34,
вып. 5. – С. 764-769.