Obsah ZPRAVODAJ ČVS 17 (2) ZPRAVODAJ ČVS 17 (2)

ZPRAVODAJ ČVS 17 (2) 2009

44

● volitelný „booster“ port zvyšuje čerpací rychlost primární vývěvy ● výhodné použití v kombinaci s membrá-novými vývěvami, zvláště při čerpání vodíku


1

Obsah Texty přednášek pro LŠVT 2009 Magnetické vlastnosti ultratenkých vrstev a struktur..........................................................2 Nanogranulární magnetické vrstvy pro senzorové a vysokofrekvenční aplikace................7 Optika tenkých vrstev.......................................................................................................11 Využití tenkých vrstev a mikro-nanostruktur v plazmonice .............................................13 Mechanické vlastnosti tenkých otěruvzdorných vrstev a jejich měření.............................18 Měření vybraných mechanických vlastností tenkých vrstev.............................................28

Obr. 2: Schéma typického zapojení čerpacího systému s vývěvou EXT406PX

Iontová mikrosonda- základy měření na iontových svazcích............................................34 Konfokální mikroskopie v analýze tenkých vrstev a povrchů...........................................38

Firma Edwards je největším světovým výrobcem turbomolekulárních vývěv. V jejím portfoliu jsou vývěvy s čerpacími rychlostmi od 60 do 4500 l/s, s konvenčními ložisky i s magnetickým závěsem, plně turbomolekulární vývěvy pro dosažení ultra-vysokého vakua, kombinované vývěvy s Holweckovým stupněm pro vysoký proud čerpaných plynů a nově vývěvy EXTPX s hydrodynamickým regenerativním stupněm pro extrémně vysokou toleranci k předvakuu.

Čerpací rychlost pro N2 DN100 / DN160 Čerpací rychlost volitelného portu “booster” s primární vývěvou E2M28 s primární vývěvou RV12 s primární vývěvou XDS10 s primární vývěvou RV8 s primární vývěvou RV5 s primární vývěvou RV3

310 / 400 l/s

Tabulka 1: Základní parametry vývěvy EXT406PX

34 27 24 24 16 10

m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h

Inzerenti v tomto čísle: Vakuum Servis Pfeiffer Vacuum

2. strana obálky 4. strana obálky

Redakční rada Zpravodaje ČVS: Pavel Drašar ([email protected]) Ladislav Peksa ([email protected]) Karel Bok ([email protected]) Jiří Drbohlav ([email protected]) Zpravodaj České vakuové společnosti je občasník, který pro své členy k dokumentačním a propagačním účelům vydává Česká vakuová společnost v Praze. ISSN 1213-2705. Zpravodaj je evidován jako periodikum u MK ČR pod evidenčním číslem MK ČR E 11156. Sekretariát ČVS: Hana Kacafírková V Holešovičkách 2 180 00 Praha 8, Tel. 221 912 321, Fax 284 685 095, e-mail [email protected], URL: http://www.vakspol.cz. IČO 61381811


2

Magnetické vlastnosti ultratenkých vrstev a struktur Michal Urbánek Bude podán výklad problematiky přípravy i měření magnetických vlastností ultratenkých vrstev a struktur. První část se zaměří na ultratenké vrstvy (a jejich multivrstvy) připravené ponejvíce metodou iontového naprašování (Co, Co/Cu/NioFe, aj.), kde budou diskutovány metody měření jejich magnetických vlastností, včetně magnetovodivosti (např. magnetooptický Kerrův jev, GMR), jakož i dosažené výsledky. V další části budou popsány metody tvorby mikro a nanosegmentů z uvedených vrstev využitím fokusovaného iontového svazku (FIB) a měření jejich magnetických vlastností pomocí magnetické silové rastrovací mikroskopie (MFM) a fotoelektronové mikroskopie (PEEM) využívající magnetického kruhového dichroismu.


43

Nová hybridní turbomolekulární vývěva Edwards EXT406PX Iva Jungwirthová Firma Edwards uvedla na trh novou hybridní turbomolekulární vývěvu. Její čerpací mechanismus sestává z unikátního spojení turbomolekulárního a Holweckova stupně spolu s hydrodynamickým regenerativním stupněm. Tato inovace zajišťuje možnost čerpání vysokého proudu plynů při vysokém tlaku na výstupu. V aplikacích to umožňuje snížení nákladů na pořízení vakuového čerpacího systému, neboť lze použít primární vývěvu s nižší čerpací rychlostí event. vyšším mezním tlakem. 450l/s Turbo

Spintronika

Integrace magnetických zařízení do současných počítačových technologií započala v roce 1988 objevem "obří" magnetorezistivity (GMR) skupinami A. Ferta a P. Grünberga. Při těchto objevech bylo pozorováno, že rezistivita magnetických multivrstev Fe/Cr se mění v závislosti na tom, zda jsou sousední vrstvy magnetovány souhlasně či nesouhlasně. Ačkoliv první objevy byly z technologického hlediska nezajímavé pro nutnost práce při nízkých teplotách a velkých magnetických polích, další objevy rychle následovaly a první GMR zařízení (spin-valve) bylo rychle uvedeno do reálného využití. Princip zařízení spinvalve spočívá v kombinaci magneticky měkké tenké vrstvy (tzv. volná vrstva) oddělené nemagnetickou vrstvou od druhé, magneticky tvrdší vrstvy (tzv. ukotvená vrstva). Magneticky měkká vrstva mění magnetizaci v závislosti na vnějším magnetickém poli, které ovšem není dostatečně silné na to, aby změnilo magnetizaci ukotvené vrstvy. Jako magneticky měkké vrstvy se nejběžněji používá Permalloy (NiFe), nemagnetická mezivrstva bývá nejčastěji z Cu a ukotvená vrstva může být buď Permalloy „ukotvená“ pomocí antiferomagnetické výměnné interakce [2] k antiferomagnetu (např. FeMn) nebo vrstva s větší koercitivitiou než Permalloy (např. Co). „Spin-valve“ senzory jsou nyní běžně používány ve čtecích hlavách pevných disků, jejich nasazení umožnilo razantní zvýšení hustoty záznamu. Další využití nachází jako senzory k měření magnetického pole Země, senzory k měření proudu, senzory polohy a galvanické izolátory. Tunelovací magnetorezistivita (TMR) je závislost tunelovacího proudu izolační mezivrstvou mezi dvěma magnetickými vrstvami na vzájemné magnetizaci těchto dvou magnetických vrstev. V současné době firmy jako Motorola a IBM vynakládají velké úsilí do vývoje pamětí MRAM využívajících právě jevu TMR. Pamětem MRAM je předpovídána velká budoucnost jako náhrada současných typů pamětí DRAM (vyžadují průběžné obnovování) a FLASH (nehodí se pro využití jako operační paměť počítače, neboť mají omezený počet zápisů) [3].

Capacity

Holweck

Magnetické tenké vrstvy a magnetická zařízení hrají velkou roli v nových technologiích přidávajících k elektrickému náboji další stupeň volnosti - spin elektronu. Pro tento obor se již vžil název spintronika [1]. Zařízení využívající spinu elektronu mají potenciál dosáhnout vyšších rychlostí, vyšších záznamových hustot, nižší spotřeby elektrické energie a zachování dat bez přívodu elektrického proudu.

Regenerative

Molecular Molecular

Transitional Transitional

Viscous Viscous

Pressure

10 Torr

Obr.1: Jedotlivé stupně vývěvy EXT406PX v závislosti na čerpací rychlosti/tlaku. Turbomolekulární stupeň vývěvy pracuje v molekulárním režimu, jeho čerpací kapacita je 450 l/s. Efektivní čerpací rychlosti viz tabulka 1. Holweckův stupeň pracuje v přechodovém režimu. Jeho použití je u dnešních vývěv velmi rozšířené pro lepší toleranci vůči vyšším tlakům na výstupu nebo pro čerpání vysokých proudů plynu. Regenerativní stupeň vývěvy pracující ve viskózním režimu ještě dále zvyšuje toleranci vůči vyšším tlakům na výstupu, přičemž nedochází ke snižování kapacity čerpaných plynů na vstupu (throuhput). Dalším inovativním prvkem je čerpací port „booster“. Při jeho vhodném zapojení do vakuového čerpacího systému lze použít primární vývěvu s výrazně menší kapacitou a dosahovat přitom čerpacích rychlostí až 34 m3/h. Výraznými výhodami použití vývěvy EXT406PX jsou: ● možnost použití primární vývěvy s nižší čerpací rychlostí při zachování požadované doby evakuace systému ve srovnání se standardními turbomolekulárními vývěvami ● vývěvu lze provozovat při vysokém tlaku na výstupu, např. 8 mbar, a zároveň při zátěži na vstupu, např. až 2x10-3 mbar ● při běžném provozu je možno zvýšit tlak na výstupu na 17 mbar

ZPRAVODAJ ČVS 17 (2) 2009 •

pro měření geometrie vpichu mechanických vlastností vrstev

Optický mikroskop

42 nebo vrypu

použivaných

při

stanovení

Konfokální mikroskop


3

Nové možnosti vývoje spintronických zařízení přináší možnost změny magnetizace spinově polarizovaným proudem, teoreticky předpověděná v roce 1996 a experimentálně ověřená v roce 2000. V konvenčních pamětech MRAM je přepínání volné vrstvy zajištěno pomocí magnetického pole generovaného proudem z okolního vodiče, zatímco v SMT-MRAM je využito spinově polarizovaného proudu k přepnutí volné vrstvy (SMT - Spin Momentum Transfer). Využití tohoto jevu v budoucích pamětech umožní mnohonásobné snížení energetické náročnosti, zvýšení hustoty záznamu a zvýšení rychlosti zápisu oproti konvenčním pamětem MRAM [3]. Dalším možným směrem dalšího vývoje je ukládání informací pomocí přítomnosti či absence doménové stěny v lineárním poli doménových stěn uložených ve smyčce z magnetického nanovlákna. Tyto doménové stěny je možné posunovat pomocí magnetického pole nebo pomocí spinově polarizovaného proudu. Zápis by mohl být proveden například pomocí velkého pole doménové stěny pohybující se v blízkosti této smyčky, čtení dat by mohlo probíhat pomocí GMR nebo TMR senzoru [4]. Doménové stěny v magnetických nanovláknech umožňují nejen ukládání informací, ale je s nimi možné také provádět logické operace [5]. Taková zařízení mají velký potenciál v robustnosti, energetické nenáročnosti a schopnosti uchovat aktuální stav pamětí i logických elementů bez vnějšího zdroje energie. Příprava magnetických tenkých vrstev Magnetické tenké vrstvy a multivrstvy tvoří základ všech spintronických zařízení. Tloušťky těchto vrstev se pohybují v řádu jednotek až desítek nanometrů, přičemž je nutno zvládnout opakovatelnost přípravy s rozlišením na desetiny nanometru. Cílem je dosáhnout co nejostřejšího a co nejrovnějšího rozhraní mezi vrstvami (obr. 1 a). V případě nevhodně zvoleného depozičního procesu ovšem může docházet k růstu nerovných (obr. 1 b), případně promíchaných rozhraní (obr. 1 c).

1,8 µm 0,2 µm

Vpich Rockwellovým hrotem do vrstvy DLC (tloušťka 1,8 µm) na oceli Laserový konfokální mikroskop je velmi užitečným nástrojem pro studium povrchů a 3D struktur s rozměry v oblasti několika desetin µm a větší. V této oblasti může být jeho použití efektivnější v porovnání s jinými zobrazovacími technikami (např. elektronovou mikroskopií). Literatura: [1] J.Plášek, Vesmír 74,508 (1995) [2] D. Semwogerere and Eric R. Weeks: Encylopedia of Biomaterials and Biomedical Engineering DOI: 10.1081(2005)

Schematický nákres různých typů rozhraní v závislosti na depozičních podmínkách: a) vysoká mobilita (energie) adatomů, malé promíchávání, b) nízká mobilita adatomů, malé promíchávání, c) vysoká mobilita adatomů, velké promíchávání. K depozici tohoto typu vrstev se používá nejčastěji magnetronové naprašování, případně napařování nebo naprašování pomocí iontového svazku. Vrstvy tvořené pomocí magnetronového naprašování a napařování trpí většinou velkou drsností rozhraní (obr. 1 b), zatímco vrstvy tvořené iontovým naprašováním mají většinou rozhraní rovná, ale promíchaná (obr. 1 c).


4

Tvorba magnetických nanostruktur metodou FIB


41

Konfokální mikroskop se především využívá:

Metoda FIB využívá svazku iontů (většinou galiových) o energii 5-30 keV fokusovaných do bodu o rozměru v řádu desítek nanometrů. Tento svazek při rastrování po povrchu vzorku rozprašuje (odebírá) materiálu v místě dopadu. Tímto způsobem je možné pomocí řízeného pohybu svazku vytvářet nanostruktury o rozměrech desítek nanometrů [7].

•

ke studiu povrchu (drsnost, struktura)

Využití fokusovaného iontového svazku (FIB) ve spintronice se v současné době soustředí na vytváření nejrůznějších vzorů umělých doménových struktur využitelných pro magnetický zápis dat. Tyto struktury mohou být vytvořeny jednak přímým odebíráním magnetického materiálu nebo pouhým ozařováním vybraných částí vzorku ionty Ga+, které způsobí degradaci magnetického materiálu bez narušení topografie vzorku. Další využití nachází metoda FIB při výrobě nanodrátů umožňujících pohyb doménových stěn včetně provádění logických operací [5]. Hrot AFM s výškou 3 µm

a)

b)

c)

Makročástice s rozměry 1 a 3 µm

měření tloušťky vrstev nebo opotřebení (zejména na malých nebo zakřivených podložkách)

•

d)

Obr. 3: Depozice a leptání pomocí fokusovaného iontového svazku. a) Kapiláry pro přívod pracovních plynů pro depozici metodou FIB-CVD. b) Nanostruktura připravená kombinací leptání magnetické multivrstvy a depozice Pt kontaktů. c) Detail napojení Pt kontaktu na drát opracovaný leptáním. d) Detail odleptané struktury – ohyb drátu. Schod vrstva/podložka 0,5 µm

Měření vlastností magnetických tenkých vrstev a struktur Magnetooptický Kerrův jev (MOKE)

•

k statistické analýze defektů (rozdílná intenzita, hloubka/výška)

Metoda MOKE je založena na měření změny polarizace světla odraženého od vzorku s tenkou vrstvou nebo multivrstvou. Změna polarizace (tzv. Kerrova rotace) je úměrná změně magnetizace ve zkoumané tenké vrstvě [6]. Při vložení vzorku do proměnného vnějšího magnetického pole můžeme měřit závislost Kerrovy rotace (magnetizace) na vnějším magnetickém poli – hysterezní smyčku (obr. 2 a). Touto metodou je možné omezeně měřit i nanostruktury: pomocí objektivu je možné laserový svazek fokusovat do stopy menší než 10 mikrometrů, s pomocí rastrovacího stolku nalézt jednotlivé části struktur a na nich takto měřit změnu magnetizace.

Konfokální zobrazení

Místa s větší hloubkou


40


5

Použití konfokálního mikroskopu v analýzách tenkých vrstev Použití konfokální mikroskopie pro měření tenkých vrstev je dáno charakteristikami této metody:

hlavními

•

Optické zobrazení (odraz, průchod, absorpce, fluorescence)

•

3D zobrazení složené z jednotlivých řezů s malou vzdáleností (cca 10nm).

Velké zvětšení (až cca 15 000x), vysoké laterální (tj. v rovině x-y) rozlišení cca 100nm a vysoké hloubkové (t. j. podél osy z) rozlišení cca 40nm Výhodou je tedy snadné zobrazení nevodivých, biologických, práškových materiálů, které je obtížné analyzovat v elektronových mikroskopech. Hlavní předností je ale získaný 3D obraz, který umožňuje pomocí příslušného zpracování naměřených dat (=intenzita v místě se souřadnicemi x,y,z) určení všech topografických veličin. •

Pomocí konfokálních mikroskopů můžeme provádět následující měření: •

Určení vzdálenosti bodů, průměru kružnic, šířky čáry, plochy útvaru (průmětu i skutečného povrchu), výšky

•

Prokládání geometrických útvarů a jejich měření, nastavení souřadného systému pro měření

•

Analýza částic včetně jejich plochy, objemu a rozdělení (histogramu), měření periodických struktur

•

Měření výšky schodu, zakřivení, klínovitost apod.

• Analýza drsnosti v daném směru nebo na zadané ploše. Detailní možnosti jsou dány softwarovým vybavením konkrétního mikroskopu. Vlastní zobrazení potom lze provádět v 3D modelu (drátový, sdružený, vrstevnicový) nebo 2D s vysokou hloubkou ostrosti včetně měřítka a zpracování obrazu (jas, kontrast, šum). 3D sdružený model

Drátový model

Schod tenká vrstva (cca 2µm) / podložka, kofokální mikroskop (4500x)

a)

b) Obr. 2: Spin-valve multivrstva Co/Cu/NiFe - a) hysterezní smyčka změřená pomocí MOKE b) GMR křivka. Skok v Kerrově rotaci a ve vodivosti při hodnotě vnějšího magnetického pole 1 mT odpovídá přepnutí (změně magnetizace) vrstvy Permalloye (NiFe), skok při hodnotě 2 mT odpovídá přepnutí vrstvy Co. Magnetotransportní měření (GMR) Změna vodivosti v závislosti na relativním natočení magnetizace magnetických vrstev oddělených nemagnetickou mezivrstvou je základní vlastností GMR a TMR multivrstev. Při měření změny vodivosti multivrstvy v závislosti na vnějším magnetickém poli získáme tzv. GMR křivku (obr. 2 b). Mikroskopie magnetických sil (MFM). Mikroskopie magnetických sil je jedním z typů rastrovací sondové mikroskopie (SPM). Pomocí hrotu s magnetickou vrstvou jsou detekovány magnetické síly na povrchu sledovaného vzorku. Metoda MFM je principiálně citlivá na magnetizaci kolmou k povrchu vzorku, což je výhodné pro sledování doménových stěn v tenkých vrstvách, nanostrukturách a nanovláknech (obr. 4). Velkou výhodou MFM je rozlišení (oproti MOKE), nevýhodou je potom časová náročnost a možné ovlivnění stavu magnetizace sledované struktury skenujícím hrotem.


6


39

sbírá světlo vzorkem odražené nebo rozptýlené, popřípadě jeho flluorescenci. Po zpětném průchodu tohoto sekundárního záření objektivem vznikne další obraz bodové clonky, který je pomocí děliče paprsků lokalizován před fotonásobič. Zde se nachází druhá, konfokální clonka, blokující detekci záření pocházejícího z míst vzorku mimo rovinu, do které je mikroskop právě zaostřen. Obraz celé zaostřené roviny pak získáme jejím rastrováním bod po bodu, způsobem, který je v zásadě podobný tomu, jakým svazkem elektronů vytváří obraz na televizní obrazovce.Existují tři základní metody rastrování: cestou rozmítání laserového paprsku nebo příčným posouváním vzorku před objektivem, popřípadě posouváním objektivu nad vzorkem. Laserové konfokální mikroskopy jsou obvykle vybaveny i možností pozorování v tmavém poli a diferenciální interferencí Nomarského.

Obraz a rozlišovací schopnost konfokálního mikroskopu Obr. 4: Zobrazení magnetických domén čtvercových a obdélníkových elementů pomocí MFM (vlevo). Zobrazení magnetických nanodrátů o šířce 200, 400, 500 a 1000 nm (vpravo). Z obrázku jsou zřetelné doménové stěny ve zlomech a rozptýlené magnetické pole vystupující z konce nanodrátů.

Literatura 1.

S. A. Wolf, et al., „Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future“, Science 294, 1488 (2001).

2.

J. Nogués, I. K. Schuller, „Exchange bias“, J. Magn. Magn. Mater. 192, 203-232 (1999).

3.

S. A. Wolf, et al., „Spintronics - A Retrospective and Perspective“, IBM J. Res. Develop. 50 1, 101-110 (2006).

4.

S. S. P. Parkin, et al., “Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory“, Science 320 190 (2008).

5.

D. A. Allwood, et al., “Magnetic Domain-Wall Logic“, Science 309, 1688 (2005).

6.

E. T. Trémolet de LaChessierie., „Magnetism: Fundamentals“., Springer, New York, s. 400-441 (2005).

7.

W. J. MoberlyChan, et al., “Focused Ion Beam Nanostructural Processing: Below, At and Above the Surface“, MRS Bulletin 32, 424-432 (2007).

Při rastrování je měřená intenzita světla registrována počítačem spolu s informací o souřadnicích analyzovaného bodu.Díky prostorové filtraci záření dopadajícího na detektor pomocí malé clonky neobsahuje obraz vytvořený počítačem neostré pozadí pocházející z mimokonfokálních oblastí vzorku. V tomto smyslu jsou konfokální obrazy vždy zaostřené a představují optické řezy vzorkem. S objektivem o numerické apertuře ~1,3 a při použití modrozelené čáry argonového laseru (λ=488nm) činí tloušťka optických řezů asi 0,4µm. Prostým vertikálním posouváním vzorku vůči objektivu je navíc umožněno pozorovat optické řezy v různých hloubkách pod povrchem.

Potlačení mlhavého pozadí obrazu a optická tomografie (zobrazování rovinných řezů vzorku) nejsou jediným přínosem konfokálního zobrazení. Teoretická rozlišovací schopnost konfokálního mikroskopu se totiž nezakládá na Rayleighově kritériu, jelikož konfokální obraz objektu vzniká postupným skládáním z jednotlivých bodů, které jsou navíc pozorované přes clonku, jejíž rozměry bývají menší než průměr Airyho kroužků (difrakční obrazec vznikající ohybem zobrazujícího se světla na čočkách objektivu).Je-li průměr konfokální clonky roven nejvýše ¼ průměru centrálního maxima Airyho kroužku, je rozlišovací schopnost konfokálního mikroskopu přibližně o faktor 1,4 lepší než rozlišovací schopnost standardního mikroskopu o stejné numerické apertuře objektivu. Konfokální obrazy optických řezů vznikají v číselné (digitální) formě a lze je proto dále upravovat běžnými způsoby počítačového zpracování obrazů. Běžná doba snímání jednoho optického řezu s rozlišením 512 x 512 bodů o 256 úrovních jasu se pohybuje od 0,5 do desítek sekund.Specialitou konfokální mikroskopie je možnost prostorové rekonstrukce mikroskopických objektů, opírající se o několik desítek až stovek optických řezů jedním objektem, postupně snímaných při plynule se měnící hloubce zaostření.


38

Konfokální mikroskopie v analýze tenkých vrstev a povrchů Andrea Mašková HVM Plasma spol.s r.o., Na Hutmance 2, 158 00 Praha 5

Konfokální mikroskop Konfokální mikroskop je druhem optického mikroskopu, jehož výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla vycházejícího pouze z ohniskové roviny mikroskopu. Idea konfokálního mikroskopu pochází Marvina Minského, který si ji patentoval již r. 1957. V té době však zůstala bez odezvy , neboť Minsky nenašel vhodný zdroj světla pro konstrukci funkčního přístroje. O deset let později M.Petráň a M. Hadravský z Lékařské fakulty UK v Plzni patentovali konfokální mikroskop na bázi rotujícího Nipkowova kotouče.S tímto přístrojem (v odborné literatuře je znám pod pojmem Tandem Scanning Confocal Microscope) byly poprvé získány kvalitní optické řezy silným preparátem, konkrétně mozkovou tkání. Tandemový konfokální mikroskop však nedoznal většího rozšíření v praxi. Éra konfokální mikroskopie začíná až koncem sedmdesátých let, kdy byl zkonstruován první spolehlivý konfokální mikroskop s rozmítaným laserovým paprskem.

Laserový rastrovací konfokální mikroskop Princip laserového rastrovacího mikroskopu je znázorněn na obrázku. Pozorovaný vzorek je osvětlován bodovým zdrojem světla. Tím je laserový paprsek fokusovaný na

clonku, která je pak objektivem mikroskopu zobrazena na vzorek, do bodu o průměru rovnajícím se rozlišovací schopnosti objektivu (tzv. difrakční mez). Tentýž objektiv pak


7

Nanogranulární magnetické vrstvy pro senzorové a vysokofrekvenční aplikace František Fendrych , e-mail: [email protected] Fyzikální ústav Akademie věd ČR, v.v.i., Na Slovance 2, 182 21 Praha 8 Výzkum v oboru fyziky pevných látek se často rozděluje na práci teoretickou (při níž jsou vytvářeny matematické a numerické modely popisující strukturu, mechanické, elektrické, magnetické, optické aj. vlastnosti těchto látek a procesy v nich probíhající) a experimentální (kdy pomocí důmyslných přístrojů měříme, charakterizujeme a vyhodnocujeme fyzikální vlastnosti látek). Někdy bývá v laickém povědomí o fyzikálním výzkumu opomíjena třetí důležitá oblast, a to technologie přípravy vzorků pevných látek, nových materiálů s požadovanými vlastnostmi, které po úspěšném završení výzkumu nalézají i praktické aplikace. Takové materiály se často připravují ve vakuových aparaturách ve formě tenkých vrstev. Složení a struktura jednotlivých vrstev jsou voleny tak, aby tyto vrstvy vykazovaly různé požadované funkce a vlastnosti, které je třeba přesně charakterizovat: 1.

ochranné – chrání povrch výrobku před mechanickým či chemickým poškozením (otěrem, korozí, atd.), 2. tribologické – snižují třecí koeficient vzájemně se pohybujících ploch (nahrazují maziva), přitom musí mít dostatečnou tvrdost a adhezi k povrchu, 3. optické – mění optické vlastnosti původního povrchu výrobku (odrazivost, index lomu,atd.), 4. elektrické a magnetické – jedno- i vícevrstvé struktury z čistých, dopovaných, kompozitních či nanostrukturovaných materiálů se speciálními parametry pro elektronické součástky. Obecně se dnes k depozicím vrstev používá řada různých technologií: elektrochemické reakce (elektrolýza, galvanizace), depozice z plynné fáze (CVD=Chemical Vapour Deposition, PCVD=Plasma CVD), napařování, naprašování (magnetrony, ECRPD=Electron Cyclotron Resonance Plasma Deposition), epitaxní růst (MBE=Molecular Beam Epitaxy, IBAE=Ion Beam Assisted Epitaxy), pulzní laserová depozice (PLD=Pulsed Laser Deposition) a jejich kombinace. Technologie přípravy vrstev zdaleka nedosáhla potřebné dokonalosti a každá nová metoda přípravy zde může přinést výrazná zlepšení. Takovými metodami jsou například metody plazmo-chemické PCVD, které využívají chemicky aktivního plazmatu generovaného v plazmo-chemických reaktorech. Chemické reakce se uskutečňují srážkovými procesy mezi částicemi plazmatu. Oproti metodám CVD zde není nutnost držet substrát na vysoké teplotě a je tedy teoreticky možné deponovat vrstvu na jakýkoliv substrát. Také rychlost růstu vrstvy je u metod PCVD větším než u CVD. Jelikož se pohyb částic k substrátu děje difúzí, je růst vrstvy stále relativně pomalý a navíc je obtížné nanášet vrstvy na plochy složitějších tvarů, případně do dutin. Magnetronové naprašování v klasickém uspořádáním kromě toho neumožňuje používat terče (tj. zdroje naprašovaných látek) z magnetických materiálů. Pokud totiž není terč z magnetického materiálu velmi tenký, pohlcuje nebo výrazně deformuje řídící magnetické pole v blízkosti katody magnetronu, tím je znemožněn vznik dostatečně hustého výboje, který je nutný k rozprašování terče a následné depozici vrstvy. Navíc může být řídící pole magnetronu


8

pohlcováno také postupně rostoucí magnetickou vrstvou, v důsledku čehož může docházet ke snižování homogenity a rychlosti růstu připravované magnetické vrstvy. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR bylo v posledních letech navrženo a sestrojeno několik verzí nízkotlakého plazmo-chemického reaktoru s výbojem v duté katodě, tzv. plazmových trysek [1], v nichž se transport rozprášených částic děje nikoliv difúzí, ale proudem pracovního plynu. Nejnovější aparatury [3-4] mají vysokovakuové (UHV=Ultra High Vacuum) depoziční komory čerpané na mezní tlak kolem 10–8 Pa, což výrazně snižuje nežádoucí a nekontrolovatelnou oxidaci vrstev ze zbytkové atmosféry. V současné době nejnovější konstrukce takového reaktoru [2] je určena speciálně pro přípravu nanostrukturovaných magnetických kompozitů. Fotografie této technologické depoziční aparatury s plazmovou tryskou a výboj v duté katodě při reaktivní depozici nanokompozitu FeCo-AlN z trysky FeCo+Al ve směsi pracovních plynů Ar+N2 jsou na Obr. 1 a, b.


mikroobrábění kdy lze iontovým svazkem v citlivém materiálu vykreslit předmět, který je následně vyleptán. Takto se dají kreslit miniaturní obrazy ale i vyrábět miniaturní ozubené převody nebo jiné mechanické díly.

Laboratoř jaderných analytických metod a iontová mikrosonda v Řeži u Prahy V roce 2005 byl v naší laboratoři v Řeži instalován nový elektrostatický urychlovač Tandetron 4130 MC od firmy HVEE (High Voltage Engineering Europa) [2] s terminálovým napětím 3MV. Urychlovač je schopen urychlovat téměř všechny ionty prvků periodického systému s výjimkou prvků které netvoří záporné ionty nebo alespoň záporně nabité radikály s jinými prvky. Od roku 2005 byly na novém Tandetronu instalovány vakuové iontové trasy pro metody RBS, RBS-kanálování, TOF-ERDA, Vysokoenergetickou iontovou implantaci a universální komora pro společnou analýzy metodami PIXE, PIGE, RBS, PESA (Proton Elastic Scattering Analysis), kterou lze také využít pro další účely jako testování různých typů částicových detektorů nebo měření resonančních účinných průřezů. Jako poslední trasa je nyní uváděna do provozu iontová mikrosonda. Její hlavní komponenty, včetně kvadrupólového tripletu, elektroniky a ovládacích programů, byly zakoupeny od firmy Oxford Microbeams Ltd.[3]. Trasa mikrosondy je v současnosti mechanicky a vakuově sestavena a po testech RBS a PIXE detektorů začne její optické ladění a první testy rozlišení a spektroskopického systému. Podle technických parametrů očekáváme rozlišení okolo 1µm. Mikrosonda bude složit k analýzám geologických vzorků, biologických vzorků a k výzkumu v oblasti atmosférických aerosolů. Předpokládáme i další využití v rámci stávajících spoluprací s výzkumnou a průmyslovou sférou. V případě zajímavé problematiky a zájmu o měření na naší mikrosondě rádi přivítáme nové externí zájemce o měření i spolupráci. Poděkování Tato práce byla podporována v rámci projektu MŠMT LC06041 Literatura

a

b

Obr. 1 (a) Vysokovakuová (UHV) komora (vlevo) a čerpací systém (vpravo) plazmové trysky, (b) Výboj v duté katodě při depozici nanogranulární magnetické vrstvy FeCo-AlN Pomocí výše uvedeného depozičního systému s výbojem v duté katodě jsou v současné době ve Fyzikálním ústavu AV ČR připravovány nové nanogranulární kompozitní magnetické vrstvy typu nitridů (Fe/Co)p-(X-N)1-p, kde X = Al, Ta, Ti, ap. či oxidů (Fe/Co) p(X-O)1-p, kde X = Hf, Ta, Al, Si, apod., které mají perspektivní průmyslové aplikace, a to: •

Pro poměr p ~ 30% mohou uvedené kompozity vytvářet nanogranulární struktury s 3d-kovovými zrny v nevodivé, nemagnetické, amorfní matrici příslušného nitridu či oxidu. Mezi těmito zrny pak podle velikosti vnějšího magnetického pole dochází k spinově závislému tunelování elektronů, a tím k měřitelné změně (až kolem deseti procent) elektrického proudu ve vrstvě. Tento jev lze využít v senzorech magnetického pole nebo ve čtecích hlavách pamětí s vysokou hustotou záznamu [1,3], viz Obr. 3(a)(b).

37

[1] M.B.H. Breese, D.N. Jamieson, P.J.C. King, Material Analysis Using Nuclear Microprobe, John Wiley and Sons, Inc New York 1996, ISBN 0-471-10608-9 [2] High Voltage Engineering Europa B.V. Particle Accelerators Systems, Amersfoort, The Netherlands, http://www.highvolteng.com [3] Oxford Microbeams Ltd., http://www.microbeams.co.uk


36

dublet, každý kvadrupól fokusuje pouze v jedné rovině „do čáry“ a ne jako světelná čočka do bodu) který vytváří zmenšený obraz objektové clony na vzorku a skenovací cívky které umožní pohybovat zaostřeným svazkem po vzorku. Vlastní terčíková komora vzorku je vybavena přesným držákem vzorků umožňujícím pohyb ve všech třech prostorových osách (x,y,z), optickým mikroskopem a sadou detektorů pro jednotlivé IBA metody. Téměř každá mikrosonda je vybavena detektory pro metody RBS a PIXE. Další užitečná metoda, která se využívá ve spojení s mikrosondou je STIM (Scannig Transmission Ion Microscopy) . Tato metoda umožňuje na základě ztráty energie iontů procházejících vzorkem určit lokální „elektronovou“ tloušťku vzorku (brzdné ztráty jsou v tomto oboru energií v prvním přiblížení závislé na počtu srážek iontu s elektrony atomů vzorku při průchodu vzorkem). Další možné metody využitelné ve spojení s iontovou mikrosondou jsou IBIC (Ion Beam Induced Charge) a IBIL (Ion Beam Induced Luminiscence) využívající indukovaný proud a luminiscenci ke zobrazení vzorku. Většina mikrosond umožňuje jak skenovací mod, kdy svazek v mnoha cyklech skenuje měřenou oblast, tak analýzu vybraného bodu na vzorku. Při skenovacím modu jsou výsledkem měření prvkové mapy (případně další lokální charakteristiky jako indukovaný proud nebo luminiscence). Ve skenovacím modu je také možné zaznamenávat takzvaný listmode kdy jsou registrovány všechny záznamy detektoru (jednotlivé události) spolu s polohou (okamžité výchylky skenovacích cívek) svazku na vzorku ve které k dané události došlo. Z tohoto záznamu se dají kdykoli po měření extrahovat prvkové mapy i pro jiné konfigurace nastavení oken, nebo získat spektra z vybraných oblastí na vzorku, která lze dále zpracovávat standardními postupy IBA. Běžně dosahované rozměry svazku na mikrosondě jsou okolo 1x1 µm. Při použití nízkých toků částic (hodně přivřená objektová clona) lze rozměry svazku obvykle dále zmenšit. Rekordní rozlišení v současné době je hodně pod 100nm. Podrobně je problematika iontových mikrosond, včetně optických výpočtů, jednotlivých metod i mnoha příkladů využití popsána v monografii [1] Kromě analýz může být iontová mikrosonda použita i k cílené modifikací vzorku na vybraných místech pomocí implantace iontů. Tohoto principu se využívá především při

Objektová clona

Vymezující clona

Rozmítání x-y

Fokusující qvadrupóly n-plet

Rovina vzorku

cca 6-10 m Obrázek 1. Schéma základního uspořádání iontové mikrosondy. Typické zmenšení obrazu objektové clony s pohybuje od 20x do 80x , velikost svazku na terčíku od 0.1 do 3µm podle typu měření a iontové mikrosondy a možnost rozmítání až 2 x 2 mm2.

ZPRAVODAJ ČVS 17 (2) 2009 •

9

Pro poměr p ~ 80% při vhodné struktuře mohou vrstvy zůstat magneticky měkké s koercivitou pod 0.5 mT a saturační magnetizací 16-19 kG. Měrný elektrický odpor se však nitridací či oxidací zvýší z původních ρ ~ 40-60 µΩcm na 160-200 µΩcm. Tím se výrazně omezí ztrátové vířivé proudy v těchto vrstvách při jejich využití v GHz induktorech pro mobilní komunikaci [2,4-7], viz Obr. 4, 5, 6.

Objasnění struktury a vlastností nanogranulárních magnetických materiálů vykazujících tzv. spinově závislou tunelovací vodivost (jejíž velikost je řízena vnějším magnetickým polem), je na Obr. 2. Pro charakterizaci výše uvedených vrstev se používají metody skenovací (SEM) – viz Obr.3(a), nebo transmisní (TEM) elektronové mikroskopie - včetně feromagnetické kovové částice (Fe, Co, ...)

magnetizace částic amorfní nevodivá matrice H=0 (Ta-O, Hf-O, Al-O, Al-N, …)

10 nm = 10 x 10 -9 m = 0.00001 mm

vnější magnetické pole H ≠ 0 ⇒ orientace magnetizací částic ⇒ tunelování elektronu e⇒ snížení elektrického odporu R !!!

Obr. 2 Nanogranulární superparamagnetické kompozity, spinově polarizované tunelování elektronů mezi kovovými částicemi

vysokého rozlišení (HRTEM), dále mikroanalýza (EDX, WDX), rentgenová difrakce (XRD), mikroskopie atomárních sil/skenovací tunelovací mikroskopie (AFM/STM) - viz Obr. 4, Mössbauerova spektroskopie (MoeS) atd. Na Obr. 3(a) můžete vidět 2 elektronové snímky (SEM) připravené nanogranulární magnetické vrstvy Fe-TaO, na Obr. 3(b) pak histogram velikostí Fe-částic v této vrstvě spolu s výsledky měření závislosti snižování elektrického odporu ∆R/R této vrstvy na vnějším magnetickém poli H, tedy praktickou realizaci jevu magnetorezistence, který má perspektivní aplikace v senzorové a záznamové technice.


10

0,0

T=300 K

-0,1 -0,2 -0,3 H II I H⊥I

-0,4

∆R/R [%]

-0,5 0,0

T=77.3 K

-0,2 -0,4 -0,6 -0,8


35

primárních iontů dochází k bližšímu přiblížení iontu k jádru a vlivem jaderných sil k výraznému zvýšení nebo snížení účinných průřezů rozptylu. Tohoto jevu lze k využít k zlepšení detekčních limitů pro vybrané prvky použitím vhodné energie nalétávajícího iontu. Vyhodnocení takovýchto vzorků je však komplikovanější a vyžaduje dobrou znalost resonančních účinných průřezů. Časté a dobře popsané je využití resonance při energii 3.035MeV pro analýzu kyslíku pomocí heliových iontů. Měříme-li místo zpětně rozptýlených primárních iontů sekundárně vyražené ionty na předních úhlech mluvíme o analýze ERDA (Energy Recoil Detection Analysis). Situace je v tomto případě složitější, neboť zatímco na zpětný úhel mohou být rozptýleny pouze primární urychlené ionty, dopředu jsou vyráženy ionty všech prvků obsažených ve vzorku. Pokud budeme měřit pouze energetická spektra vyražených iontů budou příliš složitá a nejednoznačná na to aby byla správně vyhodnocena. V tomto případě je vhodné měřit další parametr, například jejich rychlost, čímž ionty rozdělíme podle hmotností a můžeme je jednoznačně identifikovat. V takovém případě mluvíme o metodě TOF-ERDA (TOF-Time of Flight).

-1,0 -1,2

H II I H⊥I

-1,4 -6000 -4000 -2000

10 nm

a

b

0

2000 4000 6000

H [Oe]

Obr. 3 (a) Nanogranulární vrstva Fe-TaO, SEM částic Fe v oxidu TaO, (b) Snížení elektrického odporu ∆R/R vrstvy ve vnějším magnetickém poli H

Další skupinou metod jsou metody s buzením sekundárních částic. Patří sem především metoda PIXE (Particle Induced X-Ray Analysis), čož je obdoba rentgenfluorescenční analýzy nebo buzení charakteristického rentgenovského záření svazkem elektronů využívaném v elektronových mikroskopech. Výhodou protonů je jejich značná hmotnost a tudíž i podstatně nižší spojité pozadí od brzdného záření. Metodou PIXE lze zkoumat prvkové složení vzorků, podle typu detektoru většinou všech prvků od Na s detekčními limity často pod jedno hmotnostní ppm. Další metodou patřící do této skupiny je metoda PIGE (Particle Induced Gama-Ray Analysis). Metoda PIGE je založena na detekci záření γ vznikajícího v reakcích typu (p,p’,γ) – nepružný jaderný rozptyl, nebo (p,α,γ) – jaderné reakce. Metoda je komplementární k metodě PIXE neboť umožňuje stanovit řadu lehkých prvků, především Li, B, F, Na, Mg, Al, při použití protonů s energií okolo 3MeV. Se vzrůstající energií primárního svazku se zvyšují výtěžky záření γ a roste počet stanovitelných prvků. Existuje celá řada dalších metod o kterých se podrobněji zmíním v přednášce.

Princip iontové mikrosondy Běžně metody IBA využívají svazek urychlených iontů s rozměrem od jednoho do několika mm. Svazek je zacílen na vybrané místo na vzorku a zde setrvá po celou dobu měření. Výsledná spektra pak charakterizují průměrné vlastnosti vzorku v oblasti zasažené svazkem. Takovýto způsob měření má své výhody pokud máme dostatečně homogenní vzorek a chceme znát pouze základní charakteristiky měřeného vzorku. Větší svazek znamená při stejném výtěžku menší tepelné a radiační poškození vzorku i a často i větší „representativní“ plochu například při měření aerosolových filtrů. Potíže nastanou pokud chceme znát jemnější strukturu vzorku, jako například složení zrn v geologických vzorcích nebo rozložení prvků v biologických vzorcích v rámci drobných orgánů nebo buněk.

Obr. 4 Mikroskopie atomárních sil (skenovací tunelovací mikroskopie) vzorku FeCo-AlN

Smyslem iontové mikrosondy (mikrosvazku) je fokusovat svazek iontů na malé rozměry a umožnit tak lokální mikroanalýzu vybrané oblasti nebo bodu na vzorku pomocí metod IBA. Vlastní iontová mikrosonda je iontové optické zařízení umístěné na vakuové iontové trase urychlovače (obdobně jako další trasy s jednotlivými terčíkovými komorami pro prováděné analýzy). K vlastnímu zaostření svazku na vzorek slouží několik optických prvků. Objektová clona vymezující rozměry svazku na vstupu do mikrosondy, vymezující clona před vstupem svazku do fokusujících kvadrupólů, kvadrupolový multiplet (minimálně

34


Iontová mikrosonda- základy měření na iontových svazcích

Úvod Měření na svazcích urychlených iontů (anglicky Ion Beam Analysis - IBA) představují zajímavý a neustále se rozvíjející obor spektroskopických analytických metod s celou řadou unikátních vlastností pro které jsou vyhledávány odborníky z mnoha oborů současné vědy i výzkumu od materiálového výzkumu přes biologii, geologii, archeologii, životní prostředí až po medicínu a další. Často se pro tyto metody používá také označení jaderné analytické metody (JAM), i když toto označení je širší a zahrnuje i další metody využívající zdroje neutronů nebo gama záření, jako jsou například neutronová aktivační analýza NAA, gama aktivační analýza PAA nebo neutronové hloubkové profilování NDP. Metody IBA využívají známé interakce nabitých urychlených (energetických) iontů s prostředím vzorku. Jedná se především pružný a nepružný rozptyl, buzení záření X a γ, brzdné ztráty, produkci světla nebo elektronů, jaderné reakce, kanálování v krystalických látkách a řadu jiných. Jako primární částice (ionty) mohou být použity ionty libovolného prvku periodického systému které jsou urychleny malým urychlovačem většinou na energie jednotek až desítek MeV(energii 1MeV získá částice s jednotkovým nábojem po průchodu elektrostatickým polem s rozdílem potenciálu jednoho milionu voltů, 1MeV je přibližně 1.602 ·10-13 J ). Nejčastěji se k analytickým účelům využívají ionty vodíku a helia, ale řada metod využívá také těžší ionty. Pro zajímavost vodíkový iont urychlený na energii 1MeV letí rychlostí asi jedné dvacetiny rychlosti světla. Přestože základní principy interakce energetických iontů s prostředím jsou známy již od začátku 20.století (Rutherfordův zpětný rozptyl, brzdné ztráty, produkce záření X) k většímu rozšíření IBA metod došlo až v 60. a 70. letech 20. století především s rozvojem detekční a výpočetní techniky a s hledáním nového uplatnění pro malé elektrostatické urychlovače, které v té době již byly příliš malé pro další uplatnění v jaderné fyzice. V současné době se nové malé elektrostatické urychlovače produkují převážně pro analytické účely a představují pojítko mezi jadernou fyzikou a ostatními obory.

Přehled hlavních metod využívající urychlené nabité ionty k analýzám První skupinu tvoří metody využívající pružný rozptyl urychlených iontů na atomových jádrech zkoumaných vzorků. Sem patří především metoda RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy), kde měříme energii a počet zpětně rozptýlených primárních iontů. Z naměřeného energetického spektra lze odvodit údaje o prvkovém složení, stechiometrii, tloušťce (v atomech/cm2 ), nebo hloubkovém profilu vybraného prvku v měřeném vzorku. Metodou RBS lze zkoumat až po mikrometrové vrstvy (podpovrchové oblasti vzorku) s hloubkovým rozlišením od cca 10nm a s detekčními limity v řádu 1014 at/cm2, které jsou příznivější pro těžší prvky v lehké matrici. Obdobou ruthefordova zpětného rozptylu je resonanční zpětný rozptyl nebo také nerutherfordovský zpětný rozptyl. Při vyšších energiích

2 1 J [T]

Havránek Vladimír Ústav jaderné fyziky AVČR v.v.i. 250 68 Řež u Prahy, [email protected]

11

FeCoAlN annealed in a magnetic field (50 mT) @ 300 °C for 1h Re µr, Im µr 300

FeCoAlN Permeability µr


0 -1 -2 -40 -30 -20 -10 0 10 µ0 Hext [mT]

Easy Axis Hard Axis 20

30

40

Obr. 5 Hysterezní smyčky nanokompozitní vrstvy FeCo-AlN připravené pomocí UHV plazmové trysky (koercivita 0.4 mT ve snadné ose).

200 100 0 -100 1E-5 1E-4 1E-3

0.01

0.1

1

10

Frequency f (GHz) Obr. 6 Vysokofrekvenční feromagnetická rezonance (~2.4 GHz), měření stejné magneticky měkké FeCo-AlN vrstvy jako na Obr. 5.

Reference [ 1] F.Fendrych, L.Kraus, O.Chayka, P.Lobotka, I.Vávra, J.Touš, V.Studnička, Z.Frait, Monatshefte fuer Chemie / Chemical Monthly, Vol. 133 (2002) 773; Special Issue: Nanostructured Materials. [ 2] F.Fendrych, P.Řepa, L.Peksa, T.Gronych, J.Poltierová Vejpravová, A.Lančok, P.Hedbávný, R. Schäfer and K. M. Seemann, Journal of Physics: Conference Series 100 (2008) 062008. [ 3] P.Lobotka, I.Vávra, , F.Fendrych, O.Chayka, Phys. Stat. Sol. (a) 201, No.7 (2004) 1493. [ 4] K.Seemann, H.Leiste, V.Bekker, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 283 (2004) 310. [ 5] O. Životský, F. Fendrych, L. Kraus, K. Postava, O. Chayka, L. Halagačka, J. Pištora, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 316 (2007) e858-e861. [ 6] A.Lančok, F.Fendrych, M.Miglierini, J.Kohout, M.Klementová, Journal of NonCrystalline Solids 354 (2008) 5255-5257. [ 7] A.Lančok, K.Závěta, T.Kaňuch, M.Miglierini, J.Lančok, K.Postava, J.Kohout, O.Životský and F. Fendrych, Hyperfine Interact (2008) 183:171-177.

Optika tenkých vrstev Daniel Franta, David Nečas Ústav fyzikální elektroniky, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Kotlářská 2, 611 37 Brno Optika tenkých vrstev je obor, který se zabývá charakterizací tenkých vrstev pomocí optických metod nebo syntézou vrstevnatých systémů s požadovanými vlastnostmi. Mezi optické metody používané při charakterizaci tenkých vrstev patří především spektrofotometrie a spektroskopická víceúhlová elipsometrie. Obě metody měří světlo odražené nebo prošlé měřeným vzorkem v takzvaném vzdáleném poli, tj. kdy zdroj světla i detektor je ve větší vzdálenosti, než je koherentní délka světla. Zatímco spektrofotometre je metoda, která měří intenzitu světla, tedy odrazivost nebo propustnost, elipsometrie měří polarizační stav světla zpravidla odraženého, tj. poměr amplitud světelné vlny ve dvou


12


33

navzájem kolmých směrech (v rovině dopadu a kolmý k rovině dopadu), jejich fázový rozdíl a stupeň polarizace. Spektrofotometrie a elipsometrie jsou takzvané nepřímé metody, u nichž nelze z meřených veličin přímo vyjádřit parametry měřeného systému. Charakterizací tenkých vrstev potom rozumíme naměření zmíněných optických veličin pokud možno v co nejširším spektrálním a úhlovém rozsahu a získání informací o měřeném vzorku za pomocí proložení experimentálních dat vhodným modelem. To jest hledáme parametry systému takové, aby se optické veličiny vyjádřené za pomocí zvoleného modelu co nejvíce shodovaly s experimentálními veličinami. Takto lze určit optické vlastnosti materiálů tvořící vrstevnatý systém nebo jeho strukturní vlastnosti, jako například tloušťky vrstev, parametry drsnosti rozhraní atd. Pro charakterizaci je nutné použít následující tři skupiny modelů: •

Disperzní modely optických konstant jednotlivých materiálů tvořící systém tenkých vrstev.

•

Fyzikální model vrstevnaté struktury, tzv. strukturní model systému tenkých vrstev.

•

Vzhledem k tomu, že nemůžeme často měřící přístroj považovat za ideální, je nutné modelovat tento přístroj za pomocí modelu měřícího přístroje.

Disperzní modely optických konstant Optické vlastnosti jednotlivých materiálů měřeného systému můžeme považovat za známé a pak použít optické konstanty tabelované v různých tištěných zdrojích optických konstant, anebo pro popis použít vhodný disperzní model. Disperzní modely matematicky popisují spektrální závislost optických konstant materiálů za pomocí jistého počtu parametrů. V přednášce kromě klasických modelů, které jsou založeny na modelu klasického harmonického tlumeného oscilátoru, budou diskutovány nové modely vyvíjené na Ústavu fyzikální elektroniky. Tyto modely jsou založené na parametrizaci kvantově mechanickém modelu hustoty elektronových stavů, tzv. PDOS (parameterized density of states) model a na parametrizaci sdružené hustoty stavů, tzv. PJDOS (parameterized joint density of states) model. Výhoda těchto modelů spočívá v tom, že jejich parametry, jako jsou šířka pásu zakázaných energií nebo celkový počet elektronových stavů v pásu, přímo souvisejí s elektronovou strukturou materiálu.

Shrnutí Měření mechanických vlastností tenkých vrstev vyžaduje použití vhodných zařízení a metod tak, aby hloubka interakce byla menší než tloušťka vrstvy. V současné době jsou již vyvinuty komplexní metody nano-testování materiálů, kdy je využíván hrot AFM ke studiu elasticko-plastických vlastností, měření adheze, tření, otěru, únavového chování, povrchového napětí apod. Avšak korelace takto získaných vlastností vrstev s praktickým chováním vrstev v konkrétních aplikacích je stále ještě otevřená. Doporučená literatura: Monografie:

1.

drsnost

2.

nehomogenita vrstev (profil indexu lomu)

3.

porozita vrstev

4.

přechodové vrstvy

5.

neuniformita vrstev (různá tloušťka podél povrchu).

Většina těchto modelů jsou originální modely vyvinuté na Ústavu fyzikální elektroniky.

OF

MATERIALS

J.W.Martin: THE CONCISE ENCYCLOPEDIA OF THE PROPERTIES OF MATERIALS SURFACES AND INTERFACES K.Holmberg, A.Matthews: COATINGS TRIBOLOGY

Strukturální model systému tenkých vrstev Můžeme-li tenké vrstvy považovat za ideální, potom strukturální model je založen na klasických Fresnelových vztazích a je možné zavést jednoduchý 4×4 maticový formalismus. Situace je komplikovanější, jestliže vrstvy nemůžeme považovat za ideální. V rámci přednášky ukážeme jak započítat v rámci modelu defekty vrstev, jako jsou:

R.Cahn: CONCISE ENCYCLOPEDIA CHARACTERIZATION

R.F.Bunshah: HANDBOOK OF HARD COATINGS Časopisy:

Thin Solid Films, Mat. Res., Cryst. Res. Technol, J. Appl. Phys., J.Mat.Sci., Wear a mnoho dalších


32


13

Modely měřících přístrojů Další problém, který musí být často řešen, je fakt, že měřící přístroj nelze považovat za ideální. V přednášce se budeme zabývat těmito vadami, které se často vyskytují v praxi: 1. 2. 3. M.S.Bobji, S.K.Biswas

4.

konečná spektrální šířka monochromátoru rozbíhavost dopadajícího svazku světla prostorový posun svazku odraženého od zadního rozhraní transparentního substrátu spektrální a intenzitní neuniformita svazku.

Tribologické vlastnosti Tribologie se zabývá studiem tření, mazání a otěru. Byla vyvinuta celá řada metod pro měření tření a otěru, z nichž jsou nejčastěji používány geometrie kulička / plocha s rotačním nebo oscilujícím pohybem. Pro studium objemových matreriálů nebo některých průmyslových aplikací se používají i geometrie válec/válec, kotouč/kotouč, kotouč/plocha apod. K = V / (F *s) K je koeficient otěru

Využití tenkých vrstev a mikro-nanostruktur v plazmonice O. Tomanec, D. Šustr, L. Břínek, R. Kalousek, J. Zlámal, P. Dub a T. Šikola Ústav fyzikálního inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, VUT Brno Plazmonika je vědní obor zabývající se excitací a šířením povrchových plazmonových polaritonů (nazývaných pro jednoduchost povrchovými plazmony) na površích kovů nebo

V je objem opotřebené vrstvy nebo kuličky F je kolmá síla s je celková dráha

Tření a otěr silně závisí na vlastnostech povrchů, rychlosti pohybu a vnějším prostředí. Rozhodující úlohu potom hraje vytváření a vlastnosti tzv. tribovrstvy, která se vytváří z otěrových produktů a jejich reakcí nebo interakcí s vnějším prostředím. Povrch s nízkou drsností

Povrch s vysokou drsností

Pro ilustraci vlivu prostředí lze uvést měření koeficientu tření a koeficientu otěru tenké vrstvy DLC (Diamond Like Carbon) v závislosti na relativní vlhosti okolního vzduchu. Obr. 1: Povrchové plazmony na rozhraní kov-dielektrikum, [2].


14


31

jejich rozhraních s dielektriky. Je obecně považována za možný nástroj a metodu vedoucí k překonání difrakčních omezení, kterým čelí použití světla ve fotonických systémech.

Tvrdost = síla / plocha vtisku Plastická (trvalá deformace)

V principu byly základy této disciplíny položeny před mnoha desetiletími, takže nejsou ničím překvapivým. Avšak velký pokrok a popularita tohoto oboru je spojena s nebývalým rozvojem technologií umožňujících realizaci rozmanitých fotonických nanostruktur s unikátními vlastnostmi [1, 2, 3].

ovlivněná oblast

Povrchové plazmonové polaritony (SPP) jsou evanescentní smíšené elektromagnetické vlny (podélně příčné) úzce vázané na kovové povrchy nebo rozhraní kov-dielektrikum. Jejich intenzita klesá exponenciálně kolmo od rozhraní na obě strany (obr. 1). SPP jsou výsledkem vazby mezi oscilujícími volnými elektrony v kovu a vnějším budícím elektromagnetickým polem. Následkem toho je grupová rychlost vg povrchových plazmonů menší a jejich vlnový vektor ksp větší než zmíněné veličiny příslušné klasické elektromagnetické vlně ve vakuu (viz obr. 1). Odpovídající kratší vlnová délka a vazba k rozhraní patří k hlavním důvodům, proč SPP umožňují překročit difrakční limit. Pro využití povrchových plazmonů v reálných nanoobvodech je důležitá hodnota související s jejich délkou šíření. Je obecně známo, že v důsledku relativně velkého útlumu SPP tato délka není příliš velká. Obr. 2 ukazuje závislost délky šíření SPP na vlnové délce pro povrchy různých kovů typicky používaných v plazmonice. Z obrázku je patrné, že pro vlnové délky menší než 500 nm vykazuje překvapivě nejdelší délku šíření Al a nikoli obvyklejší Ag a Au. To je přímým důsledkem dielektrických funkcí těchto kovů. U Ag a Au narůstá strmě délka šíření pro vlnové délky nad 500, respektive 600 nm a dosahuje hodnot desítek mikrometrů, což je již pro fotonické aplikace zajímavé.

M. C. Shaw and C. T. Yang

Měření mikrotvrdosti tenkých vrstev vyžaduje uvážení a korekci řady vlivů: •

Vliv měřícího zařízení (tuhost, teplotní drift, stanovení dotyku hrotu s povrchem)

•

Vliv geometrie hrotu (efektivní poloměr špičky, přesnost tvaru)

•

Drsnost povrchu (stanovení kontaktu s povrchem, plochy vpichu apod.)

zatíže ní, F

•

Elasticko-plastické chování vrstvy (deformace v okolí vtisku, vliv rozměru vtisku, vznik trhlin, fázové změny, adheze vrstvy a hrotu, tečení materiálu vrstvy)

Fmax

zatěžová

S≡

dF dδ

=

2

A(δ c )

π

Fmax

E*

(1 − ν )

odlehčování

oblast pro δc

H≡

Fmax A (δ c )

S

δf Obr. 2: Závislost délky šíření SPP na vlnové délce pro povrchy různých kovů. V důsledku různých velikostí vlnových vektorů dopadající elektromagnetické vlny a povrchových plazmonů odpovídající stejné frekvenci není možné tyto excitace vybudit na rovném hladkém povrchu [1]. Vedle použití speciálních technik, jako je porušený totální odraz na hranolu (FTR), Kretschamannova metoda [4] nebo metoda blízkého pole pomocí SNOM, jsou k buzení povrchových plazmonů využívány mřížky realizované do kovových

hloubk a,

δ

δmax

Metoda Oliver-Pharr

2

ZPRAVODAJ ČVS 17 (2) 2009 OK

OK

NOKK

30


15

tenkých vrstev litografickými metodami. V našich experimentech je s oblibou používán fokusovaný iontový svazek FIB (Tescan - Lyra). Optimální hloubka a šířka zářezů mřížky v tenkých vrstvách dosahuje desítek až stovek nanometrů. Povrchové plazmony jsou pak vyvedeny z povrchu a vyzářeny do prostoru formou konvenční elektromagnetické vlny obdobnou mřížkou. Na obrázku 3 je ukázán náš experiment umožňující sledovat délku šíření SPP. Pro jejich buzení i vyvázání jsou používány identické mřížky s různou vzájemnou vzdáleností.

OK

OK

NOKK

porušená vrstva

trhliny Obr. 3: Horní části obrázku ukazují struktury a světelnou stopu vlákna za zapnutého plošného osvětlení. Dolní části ukazují stav za již vypnutého osvětlení, kdy vidíme jen stopu vlákna a rozsvícenou detekční mřížku (vyvázání plazmonů) označenou šipkou. Na levém obrázku je struktura se vzdáleností mřížek 8 µm a na pravém 18 µm. Snímáno objektivem se zvětšením 50x [5]. Mikrotvrdost Obecně se tvrdost materiálů definuje jako odolnost vůči plastické deformaci způsobené tvrdším tělesem. Pro testování objemových materiálů je používána řada metod (statické s různými tvary hrotu, dynamické). První moderní metoda testování ocelovou kuličkou byla zavedena D.A.Brinellem v roce 1900. Pro měření tvrdosti (mikrotvrdosti, nanotvrdosti..) tenkých vrstev je ale nutné používat malá zatížení tak, aby celá oblast ovlivněná vpichem byla ve zkoumané vrstvě. Prakticky to vede k pravidlu, že hloubka vpichu by měla být 5 – 10 krát menší než je tloušťka vrstvy. Pro vrstvy s tloušťkou 1µm je tedy třeba používat zatížení cca 1-10mN a rozměry vtisku jsou řádově 100nm, což vylučuje měření rozměru vtisku optickými metodami. Pro měření se používá dynamické metody – tj. současné měření zatížení a hloubky vniku hrotu při zatěžování a odlehčování. Z výsledného průběhu lze vyhodnotit plastickou i elastickou složku, tedy mikrotvrdost a Youngův modul pružnosti.

Kromě povrchových plazmonových vln šířících se podél hladkých povrchů kovů mohou vznikat na kovových 1D – 0D nanostrukturách (a nanočásticích) rezonanční vlny nazývané lokalizované povrchové plazmony (LSP) nebo také lokalizované plazmonové rezonance. LSP jsou nešířící se excitace vodivostních elektronů kovových nanostruktur, jejichž polarizační pole se váže na budící elektromagnetické pole [4]. S těmito excitacemi je spojeno lokální navýšení intenzity elektromagnetického pole v blízkosti povrchů nanostruktur. Toto navýšení pole způsobené splněním rezonančních podmínek pro oscilující elektrony může dosáhnout až několika řádů - především ve štěrbinách dipólových antén. Toho je pak využíváno pro lokální optickou spektroskopii (např. TERS), radiační účely (lokální světelné zdroje pro nanoelektroniku) a zvýšenou absorpci (solární články). Rezonanční plazmonické antény mohou být laděny jak do viditelné, tak do infračervené oblasti a jejich nejmenší rozměry dosahují desítek, respektive stovek nanometrů [6, 7]. Lokalizované plazmonové rezonance mohou být detekovány jak pomocí metod blízkého, tak pomocí metod dalekého pole. Jako příklad (obr. 4) jsou uvedeny plazmonické antény vyrobené naší skupinou pomocí fokusovaného iontového svazku (Tescan – Lyra). Rozměry antén jsou laděny do střední oblasti IR (≈ 10 µm). Antény byly jednak vyrobeny odprašováním vrstvy Al (60 nm) na Si


16

(100) iontovým svazkem Ga (negativní antény), nebo depozicí ramének Pt (70 nm) pomocí lokální dekompozice metalorganických plynů tímto svazkem (pozitivní antény). Rezonanční frekvence takových antén je možné měřit např. pomocí FT-IR v reflexním nebo transmisním módu.


29

rozhraní a pnutí ve vrstvě resp. na rozhraní. Metody měření adheze vrstev v praxi jsou destruktivní, tedy na systém působíme vnější silou a hledáme mezní stav, při němž dojde k porušení adheze. Byla vyvinuta celá řada metod (asi 200), které lze rozdělit do tří skupin: 1. Metody odtrhávací (tah, krut,ohyb apod.) – některé metody lze kvantifikovat (do cca 500MPa) 2. Metody vrypové (konstantní nebo proměnné zatížení hrotu) 3. Metody vpichové (statické nebo dynamické) Některé nové metody destruktivní (fokusované ultrazvukové nebo laserové pulzy) nebo nedestruktivní (stanovení vazebních sil měřením např. šíření akustických vln) jsou kvůli složitosti a omezení na speciální vzorky zatím ve fázi základního výzkumu. Pro měření adheze vrstev určených pro mechanické aplikace se požívají dvě metody: Vrypová metoda (scratch test)

Hrot Rockwell Zatížení 0 - 100 N Obr. 4: Soubory plazmonických antén vyrobené odprašováním fokusovaným iontovým svazkem Ga (vlevo) a lokální depozicí Pt (vpravo). Rozměry antén: délka 3 µm, šířka 0,5µm, výška 70 nm, mezera 800 nm. Dosud byly publikovány články týkající se rezonančních plazmonických antén nanesených na transparentní neabsorbující substráty pro dané oblasti rezonančních frekvencí (např. tavený křemen pro viditelnou oblast nebo křemík pro oblast IR). V těchto frekvenčních intervalech byla pozorován lineární závislost rezonanční vlnové délky na délce antén. Jednoduchý lineární vztah pro rezonanční vlnové délky λ res antén IR mající tvar λres = n* 2L (kde n je index lomu substrátu a L je délka raménka antény) byl publikován v [7]. V našich experimentech [8] jsme se zabývali vlastnostmi IR dipólových antén z Pt vyrobených na oxinitridu bohatém na křemík (SRON - silicon–rich-oxinitride ). Tento dielektrický materiál má výrazné absorpční vlastnosti ve střední části IR (kolem λ-1 ≈ 1100 cm-1). Práce byla motivována snahou využít navýšení intensity elektromagnetického pole při rezonancích pro lokální termální transformaci vrstvy SRON v oblasti mezi raménky antény na nanokrystalický křemík vykazující fotoluminiscenci v oblasti λ=790 nm. Při těchto experimentech byla pozorována nelineární závislost mezi vlnovou délkou a délkou antén v oblasti IR blízko absorpce. Toto neobvyklé chování naznačuje silnou vazbu mezi lokalizovanými povrchovými plazmony a substrátem. Výsledná reflexní spektra s patrnými rezonančními píky získaná od struktur antén měřením FTIR jsou uvedena na obr. 4. Zmíněné Pt antény byly vyrobeny na SNF (Stanford Nanofabrication Facility) pomocí elektronové litografie (lift-off) užitím zařízení RAITH 150. Vrstvy SRON (tloušťka 300 nm) byly vyrobeny metodou PECVD, metalizace pak vakuovým napařováním.

Hrot AFM zatížení 0 – 100 mN (nanoscratch) K poškození (odtržení) vrstvy dochází díky vzniku trhlin (radiálních, rovnoběžných s podložkou) nebo deformací vrstvy a podložky. Poškození je indikováno sledováním v optickém mikroskopu, detekcí signálu akustické emise (při vzniku trhlin) a měřením tečné síly (koeficientu tření). Vpichová metoda (indentation test) Vpich hrotem Rockwell pod zatížením typicky 150kg a hodnocení poškození vrstvy na okraji vpichu. Hodnotí se podle 6-bodové stupnice HF1-HF6, tzv. tabulka MercedesBenz.


28


17

b) obráběcí stroj – posuzuje se výkonová schopnost, tuhost a možnosti automatizace zkoušky, c) materiál a geometrie nástroje – pro ŘZ TOV je výhodou nástroj geometricky co nejjednodušší, technologicky dobře vyrobitelný, s co nejmenším počtem břitů (vyhodnocování každého břitu). Materiál by měl být volen s ohledem na vyváženou houževnatost a otěruzvdornost pro dané podmínky a volen od renomovaného dodavatele poskytující záruku dobré reprodukovatelnosti materiálu a geometrie. d) povlak – jako etalon se používá nástroj nepovlakovaný, testují se jednotlivé varianty TOV, e) řezné parametry – musí zohledňovat všechny výše zmíněné kritéria. Nastavují se rychlost/otáčky, posuv, přísuv, hloubka řezu a typ chlazení.

3.4

Parametry ŘZ pro testování PVD TOV

Metodiky testování TOV připravených PVD technologií nízkonapěťového oblouku jsou založeny na následujících parametrech řezné zkoušky: a) frézování VBD – materiál ČSN 12050.9, tvrdost 190-210HB, frézování za sucha, VBD SPKN1203, v=220-280m/min, fz=2mm/zub, ae=0,25-0,30mm, ap=2mm, životnost nepovlakované VBD je přibližně 8min, povlakovaná dosahuje životnosti 35-40min,

Obr. 4. IR reflexní spektra získaná ze souboru Pt antén o různých délkách (1.2 - 2.0 µm), G = 0.4 µm, výška 60 nm, substrát SRON (300 nm)/Si.

b) frézování monolitickými frézami – materiál ČSN 19436, tvrdost 60HRC, boční frézování za sucha, 2břitá monolitická celokarbidová fréza pr.10mm z materiálu Ceratizit TSM33, v=100 m/min, fz=0,08 mm/zub, ae=0,5 mm, ap=3mm, kritérum opotřebení VB=0,15mm, průměrná životnost nepovlakovaného nástroje T=4-4,5min, životnost povlakovaného nástroje 15-45min.

Poděkování

Laboratorní zkoušky řezivosti musí být průběžně doplňovány testováním u zákazníků a neustále korelovány s výsledky laboratorních měření TOV.

Odkazy:

Pro lepší orientaci v poměrně nehomogenní oblasti mechanických vlastností a vlastností TOV je součástí textu blokové schéma korespondující se strukturou textu.

Měření vybraných mechanických vlastností tenkých vrstev Jiří Vyskočil, HVM Plasma, Praha Měření mechanických vlastností tenkých vrstev je rozsáhlá oblast, kterou se zabývá jak základní výzkum, tak i průmyslové aplikace zejména spojené s kontrolou kvality a stability technologií přípravy vrstev. Popisem těchto metod se zbýval i přednáška na LŠTV v roce 2007 a bude jim věnována i zvláštní přednáška na této LŠVT. Adheze, mikrotvrdost, koeficient tření a otěr patří mezi hlavní vlastnosti měřené pro vrstvy používané v mechnických aplikacích (tvrdé otěruvzdorné vrstvy pro nástroje a strojní součásti). Adheze Adheze na rozhraní podložka vrstva nebo koheze na rozhraní dvou vrstev je definována jako energie nutná k vytvoření dvou volných povrchů. Adheze závisí na vazbách atomů na

Problematika popsaná v příspěvku byla studována v rámci projektů MŠMT (projekty č. MSM0021630508, a LC04060), GAAV (projekty č. No. IAA1010413 a KAN400100701), a GACR (projekt č. FON/06/E001). Dík patří také Fulbrightově nadaci za poskytnutí výzkumného grantu a firmě Tescan s.r.o. za umožnění přístupu k mikroskopu Lyra (FIB). [1] H. Raether: Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings. Springer Traces in Modern Physics, Berlin Heidelberg, 1988. [2] W. L. Barnes, A. Dereux, T. W. Ebbesen, Nature 424 (2003), 824. [3] S. A. Maier, M. L. Brongersma, P.G. Kik, S.Meltzer, A. A. G. Requicha, H.A. Atwater, Adv. Mater. 19 (2001), 1501. [4] S. A. Maier: Plasmonics: Fundamentals and applications. Springer 2007. [5] L. Šustr, Buzení a detekce plazmonovývh polaritonů, diplomová práce, VUT Brno. 2008. [6] P. Mühlschlege, H.-J. Eisler, O. J. F. Martin, B. Hecht, D. W. Pohl, Science 308 (2005), 1607. [7] K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, C. F. Quate, Journal of Applied Physics 7 (2003), 4632. [8] T. Šikola, R. D. Kekatpure, E. S. Barnard, J. S. White, P. Van Dorpe , L. Břínek, O. Tomanec, D. Lei, Y. Sonnefraud, S. Maier, J. Humlíček, and M. L. Brongersma, Mid IR plasmonic antennas on silicon-rich oxinitride absorbing substrates: nonlinear scaling of resonance wavelengths with antenna length, zasláno k publikaci do Appl. Phys. Letters. [9] L. Břínek, E.S. Barnard, P. Van Dorpe, Y. Sonnefraud, D.Y. Lei, S. A. Maier, T. Sikola and M.L. Brongersma, Mid-IR plasmonic antennas on substrates with a materials resonance: Nonlinear scaling laws for resonance frequency with antenna length, 4th international conference on Surface Plasmon Photonics (SPP4), rozšířený abstrakt, June 21-26, 2009, Amsterdam.


18

Mechanické vlastnosti tenkých otěruvzdorných vrstev a jejich měření Ondřej Zindulka, Michal Šíma, Mojmír Jílek, SHM, s.r.o. Text je věnován třem základním oblastem vztahujícím se k popisu vlastností tenkých otěruvzdorných vrstev (dále TOV) pro obrábění a tváření. První část představuje přehled jejich vlastností, které lze rozdělit do větších celků dle příbuznosti na mechanické, a technologické. Do druhé skupiny jsou zařazeny vlastnosti, které nelze jednoduše přiřadit do skupiny vlastností mechanických, ale jsou běžně používané v oblasti popisu TOV. Druhá část je zaměřena na problematiku testovacích vzorků a měření vlastností reálných nástrojů. Třetí část nastiňuje oblast řezných zkoušek povlakovaných nástrojů, které jsou zdrojem klíčových informací pro aplikaci TOV v reálných aplikacích.

1. Vlastnosti tenkých vrstev 1.1.1 Mechanické vlastnosti Lze je definovat jako charakteristické body-meze/pevnosti nebo závislosti-moduly na materiálových křivkách získávaných experimentálně při jednotlivých typech namáhání testovacích vzorků. Materiálové křivky a následně vlastnosti lze rozdělit podle časového průběhu zatěžující síly a četnosti opakování na statické, dynamické/rázové, cyklické a zvláštní. Problematika TOV se výrazným způsobem vymyká standardním přístupům. Vzhledem k tloušťce a tvrdosti TOV bylo nutno pro měření tvrdosti vyvinout zcela odlišné postupy. Mechanické vlastnosti TOV jsou shrnuty v části 1.1.5 – Mechanické vlastnosti TOV. 1.1.2 Statické zkoušky Typy namáhání při těchto zkouškách se dělí na zkoušky tahem, tlakem, ohybem, krutem a smykem/střihem. Mezi tyto zkoušky patří i statické zkoušky tvrdosti. Většinu materiálových hodnot lze určit pro všechny typy namáhání. Jako příklad odvození jednotlivých veličin může sloužit zkouška tahem (420310 – ČSN EN 10002): a) mez úměrnosti (A) – Youngův modul, (jedn. Mpa) je mezní napětí, po jehož hodnotu je celková deformace úměrná lineárně napětí a platí Hookův zákon. Vyjadřuje míru elastického chování materiálu bez přítomnosti plastických deformací. b) mez pružnosti (B), (jedn.MPa) je určována smluvně jako napětí vyvolávající trvalou deformaci určité velikosti, která je ale velmi malá. Tato hodnota se prakticky používá místo meze úměrnosti. c) meze kluzu (C, D) , (jedn.MPa) hodnoty napětí odpovídající velkým plastickým deformacím při malých změnách zatížení.


3.

27

Řezivost tenkých otěruvzdorných vrstev

Řezný proces je natolik komplexní mechanismus, že jeho relevantní simulování laboratorními metodami je dosud velmi problematické. Žádná kombinace laboratorních metod není v současnosti schopna spolehlivě predikovat řezivost TOV. Řezná zkouška tak nadále zůstává rozhodujícím kritériem při posouzení TOV v praktickém nasazení. 3.1

Operace řezných zkoušek:

a) soustružení – dominují nepřerušované řezy charakteristické vysokými rychlostmi a vysokou teplotou řezu. Tato oblast je převážně doménou CVD vrstev, b) frézování – řezy jsou z principu přerušované, vyvolávající mechanické a tepelné cyklické zatížení TOV a nástroje. Ve většině případů jsou používány vrstvy PVD, c) vrtání – zvlášť operace vrtání hlubokých neprůchozích děr představuje velké tepelné namáhání TOV, a je velmi citlivá na frikční vlastnosti TOV, d) vystružování – operace s parametry podobnými dokončovacímu soustružení, která je mimořádně náročná na kvalitu obrobeného povrchu, e) závitování, zubování – specifické oblasti řezání a tváření závitů a výroby ozubení využívající PVD vrstvy.

3.2

Kritéria řezných zkoušek

Pokud má být ŘZ pro testování TOV efektivní a účelná musí splňovat následující kritéria: a) dobrá reprodukovatelnost – prakticky to znamená relativní „necitlivost“ vůči drobným změnám parametrů řezného procesu (házivost nástroje, stárnutí chladicí kapaliny, materiálové odchylky, apod.). Rozptyl výsledků by měl být v jednotkách procent. Pro ověření řezivosti nástrojů se musí používat sady nejméně o 3 nástrojích a ověřovacím etalonu, b) citlivost vůči jednotlivým typům TOV – je nezbytně nutné, aby metodika byla citlivá na typy jednotlivých TOV a jejich variací. Jedná se o velmi obtížný úkol, zvláště v kombinaci s dobrou reprodukovatelností, c) transferovatelnost výsledků na jiné řezné aplikace a podmínky – řezných aplikací je obrovské množství. Zvolená ŘZ by měla umožňovat poměrně spolehlivou přenositelnost závěrů alespoň na nejbližší příbuzné aplikace, d) efektivita – obráběcí časy nesmí být neúnosně dlouhé (max.60 min), optimální čas se pohybuje okolo 20-25 min. Nicméně nesmí dojít ke zmenšení rozlišovací schopnosti ŘZ vůči jednotlivým typům TOV.

3.3

Parametry řezného procesu

Pro zajištění zmíněných kritérií řezné zkoušky musí být správně nastaven a optimalizován celý řezný proces sestávající z následujících částí: a) obráběný materiál – je nutné znát materiálové charakteristiky a jejich tepelné závislosti, třídy obrobitelnosti, tepelné úpravy. Tyto informace se podílejí na odpovídajícím nastavení dalších veličin. Materiál by měl být zajišťován ve větších dávkách nejlépe přímo od výrobce s atesty kvality.


26


19

Jsou velmi závislé na typu materiálu. U některých materiálů jsou výrazné, u jiných se prakticky nevyskytují. d) mez pevnosti v tahu (E) , (jedn.MPa) napětí odpovídající největší zátěžné síle, do tohoto bodu je deformace rozdělena na celou délku zkušebního vzorku. Po dosažení tohoto bodu dochází buď k přetržení vzorku nebo u houževnatých materiálů ke vzniku velkých lokálních plastických deformací. e) tažnost a kontrakce (jedn.%) jsou deformační charakteristiky vyjadřující schopnost materiálu se deformovat určované z rozměrových změn vzorků po přetržení. Popisují tvárnost materiálu. f) houževnatost představuje práci vynaloženou na deformaci zkušebního vzorku. V tahovém diagramu představuje plochu omezenou deformační křivkou. Materiály lze z tohoto pohledu dělit na tažné, houževnaté a křehké. 1.1.2 Zkoušky rázové/dynamické Jsou charakteristické vysokou rychlostí změny zatěžovací síly, která je přibližně 1000x vyšší než při statických zkouškách. V principu lze zjišťovat analogicky všechny hodnoty jako při zkouškách statických, nicméně jedná se o velmi náročné experimentální měření. Běžně určované veličiny jsou: a) vrubová houževnatost při zkoušce v ohybu, (jedn. J/cm2) je určena z plochy vrubu a nárazové práce spotřebované při přeražení vzorku b) přechodová teplota, (jedn.°C) hodnoty vrubové houževnatosti jsou velmi teplotně závislé. Existuje přechodová oblast teplot, kdy se materiál porušuje křehkým lomem. Tato hodnota je materiálovou charakteristikou. 1.1.3 Zkoušky únavové Používají dlouhodobé opakující se proměnné zatížení, které může měnit periodicky svou hodnotu i smysl. Výsledkem je vyvolání tzv. únavy materiálu, která je spojena se vznikem únavové trhliny vlivem místních plastických mikrodeformací. Základní charakteristikou je mez únavy, která je definována jako největší výkmit napětí při jeho dané střední hodnotě, který ještě nezpůsobí lom vzorku. Experimentálně se zjišťuje z Wöhlerovy křivky. 1.1.4 Tvrdost Vyjadřuje odpor proti vnikání (zkušebního) tělesa do povrchu. V principu je to zkouška tlakem s přesně vymezenými hodnotami zatížení vůči charakteristickým bodům tahového diagramu. Hodnoty tvrdostí (a mnohdy i jednotky) jsou následně odvozeny od jednotlivých zkušebních metod a v mnoha případech mají především historický a oborový kontext. Přepočet jednotlivých hodnot pak je většinou pouze informativní. Používané jednotky jsou HRC, HB, HV kg/mm2, GPa. Základní zkušební metody měření tvrdosti se dělí dle typu zatížení na staticko-plastické, dynamicko-plastické a dynamicko-elastické:


20

staticko-plastické: a) Vickers – vtlačování diamantového jehlanu s vrcholovým úhlem 136° předepsanou silou, měří se velikost úhlopříčky. b) Rockwell – vtlačování diamantového kužele s vrcholovým úhlem 120° nebo kuličky o průměru 1/16“ předepsanou silou do povrchu. Měří se trvalá hloubka vtisku. c) Brinell – vtlačování kuliček o různém průměru předepsanou silou do povrchu. Měří se průměr vtisku. V dynamicko-plastické: a) Baumannovo kladívko – je založeno na principu statických zkoušek, ale vnikací tělísko (kulička) je do materiálu vtlačováno rázem. Vyhodnocuje se vtisk standardním způsobem a přepočítává se na hodnotu HB, b) Poldi kladívko – je komparační metodou. Rázem kladiva se vyvolá vtisk nejenom v měřeném materiálu, ale i v materiálu srovnávacím se známou tvrdostí. Hodnoty se přepočítávají z obou vtisků na tvrdost HB. dynamicko-elastické: c) Shoreho skleroskop – je založen na měření výšky odrazu testovacího tělíska spuštěného z konstantní výšky, d) Duroskop – je modifikací Shoreho skleroskopu, provádí se měření odrazného úhlu testovacího tělíska spuštěného k povrchu pod konstantním úhlem. Metody zkoušení tvrdosti jsou normalizovány (ČSN, EN, ISO, ASTM, JIS, apod.). 1.1.5 Mechanické vlastnosti TOV Pro určování mechanických vlastností TOV byly vzhledem k jejich tloušťce vyvinuty speciální metody. V principu se jedná o statické zkoušky tlakem – indentací. Lze je rozdělit následujícím způsobem: a) depth-sensing indentation (snímání hloubky vtisku) – metoda používající vtisku hrotu (Knoop, Rockwell, Berkovich) s proměnnou zátěží 0,5-1000 mN s kontinuálním měřením hloubky vtisku v řádech stovek nm. V současnosti je nejběžnější metodou. b) laser-acoustic wave (laserem indukovaná akustická vlna) – náročná metoda používající akustickou laserem vybuzenou povrchovou vlnu postupující podél rozhranní povlak-podklad. Z fázových rychlostí při různých frekvencích lze zjistit Youngův modul a tloušťku vrstvy. Nejčastěji používané veličiny získávané indentací: a) univerzální tvrdost – tvrdost určována z maximální hloubky vtisku při maximální zátěži hrotu, jednotky jsou GPa, N/mm2. b) plastická tvrdost – je odvozovaná z odtěžovací křivky. Nejvíce se blíží standardním hodnotám tvrdosti. c) modul pružnosti (Youngův modul) – je ekvivalentem standarního modulu pružnosti v tlaku, i když jeho určení je odlišné.


25

2.1.5 adheze Stejně jako vzorky pro měření zbytkového pnutí se výrazně liší vzorky pro měření adheze dle použité metody. Při použití vrypové zkoušky musí být použito vzorku s nízkou výchozí drsností a vysokou tvrdostí. Je možno použít vzorek pro měření tvrdosti, tloušťky a pnutí, ale je nezbytné dbát na pořadí zkoušek a minimalizovat tak vzájemné ovlivnění. Vzorky pro Rockwell zkoušku vzhledem k zátěžné síle 150N jsou voleny z rychlořezných nebo nástrojových ocelí. Obvykle se používá oceli ČSN 19830 zakalené na tvrdost 60-62HRC a plošně leštěné. Tato ocel má poměrně vysoké popouštěcí teploty a tudíž její tvrdost není výrazně ovlivněna depoziční teplotou. V opačném případě dochází s různými depozičními teplotami ke změně tvrdosti, což při indentaci vyvolá rozdílné deformace a následně zkreslení výsledků. 2.1.6 koheze Při vyhodnocování koheze se používá stejných vzorků jako pro adhezi a tloušťku. Hodnocení probíhá posouzením stopy vrypu z vrypové zkoušky, rozhraní v objemu TOV v kalotě, popř. kohezních porušení při Rockwell testu. 2.1.7 otěruvzdornost Vzorky se znovu liší podle typu zkušební metody. Pro pískování se používají vzorky dané metodikou jednotlivých uživatelů, závisejících na tryskacím médiu a použitém tlaku. Velmi často jsou používány vzorky ze slinutého karbidu (mnohdy přímo VBD s jednoduchou geometrií) nebo ocelové vzorky pro měření adheze či koheze. Pro tribologické metody se používají většinou ocelové vzorky, jejichž tvrdost je menší než tvrdost zátěžných tělísek a které umožňují vyhodnocovat profil testovací dráhy popř. použít prvkových analýz složení.

2.2

Měření na reálných nástrojích

Je ve většině případů velmi omezené z důvodu rozměrů nástrojů, složitých geometrií, absence rovinných ploch s dostatečně nízkou drsností, apod. Destruktivní metody nelze použít na měření funkčních ploch, které mají být povlakem chráněny v celém rozsahu a omezují se v lepším případě na plochy, které nemusí být relevantní, což je pravděpodobně největší problém při stanovení tlouštky a složení TOV (technologie PVD používající plazmové výboje jsou známy koncentrací nábojů na hranách nástrojů vedoucí k poměrně zásadním změnám tloušťky a složení). Z těchto důvodů se měření mnohdy omezuje pouze na měření tvrdosti ocelových podkladových materiálů pro kontrolu případného popuštění a na vizuální kontrolu TOV na funkčních plochách nástrojů. Většina výrobců do procesů umísťuje nejenom již výše zmíněné vzorky, ale rovněž např. etalonové nástroje – zkušební frézy, popř.VBD, které umožňují použití i destruktivních měřících metod a způsobů přípravy. Mimořádně důležité je to v případě certifikované výroby a nutnosti deklarovat hodnoty vlastností TOV přímo na funkčních plochách konkrétních nástrojů.


24

b) TiAlN – stripovatelnost se výrazně zhoršuje s rostoucím obsahem Al, 15-90 min, c) niitridy s obsahem Cr – je nutno používat jiné metody (mnohem agresivnější) než v předcházejících případech, řádově hodiny, d) oxidy, karbidy, oxo-karbidy – jsou ve většině kombinací prakticky neodstranitelné.

2. Vzorky a reálné nástroje Kapitola je věnována výběru laboratorních vzorků pro jednotlivé měření a problematice měření vlastností TOV na reálných nástrojích.

2.1 Laboratorní vzorky Výběr vzorků pro jednotlivé měřící metody není triviální záležitostí. Musí být splněny všechny základní předpoklady pro kvalitní a reprodukovatelné měření, ale na druhou stranu je nutné vzhledem k četnosti jejich používání zvážit i ekonomickou stránku věci. Např. vzorků pro základní měření tloušťky, adheze a koheze pro kontrolu výroby a vývojové účely je spotřebováno ve středně velké povlakovací firmě téměř 5000 ks ročně. 2.1.1 tvrdost Vzorky pro měření tvrdosti nanoindentací se používají s povrchem broušeným na úroveň metalografických výbrusů s výchozí drsností Ra menší než 0,005 mm. Pokud je drsnost vrstvy větší než drsnost výchozí, provádí se doplňkové metalografické leštění deponovaného vzorku pod malým úhlem k povrchu (přibližně 4°). Dojde k odstranění nežádoucí drsnosti, která významným způsobem ovlivňuje měření tvrdosti. Nelze měřit vzorky se špatnou adhezí popř. kohezí a vzorky jejichž tloušťka TOV je menší než než pravidlo 1/10. Maximální indentační hloubka musí být menší než přibližně 1/10 tloušťky vrstvy, z důvodu omezení vlivu podkladového materiálu na tvrdost TOV. Větší tvrdost materiálu je pak výhodnější (běžně se používají substráty ze slinutého karbidu). Rovněž velké požadavky jsou kladeny na rovinnost vzorku a jeho dosedací části. 2.1.2 tloušťka Pro měření tloušťky lze využít s výhodou vzorky pro měření tvrdosti. Zároveň lze přímo zkontrolovat nutnou tloušťku pro indentaci. Obecným pravidlem pro použití např. kalotestu je dobrá výchozí drsnost vzorku a vysoká tvrdost podkladového materiálu. 2.1.3 drsnost Nároky na vzorek pro měření drsnosti jsou identické s měřením tvrdosti. Výchozí drsnost vzorku se načítá k drsnosti TOV. Pokud je vrstva enormně hladká je nutno zajistit buď kvalitnější vzorek, nebo jednotlivé hodnoty od sebe „separovat“. 2.1.4 zbytkové pnutí Vzorky se nutné zajistit rozměry jsou materiálových plechů.

velmi liší podle použité metody. Při stanovení pnutí měřením průhybu je vzorek s minimální tloušťkou vzhledem k ostatním rozměrům. Typické 5x50x0,1-0,2mm. Pečlivost je nezbytná při výběru materiálu a jeho charakteristik. Požívá se ocelových, wolframových či molybdenových

Při XRD analýze je možno použít s výhodou vzorek na měření tvrdosti. Splňuje požadavky metody na drsnost i tloušťku TOV automaticky.


21

d) elasticita – vyjadřuje poměr elastické složky práce k celkové deformační práci. Jednotlivé hodnoty se odečítají jako plochy k odtěžovací, resp. zatěžovací křivce. Elasticita je analogická hodnota k houževnatosti v tlaku. Udává se v %. Typické hodnoty TOV: se mohou lišit podle použité metody měření a podle zvolených kalibrů tvrdosti. Nejčastěji užívaná hodnota plastické tvrdosti se pohybuje v rozmezí 24-40 GPa, Youngův modul okolo 400-500 GPa a elasticita 50-70%.

1.2 Technologické/ostatní vlastnosti V této kapitole jsou zařazeny vlastnosti a metody jejich měření, které jsou důležité z pohledu TOV, ale které je nesnadné přiřadit kapitolám předchozím. 1.2.1

Tloušťka

Je základní charakteristikou TOV, která souvisí s životností vrstvy. Pro její zjištění se používající následující přímé i nepřímé, destruktivní i bezkontaktní metody: a) kalotest – destruktivní metoda, do povlaku se probrousí ocelovou kuličkou s diamantovou pastou kulový vrchlík, z něhož se vypočítá tloušťka povlaku, kalotu je možno použít na vizuální kontrolu TOV, b) metalografický výbrus – destruktivní metoda, kdy část povlaku i s podkladovým materiálem je metalograficky vyleštěna a tloušťka TOV je přímo změřena např. optickým mikroskopem, c) deponovaný krystal – metoda využívající kmitající křemenný krystal založená na změnách hmotnosti krystalu v průběhu depozice, d) XRF (X-ray Fluorescence) – nedestruktivní metoda využívající rentgenové záření, metodu je nutné kalibrovat rovněž na chemické složení TOV. Typické hodnoty TOV: 1-5 µm pro osové a tvářecí nástroje, 3-8 µm pro VBD. 1.2.2 Drsnost Všeobecně lze říci, že drsností povrchu se nazývají různé malé nerovnosti (nepravidelnosti) povrchu způsobené např. obrábějícím nástrojem. Nerovnosti na povrchu představují prostorový útvar, který je velmi obtížné posuzovat. Tento problém se řeší redukcí do roviny řezu rovinou kolmou k povrchu. V rovině řezu získáme profil, který je základním zdrojem informací pro posuzování struktury povrchu). Struktura povrchu má vliv na odolnost proti korozi, velikost tření, dynamické namáhání, apod. Struktura povrchu je členěna na složky drsnost povrchu (parametr R), vlnitost povrchu (parametr W) a základní profil (parametr P). Základními charakteristikami jsou: a) Průměrná aritmetická úchylka Ra (µm) – aritmetický průměr absolutních hodnot drsnosti, b) Největší výška profilu Rz (µm) – je součet výšky nejvyššího výstupku profilu a nejnižší prohlubně profilu. Největším zdrojem drsnosti povlaků je prach z depoziční komory a komponent, který se uvolňuje především ve fázích ohřevu a chladnutí, růstová morfologie povrchů TOV (kolumnární struktura, apod.) a nežádoucí produkty při tvorbě reakčních složek (např. makročástice metalických targetů v PVD technologii nízkonapěťového oblouku).


22

Drsnost povlaků lze vyhodnocovat kontaktním i bezkontaktním způsobem: a) vlečený hrot – povrch je snímán vlečeným hrotem, jehož pohyb je induktivně snímán a převáděn na profil povrchu, v současnosti nejčastěji používaná metoda, b) optické srovnání – vizuální porovnání hodnoceného vzorku s etalony s využitím optického mikroskopu, c) AFM (Atomic Force Microscopy) – metoda je schopna vytvořit 3D model povrchu s rozlišením v řádu jednotek nm, d) SEM (Scanning Electron Microscopy) – podobně jako AFM, využívá jiný fyzikální mechanismus. Typické hodnoty TOV: Ra = 0,05-0,4 µm, Rz = 0,5-4 µm 1.2.5 Zbytkové pnutí Obecným zdrojem zbytkového pnutí je stav, kdy jednotkový objem TOV by zaujal jiný objem, než mu dovolují adhezivní síly. Příčinou pnutí je struktura a složení TOV a především rozdíl v koeficientech tepelné roztažnosti TOV a povlakovaného materiálu. Pnutí je pravděpodobně největším napěťovým příspěvkem na rozhraní TOV a podkladového materiálu a největší měrou definuje požadavky na adhezi TOV. Nejčastější metody určování zbytkového pnutí jsou: a) měření průhybu tenkých vzorků – používají se jednostranně povlakované tenké plechy, z jejichž průhybu a materiálových konstant lze určit smysl a velikost pnutí. Metoda je především velmi jednoduchá a orientační, b) XRD (X-ray Diffraction) – zbytkové pnutí se určuje na základě rozdílu mezi experimentálně změřenými a teoretickými mřížkovými parametry dané struktury TOV. Typické hodnoty TOV: PVD technologie jsou typické kompresivním pnutím o hodnotách 1-6 GPa, CVD technologie tahovým 0-2 GPa. 1.2.6 Adheze Rozumí se přilnavost TOV k podkladovému materiálu. Je ovlivněna celou řadou faktorů, jako je příbuznost struktur podkladu a TOV, stupeň čistoty podkladu, tloušťky TOV, zbytkové pnutí TOV, apod. Z pohledu namáhání se jedná o vyjádření rovnováhy mezi smykovými silami vyvolanými výše uvedenými faktory a silami adhezními. Pro hodnocení adheze se používají následující metody: a) scratch test (vrypová zkouška) – po povrchu vzorku je vlečen diamantový hrot, který je zatěžován vzrůstající silou (20-120 N). Při měření je detekována akustická emise, která je schopna diagnostikovat odtržení TOV. Při vizuální kontrole vrypové stopy lze určit porovnat hodnotu kritického zatížení s akustickou emisí a posoudit mechanismus poškození TOV. b) Mercedes (Rockwell) test – je používán princip měření tvrdosti metodou Rockwella, je vyhodnocován mechanismus, tvar a rozsah porušení vrstvy při deformaci rozhranní TOVmateriál vyvolaným vtiskem hrotu. Posouzení je prováděno vizuálně podle etalonů. c) DIW (Dynamic Impact wear) – viz.1.2.8 e), metodika je schopna velmi přesně posoudit míru přilnavosti konkrétního vzorku.


23

Typické hodnoty TOV: pro řezné aplikace je minimální požadovaná hodnota kritického zatížení scratch testem přibližně 50-55 N. 1.2.7 Koheze Vyjadřuje „soudržnost“ TOV v jejím objemu. Moderní TOV vrstvy většinou sestávají z mnoha subvrstev (multivrstvy, gradienty, kombinace), na jejichž hranicích dochází k významným změnám vlastností a které mohou být zdrojem různých defektů. a) scratch test – viz.1.2.6, b) Mercedes (Rockwell) test – viz.1.2.6, c) DIW (Dynamic Impact wear) – viz.1.2.8 e). Typické hodnoty TOV: pro řezné aplikace je minimální hodnota kritického zatížení scratch testem přibližně 50-55 N. Ostatní metody poskytují většinou pouze komparativní výsledky. 1.2.8 Otěruvzdornost Je výsledkem spolupůsobení mnoha faktorů. Vyjadřuje schopnost TOV odolávat většinou abrazivnímu otěru. a) pískování – používá se abrazivního účinku pískování pro vytvoření abrazivní stopy na povrchu vzorku, u které se může vyhodnocovat její velikost popř. čas pískování. Metoda závisí na zvyklostech uživatele, b) pin-on-disc – pro stanovení frikčního koeficientu je použito pohybu hrotu daného materiálu, který opisuje po povrchu TOV kruhovou dráhu danou rychlostí. Je získáván časový průběh třecího koeficientu. Je rovněž možné vyhodnocovat profil dráhy, přírůstek popř. úbytek hmotnosti vzorku či hrotu a mechanismus opotřebení. K dispozici jsou rovněž techniky za zvýšených teplot lépe simulující reálný stav např. při obrábění. c) ball-on-disc – princip je stejný jako pro pin-on-disc, pouze hrot je zaměněn za kuličku, d) fretting test –používá nízkofrekvenční liniové prolešťování TOV pomocí kuličky nebo hrotu daného materiálu. Vyhodnocení je obdobné jako u předcházejících metod. e) DIW (Dynamic Impact wear) – metoda, kdy rovinný vzorek je vystaven velkému počtu cyklů zátěžné síly s typickou frekvencí 1-40Hz a velikostí 5-1500N. Metoda simuluje komplexní chování v průběhu namáhání např. při frézování. Poskytuje informace o adhezivním a kohezivním chování a otěruvzdornosti vrstvy. Výsledky se interpretují ve formě porovnání různých variant TOV. Metoda se neustále vyvíjí. Typické hodnoty TOV: koeficienty tření se pohybují v rozmezí 0,05 pro DLC vrstvy až 0,2-0,8 pro standardní PVD TOV. DIW poskytuje většinou pouze komparativní výsledky. 1.2.9 Stripovatelnost Průmyslová praxe v oblasti řezných nástrojů si vynutila vývoj v oblasti odstraňování TOV z povrchu nástrojů. Tato schopnost povlaku je v současnosti spíše mírou účinnosti odpovlakovacích metod, nicméně stojí v tomto kontextu za zmínku. Pokud pomineme vliv podkladového materiálu a tloušťku TOV, lze TOV podle stripovatelnosti rozdělit následně: a) TiN – většinou velmi dobře odstranitelný, čas odpovlaku je řádově 5-15 min,

Obsah ZPRAVODAJ ČVS 17 (2) ZPRAVODAJ ČVS 17 (2)

Recommend Documents