ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК ОКСИДА ХРОМА, ПОЛУЧЕННЫХ ПО МОС ТЕХНОЛОГИИ

Родионова Н.А.¹, Шмидко И.Н.², Родионов Е.В.³

¹Кандидат физико-математических наук, ²Соискатель, Институт физики полупроводников им.В.Е.Лашкарева Национальной Академии наук Украины, ³Аспирант, Национальный университет пищевых технологий.

ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК ОКСИДА ХРОМА, ПОЛУЧЕННЫХ ПО МОС ТЕХНОЛОГИИ

Аннотация

В данной работе были проведены спектральные исследования пленок в диапазоне 30-1000 нм. Спектральные зависимости поглощения и отражения проводились на пленках толщиной от 00 до 1000 Å. Проведены оптические исследования полученных пленок хрома после воздействия на них термических, механических воздействий, а также после воздействий агрессивных сред. Измеренные спектральные характеристики позволили связать их с изменением и наличием в пленках различных карбидных и оксидных фаз, влияющих на оптические свойства пленок.

Ключевые слова: пленки оксида хрома, оптические свойства, металлоорганические соединения

Rodionova N.A.¹, Shmidko I.N.², Rodionov E.V.³

¹PhD in Physics and Mathematics, ²Postgraduate student, V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Science of Ukraine, ³Postgraduate student, National University Of Food Technologies

OPTICAL PROPERTIES OF CHROMIUM OXIDE FILMS, OBTAINED BY THE MOC TECHNOLOGY

Abstract

Spectroscopic studies of films have been conducted in the range of 30-1000 nm. Spectral dependence of the absorption and reflection were carried out on films with a thickness from 800 to 1000 Å.

Optical studies of obtained chromium films were conducted after exposure to thermal, mechanical effects, as well as after exposure to corrosive environments.

The measured spectral characteristics allowed to connect them with the change and the presence in films of various carbide and oxide phases, affecting the optical properties of the films.

Keywords: chromium oxide films, optical properties, organometallic compounds

В современном приборостроении в значительной мере возрас­тает использование уникальных технологий и методик изготовления различных материалов. Таковыми являются и оксикарбидные пленки черного хрома, применяемые в качестве поглощающих в оптических и оптоэлектронных системах космического приборостроения.

Аналогичные материалы (гальванический черный хром, керметы, лаки, эмали) значительно уступают по физико-механическим параметрам, что делает их менее эффективными при экстремальных условиях эксплуатации.

Полученные путём термораспада хроморганического соединения в окислительной среде, плёнки черного хрома имеют значительную устойчивость в агрессивных средах, термоустойчивость, адгезионные свойства, наряду с хорошим коэффициентом поглощения - в видимом диапазоне энергий интегральный коэффициент поглощения измеренный на приборе ФМ-59 составил 97– 98%, а в ИК области 80%.

Эти свойства сохраняются при нагревании до 300-400⁰С на воздухе и до 1000⁰С в вакууме. Такие плёнки находят применение в поглотителях световой и лучистой энергии, а также в приборах, работающих в условиях высокого вакуума и открытого космоса.

Однако, методика получения пиролитических оксидохромовых пленок из металлоорганических соединений с их сложной поликристал­лической структурой сравнительно мало изучены, а практическое применение таких плёнок дает значительный положительный эффект.

Исследования оптических свойств оксикарбидохромовой пен­ки проводилось на образцах пленок, полученных путем термо­распада бис-этилбензолхрома в окислительной среде в специально сконструированной установке, которая позволяет получать плёнки методом термического разложения металлоорганического соединения (МОС) при различных концентрациях исходных компонентов МОС – окислитель. Исследования проводились на образцах с концентраци­ей исходных компонентов от 10:1 до 1:1 при различных видах об­работки поверхности подложки, её материала и режимах термичес­кой обработки осажденной пленки черного хрома.

Целью работы является исследование оптических свойств пиролитических пленок черного хрома и определение возможных преде­лов их практического применения. Для этого были проведены ис­пытания по определению коэффициента поглощения в диапазоне длин волн от 320 до 1000 нм, полученные пленки имели толщину от 600 до 1000 Å.

Спектральные зависимости поглощения и отражения K и R определялись с помощью спектрофотометров. Была постав­лена общая задача определения влияния количества окислителя в составе исходных компонентов на величину коэффициента поглощения в зависимости от изменения спектральных параметров.

Известно, что толщина пленки сильно влияет на величину оп­тических параметров, поэтому для выбора оптимальной толщи­ны была приготовлена плёнка в виде клина, на которой проведена стабилизация структуры путем отжига при температуре 800⁰С в вакууме Р=10^-5 мм.рт.ст.

Толщина пленки измерялась при помощи интерферометра Линника МИИ-4. В результате проведенных экспериментов была выб­рана толщина исследуемых пленок, не влияющая на коэффициент пог­лощения, которая составила 0,6 - 0,8 мкм.

Исследование оптикомеханических свойств пленок черного хрома проводилась по методикам, используемым при испытаниях материалов в космическом приборостроении в соответствии с программой лабораторно-отработачных испытаний (ЛОИ) M63.914.996 ПМ ЛОИ.

Проводились испытания оксикарбидохромовой пленки при воздей­ствии агрессивных сред термических и механических воздействий с последующей проверкой оптического поглощения на каждом этапе ис­пытаний.

На Рис.1 приведена спектральная зависимость коэффициента поглощения от температуры отжига в вакууме. Исследование этой зависимости показывает, что отжиг и увеличение окислителя в ис­ходном. соотношении МОС-окислитель несколько смещает кривые в сторону длинных волн, а величина коэффициента поглощения резко уве­личивается при уменьшении длины волны до 0,4 мкм. Отжиг образцов на воздухе при 300⁰С для идентичных концентраций исходных компо­нентов МОС – окислитель имеет похожий ход кривых спектральной зави­симости коэффициента поглощения (Рис.2). Причем, составы, содер­жащие относительно небольшое количество окисной фазы, например 10:1, взаимодействуют с кислородом воздуха при нагреве, в резуль­тате происходит, по-видимому, выгорание углерода и структурные превращения в составе пленки, что приводит к снижению коэффициен­та поглощения.

Рис. 1 - Спектральные характеристики оксикарбида хрома: а – кварцевая подложка, б – сапфир.

Рис. 2 - Спектральные зависимости поглощения при отжиге на воздухе оксикарбида хрома

Для составов с большим содержанием окисной фазы (2:1, 1:1) наблюдается увеличение коэффициента поглощения при отжиге на воз­духе и в вакууме. Как показывают электронографические и рентге­новские исследования пленок аналогичных составов исходных ком­понентов, с увеличением окислителя и температуры отжига в их сос­таве увеличивается количество окисных фаз.

При этом, выделяясь по границам зерен, окисные фазы создают дополнительные поверхностные уровни, что соответственно приводит к увеличению поглощающих свойств материала. Общим для всех составов и отжигов является относительно резкий спад величины коэффициента поглощения от энергии фотона.

На Рис.3 и Рис.4 представлены спектральные зависимости ко­эффициента поглощения К_{λгранич} от состава исходных компонентов МОС - окислитель и температуры отжига, которые построены по данным измерения коэффициента поглощения исследуемых пленок.

Рис. 3 Спектральные зависимости ко­эффициента поглощения К_{λгранич} от состава исходных компонентов.

Рис. 4 Спектральные зависимости ко­эффициента поглощения К_{λгранич} от состава исходных компонентов

В таблице 1 приведены сравнительные данные по оптическим свойствам различных материалов, используемых зарубежными фирмами при изготовлении оптических приборов различного функционального назначения, и материалы наших исследований пиролитической оксикарбидохромовой пленки. Наблюдается хорошая корреляция наших данных и лучших зарубежных аналогов. По некоторым параметрам, например, адгезия, износоустойчивость, стойкость в агрессивных средах оксикарбидохромовая поглощающая пленка, полученная из металлоорганического соединения хрома при термораспаде в окислительной сре­де, имеет несколько лучшие результаты.

Полученная пиролитическая оксикарбидохромовая пленка, имею­щая хорошие оптико-механические свойства находит большое применение при изготовлении оптических приборов применяемых при работе в условиях с повышенными факторами внешних воздействий и в частности в косми­ческом приборостроении.

Основной предпосылкой при разработке поглощающей пленки стало наличие в её составе оксидных групп фаз с различными электри­ческими, оптическими и механическими свойствами, дающими в совокуп­ности интегральный коэффициент поглощения порядка 97-98% в диапа­зоне видимой области спектра.

Рентгенофазовый анализ пиролитических пленок черного хрома различного состава исходных компонентов МОС-окислитель показывает увеличение оксидных групп фаз в составе которых имеются фазы с малой величиной энергии активации (например, CrO₂, CrO₃, Cr₂O₃ и т.д.) при увеличении окислителя в составе исходных компо­нентов. Эти фазы, по всей вероятности, отвечают за высокое зна­чение коэффициента поглощения. Так, например, фаза Cr₂O₃ с Eg = 1,6 эВ имеет λ = 510 нм, что и наблюдается для состава 1:1 с максимальным содержанием Cr₂O₃ по данным рентгенофазового анализа.

Таблица 1 - Свойства некоторых поверхностей, поглощающих световое излучение

По данным исследования пленок черного хрома разного состава установлено, что отжиг и увеличение окислителя в составе исход­ных компонентов в получаемой пленке приводит к образованию боль­шого количества оксидов хрома и оксидов более высших порядков, что характеризуется смещением края поглощения спектральных кри­вых в длинноволновую область энергии.

Электронномикроскопические исследования образцов пленок различного состава показывают, что с увеличением количества окислителя в составе исходных компонентов наблюдается уменьшение размеров зерен из-за образования оксидных фаз играющих роль цент ров кристаллизации. Такое уменьшение размеров зерен - мелкодис­персная структура поверхности приводит к дополнительному диффуз­ному поглощению.

Таким образом, изменением концентрации окислителя в составе исходных компонентов МОС-окислитель можно в широких пределах регулировать оптические и другие физико-механические параметры пиролитической оксикарбидной пленки черного хрома.

1. Основное требование к материалам, применяемым в космичес­ком приборостроении - это способность работать при повышенных факторах внешних воздействий.

Полученная пленка может использоваться для снижения количест­ва рассеянного света в оптических приборах: при изготовлении ослабителей света, регулирующих интенсивность световых потоков, а также для превращения солнечной энергии в тепловую и электри­ческую, для измерения энергии излучения, в том числе - лазерного.

Впервые получены пленки черного хрома, способные работать в условиях высоких значений внешних механических воздействий, агрессивных средах и повышенных температур без изменения своих оптических свойств, делают эти пленки перспективными в данной области техники.

2. Исследования спектральной зависимости коэффициента погло­щения от температуры отжига и увеличения концентраций окислителя в составе исходных компонентов МОС-окислитель показали, что кри­вые смещаются в длинноволновую сторону, а при уменьшении длины волны величина коэффициента поглощения резко увеличивается.
3. На спектральной зависимости коэффициента поглощения от энергии фотона имеются максимумы полос поглощения при λ = 5900 Å и 4600 Å, соответствующие иону трехвалентного хрома фазы Cr₂O₃, что соответствует выводам, сделанным из рентгеновских и электронографических исследований.

Чистый Cr₂O₃ - обычно зеленого цвета, т.е. его E_g ~ 490-540 нм, что и наблюдается на крае поглощения.

4. Увеличение окислителя в составе исходных компонентов при­водит к интенсивному образованию оксидных фаз хрома и увеличи­вает мелкодискретность структуры поверхности, что является дополнительным вкладом в величину коэффициента поглощения.

Литература

1. Семёнычев. В.В., Смирнова Т.Б. О возможности оценки пористости покрытий потенциостатическими методами. Авиационные материалы и технологии, Научно-технический сборник. Выпуск №2, 2009 г., с.7-9.
2. Глезер A.M. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы. Рос. хим. журнал. 2002,Т.46, №5, с. 57-63.
3. Шапник М.С. Металлокластеры. Соросовский образовательный журнал. 1999, №5, с. 54-59.

References

1. Semjonychev. V.V., Smirnova T.B. O vozmozhnosti ocenki poristosti pokrytij potenciostaticheskimi metodami. Aviacionnye materialy i tehnologii, Nauchno-tehnicheskij sbornik. Vypusk №2, 2009 g., s.7-9.
2. Glezer A.M. Amorfnye i nanokristallicheskie struktury: shodstva, razlichija, vzaimnye perehody. Ros. him. zhurnal. 2002,T.46, №5, s. 57-63.
3. Shapnik M.S. Metalloklastery. Sorosovskij obrazovatel'nyj zhurnal. 1999, №5, s. 54-59.