Отражающие свойства аморфных композитных пленок

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПИТИРИМА СОРОКИНА»

Кафедра радиофизики и электроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Отражающие свойства аморфных композитных пленок , где 0.40 < x < 0.76»

Направление подготовки 03.03.03 Радиофизика

Научный руководитель:

К.ф.-м.н., доцент                                             ________________ Антонец И.В.                                                                                 
    

                                                                                    (подпись)

Исполнитель:

студент 130 группы                                          _________________ Носова О.А.

                                                                                
                                               (подпись)

Сыктывкар, 2016

Оглавление

Введение. 3

Методика и техника эксперимента. 4

I. Описание и принцип работы установки. 4

II. Состав аморфных композитных пленок. 7

III. Исследование коэффициента отражения аморфных композитных пленок  9

Основные результаты работы.. 15

Список литературы.. 17

Введение

В настоящее время изучение свойств и различных особенностей структуры тонких композитных пленок стимулирует развитие нанотехнологий. Индустрия в этой области – одно из самых приоритетных направлений развития науки и техники, в новшествах которых нуждаются многие сферы деятельности.

Особый интерес проявляется к исследованиям аморфных композитных пленок, т.к. данный тип пленок отличается уникальными свойствами по сравнению с их кристаллическими аналогами. Также актуальность связана с возможностью их применения в электронике, оптоэлектронике, магнитных устройствах и высокопрочных покрытиях.

В данной работе были изучены аморфные композитные пленки состава , 0.40 < x < 0.76, толщиной 0.57 – 1.12 мкм, полученные в атмосфере аргона на лавсановой подложке. Измерения проводились в области СВЧ, на диапазоне частот 7 – 12 ГГц.

Исследованы отражающие свойства пленок разной толщины и состава. Определены коэффициенты отражения, их зависимости от частоты и толщины композитных пленок, а также влияние металлической фазы, т.е. содержания , на коэффициент отражения.

Методика и техника эксперимента I. Описание и принцип работы установки

Для исследования электромагнитных свойств тонких пленок использовался измерительный комплекс «Измеритель КСВН панорамный Р2-61» включает в себя: генератор качающейся частоты ГКЧ 61, индикатор КСВН, модуль ослабления Я2Р-67 и волноводный комплект рефлектометров - выделителей сигналов. СВЧ сигнал, падающий на исследуемый образец, промодулирован с частотой 100 КГц. На выходах приемных детекторов, возникает напряжение, пропорциональное мощности отраженной и падающей волн. В индикаторе осуществляется усиление напряжений падающей и отраженной волн (на частоте модуляции СВЧ сигнала), деление, детектирование, визуальная индикация на экране ЭЛТ и непосредственный отсчет по шкальному устройству.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для измерения коэффициента стоячей волны: I – генератор качающейся частоты (ГКЧ), II – индикатор, 1 – коаксиально-волноводный переход, 2 – направленный детектор падающей волны, 3 – направленный детектор отраженной волны,    4 – согласованная нагрузка, 5 – соединительный кабель, 6 – исследуемый образец, 7 – выходы АРМ индикатора и ГКЧ, 8 – гнездо падающей волны, 9 – гнездо отраженной волны, 10 – выход ГКЧ, 11 – гнездо ГКЧ, 12 – гнездо индикатора.

Рис. 2. Комплекс для измерения коэффициента стоячей волны.

Шкала индикатора рассчитана на квадратичность детектирования и проградуирована непосредственно в значениях КСВН.

Основное назначение ГКЧ  -  генерирование высокочастотного сигнала с изменяющейся частотой и стабилизированной выходной мощностью.

Работа рефлектометра основана на свойстве направленного детектора сигнал СВЧ, распространяющийся в одном направлении и не реагирующий на противоположно направленный сигнал. Величина неравномерности частотной характеристики определяет одну из основных составляющих погрешности прибора в диапазоне частот при работе в автоматическом режиме перестройки частоты.

Волноводные направленные детекторы представляют собой два волновода, имеющие общую широкую станку с двумя рядами отверстий связи.

В основу построения структурной схемы панорамной измерителя КСВН и ослабления положен принцип раздельного выделения и непосредственного детектирования сигналов падающей и отраженной волн. Способ раздельного выделения падающей и отраженной волн заключается в следующем. Сигнал, пропорциональный мощности, падающей на нагрузке направленным ответвителем падающей волны. Сигнал, отраженный от исследуемой нагрузки, выделяется направленным ответвителем отраженной волны.

Коэффициент отражения определяется как отношение по формуле:

                                                                (1)

где  - модуль коэффициента отражения по напряжению;  - амплитуда напряжения отраженной волны; - амплитуда напряжения падающей волны.

Коэффициент отражения связан с коэффициентом стоячей волны (КСВН) соотношением:

                                                (2)

II. Состав аморфных композитных пленок

Исследовался состав аморфных гранулированных композитных пленок , 0.40 < x < 0.76 различной толщины на лавсановой подложке.

Металлическая фаза данной серии пленок состоит из кобальта, железа и циркония (Co₄₅Fe₄₅Zr₁₀). Определили среднее содержание металла для каждой пленки. Определили эффективную толщину, т.е. толщину металлической фазы по следующей формуле:

 

                                               (3) 

где μ – это содержание металлической фазы в пленке (в процентах, %).

Таблица. Вычисление эффективной толщины пленок.

№ пленки	Толщина пленки d, мкм	Содержание металлической фазы, <μ>, at. %	Эффективная толщина def, мкм
1	0.57	42.94	0.25
2	0.61	47.88	0.29
3	0.67	56.89	0.38
4	0.77	60.04	0.46
11	0.89	74.44	0.66
10	0.9	75.66	0.68
7	1.03	72.78	0.75
9	1.06	75.65	0.80
8	1.12	74.16	0.83

В таблице результаты приведены в порядке возрастания толщины композитных пленок (d). Содержание металлической фазы данной серии пленок лежит в диапазоне 42.9 – 75.7 %. В пленках №1 - №10 данное значение плавно увеличивается, но в пленках №11 и 12 наблюдается спад до 73.1%.

III. Исследование коэффициента отражения аморфных композитных пленок

Для оцифровки полученных графиков использовали программу GetData Graph Digitizer. Процесс оцифровки состоит из четырех шагов:

1.     Загрузка изображения. Программа поддерживает графические форматы: TIFF, JPEG, BMP и PCX.

2.     Установка системы координат. Используя соответствующую команду, задавали необходимые положения и значения точек X_min, X_max, Y_min, Y_max. В программе есть функция «Сетка» с регулируемым масштабом, которая позволяет более точно установить систему координат.

3.     Оцифровка изображения. Имеется два алгоритма для автоматической оцифровки: авто трассировка линий и оцифровка области. Также возможна оцифровка вручную, когда работаем в «Режиме установки точек». 

Использовали метод «Оцифровка области». Метод работает для всех типов линий. Выбираем на изображении цвет линии, которую необходимо оцифровать. Затем выделяем область для оцифровки при нажатой левой кнопке мыши. Можно менять расстояние между линиями сетки, передвигать или вращать сетку, также удалять точки с помощью «Ластика».

Затем с помощью команды «Изменение порядка точек» последовательно выделили все установленные точки. Таким образом, все точки нумеруются в необходимом порядке.

4.     Экспорт данных. С помощью соответствующей команды экспортировали данные в XLS файл. Также возможен экспорт в TXT, XML, DXF, EPS файлы.

С помощью программы Origin построили зависимости коэффициента отражения от частоты для каждой измеренной пленки. Частота изменяется в диапазоне 7 – 12 ГГц. Таким образом, получили три зависимости: для левых, правых и центральных частей пленок.

Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения от частоты для левых частей пленок.

Из рисунка видно, что для пленок №1 - №4 коэффициент отражения уменьшается с увеличением частоты. При этом диапазон изменения коэффициента увеличивается с 1.12∙10^-3 до 1.04∙10^-1. В пленках №5 - №12 этот диапазон увеличивается с 7.78∙10^-2 (пленка №9) до 1.63∙10^-1 (пленка №10). Также заметим, что в пленках №7 и №10 на частоте 10 ГГц наблюдается уменьшение до минимального значения, затем увеличение коэффициента отражения. В  пленках №5 - №12 в конце частотного диапазона наблюдается возрастание коэффициента отражения.

Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения от частоты для правых частей пленок.

Для пленок №3 - №6 наблюдается уменьшение коэффициента отражения с возрастанием частоты. Однако для пленки №3 эта зависимость практически незаметна, т.к. диапазон изменения коэффициента очень мал, равен 3.87∙10^-3. Диапазон изменения R увеличивается до 1.45∙10^-1. При этом в пленках №5 и №6 в конце зависимости R все-таки начинает увеличиваться. В пленках №7 - №12 коэффициент изменяется в диапазоне от 8.36∙10^-2 (пленка №10) до 1.32∙10^-1 (пленка№11). В конце зависимостей данных пленок также видно возрастание R. У пленок №9 и 11 зависимость R(f) практически одинакова, диапазон изменения R для пленки №9 равен 1.27∙10^-1.

Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от частоты для центральных частей пленок.

Аналогично предыдущим зависимостям, в первых пленках, т.е. №1, 2 и 4, наблюдается уменьшение R. В №1 и 2 зависимость практически незаметна, т.к. диапазон изменения R мал, для пленки №1 он равен 8.12∙10^-4, а для №2 – 5.76∙10^-4. У пленок №7, 8 и 11 этот диапазон увеличивается до 8.49∙10^-2 (№8). Также у пленок №11 и 7 на частоте ≈10.13 ГГц наблюдается уменьшение R до минимального значения.

Для всех частей пленок данной серии неравномерная зависимость R(f) связана с неоднородной структурой пленок.

Получена зависимость коэффициента отражения (R) от толщин композитных пленок (d).

Для значения частоты 8 ГГц для каждой пленки определили значение коэффициента отражения. Получили зависимость коэффициента отражения от толщин пленок. Экспериментальные точки аппроксимировали кривой:

                                                                                      (4)

Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения от толщины пленок.

На графике имеются обозначения: квадратами представлены экспериментальные точки, относящиеся к центральным частям пленок, треугольниками – правые части, окружностями – левые части. Из зависимости видно, что при значении толщины пленок d > 0.85 мкм точки имеют разброс и отклонения относительно кривой аппроксимации в диапазоне изменения коэффициента отражения до 5.85∙10^-2. Для значений толщин d < 0.85 мкм кривая проходит через все экспериментальные точки. Также при значениях d в диапазоне 0.75 – 0.83 мкм наблюдается резкое увеличение коэффициента отражения с 1.12∙10^-4 до 8.24∙10^-1.

Получена зависимость коэффициента отражения (R) от толщин металлической фазы пленок (d_ef), вычисленных по формуле (3).

Рис. 7. Зависимость коэффициента отражения от эффективной толщины с учетом состава пленки.

Сравнивая с зависимостью коэффициента отражения от толщины пленок, можно заметить, что учет влияния металлической фазы позволяет добиться более равномерного распределения экспериментальных точек вдоль кривой аппроксимации и избежать сильного разброса. Диапазон отклонения R составляет 6.23∙10^-2. Небольшие отклонения наблюдаются только при значениях d_ef  > 0.6 мкм. На диапазоне d_ef 0.4 – 0.55 мкм наблюдается резкое увеличение коэффициента отражения с 1.12∙10^-4 до 8.24∙10^-1.

Основные результаты работы

Для каждой пленки был вычислен коэффициент отражения (R). Была изучена зависимость R от диапазона частот (f) 7 – 12 ГГц для левых, правых и центральных частей пленок. Во всех случаях замечено, что в первых пленках R монотонно убывает с увеличением частоты. Также замечено, что для пленок №6 - №12 R в конце зависимостей начинает возрастать. Для всех частей пленок данной серии коэффициент отражения во всем диапазоне частот незначительно изменяется.

В зависимостях левых частей было замечено, что в пленках №7 и №10 на частоте 10 ГГц наблюдается уменьшение до минимального значения, затем увеличение коэффициента отражения. Максимальный диапазон изменения R равен 1.63∙10^-1 (пленка №10), минимальный – 1.12∙10^-3 (пленка №1).

Для правых частей было выявлено, что для пленки №3 зависимость практически незаметна, т.к. диапазон изменения коэффициента минимален для этих частей пленок, равен 3.9∙10^-3 (пленка №3). Максимальный диапазон равен 1.45∙10^-1 (пленка№6). Также у пленок №9 и 11 наблюдаемая зависимость практически одинакова.

Для центральных частей пленок минимальный диапазон изменения R равен 8.12∙10^-4 (пленка №1), максимальный – 8.72∙10^-2 (пленка №4). В №1 и 2 зависимость практически незаметна. В пленках №7 и 11 наблюдается похожая зависимость, минимум достигается при f ≈10.13 ГГц (резкий спад).

Выявлен коэффициент отражения аморфных композитных пленок на частоте 8 ГГц. Получены зависимости коэффициента отражения R от толщины исследуемых пленок для центральных частей серии. На зависимости наблюдался разброс и отклонения коэффициента отражения до значения 5.85∙10^-2 при d > 0.85 мкм. Также при d равном 0.75 – 0.83 мкм наблюдалось резкое увеличение коэффициента отражения с 1.12∙10^-4 до 8.24∙10^-1.

Изучен состав аморфных гранулированных композитных пленок , 0.40 < x < 0.76 различной толщины на лавсановой подложке. Определено среднее содержание металлической фазы каждой пленки, которое принадлежит диапазону 42.9 – 75.7 %. При этом наблюдалось плавное увеличение данного значения в пленках №1 - №10, далее в пленках №11, 12 спад до значения до 73.1%.

Для определения влияния металлической фазы на зависимость R(d), введено понятие эффективной толщины (d_ef), т.е. толщины металлической фазы. Получена зависимость R(d_ef), по которой было выявлено, что учет металлической фазы позволяет добиться более равномерного распределения экспериментальных точек вдоль кривой аппроксимации и избежать сильных отклонений. Диапазон отклонения коэффициента отражения равен 6.23∙10^-2.

Список литературы

1. Антонец И.В. Физика волновых процессов и явлений. Часть первая. // Сыктывкар: Издательство Сыктывкарского университета, 2008. 104с.

2. Антонец И.В., Котов Л.Н., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В. ЖТФ. // 2016. Т. 86. №3. С. 98 – 105.

3. Антонец И.В. Отражающие и проводящие свойства тонких металлических пленок и их наноструктура. // Сыктывкар: Издательство Сыктывкарского государственного университета, 2007, 124 с.

4. Антонец И.В., Котов Л.Н., Кирпичева О.А., Голубев Е.А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60. № 8. С. 839–850.