Основные параметры тонких слоев (пленок) и покрытий

Тонкие слои и покрытия являются двумерными объектами, свойства которых определяются их размером в одном из направлений (толщиной слоя). Отнесение данного покрытия к тонкому или толстому является достаточно условным и определяется свойством, зависимость которого от толщины мы устанавливаем. Например, механические свойства полимерных покрытий начинают зависеть от их толщины d при ее значениях, меньших 1,5 мм. Электрическое сопротивление покрытий металлов начинает зависеть от толщины при d =80-100 нм. При этом следует учитывать, что характер размерных зависимостей определяется условиями и методикой измерения этого свойства, например, температурой и другими условиями механических или электрических испытаний.

Основными геометрическими параметрами тонких пленок и покрытий являются толщина и форма. В общем случае, тонкий слой или покрытие можно рассматривать как среду, ограниченную двумя поверхностями (рис.2.19).

z

Рис.2.19. Схема тонкого слоя или покрытия как среды, ограниченной двумя поверхностями : Z₁=F (X, Y) - поверхность материала подложки;

Z₂=F (X, Y)- поверхность покрытия.

Участки поверхностей Z₁ и Z₂ в общем случае могут совпадать (на этих участках покрытие отсутствует). Для характеристики покрытий используют следующие основные параметры:

· Геометрическая толщина покрытия: d_г=1/S₀∫(z₂ -z₁)dS, где S₀ – площадь поверхности подложки; dS- дифференциальный элемент этой поверхности. Измерять эту толщину очень сложно. При этом понятие геометрической толщины покрытия не несет информацию о его форме. Поэтому часто используется параметр эффективной толщины d_эф, который связывается с методом измерения. В общем случае, эффективной по отношению к данному физическому свойству толщиной называют толщину однородного слоя вещества, обладающего теми же свойствами, что и реальное покрытие. В общем случае d_г, эффективная весовая толщина и оптическая толщина, совпадают, когда покрытие равномерное и однородное. В противном случае, при измерении толщины одного и того же покрытия получаем разные значения.

· Внутренняя и внешняя формы покрытия. Внешняя форма определяется геометрическими размерами отдельных элементов покрытия. Внутренняя форма описывает кристаллическое строение, тип решетки, ориентацию кристаллов, их размер, дефектность и т. д.

В зависимости от внешней формы различают сплошные, полусплошные и островковые или диспергированные покрытия. Сплошные - это покрытия, для которых на всей поверхности выполняется условие z₁¹z₂ (см. рис.2.17). К полусплошным относятся покрытия, на поверхности которых есть участки с z₁=z₂,т.е. нарушается его сплошность. Полусплошные покрытия формируются, например, на стадии коалесценции (слияния капель, микрочастиц). Островковые или диспергированные покрытия - покрытия, состоящие из изолированных микрочастиц (островков или кластеров).

В общем случае для полного описания состояния тонких покрытий необходимо знать следующие их основные характеристики:

1. Степень покрытия подложки пленкой θ (степень заполнения) - долю поверхности, занятой пленкой. Из определения следует, что 0< θ£1. При θ=1 имеем сплошное покрытие.

2. Поверхностную плотность островков. Различают среднюю плотность n₀=N/S, где N-число островков, S-площадь подложки, и дифференциальную плотность n=dN/dS, где dN-число островков, находящихся на площади dS.

3. Кристаллическую структуру, степень дефектности, характер ее распределения по объему покрытия.

4. Функцию распределения островков по размерам f(r)=dN/dr, где dN - число частиц, имеющих размер в пределах от r до r+dr. Характерная для металлических островковых пленок функция распределения по размерам представлена на рис.2.20. Поверхности реальных тел, на которых формируется покрытие, неоднородны. Поэтому распределение частиц металлической фазы по поверхности также неоднородно, а, соответственно, неодинаковы и свойства пленок в отдельных локальных участках.

Рис.2.20. Распределение частиц конденсированной фазы по размерам; r_В - наиболее вероятный размер.

5. Форму и ориентацию кристаллографических осей зерен материала.

Данные характеристики определяют только геометрические свойства покрытия и для полного его описания необходима информация о химическом составе, структуре и свойствах материала подложки структуре и свойствах граничных слоев и других физико-химических параметрах системы.

Дата добавления: 2014-12-25