УДК 538.221

МИКРОВОЛНОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

А.И. Спольник, д-р физ.-мат. наук, профессор, В.Г. Власенко, кандидат физ.-мат. наук, доцент, И.В. Волчок, кандидат физ.-мат. наук, доцент,

Л.М. Калиберда, доцент, М.А. Чегорян, кандидат физ.-мат. наук, доцент

(Харьковский национальный технический университет

сельского хозяйства им. П. Василенко)

 

Представлены результаты экспериментальных исследований применимости ферромагнитного и парамагнитного резонансов для оценки качества поверхности. Показано, что эти методы могут быть использованы как экспресс-контроль шероховатости поверхности различных материалов

Развитие атомной энергетики и радиационных технологий, реализация проекта создания термоядерного реактора невозможны без создания материалов с высокой радиационной и коррозионной стойкостью, которая в значительной степени определяется свойствами их поверхности. Это обусловливает возросший интерес, как к физике поверхностных явлений, так и к методам их исследований.          Для диагностики состояния поверхности материалов, подвергнутых различным радиационным воздействиям, наиболее часто используются оптические методы: рефлектометрия, микроинтерферометрия, эллипсометрия, растровая микроскопия. Существенным преимуществом этих методов является бесконтактность и неразрушаемость контролируемых образцов. Однако, как известно, разрешающая способность оптических методов ограничена дифракцией световых волн.

В настоящей работе предлагается для контроля и исследования структурных изменений поверхности ферромагнитных металлов и сплавов использовать ферромагнитный резонанс (ФМР). Высокая чувствительность параметров ФМР к состоянию поверхности позволяет обнаруживать начальные стадии процессов, приводящих к изменению её микрорельефа. Это обстоятельство является принципиально важным при решении задач, связанных с безопасной эксплуатацией реакторов.

Для расширения возможностей оценки шероховатости поверхностей любых материалов в работе предлагается использовать парамагнитные реплики с поверхности исследуемого материала. Измерение интенсивности линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) на этих репликах показали прямопропорциональную зависимость между интенсивностью линии и шероховатостью поверхности материалов.

1. Методика эксперимента

Методика проведения резонансных измерений на металлических образцах имеет одно принципиально важное отличие от аналогичных измерений на диэлектрических образцах. Дело в том, что из-за высокой проводимости металлов при помещении образца в резонатор спектрометра в последнем возникают возмущения СВЧ поля, приводящие к искажению резонансной кривой. Чтобы избежать таких искажений, металлический образец необходимо помещать за пределы резонатора. В наших экспериментах образец прижимался к открытому торцу прямоугольного резонатора, являясь одновременно стенкой резонатора. Настройка резонатора на рабочую частоту производилась с помощью изменения частоты СВЧ поля генератора. При таком расположении образца электрическое поле на его поверхности практически отсутствует, а магнитное СВЧ поле – максимально. Для регистрации сигнала использовался метод модуляции статического магнитного поля, при котором регистрируется производная линии резонансного поглощения, а ширина резонансной кривой определяется как расстояние между экстремальными точками этой производной. Погрешность измерений не превышала 5 %.

Для исследования влияния коррозии на микрорельеф поверхности использовался резонатор с дополнительной системой газовой циркуляции внутри него. Такая система позволяет проводить измерения в различных газовых средах. Устройство, прижимающее образец к резонатору, являлось одновременно теплопроводом, по которому тепло от нагревателя передавалось образцу. Такая система позволяла проводить непрерывную регистрацию линии резонансного поглощения в процессе нагрева образца в агрессивной среде, которой в нашем случае являлся воздух. В качестве материала исследования использовался поликристаллический никель.

Радиационное воздействие на микрорельеф поверхности осуществлялось бомбардировкой образцов никеля ионами гелия с энергией 20 кэВ в ионном ускорителе. Диапазон дозы облучения 1,0∙1016...1,0∙ 1018 ион∙см-2.

Для проверки достоверности результатов, полученных с помощью метода ФМР, параллельно с резонансными проводились оптические и рентгенографические исследования поверхности образцов.

2. Результаты и их обсуждение

            На рис. 1 приведена зависимость ширины линии ФМР  от времени окисления

 

 

 

образцов никеля.  Для анализа этой зависимости величину можно представить в виде суммы:

               ,          (1)

где, - ширина линии в исходном образце, а – уширение линии, связанное с коррозией образца.

            При взаимодействии с кислородом воздуха на никеле возникает пленка окисла NiO, который представляет полупроводниковое соединение не экранирующее СВЧ поле. Наличие окисной пленки может приводить к закреплению спинов на поверхности образца и уширять линию ФМР, но это уширение не зависит от времени. Коррозия поверхности приводит к изменению микрорельефа поверхности, проявляющееся в нарушении её зеркальности (появляются геометрические дефекты на поверхности). Отметим, что оптические методы в течение первых 50 мин окисления не отмечали изменений микрорельефа поверхности. Аппроксимация экспериментальных данных с помощью алгоритма Нельдера-Мида, минимизирующего нелинейную функцию нескольких переменных, привела к следующей зависимости :

                                                            ,                                     (2)

где С и kпостоянные, определяемые экспериментально.

Как видно из рис. 1, функция 2 (сплошная кривая) с подгоночными параметрами С =1285,1Э и k=0,0169 с-1 удовлетворительно описывает экспериментальную зависимость. Вполне обоснованно можно считать, что в соответствии с зависимостью (2) происходит процесс перестройки микрорельефа поверхности, а производная этой зависимости по времени определяет скорость коррозии никеля в атмосфере воздуха при  Т = 2800С.

Так как методика ФМР связана с использованием СВЧ поля, то покрытия (лаки, краски и т.п.) на поверхности образцов не являются препятствием для получения информации о ширине линии ФМР и дальнейшей её обработки. Это является ещё одним достоинством метода ФМР.

Результаты измерений ширины линии  в зависимости от времени облучения  представлены на рис. 2. Обработка этой зависимости  показала, что до с справедлив закон

,       (3)

где  – ширина линии в исходном образце, а – некоторая постоянная.

Для объяснения такой зависимости необходимо проанализировать возможные причины уширения линии в процессе облучения. Можно назвать три возможные причины: дислокационное уширение , т.е. уширение резонансной линии, связанное с увеличением плотности дислокаций при облучении, уширение  вследствие образования пузырьков гелия в никеле при облучении и уширение  за счет эрозии поверхности образцов при ионной бомбардировке. Природа  и  в металлах достаточно хорошо изучена (см., например, [1-3]) и, таким образом, можно оценить вклад этих механизмов в наблюдаемую зависимость .

Данные рентгеноструктурного анализа свидетельствуют об образовании и увеличении плотности дислокационных петель в процессе бомбардировки образцов никеля ионами Не+. Оценка величины  с использованием результатов работы [1] и данных рентгеноструктурного анализа показывает, что этот механизм уширения линии ФМР при облучении не может объяснить наблюдаемую зависимость  от времени облучения из-за недостаточно большой плотности образующихся дислокаций. Вклад   также незначителен, так как малы размеры образующихся пузырьков гелия и их объемная концентрация.

Подпись:  
Рис. 2. 
Зависимость ширины линии ФМР от времени облучения: точки – данные эксперимента, 
сплошная кривая – рассчитанная по формуле (3) 
с коэффициентом  Э с-1/2
Остается предположить, что основной причиной наблюдаемого поведения ширины линии ФМР при облучении никеля ионами гелия являются процессы структурной перестройки микрорельефа поверхности образцов, при которых нарушается её зеркальность. Из рис. 2 видно, что после бомбардировки никеля в течение 1500 с закономерность  накопления нарушений поверхности изменяется: начиная с с,  кривая  выходит на насыщение, что можно объяснить стабилизацией процесса образования дефектов поверхности при облучении, при котором искажение зеркальности происходит не за счет образования новых дефектов, а за счет увеличения размеров уже имеющихся. На этих стадиях облучения искажения поверхности, возникающие под действием ионного облучения, диагностируются с помощью оптических методов.

Основываясь на результатах проведенных исследований, можно утверждать, что метод ФМР позволяет обнаруживать начальные стадии деградации поверхности ферромагнитных металлов и сплавов под действием коррозии и ионной бомбардировки, а экспрессность резонансных измерений и их чувствительность к структурным дефектам твердых тел делают метод ФМР в ряде случаев более привлекательным и информативным, чем оптические методы.

 

3. Использование метода ЭПР

 

Для расширения применимости микроволновой спектроскопии как метода оценки качества поверхностей на любые материалы (не только ферромагнитные) в работе предложен и апробирован новый метод, названный нами методом парамагнитных реплик. Этот метод заключается в нанесении мелкодисперсного парамагнитного порошка на наклонно расположенную испытуемую поверхность, последующего снятия остатков порошка липкой лентой. Полученная таким образом парамагнитная реплика поверхности образца помещается в микроволновый спектрометр и регистрируется интенсивность сигнала ЭПР.  Интенсивность сигнала ЭПР  пропорциональна массе частиц парамагнитного порошка , находящегося на липкой ленте, масса в свою очередь прямо пропорциональна шероховатости поверхности: , где - коэффициент пропорциональности, зависящий от размера и парамагнитных свойств частиц порошка, - высота неровностей профиля. В работе в качестве парамагнитного порошка использовался парамагнетик , измельченный до среднего размера частиц 1 мкм. Эксперименты по определению зависимости интенсивности сигнала ЭПР от класса чистоты поверхности показали, что вплоть до 9 класса чистоты (1,6 мкм) наблюдается линейная зависимость . Сигналы ЭПР от реплик  с поверхностей более высоких классов чистоты в пределах погрешности измерений не отличались. Это связано с тем, что размеры неровностей, соответствующие более высоким классам чистоты, меньше размеров частиц порошка и не препятствуют скатыванию последних с наклонной поверхности.

Подбором размера частиц порошка и его парамагнитных свойств можно добиться высокой чувствительности такого метода, а быстрота измерения ЭПР делает его экспрессным.

Таким образом, методы ФМР и ЭПР  дополняют друг друга и, используя один и тот же микроволновой спектрометр, можно быстро оценивать чистоту поверхностей любых материалов.

 

Список литературы

1.        Ахиезер А.И. К теории уширения линии ферромагнитного резонанса дислокациями / Ахиезер А.И., В.В. Ганн, А.И. Спольник// ФТТ.– 1975.–Т.17, вып. 8.– С. 2340-2346.         

2.           Белозеров Д.П. Рассеяние однородной прецессии намагниченности на порах / Д.П. Белозеров, А.И. Спольник // УФЖ.– 1977. – Т.22, вып. 10 – С. 1632-1657.         

3.        Спольник А.И. Особенности уширения линии ферромагнитного резонанса объемными дефектами в металлах/А.И. Спольник, Л.М. Калиберда, М.А. Чегорян // УФЖ. – 1989. Т. 34, вып. 5. – С. 764-769.