Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Сотрудники троицкого Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) создали прибор, позволяющий проводить комплексный анализ покрытий толщиной от единиц нанометров до нескольких микрометров и твёрдостью от единиц до десятков гигапаскалей. Раньше для исследования всего комплекса параметров от прочности до шероховатости приходилось применять несколько разнородных приборов, теперь это можно проделать с помощью единого аппаратно-программного комплекса. Тем самым значительно сокращается время измерения покрытий как на выходном контроле качества, так и в рамках задач R&D промышленных концернов.
Индустрия сверхтонких покрытий в последние годы демонстрирует значительный рост. Сегодня покрытия защищают от бликов и ультрафиолета или сколов и трещин самые разнообразные стёкла: от автомобильных и оконных до офтальмологических. Крыши стадионов и автобусные остановки покрывают поликарбонатом, который на порядок мягче, чем стекло. Огромная область – упрочняющие покрытия для испытывающих трение деталей различных машин и механизмов, а также режущего инструмента – скажем, сверла диаметром в 50 микрометров (в два раза тоньше человеческого волоса), предназначенного для изготовления отверстий в печатных платах.
Кроме того, сверхтонкие покрытия используют в компьютерной промышленности – например, при производстве жёстких дисков, представляющих собой своего рода слоёный пирог: алюминиевая подложка, на ней магнитный слой в 2 микрона для хранения информации, затем – защитная алмазоподобная плёнка и лубрикант – вязкое покрытие, снижающее трение. Толщина двух последних слоёв – уже единицы нанометров.
Царапина на плёнке термоокисла на поверхности кремния, нанесённая с переменной нагрузкой: трёхмерная модель, двумерная проекция и график глубины Минимальная толщина промышленных покрытий сейчас составляет несколько нанометров, однако тенденция такова, что каждые два года покрытия становятся всё тоньше. Поэтому исследование их свойств приобретает особую важность.
В ТИСНУМ разработали аппаратно-программный комплекс, позволяющий в рамках единого измерительного цикла оценивать максимальное количество характеристик тонкого покрытия, в их числе – шероховатость, толщина, твёрдость, упругость, трещиностойкость, износостойкость, адгезионная прочность, то есть насколько хорошо покрытие держится на подложке. Исследование широкого спектра характеристик с помощью одного прибора обладает огромным преимуществом с точки зрения оперативности измерений, а также в тех случаях, когда время между исследованиями имеет критически важное значение. Например, в случаях, когда изучаемые материалы характеризуются способностью к восстановлению поверхности после механического воздействия. Кроме того, данный комплекс позволяет корректно измерять механические свойства плёнок без влияния подложки.
– Как обычно идёт работа? Заказчик приносит два десятка образцов. Они все, на первый взгляд, одинаковые. Но режимы изготовления у всех разные – производитель варьирует параметры материала, пытаясь добиться оптимального результата. И по измеряемым свойствам нам надо выяснить, какой режим оптимален с точки зрения получения желаемых функциональных характеристик, – рассказывает Алексей Усеинов, заведующий отделом исследования физико-математических свойств ТИСНУМ.
Карту рельефа поверхности и распределение по ней вязко-упругих свойств исследователи получают методом сканирующей зондовой микроскопии. Сканирование в полуконтактном режиме производит алмазный наконечник, закреплённый на вибрирующем датчике. Количественные измерения модуля упругости в заданных точках осуществляют с помощью метода силовой спектроскопии, вдавливая алмазный наконечник в поверхность материала. Зависимость частоты колебаний от глубины внедрения характеризует модуль упругости образца. Твёрдость и износостойкость определяются по механическому отклику материала при внедрении в него алмазного наконечника.
В настоящее время прибор для сканирования тонких плёнок окончательно готов пройти государственные приёмочные испытания. В будущем его разработчики планируют осваивать не только российский, но и международный рынок.