Исследование влияния параметров напылительного процесса на структурные свойства тонких пленок и их лучевую прочность

Объектом исследования являются структурные свойства тонких пленок и их лучевая прочность при воздействии мощного лазерного излучения. Цели НИР: оценка скорости распространения тепловых потоков в тонких пленках, исследование напряжений в тонких пленках, оценка наличия электронных состояний точечных дефектов, исследование влияния толщины и плотности пленок на их лучевую прочность. В процессе работы проводились исследования по распространению тепловых потоков в пленке и подложке при различных длительностях лазерных импульсов. Изучались причины возникновения деформирующих напряжений. Проводилось численное моделирование образования объемных пор и структурных дефектов. Исследовалось изменение шероховатостей пленок в процессе их роста. Оценивалось наличие электронных состояний точечных дефектов в запрещенной зоне в пленках тугоплавких окислов. Проводилось исследование влияния толщины и плотности тонких пленок на их лучевую прочность. В результате исследования были получены оценки характерных времен распространения тепловых потоков в пленке и подложке при воздействии импульсного лазерного излучения и при воздействии непрерывного излучения. Оценены характеристики процесса испарения вещества пленки при воздействии пикосекундных и субпикосекундных лазерных импульсов. Было исследовано развитие деформирующих напряжений в тонких пленках вследствие воздействия лазерных импульсов длительностью менее пикосекунды, при этом была проведена оценка напряжений, возникающих в плотных пленках и в высокопористых анизотропных пленках, получаемых напылением под большими углами к нормали к поверхности пленки. Построена модель для описания быстрых процессов плавления-закалки локальных участков пленки в местах ударов высокоэнергетических атомов. Модель применена для исследования высокотемпературных оксидов SiO2 и ZrO2. Для диоксида кремния показано, что в зависимости от энергии напыляемых атомов могут существовать два типа аморфных состояний. Первый из них по атомарной структуре похож на бездефектное кварцевое стекло и не содержит полос поглощения в окне пропускания. Такие покрытия должны обладать высокой стойкостью к воздействию мощного лазерного излучения. Второй тип аморфных состояний имеет существенно разупорядоченную атомарную структуру и большое количество точечных дефектов, электронные состояния которых находятся в глубине запрещенной зоны диоксида кремния. Благодаря наличию таких состояний оптические покрытия будут обладать низкой стойкостью к мощному лазерному излучению. Показано, что получение аморфного диоксида циркония не приводит к появлению электронных состояний точечных дефектов в глубине запрещенной зоны. На основе этого сделано заключение о том, что использование высокоэнергетических процессов при напылении диоксида циркония не должно приводить к заметному снижению стойкости покрытий под действием мощного лазерного излучения. Методами молекулярно-динамического атомистического моделирования было проведено исследование размеров и концентрация пор в зависимости от энергии осаждаемых атомов и температуры подложки. Получены оценки размеров пор в зависимости от энергии напыляемых атомов. Исследовано влияние наличия загрязняющих наночастиц на флуктуации плотности пленки. Изучено изменение шероховатости поверхности пленки при ее росте. Были проведены исследование и оценка основных факторов, ответственных за лучевую прочность пленок различной толщины и плотности: концентрации дефектов, способных поглощать излучение с энергией, меньшей, чем ширина запрещенной зоны, тепловых потоков и связанных с ними напряжений в пленках. На данном этапе разработки, исходя из полноты и объема имеющейся на соответствующем этапе документации, объектом патентных исследований являлись оптические диэлектрические покрытия (просветляющие и отражающие) для оптических элементов, работающих в составе мощных импульсных лазерных установок (с длительностью лазерных импульсов наносекундного, пикосекундного и суб-пикосекундного диапазонов), а также технологии их получения и контроля характеристик.