Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Процессы формирования и методы исследования граничных слоев и тонких пленок на поверхности твердого тела 8
1.1. Влияние поверхности твёрдого тела на процессы атомно-молекулярной адсорбции 8
1.2. Основные представления теории зарождения и роста твердых плёнок 12
1.3. Поверхностные процессы в островковых и сплошных тонких пленках 17
1.4. Применение поверхностных акустических волн для исследования поверхностных явлений и процессов 22
1.5. Выводы и постановка задачи 29
Глава 2. Поверхностные процессы и акустоэлектронное взаимодействие в граничных слоях и тонких пленках 33
2.1. Влияние адсорбции на теплофизические свойства твердой поверхности... 33
2.2. Особенности формирования граничного слоя при полимолекулярной адсорбции паров воды 38
2.3. Взаимодействие рэлеевских волн с тонкими слоями на поверхности изотропного твёрдого тела 44
2.4. Взаимодействие поверхностных акустических волн с тонкими плёнками на поверхности пьезоэлектрика 50
2.5. Разработка интерференционного метода измерения затухания и скорости поверхностных акустических волн 57
2.6. Выводы 64
Глава 3. Акустоэлектронное исследование физических свойств воды в граничной фазе 66
3.1. Измерительная ячейка и особенности методики исследования 66
3.2. Дисперсия поверхностных акустических волн в граничных слоях воды 72
3.3. Диэлектрическая релаксация в адсорбированной воде 80
3.4. Полимолекулярная адсорбция паров воды на поверхности ниобата лития 87
3.5. Тепловое расширение адсорбированной воды 91
3.6. Выводы 95
Глава 4. Экспериментальное исследование формирования тонких плёнок и акустоэлектроиного взаимодействия в них 97
4.1. Экспериментальная установка и методика исследования 97
4.2. Взаимодействие поверхностных акустических волн с носителями заряда в островковых металлических плёнках 102
4.3. Релаксационные явления в процессе роста островковой пленки 109
4.4. Акустоэлектронное взаимодействие в быстроконденсированных плёнках антимонида индия 115
4.5. Особенности затухания ультразвука в пленках халькогенидного стекла... 120
4.6. Выводы 125
Заключение 128
Список литературы
- Поверхностные процессы в островковых и сплошных тонких пленках
- Особенности формирования граничного слоя при полимолекулярной адсорбции паров воды
- Дисперсия поверхностных акустических волн в граничных слоях воды
- Взаимодействие поверхностных акустических волн с носителями заряда в островковых металлических плёнках
Введение к работе
Актуальность темы. Слоистые структуры находят широкое применение в датчиках регистрации и измерения электрофизических и неэлектрических величин современных систем мониторинга окружающей среды. Для создания новых функциональных устройств необходимо более глубокое понимание физической природы поверхностных явлений и процессов в слоистых структурах. Важным инструментом изучения гетерогенных поверхностных процессов являются акустоэлектронные (АЭ) методы исследования.
Основой АЭ методов исследования являются волны рэлеевского типа -упругие возмущения, распространяющиеся вдоль плоской поверхности твердых тел. Энергия поверхностных волн сосредоточена в слое толщиной порядка длины волны. В пьезоэлектрической подложке поверхностные акустические волны (ПАВ) рэлеевского типа сопровождаются переменными электрическими полями, проникающими как в слой, в котором распространяется волна, так и за его пределы. Значения скорости и затухания ПАВ зависят от обмена энергией между акустической и электронной подсистемами в приповерхностном слое подложки и в пленке, сформированной на ее поверхности. Формализм описания ПАВ, распространяющихся в тех или иных неоднородных средах, в основном разработан.* Основные соотношения получены в рамках упругой континуальной модели. При этом, как правило, не учитывались способы получения реальной поверхности твердого тела и технологические особенности ее обработки.
На акустические параметры приповерхностного слоя твердого тела влияют процессы селективной адсорбции. Взаимосвязь параметров, характеризующих процесс адсорбции, и акустических параметров твердого тела практически не изучена.
Значительный физический интерес представляет изучение поверхностных процессов в островковых металлических пленках, которые успешно применяются в качестве холодных катодов, датчиков физических величин и элементов микроэлектроники. Для контроля эмиссионных характеристик холодных катодов в процессе их изготовления могут быть использованы ПАВ, поэтому большое значение имеет специальное изучение процессов электрон-фононного взаимодействия в системе «подложка - островковая металлическая пленка».
Для исследования поверхностных процессов в слоистых структурах необходимы чувствительные методы измерения затухания и скорости ПАВ. Чувствительность существующих методов не достаточно высокая, поэтому разработка методов определения малых изменений затухания и скорости поверхностных акустических волн представляется весьма актуальной.
Бирюков СВ., Гуляев Ю.В., Крылов В.В., Плесский В.П. Поверхностные акустиче
ские волны в неоднородных средах. М.: Наука, lS91,rfl6c.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ |
БИБЛИОТЕКА [
«э
Целью диссертационной работы является исследование поверхностных явлений и процессов в граничных слоях и тонких пленках акустоэлек-тронными методами, а также разработка чувствительных методов измерения основных параметров поверхностных акустических волн.
Задачами исследования являются:
-
Развитие теории адсорбционных процессов, процессов релаксации и акустоэлектронного взаимодействия в граничных слоях и тонких пленках.
-
Развитие аналитических методов, описывающих взаимодействие поверхностных акустических волн с тонкими пленками и граничными слоями, сформированными на поверхности твердого тела.
-
Разработка методов измерения затухания и скорости поверхностных акустических волн.
-
Экспериментальное исследование процесса роста тонких твердых пленок и акустоэлектронного взаимодействия в них.
-
Экспериментальное исследование формирования граничных слоев воды и релаксационных процессов в адсорбированной воде.
Основным инструментом получения экспериментальных научных фактов служат АЭ методы, которые, кроме того, являются предметом исследования. Дополнительно были использованы другие методы изучения поверхностных явлений: эллипсометрия, метод кварцевых микровесов, электронография, просвечивающая электронная микроскопия.
Физика поверхностных явлений рассмотрена на базе методов термодинамики. Теоретические расчеты распространения ПАВ с учетом влияния поверхностных явлений проведены с использованием преимущественно континуального подхода, аналитические выражения в линейном приближении получены из известных строгих решений. Оценки с использованием аналитических выражений сопоставляются с численными расчетами строгих зависимостей и сравниваются с результатами эксперимента.
В экспериментальных исследованиях использовались пьезоэлектрические подложки с оптически полированной поверхностью (ниобат лития, гер-манат висмута, пьезокварц). Адсорбционные слои и пленки, полученные термическим напылением, формировались на очищенных тлеющим разрядом рабочих поверхностях подложек. Возбуждение и регистрация ПАВ производилась преобразователями встречно-штыревого типа. Измерения амплитудных, фазовых и частотных параметров сигнала выполнялись радиоэлектронными методами. Контроль электрофизических и акустических свойств исследуемых структур осуществлялся как известными, так и специально разработанными методами.
Научная новизна
В работе получило дальнейшее развитие научное направление: исследование акустоэлектронными методами поверхностных явлений и процессов в слоистых структурах. Это направление соответствует современной тенденции развития физических методов исследования граничных слоев и тонких пленок. Представленные в диссертации результаты получены впервые. К новым результатам можно отнести: уравнение для определения энергии полимолекулярной адсорбции паров полярных жидкостей (воды); формулы, позволяющее оценить поверхностное натяжение твердого тела по результатам измерения изотермы адсорбции и изменения скорости ПАВ; аналитические формулы, описывающие взаимодействие ПАВ с тонкими жидкими слоями и твердыми пленками.
Акустоэлектронные методы впервые применены для исследования следующих поверхностных явлений и процессов: 1) явления модификации физических свойств воды в граничной фазе; 2) процессов зарождения и роста островковых металлических пленок; 3) релаксационных процессов в адсорбированной воде; 4) релаксационных процессов в островковых пленках золота.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Изменение поверхностного натяжения твердого тела при адсорбции газа или пара твердой поверхностью приводит к уменьшению скорости упругих поверхностных волн и увеличению теплоемкости приповерхностной решетки.
-
Предложенная формула для определения энергии полимолекулярной адсорбции пара через объемные параметры полярной жидкости позволяет уточнить модель образования адсорбционного слоя воды с учетом зависимости энергии адсорбции от толщины слоя и получить изотерму адсорбции, описывающую формирование слоя на всех стадиях процесса.
-
Отличие физических свойств воды в граничной фазе от свойств воды в объемной жидкой фазе выражается в возрастании плотности, вязкости и времени диэлектрической релаксации, а также в уменьшении давления насыщенного пара адсорбированной воды.
-
Особенность акустоэлектронного взаимодействия в островковых металлических пленках проявляется в том, что максимальное затухание поверхностных акустических волн имеет место при постоянном значении сопротивления пленки независимо от напыляемого на данную пьезоэлектрическую подложку металла.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что разработан новый чувствительный метод измерения скорости и затухания упругих поверхностных волн. Совмещены дополняющие друг друга методы исследования островковых металлических пленок - акустоэлектронный метод и метод просвечивающей электронной микроскопии. Кроме того, на базе иссле-
дований акустоэлектронного взаимодействия, поверхностных явлений и процессов в слоистых структурах предложены ПАВ-устройства мониторинга окружающей среды.
Научная обоснованность и достоверность экспериментальных результатов подтверждается согласованностью результатов при измерении электрофизических характеристик разработанными АЭ методами и известными апробированными методами, проведением дополняющих друг друга контрольных измерений. Достоверность и обоснованность теоретических расчетов обеспечивается тем, что они получены на основе известных уравнений термодинамики, физической акустики и физики твердого тела, корректностью постановки решаемых задач и выбора исходных положений.
Личный вклад автора заключается в разработке теоретических моделей, разработке и изготовлении экспериментальных установок, выполнении измерений и численных расчетов, анализе и обобщении результатов исследований.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих всесоюзных и международных симпозиумах, конференциях и совещаниях: Всесоюзных совещаниях и семинарах по упругим поверхностным (поверхностным акустическим) волнам (Новосибирск, 1976, 1978, 1979, 1990); IX-XIII Всесоюзных конференциях по квантовой акустике (физической акустике твердого тела) и акустоэлектронике (Москва, 1976; Ташкент, 1978; Саратов, 1983; Кишинев, 1989; Ленинград, 1991); I и II Международных симпозиумах «Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах» (Новосибирск, СССР, 1986; Варна, Болгария, 1989); V Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника '86» (Пловдив, Болгария, 1986); IX и X Международных конференциях по поверхностным силам (Москва, 1990, 1992); XXIX, XXXII и XXXV Международных коллоквиумах (Ильменау, ГДР, 1984, 1987, 1990); Международной конференции «Ультразвук '91» (Париж, Франция, 1991); XV Генеральной конференции по конденсированным средам (Бавена-Стреза, Италия, 1996 г.); VIII Международной конференции по колебаниям на поверхности (Бирменгем, Англия, 1996); Всесоюзной конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах» (Черкассы, 1990); семинарах НТОРЭС им. А.С. Попова и других отраслевых семинарах и совещаниях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации 141 страница, из них 39 рисунков, 4 таблицы, список использованной литературы из 125 наименований.
Поверхностные процессы в островковых и сплошных тонких пленках
Особое место в микроэлектронике занимает проблема зарождения и роста тонких пленок на поверхности твердого тела. Простое перечисление не только отдельных работ, но и общих направлений, по которым шло развитие проблемы, представляет собой сложную задачу. Закономерности протекания процесса формирования пленок и характер сопутствующих ему превращений зависят от многих физико-химических факторов. Процесс формирования пленок из пара на поверхности твердого тела включает ряд элементарных процессов, важнейшими из которых являются адсорбция, поверхностная диффузия, образование зародышей и их рост [32].
Адсорбция молекул (атомов) из молекулярного пучка на нейтральной подложке практически не отличается от адсорбции газа. На этом этапе влияние подложки феноменологически учитывается коэффициентом конденсации, характеризующим долю «прилипших» атомов и коэффициентом аккомодации, определяющим долю обмениваемой энергии при столкновении атомов с твердой поверхностью. Характеристики процесса адсорбции зависят от спектров энергии и импульса падающих атомов и от природы сил их взаимодействия с поверхностью. Большое значение для коэффициентов конден 13 сации и аккомодации имеет морфологическое строение и химическая природа поверхностного слоя подложки [33].
Атомы, захваченные химически чистой и гладкой поверхностью, в адсорбированном состоянии могут перемещаться по ней благодаря поверхностной диффузии и образуют двумерный газ. При этом возможно либо реис-парение атомов, либо их объединение с другими адатомами с выделением энергии связи. Вследствие флуктуационного обмена между образующимися комплексами и двумерным газом изменяется плотность комплексов и их размеры. В результате может образоваться устойчивый комплекс — зародыш с достаточно большой энергией связи. Устойчивые зародыши являются эффективными стоками для атомов двумерного газа. Кристаллизация начинается с образования центров новой фазы. Возникновение кристаллической фазы с новыми свойствами приводит к появлению поверхностной энергии, вследствие чего термодинамически невыгодно образование областей этой фазы слишком малого размера. Термодинамически устойчивый центр наименьшего размера называется критическим зародышем. При определенной плотности зародышей вероятность захвата ими одиночных адатомов превышает вероятность реиспарения или присоединения адатомов к докритическим комплексам. Поэтому новых стабильных центров роста не образуется [34].
На реальной поверхности всегда существуют микрогеометрические неоднородности (изломы, ступени), а также атомы сорбированной примеси, структурные дефекты и т. п. В этом случае число центров роста пленки и характер ее микрорельефа существенно зависит от природы этих нерегулярностей, поскольку они могут являться эффективными стоками для адатомов. Если в системе имеются какие-либо подходящие готовые центры роста, то образование зародыша в классическом смысле может вообще не требоваться.
Обзор наиболее важных направлений теории гетерогенного зарождения и роста, который обычно используют для анализа процесса формирования тонких пленок на поверхности твердого тела, сделан в монографии [35]. Рассмотрены особенности, отмечены достоинства и подробно проанализированы пути развития термодинамических, макроскопических, статистических и микрокинетических теорий конденсации, а также особенностей квантово-механического определения энергетических параметров малоатомных групп.
Применение методов термодинамики позволило получить решение ряда важных вопросов, связанных с проблемой роста пленок: была определена зависимость критических размеров зародышей от пересыщения; получено условие, при котором реализуется переход от нормального роста к слоистому. Оказалось возможным также установить зависимость скорости образования зародышей от их ориентации. Вместе с тем применение термодинамической теории не позволяет объяснить всей совокупности экспериментальных данных. Возникают сомнения в правомерности использования макроскопических термодинамических параметров (таких, например, как поверхностное натяжение) для описания свойств малоатомных групп. Справедливость выводов термодинамической теории роста пленок ограничена областью малых отклонений от состояния равновесия. Отдельные выводы, которые следуют из термодинамической теории (например, существование излишне высокого барьера для зарождения), не согласуются с экспериментом.
В основе макрокинетических теорий конденсации, описывающих процесс кристаллизации пленок в динамических условиях, лежит представление о росте, как о флуктуационном процессе, заключающемся в случайном чередовании актов присоединения к островку и отрыву отдельных атомов от островка. При статистическом рассмотрении получается зависящая от времени функция распределения по размерам атомных групп на поверхности.
Во многих случаях для анализа экспериментальных результатов по напылению пленок на различные подложки успешно применялись микрокинетические квазиравновесные молекулярные теории кристаллизации.
Особенности формирования граничного слоя при полимолекулярной адсорбции паров воды
С учетом ангармонизма такое изменение коэффициента Пуассона соответствует изменению деформации межатомных связей кристаллической решетки подложки от нулевого до предельного значения. Поэтому нормирующую функцию Ну) по аналогии с силой межатомного взаимодействия можно аппроксимировать квадратичной зависимостью (кривая 2 на рис. 3), принимающей минимальное значение, соответствующее разрыву связей кристаллической решетки и переходу в жидкое состояние, при V = 0,5. к(у) = l,36(v - 0,5)2 + 2,72 = e[0,5(v - 0,5)2 +1], є 2,72. (2.10)
Во всем диапазоне значений v ошибка аппроксимации менее 0,8 %. Используя (2.10), а также, вводя обозначение Зп е (3) k\h 2 = ks и заменяя среднюю скорость в (2.8) на скорость рэлеевских волн Уд, получим: С,=ЗяеС(3) (у) = [0,5(у-0,5) 4-1], (2.11) h vi v: R "R -З л-2 где с погрешностью 0,001 % А, = 0,1846 Дж-К «с"
Из выражения (2.11) следует, что поверхностная теплоемкость реального твердого тела в основном определяется рэлеевскими модами Cs \Iv\. Логарифмируя выражение (2.11), затем, дифференцируя полученное соотношение и переходя к конечным разностям, получим
Связь тепловых характеристик приповерхностного слоя твердого тела (2.12) и характеристик слоя адсорбата (2.7) становится очевидной.
Характер взаимодействия твердой поверхности с адсорбатом существенно усложняется при сверхмонослойной адсорбции паров полярных жидкостей. Влияние поля поверхностных сил в этом случае проявляется в изменении структуры адсорбированной жидкости по сравнению с жидкостью в объемной фазе. Кроме изменения плотности, которое наблюдается в любом жидком адсорбате, в полярной жидкости возникает ориентационная структура, связанная с упорядочением ориентации диполей.
Как уже отмечалось, в воде изменения структуры носят глубокий и дальнодействующий характер. Это приводит к формированию граничных слоев с модифицированной структурой, толщина которых существенно зависит от степени гидрофильности или гидрофобности твердой поверхности. Особенность адсорбции паров воды на гидрофильной поверхности проявляется в том, что первые 2-3 слоя прочно связаны с поверхностью и удаляются только при прогреве в вакууме либо при очистке поверхности тлеющим разрядом [29]. При постоянной температуре для описания процесса адсорбции часто пользуются зависимостью объема или толщины адсорбционного слоя от давления в паровой фазе - изотермой адсорбции.
Из классических изотерм адсорбции начальный участок полимолекулярной адсорбции (до величины pips «0,35) наиболее удачно описывает только уравнение БЭТ (С.Брунауер, П.Эмметт, Э.Теллер) [11]: V = h = Сх Vm hm (l-x)(l-x + C-x)y (2ЛЗ) где, x = p/ps, C = gexp ——— . Здесь g&\ - предэкспоненциальный у RT J (энтропийный) коэффициент, Q\ - теплота адсорбции в первом слое, QL -теплота конденсации пара в жидкость.
Особенности, в силу которых изотерма БЭТ перестает описывать полимолекулярную адсорбцию при давлении p/ps 0,35, связаны с тем, что при ее выводе авторы исходили из модели, в которой энергия взаимодействия молекул адсорбата с центрами адсорбции постоянна, независимо от расстояния до поверхности [89]. Кроме этого в используемой модели совершенно не учитывается активация адсорбции по заряд-дипольному механизму. В случае адсорбции паров полярных жидкостей такая модель не соответствует реальным условиям взаимодействия молекул пара с твердой поверхностью.
Чтобы учесть изменение энергии взаимодействия молекул адсорбата в зависимости от давления паров, следовательно, и от расстояния до центров адсорбции, рассмотрим полимолекулярную адсорбцию в равновесных условиях. Для этого твердое тело с гладкой поверхностью (адсорбент), температура которого Гг, поместим в замкнутый объем (рис. 4, а) над поверхностью жидкости с температурой Т\. Пары этой жидкости находятся в условиях термодинамического равновесия с парами жидкости в адсорбционном слое. При достаточно низких температурах, когда пар над поверхностью жидкости можно считать идеальным газом, уравнение кривой сосуществования жидкость - пар имеет вид [90]:
Дисперсия поверхностных акустических волн в граничных слоях воды
ПАВ применялась методика, описанная в параграфе 2.5. Герметичность соединений измерительной ячейки обеспечивалась резиновыми уплотнениями 7. Начальные значения измеряемых величин при p/ps 0 определялись над фосфорным ангидридом Р2О5.
Используемая методика измерения акустических параметров позволяет дополнительно определять толщину слоя. Однако, в некоторых случаях необходимо независимое измерение толщины. Такая возможность реализована в конструкции компактной измерительной ячейки, представленной на рис. 14. Эта ячейка может закрепляться на юстировочном столике эллипсо метра. Компактность достигается тем, что подложка (YZ-LiNbO ) 5 и кювета с дважды дистиллированной водой размещены на основании ячейки 4, которое одновременно является тепловым блоком. Верхняя теплоизолирующая крышка - полусфера 1 снабжена двумя окнами с полированными стеклами 2. Толщину пленок h можно измерить по параметрам эллиптической поляризации отраженного света. Монохроматический свет (А = 0,579мкм) падал на поверхность раздела «воздух - пленка» под углом (45 -48). Как известно, сдвиг фаз А между составляющими электрического вектора отраженной волны, параллельной и перпендикулярной плоскости падения, для h 10 нм линейно зависит от толщины пленки. Толщине пленки воды h = 10 нм на поверхности ниобата лития отвечает значение А = 340\ При расчетах допущено, что показатель преломления пленки не отличается от показателя преломления объемной воды. При точности измерения сдвига фаз, равной ± 10 , точность измерения толщины пленки составляет ± 0,4 нм.
При выборе методики эксперимента обращено особое внимание на следующие два момента. Во-первых, чтобы обеспечить стабильность фиксированной толщины адсорбционного слоя, необходимо исключить колебание температуры 7ь относительно ее поддерживаемой термостатом средней величины. Для этой цели было использовано двойное термостатирование. Теплоноситель (вода) прокачивался насосом термостата через медную трубку — змеевик, погруженный в тепловой резервуар (замкнутый металлический объем с водой), помещенный в этот же термостат. Второй термостат, необходимый для поддержания температуры Г2, оснащался и применялся аналогичным образом. После такой доработки стало возможным поддерживать температуру с точностью лучше, чем 0,01 К. Изменения температуры, даже в случае ее настройки на новое значение, приобрели плавный характер.
Во-вторых, особое внимание было уделено защите электродных преобразователей ПАВ от влияния влаги. Специальным исследованием было выявлено [105], что основное дестабилизирующее воздействие оказывает влага, адсорбированная на поверхности металлических электродов, которая вместе с растворенными в ней примесями и окисной пленкой металла может образовать электролитический конденсатор большой емкости. Для защиты преобразователей в зависимости от условий эксперимента применяли различные способы: напыляли твердое диэлектрическое покрытие (пленку SiO), наносили мономолекулярное гидрофобное покрытие (пленки Ленгмюра-Блоджет), а также изолировали преобразователи от зоны адсорбции, помещая их в квазизамкнутый, продуваемый сухим воздухом объем.
Кроме отмеченных выше факторов необходимо учитывать, что на процесс адсорбции может влиять энергия ПАВ, выделяющаяся в результате ее диссипации при распространении волн. Чтобы исключить это влияние все измерения производили в импульсном режиме. Длительность импульсов ПАВ выбиралась менее 0,01 периода частоты их следования.
Для регистрации изменений скорости и затухания ПАВ использовали высокочувствительный метод [19, 102], который описан в параграфе (2.5).
Поскольку вода в граничной фазе обладает модифицированными физическими свойствами по сравнению со свойствами воды в объемной фазе можно предположить, что эти изменения проявятся при распространении ПАВ в пьезоэлектрике, на поверхности которого сформирован слой адсорбированной воды. Стандартным акустическим методом исследования слоистых структур является изучение частотной зависимости изменения скорости и затухания ПАВ при изменении толщины жидкого или твердого слоя. Дисперсию скорости ПАВ можно оценить, измеряя ее величину при вариации толщины слоя (или частоты) и фиксированном значении частоты (толщины).
Очевидно, что в случае малой толщины жидкого слоя основные затруднения связаны с необходимостью: поддерживать заданную или хотя бы постоянную толщину жидкого слоя и обеспечивать измерение ее значения. В некоторой степени это связано с характером движения частиц у поверхности твердого тела при распространении рэлеевской волны. Траекториями движения частиц в волне являются эллипсы. Вращение частиц по эллипсу происходит таким образом, что их движение у поверхности направлено против направления распространения волны. Поэтому рэлеевская волна в определенных условиях может разрушать сформированный на поверхности жидкий слой и эффективно транспортировать жидкость этого слоя. Видимо поэтому дисперсия рэлеевских волн в жидких слоях, сформированных на твердой поверхности, исследована только численными методами, только для изотропных твердых тел [6] и уравнение (2.22), найденное Викторовым И. А., не получило экспериментального подтверждения.
Взаимодействие поверхностных акустических волн с носителями заряда в островковых металлических плёнках
Тепловое расширение воды с минимумом объема или максимумом плотности при температуре 4 С является одним из характерных физических свойств, отражающих особенность ее структуры. При определении акусто-электронным методом толщины адсорбционного слоя, важного параметра для изучения процесса адсорбции, необходимо знать действительное значение плотности адсорбированной воды.
Толщина слоя жидкости h, на поверхности изотропного твердого тела, может быть экспериментально определена по данным изменения скорости Ду поверхностной акустической волны, под влиянием слоя
Здесь р/ и ps — плотность жидкости и плотность твердого тела; У/ и vs — скорость звука в жидкости и скорость ПАВ. Условие малости толщины жидкого слоя выполняется, и ошибка линейного приближения не превышает 10 4 %.
Плотность жидкости в слое можно рассчитать по формуле (3.11) полученной из выражения (3.10) с учетом зависимости скорости звука в жидкости от ее плотности и адиабатической сжимаемости хр} — 1 /(рЛЗ) Здесь Kv=l/$ - модуль объемной упругости. Достоверность результатов определения статической плотности по данным динамического измерения скорости ПАВ остается в пределах динамических поправок, которыми, при малом коэффициенте поглощения звука можно пренебречь.
Если увеличение плотности адсорбированной воды интерпретировать как сжатие в поле сил адсорбирующей поверхности подложки, то такое воздействие аналогично уплотнению при повышении внешнего давления и практически не изменяет строение каркаса молекулярных связей адсорбиро ванной воды. В этом случае сжимаемость воды в граничной фазе мало отличается от сжимаемости воды в объемной фазе. Поэтому при определении плотности адсорбированной воды и ее температурной зависимости можно использовать значение модуля упругости объемной воды.
Изменение скорости звука при изменении температуры в основном определяется температурной зависимостью адиабатической сжимаемости. В объемной воде при повышении температуры и давления сжимаемость уменьшается. Определяемое значение плотности, кроме зависимости от толщины слоя и модуля объемной упругости, зависит еще от параметров ПАВ.
Это обстоятельство по сравнению с известной зависимостью {Kv=PfV2A примерно в 10 раз уменьшает погрешность, возникающую при определении ру, из-за использования в уравнении (3.11) неточного значения Ку.
Кроме этого, модуль объемной упругости может быть уточнен при использовании эмпирического соотношения, полученного на основе численных оценок изменения плотности и других акустических параметров воды под воздействием внешнего давления (см. таблицу 3.2.) АК/Ку = 6,4Ар/ Р/ . (3.12)
Для повышения точности необходимо первоначально, применяя уравнение (3.11), определить Ар/р/ при объемном значении Ку. Найденное значение Др/р/ можно использовать в соотношении (3.12) для уточнения модуля объемной упругости и повторного определения изменения плотности.
В эксперименте использовалась (рис. 24) пьезоэлектрическая подложка 1 из ниобата лития с оптически полированной поверхностью, на которой методом фотолитографии были сформированы встречно-штыревые преобразователи 3 для возбуждения и регистрации ПАВ. На гидрофобную поверхность подложки термическим испарением в вакууме наносилась алюминиевая пленка 2 толщиной порядка 100 нм. При взаимодействии алюминия с атмосферным кислородом на пленке образуется окисный адсорбирующий слой АЦОз, толщина которого не контролировалась.
Запаянный с одной стороны стеклянный капилляр 4 помещался в двухсекционную измерительную ячейку. Воздух их капилляра и второй секции откачивался. Капилляр частично заполнялся водой, как показано на рис. 24.
Заполнение происходило в результате конденсации пара в охлаждаемом капилляре и заканчивалось, когда столбик воды устанавливался в капилляре так, чтобы при О С он был в самом нижнем участке шкалы. Во время измерений температура Т\ первой секции, в которой размещался капилляр, поддерживалась несколько меньшей, чем температура Т2, при которой поддерживалась вторая секция с размещенной в ней подложкой. В результате во второй секции создавалось относительное давление пара, соответствующее перепаду температур AT = Т2 - Г,. Изменением температуры AT регулировалась относительная влажность и задавалась толщина адсорбционного слоя.
Изменение количества воды адсорбированной на поверхности алюминиевой пленки диаметром d\ вызывало укорочение или удлинение А столбика воды в капилляре диаметром d2, которое измерялось компаратором с точностью отсчета ± 1 мкм.
