Способ нагрева тонких металлических пленок
Владельцы патента RU 2540122:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для оптимального распределения тепла при нагреве металлических образцов встречными волнами ближнего ИК-диапазона. Предлагаемый способ нагрева тонких металлических пленок, реализуемый с помощью схемы интерферометра Маха-Цендера, включающего одно высокоотражающее, два полупрозрачных зеркала, зеркало с фазовой модуляцией, а также твердотельного лазера, поляризаторов для регулировки амплитуд волн, характеризуется тем, что поверхность нагреваемого металлического образца устанавливается под углом α к падающему р-поляризованному лучу лазера, а указанный угол отсчитывается от нормали к поверхности образца и имеет значение, при котором отражение для выбранного материала минимально. Использование способа позволяет решить задачу управления поглощающей способностью тонких металлических образцов в ИК-диапазоне, а именно повысить КПД нагрева тонкой металлической пленки вплоть до 100%, обеспечивая наиболее оптимальный режим ее разогрева. 3 ил.
Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для оптимального распределения тепла при нагреве металлических образцов встречными волнами ближнего ИК-диапазона.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является индукционный нагревательный способ (А.С. №1707782. Способ индукционного нагрева плоского изделия из электропроводного материала // Б.И. 1992. №3), реализуемый на основе эффекта туннельной интерференции. При индукционном нагреве плоского изделия из электропроводного материала толщиной d<ds, где ds - глубина проникновения поля в металлический материал (скин-слоя), с противоположных сторон при помощи источников высокочастотной энергии начинают возбуждаться электромагнитные поля с частотой ω. Вследствие этого будет проявляться эффект туннельной интерференции встречных волн (Сидоренков В.В., Толмачев В.В. Эффект туннельной электромагнитной интерференции в металлических пленках // Письма в ЖТФ, 1989, т.15, вып.21, с.34-37), который используется для повышения КПД и улучшения равномерности нагрева по толщине изделия. Предложенная указанными авторами установка представляет собой СВЧ-интерферометр, выполненный на коаксиальных линиях. Измерения отраженных энергетических потоков производились с помощью направленных ответвителей, включенных с обеих сторон пленочного образца. Ферритовые вентили в каналах интерферометра устраняют воздействие на генератор отраженных от образца электромагнитных волн. Изменение фазы второй волны осуществлялось фазовращателем. Измерения проводились на пленке металлического конденсата (цинк, d=500 нм), полученной вакуумным резистивным напылением на подложку слюды толщиной 0.1 мм. Коэффициенты отражения R и прохождения T определялись при закрытом втором канале интерферометра и на частоте 3008 МГц составляли R=0.41 и Т=0.27. При подаче второй волны интенсивности электромагнитных потоков справа и слева от образца изменялись и существенно зависели от амплитуды и фазы этой волны. Таким образом, использование в предлагаемом способе туннельной электромагнитной интерференции позволяет повысить эффективность использования энергии электромагнитного поля при индукционном нагреве. В частности, в рассмотренном выше случае величина поглощаемой энергии повысилась до 50%, однако анализ показывает, что поглощение в пластинке с учетом интерференции можно повысить до 100% (в два раза) в сравнении с обычным поглощением, которое наблюдается при распространении одиночной волны в слое материала. При этом максимум тепловыделения в образце достигается при разности фаз источников когерентного электромагнитного поля, равной π, либо при 0.
Предлагаемый способ нагрева обеспечивает техническое решение проблемы повышения КПД нагрева D металлического образца и равномерного распределения тепла по его толщине. Под КПД нагрева будем понимать отношение мощности, перешедшей в тепло, к мощности падающего излучения (величина КПД будет колебаться от нуля до единицы, при D=1 вся падающая мощность перейдет в тепло, обеспечивая оптимальное нагревание). Это осуществляется при помощи управления поглощающей способностью материала в режиме интерференции встречных волн.
Характерные отличия заявляемого изобретения от указанного аналога:
а) наклонное падение встречных волн (в аналогичном изобретении рассмотрено только нормальное падение);
б) рабочим диапазоном частот является инфракрасный диапазон;
в) выбор линейной поляризации сужается до р-поляризации.
Использование предлагаемого изобретения позволяет решить задачу управления поглощающей способностью тонких металлических образцов в ИК-диапазоне, а именно повысить КПД нагрева тонкой металлической пленки вплоть до 100%, обеспечивая наиболее оптимальный режим увеличения температуры.
Опишем решаемую задачу более подробно. В геометрии наклонного падения встречных волн на поглощающий слой в структуре электромагнитного поля формируется энергетический поток с нетривиальными свойствами - туннельный интерференционный поток. Величина этого потока определяется мнимой частью показателя преломления, а направление - разностью фаз встречных волн, падающих на противоположные поверхности слоя. В отличие от потоков одиночных волн интерференционный поток не затухает экспоненциально в направлении распространения волны, а является осциллирующей функцией координаты. Изменяя амплитудно-фазовые соотношения, можно влиять на величину интерференционного потока и в конечном счете управлять КПД нагрева поглощающего слоя - тонкой металлической пленки.
В условиях распространения встречных когерентных волн выражение для КПД нагрева пленки имеет вид:
где 
и 
- энергетические коэффициенты отражения для волны с амплитудой А и прохождения с амплитудой В, |ra| и |tb| - абсолютные значения амплитудных коэффициентов, χA и ψB - сдвиги фаз, приобретаемые волнами при отражении и прохождении соответственно; 
- коэффициент интерференционной прозрачности, характеризующий амплитудную величину интерференционного потока 
в пластинке и обеспечивающий перераспределение энергии между отраженными от образца потоками; δ=φB-φА+k0dcosα - разность фаз падающих волн, в которой содержатся начальные фазы φA и φB каждой из волн, k0 - волновое число в вакууме, d - толщина металлической пленки, α - угол падения волн, отсчитываемый от нормали.
При наклонном падении коэффициенты отражения, прохождения, интерференционной прозрачности и набег фазы являются функциями угла падения и существенно зависят от выбора поляризации. В частности, для характерного угла падения, соответствующего углу Брюстера, для р-поляризации возникает минимальное отражение.
За счет изменения сдвига фаз Δ и разности фаз δ можно осуществить как увеличение, так и уменьшение КПД нагрева; значения Δ=πk и δ=πm (где k, m - целые числа) соответствуют максимуму и минимуму КПД нагрева. При Δ,δ=(2m+1)π/2 интерференционная составляющая потока отсутствует. Значения разности фаз устанавливают исходя из материальных параметров обрабатываемого материала в области температур нагрева. Величина δ является управляемым параметром а счет возможности изменения разности фаз φB-φA падающих на слой волн. Таким образом, величина КПД нагрева в поглощающем слое может изменяться от 1-R-T-IcosΔ до 1-R-T+IcosΔ.
На фигуре 1 показана схема установки, которая может быть использована для осуществления предлагаемого способа нагрева металлических образцов в режиме наклонного падения встречных волн. Установка включает в себя следующие конструктивные элементы:
ТЛ - твердотельный лазер;
З - зеркало;
П1 и П2 - поляризаторы, использующиеся для регулировки амплитуд волн;
ПЗ1 и ПЗ2 - полупрозрачные зеркала;
ЗФМ - зеркало с фазовой модуляцией;
О - исследуемый металлический образец, расположенный под углом к падающему излучению;
ФП - фотоприемник.
Зеркала З, ПЗ1, ПЗ2 и ЗФМ образуют двухлучевой интерферометр, являющийся аналогом интерферометра Маха-Цендера (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: 1973, 719 с.). В качестве источника излучения используется твердотельный лазер с длиной волны λ=1.06 мкм (YAG:Nd). Лазерное излучение, попадая на полупрозрачное зеркало ПЗ1, разделяется на два луча: основной луч (сигнальный) и луч подсветки. Сигнальный луч проходит через поляризатор П1 и падает слева на экспериментальный образец, причем угол между нормалью к поверхности образца и сигнальным лучом фиксирован и равен углу минимального отражения τ0≈78° для выбранного материала (вольфрама), далее происходит регистрация сигнального луча фотоприемником ФП. Луч подсветки, пройдя через второй поляризатор П2 и поочередно отразившись от зеркал 3 и ЗФМ (на зеркале ЗФМ осуществляется модуляция по фазе), попадает на второе полупрозрачное зеркало П32, где также разделяется на два луча. Первый луч падает на исследуемый образец с противоположной относительно сигнального луча стороны (т.е. справа), причем угол между нормалью к поверхности образца и лучом также равен τ0≈78°, интерферирует с сигнальным, второй поступает на фотоприемник. Образованный в результате интерференции поток регистрируется фотоприемником ФП. Сигнал с фотоприемника поступает на измерительный усилитель, а затем на осциллограф, с помощью которого проводятся все измерения.
На фиг.2 для пленки толщиной d=36 нм представлены зависимости от угла падения коэффициентов отражения R (кривые 1), прохождения Т (кривые 2) для волн s- и р-поляризации (пунктирные и сплошные кривые) для тонкой пленки вольфрама (т=3.0-i·3.5, J=36 нм, λ=1060 нм). Для волн р-поляризации функция R(τ) вначале убывает, достигает минимального значения при τ0≈78° (аналог угла Брюстера), затем быстро возрастает и при скользящем падении достигает максимального значения, практически равного единице. Функция Т(τ) плавно возрастает до точки τ0, где достигает максимального значения, а при скользящем падении обращается в нуль. Для волн s-поляризации наблюдается плавный рост величины коэффициента отражения и плавный спад коэффициента прохождения.
Угловые зависимости коэффициента поглощения D(τ) (фиг.3) построены для значений начальной разности фаз δ=0, π/2, π (кривые 1, 2, 3) для тонкой пленки вольфрама (n=3.0-i·3.5, d=36 нм, λ=1060 нм). Для волн р-поляризации зависимости имеют явно выраженный максимум в области углов, близких к τ0. Для нормального падения эффект поглощения будет выражен значительно слабее, чем при наклонном, а в области углов, близких к τ0, в максимуме имеет место практически полное поглощение слоем энергии падающих волн (δ=0, сплошная кривая 1). Для волн s-поляризации с увеличением угла падения величина КПД убывает, а максимальный эффект отвечает нормальному падению. Таким образом, для эффективного нагрева металлической пленки целесообразно использовать наклонное падение встречных волн р-поляризации. Подобные зависимости для коэффициента отражения R и поглощения D в ближнем ИК-диапазоне будут наблюдаться и для тонких пленок других металлов, например железа, никеля, платины, кобальта. Отметим, что с увеличением толщины металлической пленки эффект поглощения будет изменяться, но преимущество наклонного падения перед нормальным также для волн р-поляризации сохраняется.
Способ нагрева тонких металлических пленок, реализуемый с помощью схемы интерферометра Маха-Цендера, твердотельного лазера, поляризаторов для регулировки амплитуд волн и характеризующийся тем, что поверхность нагреваемого образца устанавливается под углом α к падающему р-поляризованному лучу лазера, причем указанный угол отсчитывается от нормали к поверхности образца и имеет значение, при котором отражение для выбранного материала минимально.
