Дубик Катерина Володимирівна Особливості формування фо тоакустичного відгуку в композитних системах на основі поруватої кремнієвої матриці

Краткое описание

Дубик Катерина Володимирівна, інженер І категорії фі­зичного факультету Київського національного університе­ту імені Тараса Шевченка: «Особливості формування фо- тоакустичного відгуку в композитних системах на основі поруватої кремнієвої матриці» (01.04.07 - фізика твердого тіла). Спецрада Д 26.001.23 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка МОН України

Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Міністерство освіти і науки України
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Міністерство освіти і науки України
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
ДУБИК КАТЕРИНА ВОЛОДИМИРІВНА
УДК 534.1: 536.2
ДИСЕРТАЦІЯ
ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ ФОТОАКУСТИЧНОГО ВІДГУКУ В
КОМПОЗИТНИХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВІ ПОРУВАТОЇ
КРЕМНІЄВОЇ МАТРИЦІ
01.04.07 – фізика твердого тіла
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних
наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
____________ К.В. Дубик
Науковий керівник Бурбело Роман Михайлович, доктор фізикоматематичних наук
Київ – 2019

ЗМІСТ
ВСТУП ................................................................................................................... 19
РОЗДІЛ 1. Фотоакустичне перетворення як засіб безконтактної неруйнівної
діагностики поруватих систем (огляд літератури) ............................................ 27
1.1 Фотоакустичні методи дослідження поруватих систем та композитів на
їхній основі ........................................................................................................ 27
1.1.1 Методи реєстрації фототермоіндукованого збурення в твердих
тілах ................................................................................................................ 27
1.1.2 Формування фотоакустичного сигналу при опроміненні
модульованим світлом. П’єзоелектрична реєстрація................................ 33
1.1.3 Формування та реєстрація фотоакустичного відгуку в твердих тілах
за умови імпульсного опромінення............................................................. 38
1.2 Методи синтезу кремнієвих поруватих систем ....................................... 40
1.2.1 Механізми, методи формування та особливості морфології
поруватого кремнію. .................................................................................... 40
1.2.2 Методи синтезу кремнієвих нанониток............................................. 43
1.3 Методи контролю параметрів поруватих систем на основі кремнію.... 46
1.3.1 Особливості дослідження оптичних властивостей........................... 46
1.3.2 Способи контролю механічних параметрів....................................... 51
1.3.3 Методи дослідження теплових властивостей
наноструктурованого кремнію..................................................................... 53
Висновки до розділу 1 ...................................................................................... 61
РОЗДІЛ 2. Методика виготовлення та характеризація зразків ........................ 63
2.1 Поруватий кремній: умови виготовлення та структура зразків............. 64
2.2 Масиви кремнієвих нанониток .................................................................. 68
17
2.3 Композити на основі наноструктурованого кремнію з рідким
наповнювачем.................................................................................................... 70
Висновки до розділу 2 ...................................................................................... 71
РОЗДІЛ 3. Формування фотоакустичного відгуку від поруватого кремнію та
композитів на його основі під дією періодично модульованого випромінення
................................................................................................................................. 73
3.1 Мультишарові та композитні структури на основі поруватої кремнієвої
матриці................................................................................................................ 74
3.2 Експериментальний стенд для дослідження фотоакустичного відгуку в
кремнієвих структурах при періодично модульованому опромінюванні... 75
3.3 Моделювання фотоакустичного відгуку в мультишаровій структурі за
умови п’єзоелектричного методу реєстрації.................................................. 77
3.4 Аналіз часових та частотних характеристик фотоакустичного відгуку в
композитних системах на основі поруватої кремнієвої матриці ................. 81
3.4.1 Вплив наноструктурування кремнієвих систем на формування
фототермоакустичного відгуку.................................................................... 81
3.4.2 Формування фотоакустичного відгуку в системах з інтерфейсом
«тверде тіло/рідина» ..................................................................................... 88
3.4.3 Фототермоакустичне перетворення в композитних системах
«порувата матриця – рідина» ....................................................................... 98
Висновки до розділу 3 .................................................................................... 105
РОЗДІЛ 4. Формування фотоакустичного відгуку від композитної системи на
основі поруватої матриці при їх імпульсному лазерному опроміненні ........ 107
4.1 Загальна постановка задачі підвищення ефективності фотоакустичного
перетворення в поруватих матеріалах .......................................................... 108
18
4.2 Експериментальний стенд для дослідження формування
фотоакустичного відгуку в композитних системах на основі кремнію при їх
імпульсному лазерному опроміненні............................................................ 109
4.2.1 Оптична система досліджень інформативного відгуку в твердих
тілах. ............................................................................................................. 109
4.2.2 Акустична система реєстрації інформативного відгуку в поруватих
структурах.................................................................................................... 111
4.3 Аналіз формування фотоакустичного відгуку в поруватих кремнієвих
матеріалах та композитах на їх основі.......................................................... 112
4.3.1 Нелінійний лазерний ультразвуковий відгук у кремнієвих
структурах.................................................................................................... 112
4.3.2 Формування фотоакустичного відгуку в наноструктурованих
композитних системах «порувата матриця – рідина»............................. 119
4.3.3 Фототермоакустичне перетворення в композитах на основі
кремнієвих нанониток під дією імпульсного опромінення .................... 125
Висновки до розділу 4 .................................................................................... 130
Висновки .............................................................................................................. 132
Список використаних джерел ............................................................................ 134
Додаток А............................................................................................................. 147

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Експериментально виявлено ряд особливостей на амплітудно- та фазочастотних залежностях фотоакустичного сигналу у системах «шар
кремнієвих нанониток/монокристалічна підкладка». Зокрема,
спостерігаються перегини, які відповідають частотному діапазону
~десятки кГц. Встановлено, що точка перегину на зміщується в область
низьких частот при збільшенні товщини масиву. Для пояснення
виявлених особливостей на частотних характеристиках запропоновано
модель формування фотоакустичного відгуку в системах, що містять
кремнієві нанонитки, яка враховує відсутність тангенціальних
деформацій у масиві, що представлений окремими нанонитками.
2. Встановлено взаємозв’язок між величиною теплопровідності
кремнієвих нанониток (п’єзоелектрична реєстрація сигналу) та часом їх
травлення. Причина такого зв’язку зумовлена збільшенням кількості
механічно пошкоджених нанониток та їх додатковим «розтравленням»,
які визначають структурну неоднорідність зразка.
3. Експериментально отримано зменшення амплітуди фотоакустичного
відгуку при наявності ліофобної рідини на поверхні поруватого
матеріалу. Встановлено, що величина такого зменшення визначається
співвідношенням теплових активностей рідини та досліджуваного
зразка. Запропоновано підхід, у якому реалізується одночасне
визначення теплоємності та теплопровідності поруватих матеріалів.
4. Розвинено модель формування акустичного відгуку, збудженого
імпульсним лазерним випроміненням, яка враховує залежність
пружних параметрів матеріалу від температури. Експериментально
показано застосовність даної моделі до опису експериментальних
залежностей амплітуди фотоакустичного відгуку в інтервалі
інтенсивності збуджуючого випромінення (0 ÷ 35) МВт/см2
.
133
5. Встановлено суттєвий приріст (до двох порядків величини) амплітуди
фотоакустичного відгуку, збудженого імпульсним лазерним
випроміненням, у композитних системах «кремнієві нанонитки/рідина»
та «поруватий кремній/рідина» у порівнянні з матеріалом без
наповнювача. Показано, що для систем «поруватий кремній/рідина»
такий приріст пов'язаний зі збільшенням коефіцієнту теплового
розширення композитної системи, тоді як для систем «кремнієві
нанонитки/рідина» – ще і зі збільшенням поглинання оптичного
випромінення.
6. Запропоновано модель формування фотоакустичного відгуку в
композитних системах на основі поруватих кремнієвих матриць з
різною морфологією за умови їх опромінення періодично
модульованим та імпульсним лазерним випроміненнями, яка враховує
зміну теплофізичних та пружних властивостей внаслідок
інкорпорування рідини в порувату матрицю