Применение плазмы вч-разряда пониженного давления в процессах полировки оптических материалов поликристаллического строения

УДК 535:533.9

И. С. Мифтахов, Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, А. О. Фадеев, Л. Гатауллин

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЫ ВЧ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ

ПОЛИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

Ключевые слова: ВЧ разряд, полировка, кристаллическая структура, шероховатость, атомно-силовая микроскопия.

Установлено, что ВЧИ-плазменная обработка позволяет провести прецизионную полировку нанорельефа оптических материалов поликристаллического строения. Наблюдается снижение рельефности поверхности до 10 раз при начальной высоте рельефа 4-150 нм.

Keywords: RF discharge, polishing, polycrystalline structure, roughness, atomic force microscopy.

It was established that the RFI-plasma treatment allows for precision polishing of nanorelief of optical materials with polycrystalline structure. A decrease in the surface relief up to 10 times in case of height of initial relief 4-150 nm, was found.

На сегодняшний день накоплен богатый опыт в области физико-химических методов полировки. Однако когда речь идет о частотах поверхностей до единиц нанометров и менее, наиболее перспективными методами полировки являются электрофизические и в частности ионные и ионно-плазменные методы. Появление материалов с новыми оптическими характеристиками позволяет создавать оптические и светотехнические изделия, основанные на усовершенствованных принципах, с улучшенными техническими свойствами [1-3].

Целью работы является экспериментальное исследование процессов ионной полировки оптических материалов и изделий

поликристаллического строения в условиях ВЧ плазмы пониженного давления. Поставленная цель достигается при выборе методики ионно-плазменной полировки оптических материалов, экспериментальных исследованиях процессов полировки оптических материалов

поликристаллического строения в условиях плазмы ВЧ-разряда пониженного давления.

В качестве объектов исследования использовались образцы оптически прозрачной керамики. Эксперименты по прецизионной полировке поверхности оптических материалов проводились в плазме высокочастотного индукционного разряда пониженного давления, использовалась экспериментальная ВЧИ-плазменная установка, описанная в источнике [4].

Проведен выбор и обоснование режимов ионно-плазменной полировки оптических материалов. Наиболее эффективным режимом для полировки выбранного объекта являлся следующий: сила тока на аноде генераторной лампы Ia= 1,7 А; расход плазмообразующего газа G= 0,04 г/с; продолжительность обработки т = 10 мин, давление в рабочей камере P = 60 Па плазмообразующий газ -аргон.

Рельеф поверхности материалов

исследовался методом атомно-силовой

микроскопии, анализ и расчет параметров шероховатости проводился с применением специализированного ПО Nova фирмы Nt-MDT. АСМ-изображения поликристаллического

материала до НТП-обработки приведены на рис. 1, значения исходной шероховатости составили 2050 нм, амплитудные значения перепадов высот достигают 80-150 мкм. Рельеф поверхности поликристаллического материала после ВЧИ-плазменной полировки приведен на АСМ-изображениях, рис. 2. Как видно из полученных данных, размер шероховатостей уменьшился приблизительно в 10 раз до 3,5-4 нм вместо с 3555 нм, амплитудные значения перепадов высот также уменьшились с 80-150 нм до 8-10 нм. Расчетные параметры шероховатости исходного и НТП-модифицированного образцов приведены в таблице 1.

г-. '

а б

i I

Рис. 1 - АСМ-изображение поверхности образца поликристаллического материала до НТП обработки, размер кадра 15x15 мкм: а) модель рельефа поверхности; б) топографическое изображение; в) гистограмма распределения высот рельефа

Таким образом, установлено, что ВЧИ-плазменная обработка позволяет провести прецизионную полировку нанорельефа оптических материалов поликристаллического строения. Ионная полировка материалов

поликристаллического строения позволяет снизить

амплитудные значения высот рельефа и усредненные значения шероховатости до 10 раз.

[

3 4 пт

Рис. 2 - АСМ-изображение поверхности образца поликристаллического материала после НТП обработки, размер кадра 15х15, мкм: а) модель рельефа поверхности; б) топографическое изображение; в) гистограмма распределения высот рельефа

Работа выполнена в рамках контракта №13-

101/470К от 11 июня 2013г. (тема 52-13), проект

№1779.

Литература

1. Мифтахов, И.С. Ионная полировка оптических материалов аморфного строения в условиях ВЧ-разряда пониженного давления / И.С. Мифтахов, Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, // Вестник казанского технологического университета. - 2014. -№ 23.- С. 73-74.

2. Трофимов, А.В. Формирование функционального микрорельефа на поверхности оптических материалов аморфного строения в условиях вч-разряда пониженного давления / А.В. Трофимов, Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, М. Алкин // Вестник казанского технологического университета. -2014. - № 23.- С. 85-86.

3. Вурзель Ф.Б. Плазменная обработка стекла. / Ф. Б. Вурзель, В. Ф. Назаров, Е. М. Попова // Физика и химия обработки материалов. - 1978 -№2-С.53-57.

4. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2000. - 348 с.

Таблица 1 - Параметры шероховатости образца до и после НТП-полировки, нм

б

а

в

Параметр Исходный Образец после

шероховатости образец НТП-полировки

Максимальная

высота рельефа 81,8464 22,1722

Минимальная

высота рельефа, 0 0

Среднее арифметическое из абсолютных значений 1,2642 0,597039

отклонений

профиля

Среднее

квадратическое отклонение 1,88673 0,751269

профиля

© И. С. Мифтахов, асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, fortmayn@mail.ru; Э. Ф. Вознесенский, д.т.н., проф. той же кафедры, howrip@mail.ru; И. Ш. Абдуллин, д.т.н, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; А. О. Фадеев, студент той же кафедры; Л. Гатауллин, студент той же кафедры.

© 1 S. Miftakhov - graduate of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University, fortmayn@mail.ru; E. F. Voznesensky, Doctor of Technical Sciences, Professor of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University, howrip@mail.ru; I. Sh. Abdullin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of. « Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University, abdullin_i@kstu.ru; A. O. Fadeev, student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department; L. Gataullin, student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, Kazan National Research Technological University.