Фазові і структурні перетворення у нанорозмірних рентгенооптичних багатошарових композиціях

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Фазові і структурні перетворення у нанорозмірних рентгенооптичних багатошарових композиціях

Спеціальність: Фізика твердого тіла

Кондратенко Валерій Володимирович

Харків, 1999 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації і стан проблеми. Необхідною умовою науково-технічного прогресу є створення і дослідження структури і фізичних властивостей нових матеріалів, що забезпечують реалізацію нових ефектів і явищ. До числа таких матеріалів відносяться тонкі плівки і плівкові композиції. Розвиток фізичних уявлень про процеси формування, особливості структури і властивості тонких шарів у сполученні з розробкою різноманітних методів керованого вирощування плівок відкрили можливість синтезу багатошарових плівкових композицій із широкого кола хімічних елементів і сполук.

Важливе місце серед тонкоплівкових шаруватих композицій займають одномірні штучні кристали, які являють собою шари двох або більш матеріалів, що періодично чергуються. У останні роки в окремий науковий напрямок виділилася проблема розробки, виготовлення і дослідження оптичних елементів на основі багатошарових періодичних плівкових композицій, які одержали назву багатошарових рентгенівських дзеркал (БРД), для керування електромагнітним випромінюванням у діапазоні довжин хвиль ~1-30 нм. Ця частина спектра, що являє собою м'яке рентгенівське випромінювання, незважаючи на малу протяжність, має принципове значення для розв'язання багатьох наукових і технологічних задач. Створення диспергуючих, відбивних і фокусуючих елементів для діапазону м'якого рентгенівського випромінювання відкриває нові можливості у фундаментальних дослідженнях зі спектроскопії плазми, у космічній астрофізиці, біології, медицині. Існує також гостра потреба в ефективному керуванні м'яким рентгенівським випромінюванням у зв'язку з виконанням прикладних робіт, спрямованих на виготовлення рентгенівських мікроскопів і резонаторів рентгенівських лазерів, розвиток проекційної рентгенівської літографії, оснащення синхротронів, розширення можливостей рентгеноспектрального аналізу. Виготовлення рентгенооптичних елементів із прийнятними характеристиками пов'язано з розв'язанням проблеми вирощування багатошарових плівкових композицій із нанорозмірних, гладких, суцільних не взаємодіючих шарів із необхідними оптичними константами. У більшості випадків оптимальними за оптичними властивостями для створення БРД є матеріали, що знаходяться у фазово- і структурному не рівноважному стані. Цей факт, а також необхідність у ряді практичних застосувань піддавати оптичні покриття термічній дії, висувають важливу задачу забезпечення підвищеної стійкості багатошарових нанорозмірних плівкових композицій.

Таким чином, для практичного освоєння діапазону м'якого рентгенівського випромінювання необхідно створення фізичних основ вирощування твердотільних функціональних матеріалів - багатошарових нанорозмірних плівкових композицій, які відзначаються високими рентгенооптичними властивостями і стійкістю до термічної і радіаційної дій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі фізики металів і напівпровідників відповідно до планових завдань науково-дослідного відділу Харківського державного політехнічного університету й у рамках міжнародних проектів:

- “Теоретична й експериментальна розробка і комплексні дослідження нових довговічних функціональних плівкових матеріалів з унікальними фізичними властивостями для застосування в якості відповідальних елементів приладів і пристроїв новітньої техніки” (наказ Мінвузу України №78 від 21.03.91, номер держреєстрації 0193У027850);

- “Розробка фундаментальних проблем фізики тонких плівок і створення стабільних в екстремальних умовах нових матеріалів для елементів електроніки та інших областей науки і техніки” (наказ Міносвіти України №806 від 25.05.94, номер 0194У012927 1994-1996 р., наказ Міносвіти України №37 від 13.02.97, номер 0196У14669, 1997-1999 р.);

- “Інтердифузія в надтонких шарах багатошарових композицій і надрешіток” (наказ Міносвіти України №37 від 13.02.97, номер держреєстрації 0197У001910, 1997-1999 р.);

- “Розробка і створення багатошарової рентгенівської оптики для діапазону довжин хвиль електромагнітного випромінювання 0,1-30 нм” (тема ДКНТ України, реєстраційний номер 05.44.06/015-92 за програмою 04.01.04. “Прогресивні технології складних плівкових матеріалів і оптичних структур”);

- “Research and development towards efficient Ni-based multilayer mirrors below 50 A”(контракт №INTAS96-0128);

- “Microfabrication with Synchrotron Radiation” (контракт РЕСО №ERBCIPDCT940630);

- “Microfabrication with Synchrotron Radiation-Deep X-ray Lithography For Industrial Use” (контракт INCO-Copernikus №FMRX-CT97-0140 (DG-12-MSPS));

- “Soft X-ray Optics for applications of compact discharge pumped soft X-ray lasers in science and technology” (контракт CRDF, №RP1-240).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розвиток фізичних уявлень про процеси, що відбуваються в багатошарових нанорозмірних плівкових рентгенооптичних композиціях при їхньому формуванні і нагріванні, встановлення взаємозв'язку між змінами структури шарів, міжшарових меж і конструкції багатошарових композицій у цілому з одного боку і рентгенооптичних характеристик з іншого, створення високоефективних рентгенооптичних елементів і систем на основі багатошарових плівкових покрить.

Досягнення поставленої мети передбачає розв'язання таких задач:

- вивчити структурні і фазові перетворення, що відбуваються в процесі росту і нагрівання в багатошарових плівкових композиціях, котрі складаються з фазово-рівноважних і фазово-нерівноважних матеріалів;

- виявити механізми термічного руйнування багатошарових плівкових нанорозмірних композицій і розробити методи підвищення стабільності їхніх рентгенооптичних властивостей;

- на основі спільного аналізу особливостей росту багатошарових плівкових композицій і їхніх оптичних констант оптимізувати вибір матеріалів із метою вирощування високо відбивних БРД для кожної частини спектра м'якого рентгенівського випромінювання (1-30 нм);

- виявити причини виникнення руйнуючих механічних напруг у системі “підкладка - багатошарове покриття” при вирощуванні багатошарових плівкових композицій на основі кремнію з числом періодів 103 і забезпечити зниження їхнього рівня без істотного погіршення оптичних властивостей;

- дослідити вплив умов і методів формування багатошарових плівкових нанорозмірних композицій на структуру їхніх шарів, міжшарових меж і рентгенооптичні властивості;

- провести випробування БРД у стандартних рентгеноспектральних приладах і оптичних схемах, а також запропонувати нові застосування багатошарових покрить для створення перспективних рентгенооптичних елементів.

У роботі досліджувалися багатошарові плівкові періодичні композиції з періодом від 1 до 30 нм із прийнятним для БРД поєднанням оптичних констант:

Зазначені композиції дозволили дослідити особливості формування, структурні і фазові перетворення в комбінаціях матеріалів із різним рівнем структурної і фазової нерівноважності як у процесі їхнього росту, так і при термічній дії на них. Виготовлення багатошарових композицій здійснювалося за методами прямоточного магнетронного розпилення й електронно-променевого випаровування. Спеціально створені вакуумні установки з магнетронними джерелами розпилення мали високу стабільність основних фізико-технологічних параметрів синтезу, що забезпечувало можливість вирощування багатошарових плівкових композицій заданої конструкції.

Дослідження структури і фазового складу зразків виконувалися методами рентгенівської дифрактометрії й електронної мікроскопії, зокрема з високим розділенням. Для електронно-мікроскопічного аналізу поперечних зрізів була освоєна спеціальна методика попередньої підготовки зразків.

Рентгенооптичні характеристики дзеркал вимірювалися в жорсткій частині рентгенівського спектра на рентгенівських дифрактометрах, а в м'якому рентгенівському випромінюванні за допомогою спектрометра-монохроматора РСМ-500, синхротронного випромінювання, а також лазерно-плазмових джерел. Для визначення хімічного складу окремих зразків застосовувалася електронна спектроскопія, лазерна мас-спектрометрія, рентген-електронна спектроскопія. Наукова новизна отриманих результатів. Встановлена сукупність основних структурних і фазових перетворень, котрі призводять до трансформації і руйнування при нагріванні багатошарових періодичних плівкових композицій, які мають різний рівень термодинамічної нерівноважності. Для систем, складених із матеріалів, що знаходяться у фазовій рівновазі в кристалічному стані:

Що є, як основні зміни в багатошарових композиціях визначаються дифузією уздовж міжшарових меж і внутрішньошарових структурних перетворень, які призводять до руйнування періодичності внаслідок міжшарової рекристалізації. У багатошарових фазово-нерівноважних системах:

Інтердифузійне перемішування шарів обумовлює утворення нових фаз, зміну співвідношення товщин шарів і періоду, виникнення механічних напруг. Відмінною рисою процесів, які відбуваються у фазово-рівноважних і фазово-нерівноважній багатошарових вуглецевих композиціях є графітизація вуглецевих шарів, котра відбувається зі збільшенням об'єму і ініціює виникнення неоднорідних механічних напруг. У результаті спільного впливу температури і неоднорідних механічних напруг відбувається агломерація шарів, що містять метал.

Запропоновані й експериментально підтверджені ефективні засоби підвищення термічної стійкості багатошарових нанорозмірних рентгенооптичних покриттів, включаючи:

- блокування міжшарової взаємодії за рахунок застосування матеріалів, які знаходяться у фазовій рівновазі;

- зсув міжшарової взаємодії в область підвищених температур шляхом збільшення енергії активації цього процесу;

- застосування структурно-стабілізуючих елементів для уповільнення процесів внутрішньошарового упорядкування структури.

Вперше проведене систематичне дослідження механізмів росту, структури шарів і процесів міжшарової взаємодії в багатошарових нанорозмірних плівкових композиціях, перспективних для створення рентгенооптичних елементів у залежності від методу і умов їхнього вирощування. Виявлені ростові особливості, які обмежують можливість формування високо досконалих композицій із мінімальним періодом із різноманітних сполучень матеріалів. Визначено розміри та умови утво-рення перемішаних зон на міжшарових межах:

Вперше виявлений комплекс причин, відповідальних за нелінійну швидкість росту товщин металевих шарів Ni і Cr на аморфному вуглеці та Mo і W на аморфному кремнії, і знайдені шляхи їхньої нейтралізації, що полягають у заглушенні ефекту неповної конденсації і запобіганні дифузійному перемішуванню шарів за рахунок забезпечення їх фазової рівноваги один з одним.

Практичне значення одержаних результатів.

Досягнутий рівень розуміння фізичних процесів, які визначають формування багатошарових нанорозмірних плівкових композицій, забезпечив вирощування високо відбивних оптичних покрить для керування м'яким рентгенівським випромінюванням.

Ефективність практичного освоєння цієї частини електромагнітного спектра за допомогою створених багатошарових рентгенівських дзеркал підтверджена:

- розширенням функціональних можливостей рентгеноспектральних приладів (приставок), зокрема тих, що виготовляються у ПО “SELMI” м. Суми (РЭММА 101А, РЭММА-102, VRA-30, VRA-30, МАР-3 та ін.) для контролю легких хімічних елементів (від натрію до бору);

- створенням рентгенівського мікроскопа на основі об'єктива Шварцшильда з розділенням 0,2 мкм на довжині хвилі 20 нм;

- реалізацією оптичної схеми для діагностики плазми в інтервалі довжин хвиль 13-13. 5 нм із спектральним розділенням 4-103.

Розроблено і створений новий тип рентгенооптичних елементів на основі багатошарових плівкових покриттів - зрізана дифракційна решітка, котра поєднує високу ефективність і високе спектральне розділення і дозволяє виготовляти компактні, малогабаритні спектрометри.

Запропонований і експериментально випробуваний принцип вибору матеріалів для вирощування термічно стійких дзеркал дозволив розширити температурний інтервал застосування БРД до 900-1270К у залежності від частини спектра, яка розглядається.

Конкретні наукові результати і положення, які виносяться на захист:

1. Фазова нерівноважність обумовлює інтердифузійне формування аморфних перемішаних зон товщиною 1-3 нм на межах поділу багатошарових рентгенооптичних композицій W/Si, а також Mo/B4C та Mo/Si у процесі їх вирощування при температурах підкладки 330К, а для Cr/C композицій 600К. Співвідношення товщин перемішаних зон на сусідніх межах поділу визначається рівнем структурної досконалості металевих шарів;

2. Нагрівання багатошарових нанорозмірних плівкових композицій, сформованих із фазово - нерівноважних пар матеріалів Mo/Si, Ti/Be, W/Si, WC/Si, та Mo/B4C або Mo/(BC), в інтервалі температур 300-1000К активізує міжшарову взаємодію, у результаті якої відбувається перерозподіл вихідних матеріалів між шарами, формування нових фаз, їхня кристалізація і рекристалізація, наростання механічних напруг. Наслідком цих процесів є поступове падіння відбивної здатності, зменшення періоду (до 20%) і руйнування БРД, виготовлених на основі вказаних систем;

3. У багатошарових плівкових рентгенооптичних композиціях, виготовлених із фазово - рівноважних матеріалів MoSi2/Si, Mo2B5/B4C, WSi2/Si за відсутності міжшарової взаємодії формуються різкі межі поділу. З підвищенням температури в результаті дифузії уздовж міжшарових меж відбувається згладжування міжшарових шорсткостей, що призводить до зростання коефіцієнта відбиття. Руйнування фазово - рівноважних плівкових композицій відбувається в температурному інтервалі Т=50-100К у результаті міжшарової рекристалізації шарів, що містять метал;

4. Графітизація вуглецевих шарів у фазово-рівноважних рентгенооптичних багатошарових композиціях Ni/C, або Cr3C2/C, або CrB2/C і фазово-нерівноважній багатошаровій композиції Cr/C при температурах 500-1400К відповідальна за зростання їхнього періоду на 10-15%. Неоднорідний по площі і товщині шарів характер процесу графітизації супроводжується виникненням і зростанням механічних напруг, котрі зі зростанням температури призводять до агломерації шарів, що містять метал, руйнування періодичності і падіння відбивної здатності;

5. Підвищена термічна стійкість структури й оптичних властивостей багатошарових нанорозмірних рентгенооптичних композицій досягається за рахунок цілеспрямованого вибору вихідних матеріалів для їхнього синтезу. Поряд із високими оптичними характеристиками і можливістю вирощування у вигляді нанорозмірних суцільних шарів обрані матеріали повинні: для виключення міжшарової взаємодії знаходитися у фазовій рівновазі, для уповільнення процесів структурного упорядкування містити структурно-стабілізуючі елементи, наприклад, бор (CrB2/C), для зсуву міжшарової взаємодії в область більш високих температур забезпечувати підвищену енергію активації цього процесу (WC/Si);

6. У результаті спільного дослідження механізмів росту, оптичних властивостей, структури шарів і міжшарових меж багатошарових нанорозмірних плівкових композицій із різноманітних хімічних елементів і сполук визначено набір оптимальних сполучень вихідних матеріалів, на основі яких створено новий тип твердотільних функціональних елементів - багатошарові рентгенівські дзеркала для керування електромагнітним випромінюванням із довжинами хвиль 0,1-30 нм.

Особистий внесок здобувача.

Усі наведені в роботі результати отримані особисто автором самостійно, або при його участі в керівництві дослідженнями, їхній координації і безпосередньо їх здійсненні. Ним були сформульовані мета і задачі досліджень у роботах (90, 91, 96, 114, 115, 133, 135-137, 155, 157, 162, 192, 198), приготовлені об'єкти (70, 71, 84, 114, 115, 121), виконані структурні дослідження (96, 114, 115, 135, 136, 157). Брав участь поряд з іншими співавторами в постановці задачі й обговоренні результатів робіт (25, 80, 85, 89-91, 98-102, 104, 163, 166, 173, 179, 181, 190, 199-202). Він приймав безпосередньо участь в обробці й інтерпретації експериментальних результатів вивчення структури й оптичних властивостей усіх поданих у дисертаційній роботі багатошарових плівкових композицій, а також у розробці фізичних моделей процесів формування і підвищення термічної стійкості багатошарових рентгенооптичних покрить. Брав участь у підготовці результатів для опублікування.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи були оприлюднені і обговорені на:

- міжнародній конференції з нейтронної фізики, Київ, 1987 р.;

- всесоюзному семінарі “Мікролітографія”, Черноголовка, 1988 р.;

- міжнародній конференції з застосування синхротронного випромінювання, СИ-88, Новосибірськ, 1988;

- міжнародній конференції “Рентгенівське устаткування в медицині, біології, фізиці плазми, астрофізиці і синхротронне випромінювання”, Париж, 1989 р.;

- 4-ій всесоюзній конференції зі взаємодії випромінювання з твердим тілом, Москва, 1990 р.;

- міжнародному симпозіумі “Короткохвильові лазери і їхнє застосування”, Самарканд, 1990 р.;

- 4-ій міжнародній конференції з інструментального оснащення синхротронів, Честер, Англія, 1991 р.;

- міжнародному колоквіумі з рентгенівських лазерів, Шлисрсей, Німеччина, 1992 р.;

- 4-ій міжнародній конференції з рентгенівської мікроскопії, Черноголовка, 1993 р.;

- міжнародній конференції “Рентгенівська і короткохвильова ультрафіолетова оптика”, Сан-Дієго, США, 1995 р.;

- національній конференції з застосування рентгенівського, синхротронного випромінювань, нейтронів і електронів, Дубна, 1997 р.;

- міжнародному матеріалознавчому симпозіумі MRS-98, Бостон, 1998.

Публікації. Усього за темою дисертації опубліковано 53 праці. З них 37 статей у вітчизняних і закордонних наукових виданнях, 16 тез доповідей на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 8-ми розділів, висновків, списку використаних джерел (202 джерела). Вона містить 292 сторінки, включає 20 таблиць і 89 рисунків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі міститься обґрунтування актуальності теми, визначені мета і задачі роботи, перераховані вивчені багатошарові плівкові композиції, методи їх одержання і дослідження. Тут же вказаний зв'язок роботи з науковими планами і програмами, сформульовані наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

У першому розділі “Багатошарові плівкові нанорозмірні композиції. Можливості виготовлення і перспективи застосування” описані одномірні штучні кристали з керованими і прогнозованими властивостями у вигляді багатошарових плівкових нанорозмірних композицій. Ці матеріали стали основою розвитку таких наукових напрямків як магнітні надрешітки, напівпровідникові надрешітки, надпровідні надрешітки, багатошарові нейтронні і рентгенівські дзеркала. Проведено аналіз механізмів росту плівок, дифузійної взаємодії матеріалів між собою в процесі росту або наступної експлуатації, а також існуючих методів вирощування тонких шарів із погляду можливості формування нанорозмірних багатошарових композицій. Зроблено висновок про те, що якість багатошарових композицій і ступінь прояву їхніх унікальних властивостей залежать від того якою мірою вони задовольняють таким вимогам:

1) відібрані матеріали повинні мати оптимальні фізичні (магнітні, напівпровідникові, оптичні та ін.) властивості;

2) висока геометрична досконалість, яка полягає у чергуванні з високим ступенем періодичності гладких, суцільних шарів, що не змішуються, двох матеріалів товщиною в декілька міжатомних відстаней і більше;

3) часова, термічна і радіаційна стійкість структури і властивостей.

Одночасне виконання усіх вимог у більшості випадків є важко досяжним. Необхідний пошук вдалого поєднання фізичних властивостей і технологічних особливостей матеріалів із метою виявлення оптимальних їх сполучень для максимальної реалізації властивостей багатошарової системи.

У другому розділі “Багатошарові рентгенівські дзеркала. Конструкція, властивості, основні дефекти” обґрунтований вибір конструкції БРД у вигляді багатошарової плівкової періодичної композиції.

Така конструкція обумовлена особливостями взаємодії м'якого рентгенівського випромінювання з речовиною. Високе поглинання всіма речовинами м'якого рентгенівського випромінювання, а також низька оптична густина всіх матеріалів і, у зв'язку з цим мала відмінність коефіцієнта заломлення від одиниці, виключають можливість створення для даної частини електромагнітного спектра традиційної оптики. Одношарові покриття також не можуть бути використані для керування м'яким рентгенівським випромінюванням, оскільки, як випливає з формули Френеля, коефіцієнт відбиття нормального падіння R такого покриття малий (для 5 нм R10^-4). Істотне підвищення R можливе за рахунок інтерференції слабких відбиттів від різних меж поділу. Кутове положення інтерференційного максимуму відбиття від БРД із періодом Н при куті падіння визначається умовою Брегга, яка з урахуванням заломлення має вигляд:

(1)

Тут:

- дійсна частина показника заломлення;

- довжина хвилі;

m - порядок відбиття.

Необхідною умовою досягнення високої відбивної здатності БРД є вибір для його створення матеріалів із необхідними оптичними константами в частині спектра, що розглядається. Першим вибирається матеріал із найменшим поглинанням, а другим - матеріал, що забезпечує максимальний коефіцієнт відбиття на межі з першим матеріалом. Здатність атомів даного сорту розсіювати () і поглинати () оцінюється за формулою:

(2)

Де:

r₀ - класичний радіус електрона;

- густина;

- відносна атомна маса;

f₁ і f₂ - атомні фактори розсіювання.

Складна залежність f₁ і f₂ від викликає необхідність розбивки відносно вузького діапазону довжин хвиль 1-30 нм на ряд піддіапазонів, у кожному з яких оптимальними є свої пари матеріалів. Відповідно до розрахунків відбивна здатність БРД, складених із оптимальних матеріалів досягає 60-80%. На практиці ж БРД демонструють нижчі значення оптичних характеристик. Розходження в оптичних характеристиках ідеальних і реально виготовлених дзеркал обумовлено наявністю дефектів у багатошаровій плівковій композиції, виникнення більшості із яких пов'язано з особливостями росту і міжшарової взаємодії нанорозмірних шарів.

Міжшарова шорсткість. Це один із найпоширеніших дефектів у БРД, який найсильніше впливає на R. Існує два підходи до оцінки міжшарової шорсткості. Відповідно до першого передбачається, що шорсткості скорельовані між собою на різних межах і їхні середньоквадратичні висоти однакові. У цьому випадку співвідношення для R з урахуванням міжшарової шорсткості має вигляд:

(3)

Де:

R_t - коефіцієнт відбиття ідеального дзеркала;

- середньоквадратична висота шорсткостей із гауссовою кореляційною функцією.

В другому випадку припускається, що шорсткості на міжшарових межах поділу нескорельовані між собою. У цьому підході вплив враховується при обчисленні Френелівського коефіцієнта відбиття від кожної межі поділу. Зазначені підходи описують крайні випадки, завищуючи значення в першому випадку і занижуючи - у другому.

Перемішані зони. Утворення цього дефекту пов'язано із взаємодією шарів, які складають дзеркало, як у процесі росту, так і пізніше з часом або при термічній і радіаційній діях на БРД. До істотного падіння R БРД призводять міжшарова взаємодія, котра супроводжується зменшенням стрибка електронної густини, і процес неоднорідного по межі поділу міжшарового перемішування. Аналітичного опису впливу перемішаних зон в загальному вигляді немає, хоча формально для цього можна використовувати співвідношення (3), замінюючи на ширину перемішаної зони.

Не суцільність шарів. Цей тип недосконалостей БРД також зменшує R. Його існування пов'язане з наявністю на ранніх стадіях формування плівкових шарів острівцевої фази. Найбільшою мірою не суцільність шарів властива короткоперіодним дзеркалам, у яких товщина шарів нанесених матеріалів відповідає острівцевій стадії росту.

Забруднення шарів. Ступінь впливу забруднень на оптичні характеристики БРД визначається їхньою концентрацією, а також значеннями їхніх оптичних констант в частині спектра, що розглядається. Найістотніший вплив на оптичні властивості БРД варто очікувати при зміні складу слабко поглинаючого шару.

Крім перерахованих до дефектів БРД слід віднести випадковий розкид періоду БРД за глибиною покриття, а також неконтрольовану зміну періоду за площею дзеркала.

Зіставлення позитивних якостей і хиб БРД свідчить про принципову можливість створення нового типу високоефективних оптичних елементів для керування м'яким рентгенівським випромінюванням. Водночас оптичні характеристики БРД надзвичайно чутливі до недосконалостей, обумовлених як процесами росту тонких шарів різних матеріалів, так і обраною технологією синтезу багатошарової композиції. Врахування реальної структури БРД у поєднанні з дослідженням оптичних властивостей є необхідною умовою для оптимального вибору матеріалів і методу синтезу рентгенівських елементів.

У третьому розділі “Особливості формування і термічна стійкість багатошарових рентгенівських дзеркал із кремнієвим слабко поглинаючим шаром” подані результати досліджень, спрямованих на створення високо відбивних і термічно стійких БРД для довжин хвиль 12,4 нм. Аналіз оптичних констант свідчить про те, що в цій частині спектра перспективною для створення високо відбивних дзеркал є пара матеріалів Mo-Si. Теоретичний коефіцієнт відбиття:

R_t. * БРД * Mo/Si

Що складає 70% на довжині хвилі 12,4 нм.

У той же час фазова нерівноважність системи Mo-Si передбачає можливість міжшарової взаємодії Mo і Si у процесі виготовлення і подальшої експлуатації і, як наслідок, низьку термічну стійкість таких дзеркал. Електронно-мікроскопічні дослідження поперечних зрізів БРД Mo/Si виготовлених за методом магнетронного розпилення підтвердили, що фазова нерівноважність системи Mo-Si виявляється вже при синтезі дзеркал, про що свідчить утворення перемішаних зон на межах поділу. У випадку, коли шари Мо є кристалічними з розміром зерна до 20-50 нм формуються асиметричні перемішані зони. На межі Mo-Si для БРД із Н15 нм їхня товщина складає 1,7 нм, а на межі Si-Мо 0,8 нм. Перемішані зони - аморфні і мають проміжний контраст між кристалічним Мо й аморфним кремнієм. У дзеркалах із низькодосконалими шарами Мо перемішані зони симетричні, мають близьку товщину на сусідніх межах поділу, яка складає 1,4 нм.

Причина формування асиметричних перемішаних зон на межах поділу пов'язана з відмінністю умов для дифузії Si у Мо на сусідніх межах поділу. На початковій стадії росту шару Мо утворення перемішаних зон відбувається за рахунок дифузії кремнію по легких шляхах низько досконалого шару Мо, що формується. При осадженні кремнію на кристалічний молібден атоми Si, що прибувають на щільно упаковані площини {110} плівки Мо з низькою щільністю меж зерен утворять тонку аморфну перемішану зону за рахунок повільної об'ємної дифузії. Зі зниженням ступеня структурної досконалості Мо-шару, зокрема із зменшенням Н і відповідно товщини Мо, або при зменшенні температури підкладки, створюються додаткові можливості для дифузії Si по неоднорідностях структури шару Мо. Відбувається зближення умов формування перемішаних зон на межах Мо-Si або Si-Мо, і їхні товщини стають однаковими.

При нагріванні Мо/Si спостерігається посилення міжшарової взаємодії.. При Т=700 К в зразках з Н=8 нм в результаті дифузії кремнію у молібденові шари відзначається зменшення товщини кремнієвого шару і поява на рентгендифракційній картині рефлексу (110) високотемпературної фази hex.-MoSi₂, що зароджується. У результаті підвищення температури до 800К відбувається трансформація початкової періодичності в нову, яка являє собою шари hex.-MoSi₂ і тонкі (1 нм) аморфні прошарки більш легкого аморфного матеріалу (SiO_x), що чергуються. Збільшення температури до 1050 К призводить до укрупнення зерен дисиліциду молібдену до декількох періодів і появи tetr.MoSi₂ поряд із hex.MoSi₂. Поліморфне перетворення:

- завершується при 1300К.

Структурні і фазові перетворення, що відбуваються в БРД Mo/Si при нагріванні, призводять до падіння відбивної здатності і до зменшення періоду. Помітні зміни оптичних властивостей починаються при 600К, а після 800К коефіцієнт відбиття R у СuК випромінюванні падає на 90-95%. Зменшення періоду при цьому складає більш 15%. Для виключення міжшарової взаємодії як механізму руйнування і створення БРД для частини спектра, що розглядається, з підвищеною термічною стійкістю була запропонована фазово-рівноважна система БРД, відповідно до теоретичних розрахунків поступаються на 10-20% Mo/Si дзеркалам за відбивною здатністю, проте при нагріванні ситуація змінюється на протилежну.

Нагрівання БРД до 700-800К призводить до росту відбивної здатності в порівнянні з початковим станом на відміну від поведінки БРД. Період при цьому зменшується на 1-2%. Розмір приросту залежить від значення R у початковому стані і може досягати 20-50%. Причиною зростання R у БРД при нагріванні є згладжування міжшарових шорсткостей, що призводить до зменшення площі міжфазної поверхні поділу і забезпечує зниження рівня вільної енергії системи. При цьому відповідно до даних електронної мікроскопії з прямим розділенням кристалічної решітки MoSi₂ відсутні перемішані зони і будь-які інші ознаки міжшарової дифузійної взаємодії.

Падіння починається після нагрівання до 1000К, процес деградації розвивається у вузькому температурному інтервалі і при Т=1050К дзеркало втрачає більш 90% початкової відбивної здатності. Причиною зменшення R є розвиток міжшарової шорсткості за рахунок кристалізації, рекристалізації шарів дисиліциду молібдену, кристалізації шарів кремнію, а також поліморфного перетворення:

Проведені дослідження оптичних властивостей показали, що БРД нормального або близького до нормального падіння мають R на довжині хвилі 13,0-13,5нм до 30% і 57% відповідно. Зі збільшенням довжини хвилі це розходження зменшується. Досягнута відбивна здатність є достатньою для практичних застосувань.

Порівняльний аналіз можливостей методів магнетронного розпилення й електронно-променевого випаровування у вирощуванні високо відбивних дзеркал продемонстрував більш високу якість дзеркал, виготовлених магнетронним розпиленням. Відносно тривала стадія формування суцільної плівки Мо при електронно-променевому випаровуванні призводить до різкого падіння якості короткоперіодних (6,5-10 нм) БРД у цьому випадку. Зі збільшенням періоду, а, отже, і товщини шарів Мо перевага БРД Мо/Si виготовлених магнетронним розпиленням зберігається за рахунок меншої міжшарової шорсткості.

У четвертому розділі “Титан-берилієві багатошарові дзеркала” розглянута можливість створення нейтронних і рентгенівських дзеркал на основі багатошарової композиції Ti/Be. Необхідність застосування Ве обумовлена тим, що цей матеріал в інтервалі довжин хвиль електромагнітного випромінювання 11,4-12,4 нм має найменше поглинання. У сполученні з Ti у якості елемента, що розсіює, БРД Ti/Be відповідно до розрахунків мають R>50% поблизу стрибка поглинання Ве-К, що нижче, чим у БРД майже в 1,5 рази. З іншого боку важливою якістю пари матеріалів Ti/Be є можливість застосування багатошарової композиції на її основі для керування потоком теплових і холодних нейтронів із довжинами хвиль 1-10 нм. Це пов'язано з великою різницею амплітуд атомного розсіювання нейтронів у Ti і Be завдяки від'ємному значенню амплітуди атомного розсіювання в Ti.

Проведені дослідження рентгено- і нейтронооптичних властивостей продемонстрували можливість створення методом електронно-променевого випаровування ефективних дзеркал Ti/Be із Н>10 нм для керування рентгенівським випромінюванням і нейтронами.

Коефіцієнт відбиття нейтронів досягає 70%, а відбивна здатність рентгенівського випромінювання з =11,4 нм 5-ти періодного дзеркала з Н=12,3 нм склала 16%, при теоретично розрахованій 16,8%. При Н<10 нм відбивна здатність дзеркал різко падає. Це пов'язано з тим, що шари Ti і Be товщиною в декілька нанометрів, вирощені електронно-променевим випаровуванням, не суцільні і характеризуються сильно розвиненим поверхневим рельєфом внаслідок острівцевого механізму росту. Застосування магнетронної технології, за якої формування шарів відбувається в умовах пересичення пари речовини з меншим об'ємом і товщиною критичних зародків, дозволило формувати БРД Ti/Be високої якості з Н6 нм. Фазова нерівноважність системи Ti/Be обумовила відносно невисоку термічну стійкість її оптичних властивостей. Якщо нагрівання до 450К дзеркал Ti/Be із Н=15 нм у вакуумі 10^-3 Па і витримка протягом 1 години призводить до зменшення коефіцієнта відбиття нейтронів на 3%, то відпал протягом 1 години при 600К супроводжується втратою вже 15% відбивної здатності, а витримка протягом 5 годин при температурі 700К завершується падінням коефіцієнта відбиття на 60%.

Сукупний аналіз зміни структури, фазового складу і відбивної здатності нейтронів показав, що основними механізмами руйнування титан-берилієвих багатошарових композицій при Т=600-700К є неоднорідне окислення шарів Ti і Ве до TiO, TiO₂ і ВеО, що супроводжується розвитком рельєфу поверхні поділу за рахунок об'ємних змін, а при Т>700К утворення інтерметаліду TiBe₁₂ у результаті міжшарової взаємодії.

П'ятий розділ “Багатошарові рентгенівські дзеркала зі слабкопоглинаючим шаром на основі бору” присвячений вивченню структури шарів, міжшарових меж поділу, оптичних властивостей і термічної стійкості БРД на основі бору для діапазону довжин хвиль:

Дослідження проводилися на прикладі БРД Мо/В₄С і Мо/(ВС). Відповідно до теоретичних розрахунків лінії досягає 60%.

Проведені дослідження показали, що метод магнетронного розпилення забезпечує можливість вирощування зазначених дзеркал із Н=3,5-12 нм. У дзеркал Мо/В₄С із Н89 нм досягає 33% на довжині хвилі =6,76 нм. Одним із резервів підвищення R є удосконалювання структури меж поділу. Поряд із міжшаровою шорсткістю методом електронної мікроскопії поперечних зрізів було виявлено в БРД:

Формування аморфних перемішаних зон у процесі вирощування дзеркал. Візуалізація цих зон стає можливою у випадку, коли шари Мо знаходяться в кристалічному стані з розміром зерна перпендикулярно шарам більш 1-1,5 нм. Перемішані зони в БРД Мо/(ВС), як і у випадку БРД Мо/Si із полікристалічними текстурованими шарами Мо, асиметричні. Товщина зони на межі більша. Сумарна товщина обох перемішаних зон дзеркал із Н=9,9 нм досягає 2,1-2,2 нм, що складає 60-65% товщини сильно поглинаючого шару. Найбільш природно припустити, що перемішані зони є результатом міжшарової взаємодії і за складом відповідають або близькі карбідам або боридам молібдену. Приймаючи до уваги більш низьку теплоту утворення карбідів Мо в порівнянні з боридами Мо, формування останніх у процесі виготовлення дзеркал здається менш імовірним.

Структурні і фазові перетворення, що відбуваються у фазово-нерівноважних молібден-борвуглецевих композиціях при нагріванні були вивчені на прикладі БРД (Табл.).

Нагрівання у вакуумі 10^-4Па до Т=750К і витримка протягом години призводять до розупорядкування полікристалічних у початковому стані шарів Мо. Про це свідчать дані електронної і рентгенівської дифракцій. Погіршення структурної досконалості молібденових шарів пов'язано з дифузією атомів С із шарів (В+С) у шари Мо з наступним утворенням карбідів. Кристалізація карбідів МоС, -МоС і Мо₂С відбувається при нагріванні до 900К, що підтверджується електронною і рентгенівською дифракцією. Подальше нагрівання багатошарової композиції до 1100К призводить до повторного порядкування шарів, що містять метал. Цей процес викликаний заміною вуглецю в шарах на основі Мо на бор з утворенням боридів молібдену МоВ₂ і Мо₂В₅, що кристалізуються при 1120-1150К і 1300К відповідно. Збільшення температури нагрівання до 1350-1400К супроводжується рекристалізацією зерен Мо₂В₅ і руйнуванням періодичності. Необхідно відзначити, що структурні і фазові перетворення, які відбуваються в БРД при нагріванні впритул до 1200К не призводять до істотних змін ступеня геометричної досконалості багатошарової композиції. Відсутня також значна зміна Н. Зменшення періоду після нагрівання до 1350К у порівнянні з початковим станом склало 3,3%. Причому основна частина цієї зміни припадає на температурні інтервали утворення карбідів і боридів Мо. У той же час істотно змінилося співвідношення товщин шарів у періоді. Частка шару, що містить молібден, збільшилася від 0,33 до 0,5.

Таблиця - Зміна фазового складу БРД Мо/(B+C) при нагріванні до температур 1400 К (РД-рентгенівська дифрактометрія, ЕД-електронна дифракція):

Температура нагріву, К	Фазовий склад	Метод дослідження	Перетворення і процеси, які відбуваються
Початковий стан	Полікристалічні шари Мо з (110) аксиальною текстурою	РД, ЕД	Збагачення вуглецем і карбідизація шарів молібдену
750	Неідентифікована аморфна або нанокристалічна фаза	ЕД, РД
800
850
900	МоС, -МоС	РД	Кристалізація карбідів молібдену
950	МоС, Мо2С	РД, ЕД
1000	МоС, Мо2С	РД
1050	Неідентифікована аморфна або	РД	Руйнування карбідів молібдену та утворення боридів молібдену
1100	нанокристалічна фаза	РД
1120	МоВ2	ЕД	Перетворення МоВ2 у Мо2В5
1150	МоВ2	РД
1200	МоВ2	РД
1250	МоВ2	РД, ЕД
1300	МоВ2, Мо2В5	РД
1350	Мо2В5	РД	Рекристалізація зерен Мо2В5

Фазові перетворення в БРД при нагріванні направлені на зниження рівня вільної енергії системи за рахунок посилення міжатомного зв'язку при утворенні хімічних сполук із найбільшою від'ємною теплотою утворення. Найбільшу від'ємну теплоту утворення в системі, що розглядається, має борид Мо₂В₅. Тому формування БРД на основі пари Мо₂В₅/В₄С виключає фазові перетворення в результаті міжшарового перерозподілу хімічних елементів.

Теоретичний розрахунок показує, що БРД для Мо₂В₅/В₄С нормального падіння на довжині хвилі =6,76 нм становить 39%, що в 1,5 разу менше, ніж у БРД Мо/В₄С. Проте при високих температурах перевага БРД Мо/В₄С не є обов'язковою.

Порівняльні дослідження зміни оптичних властивостей БРД Мо/В₄С і Мо₂В₅/В₄С на довжинах хвиль 0,154 нм і 6,76 нм показали, що при нагріванні до 1250К відбувається більш ніж дворазове зменшення R БРД Мо/В₄С. Причиною цього є зміна оптичних констант складових шарів у результаті перерозподілу бора і вуглецю між слабко поглинаючим і розсіювальним шаром. У результаті хімічної реакції утворення бориду молібдену Мо₂В₅ у багатошаровій композиції виникають напруги стиску, які при нагріванні до Т1300К призводять до руйнування дзеркала. У БРД Мо₂В₅/В₄С, що складається на відміну від БРД із фазово-рівноважних матеріалів, міжшарова взаємодія не спостерігається. Про це свідчить незмінність періоду дзеркала і співвідношення між інтенсивностями дифракційних порядків відбиття в Сu-K випромінюванні. Єдиною зміною, зафіксованою у БРД при нагріванні до 800К, стало 9-ти процентне зростання R. Як і у випадку фазово-рівноважної системи MoSi₂-Si підвищення температури активізує поверхневу дифузію уздовж міжшарових меж поділу, котра за відсутності міжшарового перемішування забезпечує зниження вільної енергії системи за рахунок зменшення площі меж поділу. БРД зберігає R на рівні 10-12% при нагріванні до Т=1400К. Підвищення температури Т1450К активізує процеси кристалізації і рекристалізації шарів Мo₂В₅, а також реакцію взаємодії плівкової композиції з кремнієвою підкладкою з утворенням MoSi₂, котрі у кінцевому рахунку руйнують дзеркало.

У шостому розділі “Багатошарові рентгенівські дзеркала з вуглецевим слабкопоглинаючим шаром” обговорюються результати дослідження особливостей формування, оптичних властивостей і механізмів термічного руйнування БРД на основі вуглецю. Відповідно до розрахунків перспективними для створення дзеркал у парі з вуглецем в діапазоні довжин хвиль 4,47 та 6,76 нм є Ni і Cr. Теоретичний коефіцієнт відбиття Ni/C або Cr/C на довжині хвилі =4,47 нм досягає 60%. Проблемою вирощування високо відбивних дзеркал зазначеного діапазону є забезпечення суцільності і гладкості металевих шарів, як випливає із рівняння Брегга, починаючи з товщин 1 нм. Проведені дослідження показали, що метод магнетронного розпилення забезпечує можливість вирощування суцільних нікелевих шарів товщиною 1,7-2 нм. Це дає можливість формувати високо відбивні БРД із мінімальним періодом 4-5 нм. Для більш короткоперіодних дзеркал не суцільність нікелевих шарів супроводжується швидким падінням відбивної здатності. На відміну від дзеркал Ni/C зменшення періоду БРД Cr/С не призводить до такого ж різкого падіння їхньої якості. Низька в порівнянні з Ni рухливість атомів Cr по поверхні вуглецю, якій сприяють блокування атомів Cr домішками залишкової атмосфери вакуумної камери як більш активного елемента і його більш висока температура плавлення, забезпечує утворення суцільної плівки Cr на більш ранніх стадіях росту. Коефіцієнт відбиття на =0,154 нм у Cr/C дзеркал із Н=2,3 нм, які працюють у геометрії нормального падіння на =4,47 нм, у 6-7 разів вищий, ніж в аналогічних Ni/C дзеркал.

Характерною рисою формування Ni/C і Cr/C дзеркал при використанні Хе в якості робочого газу є ревипаровування атомів металу з поверхні вуглецевих шарів на острівцевій стадії росту металевих плівок. Цей ефект виявляється в заниженні швидкості збільшення періоду дзеркал Ni/C і Cr/C на початкових стадіях формування Cr і Ni шарів у порівнянні з розрахунком і стадією, коли шари металів стають суцільними. Максимальне розходження між експериментально виміряними і розрахунковими значеннями періоду для БРД Ni/C склало 0,6 нм при температурі підкладки Т_п=330К і 2,5 нм при Т_п=470К. Для Cr/C дзеркал ці значення дорівнювали 0,16 нм і 0,7 нм відповідно. Мала енергія зв'язку між атомами вуглецю і металів (Ni і Cr) призводить до того, що частина атомів металу, які прибувають на вуглецеву підкладку хімічно не адсорбуючись і не беручи участі в утворенні стійких зародків, залишає підкладку. Створення додаткових центрів зародження за допомогою опромінення підкладки частинками в процесі росту дозволило зменшити ефект ревипаровування. Підтвердженням цього є результати з формування Ni/C дзеркал розпиленням у Ar. Маючи меншу масу в порівнянні з Ni, атоми аргону, відбиваються від Ni-мішені у кількості 10-30% і бомбардують поверхню вуглецевих шарів, тим самим збільшуючи число центрів зародження, що в результаті призвело до зникнення стадії заниженої швидкості росту періоду БРД Ni/C.

Підвищення Т_п до 620-670К призводить до зміни особливостей формування БРД Cr/C. У результаті міжшарової взаємодії формуються на кожній межі поділу аморфні перехідні зони товщиною 2,5 нм. Відсутність помітної асиметрії товщини перехідних зон свідчить про близькі умови для дифузії вуглецю в хром на обох межах поділу Cr-C і C-Cr. Важливо підкреслити, що міжшарова взаємодія відбувається неоднорідно з розвитком шорсткості меж поділу.

Нагрівання БРД, як Ni/C або Сr/С супроводжується суттєвим збільшенням їх періоду Н. Для БРД Ni/C зростання Н досягає 20% при нагріванні до 670 К, а для БРД Сr/С - майже 14% при 970 К. Збільшення Н відбувається внаслідок процесу графітизації вуглецевих шарів, котрий завдяки каталітичній дії перехідних металів зміщений в область низьких температур. Поряд зі зростанням Н на початкових стадіях відпалу БРД Ni/C і Сr/С спостерігається збільшення коефіцієнта відбиття R. Це обумовлено як зростанням Н, так і зменшенням міжшарової шорсткості в наслідок активації дифузії вздовж меж поділу, а також зменшенням густини вуглецевих шарів.

Термічне руйнування БРД, таких як Ni/C або Сr/С з періодами 5 нм починається при температурах 600К і 870К відповідно. Процес протікає у вузькому температурному інтервалі (Т=50К) і завершується повною втратою періодичності багатошарової композиції. Руйнування відбувається в результаті міжшарової агломерації металевих шарів, що ініціюється сукупною дією температури і неоднорідних механічних напруг. Джерелом таких напруг є процес графітизації аморфного вуглецю, котрий відбувається з великим збільшенням об'єму, неоднорідно за товщиною і площею шарів.

Ефективним способом підвищення температурної стійкості метал-вуглецевих дзеркал є зсув процесу агломерації в область більш високих температур за рахунок використання для вирощування дзеркал матеріалів із високою стійкістю до структурних змін при різних впливах. До числа таких відносяться бориди перехідних металів, завдяки наявності міцних зв'язків бор-бор поряд зі зв'язками метал-метал і метал-неметал, характерними для інших фаз проникнення. Перехід до CrB₂/C дозволив істотно зменшити руйнуючу дію процесів графітизації, які протікають при нагріванні, за рахунок зниження дифузійної рухливості атомів у шарах, що містять хром, і розширити температурний інтервал ефективного застосування вуглецевих дзеркал до температури 1170К, при якій відбивна здатність дзеркал із Н=5 нм становить 55% для =0,154 нм і 22% для =4,47 нм.

Іншою можливістю зниження впливу графітизації на руйнування вуглецевих дзеркал при нагріванні є блокування цього процесу за допомогою введення бора у вуглецевий шар, що було продемонстровано на прикладі багатошарової композиції:

У сьомому розділі “Структура й оптичні властивості короткоперіодних багатошарових рентгенівських дзеркал” проаналізовані й експериментально обґрунтовані можливості формування високо відбивних дзеркал для діапазону довжин хвиль 0,8 та 4,4 нм. Проведено порівняльний аналіз особливостей формування структури міжшарових меж і оптичних властивостей, котрі згідно з попередньо проведеними розрахунками є перспективними для застосування в довгохвильовій частині зазначеного діапазону. Показано, що найвища геометрична досконалість за результатами електронно-мікроскопічних досліджень поперечних зрізів і даними рентгендифрактометричних досліджень на довжині хвилі =0,154 нм мають БРД W/Sc і Cr/Sc. Для БРД W/TiN характерний високий рівень середньоквадратичної шорсткості . При цьому спостерігається зростання з 0.4 нм до 1,1 нм при збільшенні періоду з 1,6 до 9,5 нм. Відповідальною за розвиток шорсткості є анізотропія швидкості росту зерен різної орієнтації полікристалічних шарів TiN, що пов'язано з неоднорідністю взаємодії атомів Ti і N у процесі осадження. Відмітною рисою БРД W/Ti є різке зменшення R при переході до періодів < 2 нм, що пов'язано з інтердифузійним перемішуванням шарів Ti і W.

Порівняльне дослідження відбивної здатності БРД W/Sc і Cr/Sc при =3,16 нм показало, що при Н>3 нм перевагу мають БРД Cr/Sc. У короткоперіодних дзеркал Cr/Sc ця перевага відсутня через вищий рівень міжшарової шорсткості. Висока досконалість меж поділу БРД W/Sc з Н=1,6 нм була підтверджена результатами електронно-мікроскопічних досліджень їх поперечних зрізів і вимірюваннями R поблизу =3,14 нм у геометрії близькій до нормального падіння. Досягнутий коефіцієнт відбиття склав 3,3%, що було рекордом на момент виготовлення дзеркал (1994 р.).

Можливість створення ефективних БРД для <2,4 нм була розглянута на прикладі W/Si, WSi₂/Si і WC/Si дзеркал. Фазова нерівноважність системи W/Si, як і у випадку близької до неї за фізико-хімічними властивостями системи Mo/Si, призводить в процесі вирощування до утворення аморфних перемішаних зон на межах поділу.

Це проявляється в наявності стадії заниженої швидкості росту періоду Н від часу нанесення вольфраму для короткоперіодних багатошарових композицій у порівнянні з розрахунком і зі швидкістю росту Н для довгоперіодних зразків.

Поряд із цим у короткоперіодних композицій відзначається збільшення середньої густини матеріалу, що випливає із розрахунку дійсної частини середнього коефіцієнта заломлення за результатами вимірювання критичного кута повного зовнішнього відбиття на кривій рентгенівської дифракції. Оцінка товщини перемішаних зон у припущенні їхньої симетричності і відповідності складу WSi₂ показує, що при Н=3,5-4 нм вона досягає 0,9-0,95 нм для кожної межі поділу.

Нагрівання БРД W/Si із Н=3 нм супроводжується подальшим розвитком процесу міжшарової взаємодії, у результаті якого при Т=600К падіння R при =0,154 нм склало 50%, а зменшення Н - 7-8%.

Подальше збільшення Т на 100-200 градусів супроводжується повним руйнуванням періодичності з утворенням за даними електронної дифракції дисиліциду вольфраму WSi₂.

Ефективність запропонованого вище підходу до створення термічно стійких БРД за рахунок використання для їхнього створення матеріалів, що знаходяться у фазовій рівновазі у кристалічному стані, була підтверджена на прикладі дзеркал WSi₂/Si. Нагрівання БРД WSi₂/Si із Н=3 нм, за відсутності міжшарової взаємодії, призводить до активації дифузійних процесів уздовж міжшарових меж, що супроводжується зменшенням і, як наслідок, зростанням R на 10-20% для =0,154 нм при збільшенні Т до 700К. Руйнування БРД WSi₂/Si відбувається при Т>870К і пов'язано з міжшаровою рекристалізацією шарів WSi₂.

Поряд із використанням фазово-рівноважних систем підвищити термічну стійкість БРД можна, змістивши процеси міжшарової взаємодії у фазово-нерівноважних системах до інтервалу більш високих Т за рахунок підвищення енергії їхньої активації. Прикладом цьому є система WC/Si. Заміна W на WC дозволила не тільки істотно розширити температурний інтервал ефективного застосування БРД WC/Si у порівнянні з W/Si, але і створити більш термічно стійкі дзеркала, ніж БРД WSi₂/Si.

Руйнування БРД WC/Si із Н=3 нм відбувається при Т>970К у результаті міжшарової взаємодії WC і Si, котра розпочинається при Т>670К, відбувається зі зменшенням об'єму і завершується утворенням кристалічного дисиліциду вольфраму WSi₂.

Фазове перетворення WC у WSi₂ при підвищенні температури є наслідком прагнення системи до мінімуму вільної енергії. Під час формування WSi₂ із більш від'ємною теплотою утворення відбувається посилення міжатомної взаємодії і зменшення вільної енергії системи.

...