Měření elastických vlastností materiálů pomocí povrchových akustických vln

Bc. Radim KUDĚLKA

Master's thesis

Measurement of elastic properties of materials via surface acoustic waves

Abstract:

Elastické vlastnosti objemových materiálů a tenkých vrstev je možné nedestruktivně vyšetřovat pomocí měření rychlosti šíření akustických vln. Tyto vlny lze v materiálu generovat prostřednictvím absorpce krátkého laserového pulzu, což vede k excitaci širokého frekvenčního spektra povrchových akustických vln (SAW). Jejich energie je lokalizována převážně na povrchu, amplituda vln klesá exponenciálně s hloubkou. Díky tomu jsou velmi citlivé na jakékoliv povrchové defekty, stejně tak i na povrchové vrstvy. Kvůli defektům a tenkým vrstvám dochází k disperzi (závislosti fázové rychlosti SAW na frekvenci), z disperzní závislosti jsou následně dopočítány vlastnosti substrátu i tenké vrstvy. V rámci této diplomové práce byly zkoumány různé druhy objemových materiálů a tenkých vrstev v intervalu tloušťky od jednotek po stovky nm. Důraz byl kladen zejména na monokrystalický křemík. Naměřené hodnoty Youngova modulu pružnosti jsou úspěšně srovnány s hodnotami z nanoindentační zkoušky a jsou v rámci intervalu hodnot z literatury, hodnoty tloušťky tenkých vrstev jsou srovnány s optickou referenční metodou.

Abstract:

Elastic properties of bulk materials and thin films can be non-destructively characterized via acoustic waves. Such waves can be generated in the material by an absorption of a short laser pulse which leads to the excitation of a wide frequency spectrum of surface acoustic waves (SAW). The energy of the SAW is mostly localized on the surface, wave amplitude decays exponentially with the distance from the surface which makes them very sensitive to any layers or thin films on the top of the substrate. Such films or layers cause dispersion (the dependence of the phase velocity of SAW on the frequency) from which the parameters of both substrate and thin film can be calculated. Various bulk materials and thin films have been examined, with thickness ranging from hundreds to units of nm. Emphasis was placed on monocrystalline silicon. Measured values of Youngs modulus have been successfully compared with values obtained from nanoindentation and from literature, measured film thickness is compared with an optical method.

Keywords

povrchové akustické vlny, elastické vlastnosti, tenké vrstvy, anizotropie křemíku, nanoindentace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 8. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Radim Čtvrtlík, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Nanotechnology