Структура и оптические свойства тонких пленок оксида алюминия (Al₂O₃) после контакта с парами воды и после отжига в вакууме

Пленки оксида алюминия используются как слои с низким коэффициентом преломления в многослойных диэлектрических зеркалах, которые предполагается использовать в конструкциях оптических систем диагностики плазмы ИТЭР. В таких зеркалах пленка с низким коэффициентом преломления является внешним слоем. Помимо нормальных режимов работы ИТЭР предполагается ряд аварийных режимов, одним из которых является разрушение системы водяного охлаждения первой стенки, дивертора или бланкета. В этом случае вакуумная камера наполняется водяным паром, параметры которого зависят от локализации разрушения и от стадии работы реактора, в которой происходит авария. Максимальные параметры пара задаются специальной системой, которая ограничивает давление величиной 150 кПа, а максимальная температура 250°С может быть в случае, когда авария случается во время вакуумной тренировки камеры. В работе рассмотрены процессы взаимодействия водяного пара с аморфными пленками оксида алюминия, осажденными на стекло марки К-9 методом реактивного магнетронного напыления. Показано, что экспозиция пленки толщиной 300 нм при температуре 250°С и давлении пара 150 кПа в течение 2 часов сопровождается интенсивным гидроксилированием пленки и трансформацией всей массы оксидной пленки в гидроксиды. Это приводит к сильной деградации светопропускания, что может быть причиной изменения оптических свойств диэлектрического зеркала. В качестве продолжения работы планируется испытание в паре зеркал, в которых пленки с низким коэффициентом преломления будут чередоваться с пленками оксидов с высоким коэффициентом преломления, таких как оксиды гафния, тантала и циркония.

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Международный_экспериментальный_термоядерный_реактор

2. R. Alba, R. Iglesias and M.A. Cerdeira, Materials to be used in future magnetic confinement fusion reactors: review, Materials, 2022, 15, 6591. doi: 10.3390/ma15196591

3. В.К. Арефьев, М.Я. Беленький, М.А. Блинов, М.А. Готовский, М.Е. Лебедев, Б.С. Фокин, С.А. Григорьев, А.Н. Маханьков, К.С. Сеник и В.Н. Танчук, Диагностика гидравлических характеристик элементов охлаждения дивертора термоядерного реактора ИТЭР методом наружного термографирования, ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2011, 4, 3–13.

4. A.V. Gorshkov, S.V. Akhtyrskiy, E.E. Mukhin, I.S. Belbas, A.G. Razdobarin and S.Yu. Tolstyakov, Laser Damage Investigations of Optical Elements for ITER Divertor Thomson Scattering System, Fusion Science and Technology, 2012, 62, no. 1, 104–109. doi: 10.13182/FST12-A14120

5. https://user.iter.org/?uid=N5KF8W

6. https://user.iter.org/?uid=72RWK6

7. https://user.iter.org/?uid=2EBGU5

8. Specifications of the steam and humidity test of the WAVE optical samples. ITER_D_RZC73S v1.6 – 04Feb2016/1.6/Approved.

9. N.B. Abaffy, P. Evans, G. Triani and D.I. McCulloch, Multilayer Alumina and Titania Optical Coatings Prepared by Atomic Layer Deposition, Nanostructured Thin Films, edited by G. B. Smith, A. Lakhtakia, Proc. of SPIE, 2008, 7041, 704109, 1–10. doi: 10.1117/12.794618

10. M. Sterrer, N. Nilins, Sh. Shaikhutdinov, M. Heyde, Th. Schmidt and H.–J. Freund, Interaction of water with oxide thin film model systems (Invited Review), Journ. of Material Research, 2019, 34, no. 3, 360–370. doi: 10.1557/jmr.2018.454

11. T. Mitsunaga, X-ray thin-film measurement techniques. II. Out-of-plane diffraction measurements, The Rigaku Journal, 2009, 25, no. 1, 7–12.

12. M. Milosevic, D. Sting and A. Rein, Diamond composite sensor for ATR spectroscopy, Spectroscopy, 1995, 10, 44–49.

13. J. Grdadolnik, ATR–FTIR Spectroscopy: its advantages and limitations, Acta Chim. Slov., 2002, 49, 631–642.

14. Y. Lan, Y. Zou, X. Ma, L. Xu, L. Shi and J. Zhang, Fabrication of amorphous Al2O3 optical film with various refractive index and low surface roughness, Mater. Res. Express, 2020, 7, 086405. doi: 10.1088/2053-1591/ab0af

15. JCPDS – International Centre for Diffraction Data, 50–0741, 1996.

16. M.K. Gunde, Vibrational modes in amorphous silicon dioxide, Physica B: Condensed Matter, 2000, 292, no. 3–4, 286–295. doi:10.1016/S0921-4526(00)00475-0

17. R.R. Toledo, V.R. Santoyo, D.M. Sánchez and M.M. Rosales, Effect of aluminum precursor on physicochemical properties of Al2O3 by hydrolysis/precipitation method, Nova Scientia, 2018, 10 (1), no. 20, 83–99. doi: 10.21640/ns.v10i20.1217

18. Г.Д. Чукин, Строение оксида алюминия и катализаторов гидрообессеривания. Механизмы реакций, Москва, ООО “Принта”, 2010, 288 с.

19. Y. Ji, X. Yang, Z. Ji, L. Zhu, N. Ma, D. Chen, X. Jia and J. Tang, DFT-calculated IR spectrum amide I, II, III band contributions of N-Methylacetomide fine components, ACS Omega, 2020, 5, no. 15, 8572–8578. doi: 10.1021/acsomega.9b04421

20. M.C. Jollands, M. Blanchard and E. Balan, Structure and theoretical infrared spectra of OH defect in quartz, Eur. J. Mineral., 2020, 32, 311–323. doi: 10.5194/ejm-32-311-2020

21. JCPDS – International Centre for Diffraction Data, 21–1307,1954.

22. Ch. Liu, K. Shih, Yu. Gao, F. Li and L. Wei, Dechlorinating transformation of propachlor through nucleophilic substitution by dithionite on the surface of alumina, J. Soils Sediments, 2012, 12, 724–733. doi: 10.1007/s11368-012-0506-0