Einsatz photothermischer Strahlablenkung zur Charakterisierung dünner optischer Schichten und Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit von Gradientenwerkstoffen

Photothermische Strahlablenkung ist eine empfindliche Methode zur Bestimmung der Absorption und des Temperaturleitwertes. Ein Heizlaser führt hierzu der Probe lokal zeitlich moduliert Energie zu. Eine Temperaturverteilung in der Probe und der umgebenden Luft sowie eine thermoelastische Deformation der Probenoberfläche entsteht. Der Strahl eines Messlasers wird durch Mirage-Effekt und Reflexion an der Oberflächenbeule abgelenkt. Eine theoretische Beschreibung dieser physikalischen Vorgänge wird gegeben. Ein Aufbau zur photothermischen Strahlablenkung wurde realisiert. Dieser wird durch ein Messprogramm mit intuitiv bedienbarer graphischer Benutzeroberfläche gesteuert, so dass Routinemessungen möglich sind. Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu illustrieren werden zwei Anwendungen vorgestellt: 1) Die Empfindlichkeit des Aufbaus erlaubt es, die sehr geringe Absorption (wenige parts per million) dünner optischer Schichten in Transmission zu bestimmen. Dadurch werden auch Aussagen über deren Stabilität und Homogenität möglich. An der Erprobung eines neuen Verfahrens zur Ladungsneutralisierung beim Ionenstrahlsputtern durch bipolare Extraktion wird dies gezeigt. Ergänzend werden die hergestellten Schichten mit Sekundär-Ionen-Massen-Spektrometrie auf ihre Verunreinigungen untersucht. 2) Mit dem gleichen photothermischen Aufbau kann der Temperaturleitwert von Gradientenwerkstoffen (nichtporöse Verbundwerkstoffe mit Korngrößen unter 10 µm) in Reflexion mit hoher Ortsauflösung (60 µm) zerstörungsfrei bestimmt werden. Das Reflektionsvermögen der Proben und die Modulationsfrequenz beeinflussen die Messung. Wird dies berücksichtigt, so stimmen die ermittelten Temperaturleitwerte mit der etablierten Laser-Flash-Methode überein. Im Gegensatz zur Laser-Flash-Methode sind topographische Messungen auch an sehr kleinen Proben durchführbar.