扫描声学显微镜对固体材料表面非均性的研究

　　1　引言

　　在各种工艺条件下(例如在烧结过程中)所获得的固体材料总会存在一定的非均性,而材料表面的非均性程度是评价材料质量和工艺水平的有力依据,所以材料的非均匀程度及其形成机理乃是材料研究的一个重要内容。对材料表面微弱梯度非均性分布的观察同对气孔、划痕和小颗粒掺杂物的观察相比,要求具有足够细腻的观测手段。本文描述了一种简单的方法,利用形成反射式扫描声学显微镜输出信号中的表面弹性波来评价固体材料的表面质量。

　　2　实验设备和原理

　　所用实验仪器为俄罗斯科学院研制的反射式宽频带脉冲声学显微镜[1],其工作频率15～100MHz,用水作耦合介质。

　　反射式声学显微镜形成声学图象的输出信号主要由两部分组成:从样品表面反射回来的近轴声波,形成了很强的图象底色;入射声波在样品表面激起的声表面波(也叫瑞利波),瑞利波在沿样品表面传播的同时也向水中“漏”泄,这种漏波对样品表面的声学特性(也就是力学特性)变化最为敏感。为了研究材料表面力学特性的微梯度分布情况,设计了一种只对瑞利波辐射敏感的声学聚焦系统。

　　图1为这种声学聚焦系统的示意图。在普通的球形声学透镜中,加入可移动的内部和外部声阑。内部声阑用来遮拦从样品表面反射回来的近轴声波,使瑞利波在形成声学图象中的作用得到加强。外部声阑用来改变声学透镜的孔径张角θm。

　　材料表面力学特性的变化体现为瑞利波速度局域值的变化。瑞利角θR是否落在声学透镜的孔径张角θm以内,对声学显微镜输出信号的形成将产生完全不同的影响。如果θR>θm,那么声表面弹性波的漏波不会出现,输出信号将由镜面反射声波形成。当样品表面位于声学透镜的焦平面之上时,输出信号最大;当声学透镜聚焦于样品内部时,输出信号将减弱。如果瑞利角落在声学透镜的孔径张角以内即θR<θm,那么漏泄的声表面波将带走入射声波中很大的一部分能量。当样品表面位于声学透镜焦平面之上时,入射声波中仅有少部分能量的波束发生镜面反射,形成输出信号;当声学透镜聚焦于样品内部时,声表面波将沿瑞利角方向向水中辐射,带有大部分能量的漏波被声学透镜所接收,声学显微镜的输出信号将得到加强。

　　为了观察瑞利波速度沿样品表面的微梯度分布情况,借助于图1所示的声学透镜可移动外部声阑选择孔径张角值,使其接近沿样品表面平均的瑞利波速度值所确定的瑞利角值。透镜的外部声阑起到了声学刀的作用,将样品表面上声表面波速度小于CR=C/sinθm的那些区域予以消除。实验在两种情况下进行,样品表面位于声学透镜焦平面之上和焦平面移入样品内部。在这两种情况下,应该得到两幅具有相反对比度的声学图象。