Elastic properties of yttria doped alumina coatings measured by Brillouin spectroscopy

In this experimental study, samples of alumina were deposited onto silicon substrates using laser ablation technique and doped with varying amounts of yttria. The alumina coatings were found to be mostly amorphous but could crystallize at temperatures higher than 600 degrees. Crystallization makes the coatings stiffer and more brittle and is detrimental to their performance as protective coatings. Yttria doping aims at hindering crystallization. The main objective of the study was to examine the impact of different percentages of yttria on the elastic constants of the alumina coatings. To achieve this, a range of samples was explored using Brillouin spectroscopy, measuring the dispersion relations of surface acoustic waves. The surface morphology and thicknesses were observed by scanning electron microscopy (SEM). Additionally, XRD data were used to distinguish between amorphous and crystalline phases of the alumina thin film. The data obtained from Brillouin spectroscopy was then analyzed using MATLAB to determine the velocity of Rayleigh waves and surface phonons. Finally, the elastic constant of the coatings is calculated using the data of the Brillouin spectrometer and the outcome of ellipsometry, by which the mass density of the coatings was estimated.

In questo studio sperimentale, sono stati depositati campioni di allumina su substrati di silicio utilizzando la tecnica di ablazione laser e dopati con quantità variabili di ittria. Si è scoperto che i rivestimenti di allumina erano per lo più amorfi ma potevano cristallizzarsi a temperature superiori a 600 gradi. La cristallizzazione rende i rivestimenti più rigidi e fragili e danneggia le loro prestazioni come rivestimenti protettivi. Il doping con ittria mira a impedire la cristallizzazione. L'obiettivo principale dello studio era esaminare l'impatto di diverse percentuali di ittria sulle costanti elastiche dei rivestimenti di allumina. Per raggiungere questo obiettivo, è stata esplorata una gamma di campioni utilizzando la spettroscopia Brillouin, misurando le relazioni di dispersione delle onde acustiche superficiali. La morfologia della superficie e lo spessore sono stati osservati tramite microscopia elettronica a scansione (SEM). Inoltre, i dati XRD sono stati utilizzati per distinguere tra le fasi amorfe e cristalline del sottile film di allumina. I dati ottenuti dalla spettroscopia Brillouin sono stati quindi analizzati utilizzando MATLAB per determinare la velocità delle onde di Raleigh e dei fononi di superficie. Infine, la costante elastica dei rivestimenti è stata calcolata utilizzando i dati dello spettrometro Brillouin e l'esito dell'ellissometria, con cui è stata stimata la densità di massa dei rivestimenti.