Распыление твердых тел ионами инертных и химически активных газов при фазовых превращениях, страница 7

При Т≥300°С в приповерхностном слое наблюдаются концентрации, соответствующие фазам α′(Ni3Al ) и β′ ( NiAl ), как для пленок толщиной 80 нм, так и для пленок с толщиной 200 нм.29Рис.12. Фазовый состав интерметаллический соединений, сформированный вблизиграницы пленка-подложка ионной бомбардировкой при различных температурахоблучения. ( Ο - толщина пленки 80 нм; - толщина пленки 200 нм ).Облучение пленок при температурах 360 и 370°С приводит к формированиюпрактически однородных слоев, состав которых отвечает фазам Ni2Al3 и NiAl3,соответственно.Следует отметить, что проективный пробег ионов Ar+ с энергией 80 кэВ в никелесоставляет около 50 нм и с учетом распыления ионы будут достигать границы пленка –подложка при дозах близких к 1017 ион/см2 для пленок толщиной 80 нм.

Характертемпературной зависимости количества Al, оказавшегося в слое Ni, для таких образцовпредполагает участие механизма радиационно–стимулированной диффузии (РСД) вионном перемешивании. Определенные значения критической температуры для РСД иэнергия активации по результатам составляют ∼230°С и 0.6 эВ, что неплохо согласуется слитературными данными ранее выполненных работ. Таким образом, в работе показанавозможность получения интерметаллических слоев с заданным составомподборомпараметров ионной бомбардировки, толщины пленки и температуры образца.Кроме того, разработана методика изготовления упрочняющих покрытий на основебинарных и тройных соединений нитридов металлов (Ti, Cr) с применением ионногоассистирования.

Получены и исследованы покрытия из TiN, CrN, Cr2N, (Ti1-xCrx)N.Проведен анализ химического и фазового состава пленок, их структуры и микротвердости30от условий ионной бомбардировки и осаждения. Установлено, что большинствополученных пленок имеет, в основном, кубическую решетку с преимущественнымвыходом грани (111) на поверхность. Показано, что при повышенной плотности токаассистирующего пучка ионов азота возможно изготовление плотных покрытий CrNстехиометрического состава с микротвердостью, достигающей 30 ГПа.

Максимальнаямикротвердость трехкомпонентного покрытия, составляющая более 30 ГПа, наблюдаласьдля пленок с х=0.7, которые представляют собой твердый раствор на основе (TiCr2)N.В Заключении приведены основные выводы работы.1. Созданы две экспериментальные установки для исследования- процессов распыления твердых тел ионами инертных и химически активныхгазов низких энергий методом масс-спектрометрии вторичных ионов, нейтральныхраспыленныхчастицидесорбированныхсповерхностиобразцаприионнойбомбардировке;- процессов распыления и ионного перемешивания с анализом in situ образцовметодом Резерфордовского обратного рассеяния.2.

Установлено увеличение примерно в 1,5 раза коэффициента распылениямонокристаллакобальтаприГПУ→ГЦКперестройкекристаллическойрешетки.Изменение распыления Со при полиморфном превращении объяснено уменьшениемпрозрачности кристалла в ГЦК фазе, что подтверждается хорошим совпадениемэкспериментально полученных результатов с оценками, выполненными в рамкахимеющейся теории распыления.3.

Обнаружено возрастание коэффициента распыления гадолиния при переходегадолиния из ферро- в парамагнитное состояние. Величина изменения составляет ∼15% ислабо зависит от типа первичных ионов инертных газов. В окрестности точки Кюритемпературная зависимость коэффициента распыления имеет острый максимум, которыйпочти в два раза превышает коэффициент распыления в парамагнитном состоянии.4. Предложено объяснение изменения коэффициента распыления при магнитномпревращении, связанное с увеличением потенциала взаимодействия и, как следствие,энергии связи атомов на поверхности в ферромагнитном состоянии. Приведеныколичественные оценки возможного изменения энергии связи, основанные на расчетеизменения межатомного потенциала взаимодействия при переходе Gd из ферро- впарамагнитноесостояние,которыеэкспериментальными результатами.хорошосогласуютсясполученными315.

Обнаружено, что при облучении образцов ионами инертных газов выходвторичных ионов уменьшается на ∼40%при полиморфном α→β превращении вполикристаллическом кобальте и переходе моно- и поликристаллического никеля изферро- в парамагнитное состоянии. В то же время, такое превращение в FeCoNi сплавесопровождается увеличением ВИЭ на ∼50% . Знаки изменения эмиссии вторичных ионовпротивоположны изменению коэффициентов распыления этих образцов в областифазовых переходов.6. Анализ полученных и имеющихся экспериментальных данных и существующихмоделей образования ВИЭ дает основание заключить, что существенную роль вповедении температурной зависимости ВИЭ в области фазовых переходов играютизменения энергии связи атомов на поверхности Eb при таких превращениях.

Оценки,выполненные в рамках моделей, включающих эту величину в явном виде, хорошосогласуются с полученными результатами по изменению ВИЭ при магнитном фазовомпереходе.7. Установлено, что облучение поверхности никеля ионами химически активныхгазов кислорода и азота существенным образом изменяет характер поведениятемпературной зависимости ВИЭ I+(T) в области магнитного фазового превращения.

Вэтом случае исчезают особенности выхода вторичных ионов в окрестности точки Кюри.Полученные результаты позволяют, во-первых, рассматривать вторичную ионнуюэмиссию в качестве метода исследования магнитного состояния поверхности образцовпри их облучении ионами инертных газов. Во-вторых, дают возможность использоватьбомбардировку магнетиков ионами химически активных газов для изменения магнитнычсвойств приповерхностного слоя (толщина которого определяется энергией и угломпадения ионов).8. Показано, что в распылении диоксида кремния ионами аргона и азота, наряду скаскадным механизмом, принимает участие химический механизм распыления, которыйзаключается в образовании и десорбции газовых молекул SiO и NO.

Это приводит к тому,что скорость распыления SiO2 ионами Ar+ практически такая же, как скорость распыленияSi, а ионами N2+ почти в два раза выше. При этом энергия связи атомов на поверхностиSi почти в два раза выше по сравнению с SiO2.9. Исследования состава приповерхностного слоя, выполненные различнымиметодами анализа поверхности, показали, что бомбардировка кремния ионами азотаприводит к формированию в вблизи поверхности слоя сплошного нитрида кремния приуглах падения θ<35º.

При больших углах падения приповерхностный слой представляетсобой смесь аморфного Si и Si3N4.3210. Обнаружено существенное различие в поведении угловой зависимостикоэффициентов распыления кремния ионами аргона и азота. Показано, что это различиеобусловлено изменением энергии связи атомов на поверхности при увеличении θ в случаебомбардировки поверхности пучком ионов N2+, что и приводит к значительно болеебыстрому росту коэффициента распыления Si ионами N2+, чем ионами Ar+.11. Предложена модель эрозии поверхности, которая объясняет образованиеволнообразного рельефа при наличии на ней топографических неоднородностейсубмикронного масштаба. В основе модели лежит учет зависимости коэффициентараспыления не только от локального угла падения ионов, но и от продольной координатына поверхности в плоскости падения пучка.

Результат моделирования подтвержденэкспериментально при изучении процесса зарождения волнообразного рельефа наисходной поверхности, имеющей топографические неоднородности.12. Показано, что облучение поверхности ионами инертных и химически активныхгазов позволяет получать защитные покрытия с заданными составом и свойствами.Бомбардировка пленок металлов ионами инертных газов при повышенных температурахдает возможность получения интерметаллических покрытий, состоящих из материаловпленки и подложки. При этом состав покрытия определяется толщиной пленки, дозойоблучения и температурой, а его толщина может значительно превосходить проективныйпробег ионов.Бомбардировка напыляемых металлических пленок ионами азота низкой энергиидает возможность получать нитридные тройные и двойные покрытия на основе титана ихрома с высокими значениями микротвердости и коррозионной износостойкостью.Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:1.

Бачурин В.И., Журавский В.Е., Харламочкин Е.С., Юрасова В.Е. Распыление гадолинияв ферромагнитном и парамагнитном состоянии. – Письма в ЖТФ, 1981, т.7, с. 730-733.2. Bachurin V.I., Kharlamochkin E.S., Kuvakin M.V., Yurasova V.E. Temperature dependenceof the sputtering of gadolinium in magnetic phase transition.

– In: Phenomena in ionized gases:Contr. Papers XVI ICPIG, Minsk, 1981, v.1, p. 465-466.3. Кувакин М.В., Харламочкин Е.С., Бачурин В.И. Изменение межатомного потенциалавзаимодействия в гадолинии при магнитном фазовом переходе. – Поверхность, 1982, т.1,с.

89-92.4. Бандурин Ю.А., Бачурин В.И., Дробнич В.Г., Поп С.С., Черныш В.С., Юрасова В.Е.Ионно-фотонная эмиссия кобальта при полиморфном превращении. - Письма в ЖТФ,1982, т.8, вып.12, с. 760-763.335. Bandurin Y.A., Bachurin V.I., Drobnich V.G., Pop S.S., Chernysh V.S., Yurasova V.E. Ionphoton emission of Co during polimorthic transition. - Proceeding of X Vacuum Congress,Madrid, 1983, p. 73 -74.6. Бачурин В.И., Черныш В.С., Ширков А.В., Шмелев А.Ю. Температурная зависимостьвторичной ионной эмиссии никеля, кобальта, инвара. – Поверхность, 1982, т.1, с. 70-75.7.

Бачурин В.И., Левин В.Л., Мордвинцев В.М., Симакин С.Г., Смирнов В.К.Исследование слоистых магнитных пленок методом ВИМС и ЭОС. - Тез. докл. Всесоюзн.семинара “Диагностика поверхности ионными пучками”, Одесса, 1990, с.153-154.8. Бачурин В.И, Гаврилов Э.Л., Никитин А.М. Установка для исследования распыленныхчастиц методом масс-спектрометрии. - Матер. 11 Межд. конф. ВИП, Москва, 1993, т.1,с.153-155.9. Бачурин В.И., Никитин А.М., Самойлов В.Н., Татур А.Э., Ястржембский В.И.,Исследованиеповерхностногомеханизмапреимущественногораспылениядвухкомпонентных мишеней. - Матер. 11 Межд.

конф. ВИП, Москва, 1993, т.1, с.134-136.10. Бачурин В.И., Никитин А.М., Самойлов В.Н., Татур А.Э., Ястржембский В.И.,Исследованиеповерхностногомеханизмапреимущественногораспылениядвухкомпонентных мишеней. - Известия РАН, сер. физ., 1994, т.58, с.102-104.11. Бачурин В.И., Кривелевич С.А., Фаррел Дж., Юрасова В.Е.