Влияние магнитного фазового перехода на распыление и состав поверхности никеля и его сплавов

На правах рукописиКОНОВ ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА НА РАСПЫЛЕНИЕИ СОСТАВ ПОВЕРХНОСТИ НИКЕЛЯ И ЕГО СПЛАВОВСпециальность 01.04.04. – физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20081Работа выполнена на кафедре физической электроники физическогофакультетаМосковскогоГосударственногоУниверситетаимени М.В.ЛомоносоваНаучные руководители:кандидат физико-математических наукШелякин Лев Борисовичдоктор физико-математических наукЮрасова Вера ЕвгеньевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорМартыненко Юрий Владимировичдоктор физико-математических наукБачурин Владимир ИвановичВедущая организация: Московский авиационныйинститут (государственный технический университет)Защита состоится ________________2008г., в 16 00 часов, на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 в МГУ по адресу: 119991, ГСП-1,Москва, Ленинские горы, физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им.

М.В.Ломоносова.Автореферат разослан ___________________ 2008 года.Ученый секретарь диссертационного советадоктор физико-математических наукЕршов А.П.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыВ последнее время возрос интерес к исследованию эмиссиивторичных частиц (атомов, ионов, электронов и фотонов) при ионномоблучении твердого тела вблизи температур фазовых переходов второгорода.Этотинтересфундаментальныхобусловленвопросовкакнеобходимостьювзаимодействияионовсрешенияповерхностьютвердого тела, так и быстрым ростом практического использованияпроцесса распыления для модификации и анализа твердых тел.В первых работах этого нового направления исследования былопоказано, что распыление никеля скачкообразно увеличивается припереходе мишени из ферромагнитного в парамагнитное состояние; крометого, было обнаружено резкое возрастание (в 2 раза) коэффициентараспыления вблизи температуры Кюри.Изменениераспылениявблизимагнитногофазовогопереходауказывает на интересный эффект: влияние ориентации спинов навторичную эмиссию атомных частиц (так называемый, «квантовый эффектв распылении»).

Теоретический анализ и численное моделированиепоказали, что этот эффект может быть частично объяснен изменениемпотенциала взаимодействия атомов, движущихся в кристалле. Такоеизменение связано с тем, что ориентация спинов влияет на распространениекаскадов столкновений, на энергию связи атомов мишени и, следовательно,на процесс распыления.Несмотря на то, что к настоящему времени выполнен целый ряд работпоисследованиюферромагнитныхраспыленияматериалов,ивторичнойостаетсяещеионноймногоэмиссиинеизученныхзависимостей. В частности, не ясно, как влияет угол падения ионов наизменение распыления поликристалла и монокристалла ферромагнетикапримагнитномфазовомпереходе.Крометого,отсутствуют3экспериментальные работы, направленные на изучение характеристикионного распыления и состава поверхности ферромагнитных сплавов вшироком диапазоне температур, включающем как точку Кюри самогосплава, так и точки Кюри составляющих его компонент.

Между тем, такиеработы важны не только для понимания механизмов вторичной эмиссиинейтральных и заряженных частиц из ферромагнетиков, но и дляпрактическогоспециальныхиспользования.магнитныхСюдаотносится,конструкционныхнапример,материаловипоискусловийоблучения для уменьшения их разрушения в плазменных установках.Разработка количественных методов ионно-лучевой диагностики такжетребует подробной информации об особенностях вторичной ионнойэмиссии частиц в широком диапазоне температур, включающем точкифазовых переходов.В связи со сказанным, представляло интерес провести исследованиетемпературной зависимости ионного распыления для ферромагнитныхсплавов.

Были выбраны следующие железоникелевые сплавы с близкимэлементным составом и разной точкой Кюри: инвар Н35 (35%Ni,65%Fe,Тс=275°С), пермаллой Н40 (40% Ni,60%Fe, Тс=325°С) и супермаллой НМ79(79%Ni, 16%Fe, 5%Mo, Тс=345°С). Эти ферромагнитные сплавы отличаютсяуникальными свойствами и широко используются в промышленности,военной и космической технике. Инвар Н35 обладает исключительнонизким коэффициентом теплового расширения, пермаллой Н40 имеетмалую коэрцитивную силу и низкие потери на гистерезис, а супермаллой(или молибденовый пермаллой) НМ79 характеризуется максимальноймагнитной проницаемостью и большим электросопротивлением.Цель работыЦельютемпературнойнастоящейработызависимостиявлялосьраспыленияизученияникеляиособенностейферромагнитных4железоникелевых сплавов с разной точкой Кюри.

Ставились следующиеконкретные задачи,1.Экспериментальноеисследованиеугловойзависимостикоэффициентов ионного распыления поликристаллического никеля вферромагнитном и парамагнитном состояниях.2.Компьютерное моделирование методом молекулярной динамикиугловой зависимости коэффициента распыления поликристалла и грани(001)монокристалланикелявферромагнитномипарамагнитномсостояниях.3.Экспериментальноеизучениекоэффициентараспыленияферромагнитных сплавов – инвара Н35 (35%Ni65%Fe), пермаллоя Н40(40%Ni60%Fe) и молибденового пермаллоя НМ79 (79%Ni16%Fe5%Mo) вшироком диапазоне температур, включающем как точку Кюри самихсплавов, так и точки Кюри компоненты.4.Исследование изменения состава поверхности железоникелевыхсплавов при магнитном фазовом переходе.Научная и практическая ценностьПроведеноэкспериментальноеисследованиеичисленноемоделирование процесса ионного распыления поликристалла никеля притемпературах, соответствующих ферромагнитному (f) и парамагнитному (p)состояниямабсолютныемишени.ВзначениярезультатеэкспериментовкоэффициентовбылираспыленияYfполученыиYpполикристаллического никеля при бомбардировке мишени ускореннымиионами под углами от 00 до 650 от нормали к поверхности.Экспериментальноипутемрасчетаустановлено,чтодляполикристаллического никеля разница ΔY коэффициентов распыления вферромагнитном и парамагнитном состояниях резко возрастает с ростомугла падения ионов на мишень.

Численное моделирование распыленияпоказало, что для монокристалла никеля возрастание ΔY наблюдается также5и при падении ионов вблизи открытых каналов кристаллической решетки.Таким образом, увеличение разницы между коэффициентами распыленияникеля в ферромагнитном и парамагнитном состоянии наблюдается принаклонном падении ионов и при падении ионов вблизи открытых каналовкристаллической решетки. Это может быть объяснено тем, что в такихслучаях атомы распыляются в результате более длинных цепочексоударений, и эффект изменения потенциала взаимодействия атомов припереходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние накапливается(кумулятивный эффект в распылении).Исследованы температурная зависимость коэффициента распыленияY(T) и состав поверхности для монокристаллов железоникелевых сплавов сразной точкой Кюри: инвара Н35 (35%Ni65%Fe) с Тс = 275°C, пермаллояН40 (40%Ni60%Fe) с Тс=325°C и пермаллоя НМ79 (79% Ni 16% Fe 5% Mo)с Тс = 345°C.

Показано, что при переходе этих сплавов из ферро- впарамагнитное состояние их распыление увеличивается.Обнаружен немонотонный характер температурной зависимостираспыления исследованных сплавов: имеются ярко выраженные максимумывблизи точек Кюри сплавов и никеля. Для зависимости Y(T) сплава Н40наблюдается тенденция к образованию третьего максимума- приприближении к температуре Кюри железа.Установлено, что концентрация примесей – кислорода и углерода наповерхности сплавов Н35 и НМ79 уменьшается вблизи их точек Кюри засчет увеличения интенсивности десорбции О и диффузии С в этой областитемператур.Обнаруженныеособенноститемпературныхзависимостейраспыления ферромагнитных сплавов и изменения состава примесей на ихповерхности при ионном облучении важны для практического применения.Полученные результаты необходимо учитывать для развития методованализа поверхности ионными пучками, а также при практическомиспользовании железоникелевых сплавов в условиях ионного облучения.6Основные положения, выносимые на защиту- Показано, что при переходе всех исследованных Fe-Ni сплавов изферро- в парамагнитное состояние их распыление увеличивается.- Получено двукратное возрастание разницы ΔY коэффициентовраспыления поликристалла никеля в ферромагнитном и парамагнитномсостояниях при переходе от нормального падения ионов к наклонному (650от нормали).

Это объясняется тем, что при наклонном падении ионов атомыраспыляются в результате более длинных цепочек соударений, и эффектизменения потенциала взаимодействия при магнитном фазовом переходенакапливается (кумулятивный эффект в распылении).- Методом МД моделирования установлено возрастание разницы ΔYкоэффициентов распыления монокристалла никеля в ферромагнитном ипарамагнитном состояниях при ионной бомбардировке в направлениях,близких к направлениям открытых каналов кристаллической решетки.-Экспериментальнополученанемонотоннаятемпературнаязависимость коэффициентов распыления Y(T) и состава поверхности длямонокристаллов железоникелевых сплавов с разной точкой Кюри: инвараН35 (35%Ni65%Fe) с Тс = 275°C, пермаллоя Н40 (40%Ni60%Fe) с Тс=325°Cи пермаллоя НМ79 (79% Ni 16% Fe 5% Mo) с Тс = 345°C.- Обнаружено, что температурная зависимость распыления Y(T) грани(111) монокристаллов инвара и пермаллоя, имеет максимумы вблизи точекКюри сплавов и никеля.

В области высоких температур наблюдаетсятенденция к образованию третьего максимума - при приближении к точкеКюри железа (Тс = 840°C).- Наличие максимумов распыления при температурах Кюри компонентFe-Ni сплавов объяснено наличием областей статистических флюктуацийнамагниченности, центрами которых являются атомы никеля или железа,окруженные только атомами того же сорта. Поэтому на поверхности сплававозможно образование островков из атомов компонент сплава и, вследствиеэтого, возникновение максимумов распыления вблизи их точек Кюри.7- Установлено, что концентрация примесей – кислорода и углеродана поверхности инвара Н35 и пермаллоя НМ79 уменьшается вблизи ихточек Кюри за счет увеличения интенсивности десорбции О и диффузии С вэтой области температур.Апробация работы.По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе введущих рецензируемых научных журналах и изданиях – 4.

Результаты,вошедшие в диссертацию, были представлены на 6-и конференциях:•8-th Joint Vacuum Conference, Pula, Croatia, 4-9 June 2000.•Международный симпозиум по диагностике поверхности ионнымипучками, Запорожье, Украина, октябрь 2000.•XVМеждународнаяконференция«Взаимодействиеионовсповерхностью» ВИП-2001, Москва, 27-31 августа 2001.•3-ая Республиканская конференция по физической электронике,Ташкент, Узбекистан, 2002.•XVIМеждународнаяконференция«Взаимодействиеионовсповерхностью» ВИП-2003, Звенигород, 25-29 августа 2003.•20th International conference on atomic collisions with solids (ICACS-20),Italy, Genova, 3-6 July, 2004.Структура и объём работы.Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов и спискалитературы.