Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 539.121.8.04

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

МАСОПЕРЕНЕСЕННЯ В МЕТАЛІЧНИХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВІ Fe, Cu І Al ПРИ ІМПУЛЬСНОМУ ТА ІНТЕНСИВНОМУ ОПРОМІНЕННІ ІОНАМИ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Шабля Василь Трохимович

Суми - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Сумського державного університету Міністерства освіти та науки України і в Сумському інституті модифікації поверхні.

Науковий керівник-

доктор фізико-математичних наук, професор

Погребняк Олександр Дмитрович,

директор Сумського інституту модифікації поверхні.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Багмут Олександр Григорович, завідувач кафедри теоретичної та експериментальної фізики Харківського національного технічного університету “ХПІ”;

доктор технічних наук Береснєв Вячеслав Мартинович, провідний науковий співробітник науковогофізико-технологічного центру МОН і НАН України.

Захист відбудеться „28 ” листопада 2008 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 55.051.02 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, корпус ЕТ, ауд. 216.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розісланий „_1__” жовтня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.С. Опанасюк

АНОТАЦІЯ

Шабля В.Т. Масоперенесення в металічних системах на основі Fe, Cu і Al при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Сумський державний університет.- Суми, 2008.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів масоперенесення та дифузії в системах Ta/Cu/Al, Fe/Pb/Fe, Pb/Fe при спільному осадженні іонів та імплантації, а також при впливі потужних іонних пучків. Проведені структурно-фазові дослідження за допомогою ПЕМ з дифракцією в системах Fe/Pb і Fe/Pb/Fe.

Досліджені процеси сегрегації іонів Al у процесі високоінтенсивної імплантації в б-Fe за допомогою мікропучка протонів. Результатом пружних взаємодій вакансій і вакансійних дефектів поблизу дислокацій є утворення гелікоїда з нерівномірним радіусом (через нерівномірний розподіл домішки за глибиною і по поверхні). На основі розрахунків була визначена енергія активації Н_m, яка збігається з енергією міграції вакансій в ОЦК - Fe (1,32 еВ), що підтверджує вакансійний механізм зростання петель, що збирають атоми домішки.

Виявлено утворення алмазоподібного та аморфного вуглецю на поверхні монокристалів Fe-Cr-Ni-Mn (111) і (100) при імплантації іонів W.

Ключові слова: структурно-фазові перетворення, дифузія, масоперенесення, високодозна імплантація, осадження, вплив потужного іонного пучка.

АННОТАЦИЯ

Шабля В.Т. Массоперенос в металлических системах на основе Fe, Cu и Al при импульсном и интенсивном облучении ионами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Сумской государственный университет.-Сумы, 2008.

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов массопереноса и диффузии в системах Ta/Cu/Al, Fe/Pb/Fe, Pb/Fe при совместном осаждении ионов и имплантации, а также при воздействии мощных ионных пучков (МИП). Проведены структурно-фазовые исследования с помощью ПЭМ с дифракцией в системах Fe/Pb и Fe/Pb/Fe. Расчеты показали, что основной вклад в процесс массопереноса дают баро- и термодиффузия при МИП обработке.

Исследованы процессы сегрегации ионов Al в процессе высокоинтенсивной имплантации в б-Fe с помощью микропучка протонов. С помощью пучка медленных позитронов определены профили вакансионных дефектов после имплантации ионов Al в б-Fe. Результатом упругих взаимодействий вакансий и вакансионных дефектов вблизи дислокаций является образование геликоида с неравномерным радиусом (из-за неравномерного распределения примеси по глубине и по поверхности). На основании расчетов была определена энергия активации Н_m, которая совпадает с энергией миграции вакансий в ОЦК - Fe (1,32 эВ), что подтверждает вакансионный механизм роста петель, собирающих атомы примеси.

Обнаружено образование алмазоподобного и аморфного углерода на поверхности монокристаллов Fe-Cr-Ni-Mn (111) и (100) при имплантации ионов W.

В рамках поставленной цели исследования были решены следующие задачи:

- установлены закономерности процессов перемешивания при одновременном осаждении ионов (пленки) и последовательной имплантации;

- проанализировано поведение энергетических спектров вторичных ионов (ЭРВИ);

- оценены дозы имплантации ионов Al в б - железе, при которых происходит сегрегация примеси, определены размеры областей локализации примеси с помощью микропучка протонов;

- исследованы процессы образования островков алмазоподобного и аморфного углерода при имплантации ионов W в нержавеющую сталь;

- выявлены зоны остаточных напряжений в Рb (сжимающих и растягивающих) с помощью методов ядер отдачи, аннигиляции позитронов и измерения микротвердости.

Показано, что в результате воздействия МИП в приповерхностном слое Fe/Pb/Fe происходит перераспределение элементов покрытия и основы с образованием сложной структуры, существенно отличающейся от исходного состояния.

Определены оптимальные параметры воздействия МИП, при которых происходит перемешивание элементов покрытия и основы в жидкой и твердой фазах без значительной абляции материала покрытия.

Доказано, что разнообразие структур и послойный характер их формирования обусловлены неравномерным распределением дефектов по глубине модифицированного слоя и различиями в скоростях охлаждения на поверхности и в глубинных слоях расплава.

Ключевые слова: структурно-фазовые превращения, диффузия, массоперенос, высокодозная имплантация, осаждение, воздействие мощного ионного пучка.

SUMMARY

Shablya V.T. Mass-Transfer Processes in Metallic Systems at basis Fe, Cu end Al under Pulsed and Intense Ion Irradiation.- Manuscript.

Thesis for a Doctor of philosophy degree (Ph.D) in physics and mathematics on specialty 01.04.07-Solid State Physics.- Sumy State University, Sumy, 2008.

This thesis is dedicated to the investigation of the mass-transfer and diffusion processes occurring under simultaneous ion deposition and implantation as well as under high-power ion beam treatment in systems Ta/Cu/Al, Fe/Pb/Fe and Pb/Fe. Using TEM with diffraction the structure-phase investigations had been performed in the systems Fe/Pb and Fe/Pb/Fe. Using the proton micro-beam, the processes of Al ion segregation under high-intensity implantation into the б-Fe had been investigated. The formation of the helicon of the non-uniform radius is the result of elastic interactions of the vacancies and the vacancy defects in the vicinity of the dislocations due to the non-uniform distribution of impurities over the depth and in the surface.

On the basis of performed calculations the activation energy H_m had been determined, and it coincided with the migration energy of the vacancies in the bcc-Fe (1.32eV), which confirmed the vacancy origination mechanism of the loop growth collecting the impurity atoms.

The formation of the diamond-like and amorphous carbon in the single-crystal surfaces Fe-Cr-Ni-Mn (111) and (100) had been found under W ion implantation.

Key words: structure-phase transformations, diffusion, mass-transfer, high-dose implantation, deposition, high-power ion beam treatment.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку з розвитком нових пучкових технологій модифікації поверхневих шарів, осадження плівок і покриттів за допомогою іонно-плазмових технологій, перемішування атомів у тонких плівах під дією лазерного, електронного та іонного пучків необхідний кількісний і якісний контроль складу та структурно-фазового стану модифікованих шарів, покриттів і дифузійних профілів імплантованих іонів.

Сьогодні помітне місце займають дослідження, що дозволяють вирішувати поставлені завдання, однак є ряд методичних і фізичних невизначеностей у інтерпретації результатів для одержання достовірної інформації про розподіл елементів, процеси сегрегації, виділення вторинних фаз та формування преципітатів у тонких плівках.

У той же час потужні іонні пучки (ПІП) використовуються не тільки для модифікації поверхневих шарів, але і для перемішування шарів, нанесення тонких плівок з інших матеріалів шляхом абляції та утворення нанодисперсних порошків. Тому дослідження процесів масоперенесення при високодозній іонній імплантації, впливів потужного іонного пучка, а також аналіз процесів осадження аморфного вуглецю з ділянками алмазоподібного вуглецю є на сьогоднішній день актуальним завданням.

При взаємодії ПІП з поверхнею визначальними чинниками, які впливають на структурні і фазові перетворення, що відбуваються в приповерхневих шарах досліджуваних структур, є: густина внесеної енергії; тривалість імпульсу; нагрівання і плавлення; абляція; випаровування; термомеханічні напруги, що приводять до різноманітних структурно-фазових перетворень, термодифузія, масоперенесення в рідкій і твердій фазах, що виникають при надшвидкому загартовуванні.

Однак фізична суть багатьох процесів, що відбуваються при взаємодії концентрованих потоків енергії з поверхнею твердого тіла, цілком не розкрита. Це пов'язано головним чином з відсутністю систематичних експериментальних досліджень фазового складу і мікроструктури опромінених зразків та недостатньо повним теоретичним аналізом процесів, що відбуваються при взаємодії імпульсного та інтенсивного (D?10²⁰ м^-2 за хвилину) іонного опромінення з поверхнею твердого тіла.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Сумського державного університету і в Сумському інституті модифікації поверхні. Вона є складовою частиною проектів ДКНТ України 2М-076/2000 та 2М-0145/2001 Міністерства освіти та науки України RST, CLG 978157 NATO Linkage Cooperation Project (2001 - 2003).

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є встановлення закономірностей процесів масоперенесення в металічних системах Ta/Cu/Al, Pb/Fe, Fe/Pb/Fe, Au/Fe/Ni, Ta/Cu, Al/Fe та W/Fe/Cr/Ni/Mn при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами, взаємодії домішок з поверхнею, дослідження процесів сегрегації при високодозній іонній імплантації, а також процесу формування алмазоподібних і аморфних вуглецевих плівок при іонній імплантації.

Відповідно до поставленої мети вирішувалися наступні задачі дослідження:

- встановити закономірності процесів перемішування при одночасному осадженні іонів і послідовній імплантації іонів Ta і Cu в Al;

- проаналізувати зміщення максимума та розширення піка енергетичних спектрів вторинних іонів Cu⁺, Ta⁺ та Al⁺методом ЕРВІ;

- встановити дози імплантації іонів Al у б - Fe, при яких відбувається сегрегація домішки, визначити розміри областей локалізації домішки за допомогою мікропучка протонів;

- дослідити закономірності утворення острівців алмазоподібного та аморфного вуглецю при імплантації іонів W у нержавіючу сталь;

- провести дослідження зон залишкових напруг у Рb (стискуючих і розтягуючих) за допомогою методів ядер віддачі, анігіляції позитронів і вимірювання мікротвердості.

Об'єкт дослідження - процеси структурно-фазових перетворень у металічних системах під дією зовнішніх факторів.

Предмет дослідження- масоперенесення в багатошарових структурах Ta/Cu/Al, Pb/Fe, Fe/Pb/Fe, Au/Fe/Ni, Ta/Cu, Al/Fe та W/Fe/Cr/Ni/Mn під дією імпульсного та інтенсивного опромінення іонами.

Відповідно до поставлених завдань використовувалися такі методи дослідження:

- резерфордівське зворотне розсіювання (РЗР);

- оже-електронна спектроскопія (ОЕС);

- електронна мікроскопія (РЕМ і ПЕМ);

- мессбауерівська спектроскопія з реєстрацією конверсійних електронів (КЕМС);

- протонами індуковане рентгенівське випромінювання (ПІРВ).

В окремих випадках для перевірки достовірності використовували вторинну іонну мас-спектрометрію (ВІМС), раман-спектроскопію на відбиття, атомно-силову мікроскопію (АСМ), анігіляцію повільних позитронів, пружний резонанс ядерної реакції, пружний резонанс протонів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уперше за допомогою методів ВІМС, ЕРВІ та ОЕС проведені систематичні експериментальні дослідження процесів перемішування при імплантації та одночасному і послідовному осадженні іонів Cu і Ta на підкладку з алюмінію. Встановлено, що поєднання імплантації з осадженням є більш ефективним процесом модифікації, ніж іонна імплантація.

2. Виявлено закономірності утворення плівок з аморфного та алмазоподібного вуглецю (із залишкової атмосфери камери імплантера) при імплантації іонів W у монокристали нержавіючої сталі, що дозволило встановити товщину аморфної вуглецевої плівки (d?20 нм) і висоту алмазоподібних конусів (h?14 нм).

3. Уперше за допомогою мікропучка протонів визначено розміри областей локалізації домішок (L?20 мкм) при імплантації іонів Al у -Fe і опреділено дози імплантації (D?10²¹ м^-2), при яких відбуваються процеси сегрегації.

4. Проведено комплексні дослідження залишкових напруг у кристалах свинцю за допомогою ядерно-фізичних методів аналізу (ядер віддачі, анігіляції позитронів) і вимірювання мікротвердості. Встановлено наявність на кривій розподілу мікротвердості двох максимумів.

5. Уперше вивчено зміну енергетичних спектрів вторинних іонів (ЕРВІ) в умовах динамічного перемішування іонів з підкладкою. Встановлено зміщення максимума (до 10 еВ) і розширення піка (20-25) еВ спектра.

6. Виявлено, що у випадку наносекундного впливу ПІП (при густинах струму (10-15)·10³А/м²) основний внесок у перенесення атомів дає дифузійний потік, обумовлений градієнтом температури, а міграція і переміщення в полі градієнта концентрації в рідкій фазі не є визначальними факторами у встановленні концентраційного профілю. Розраховано залежність ефективного коефіцієнта масоперенесення системи Pb/Fe від густини струму.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що дисертантом проведена систематизація результатів, одержаних автором експериментальними і теоретичними методами, включаючи результати комп'ютерного моделювання процесів масоперенесення при впливі ПІП.

Зроблено внесок у вивчення процесів сегрегації домішки при високоінтенсивній іонній імплантації. Запропоновано методи визначення залишкових напруг без руйнування зразків у поверхневих модифікованих шарах. Встановлено, що спільне осадження та імплантація іонів Ta, Cu у підкладку з Al приводить до значних (порівняно тільки з імплантацією) змін механічних характеристик, таких як адгезія, твердість, а також корозійна стійкість. Одержані в роботі результати можуть бути використані для вибору режимів опромінювання ПІП при цілеспрямованій модифікації службових характеристик широкого кола конструкційних матеріалів на основі багатошарових структур. Фундаментальне значення одержаних результатів полягає у подальшому розширенні уявлень про процеси масоперенесення в металічних системах і структурно-фазові перетворення під дією ПІП.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок дисертанта полягає в тому, що він виконав аналіз літературних даних, особисто виготовляв зразки для досліджень (Al, Pb, Fe₅₄Cr₂₀Nі₁₆Mn₁₀; монокристали та ін.), проводив дослідження за допомогою ВІМС, РЕМ, вимірювання мікротвердості, проводив розрахунки коефіцієнтів масоперенесення та дифузії, брав участь в інтерпретації результатів досліджень, проведених за допомогою мікропучка протонів, анігіляції позитронів, енергетичного розподілу вторинних іонів (ЕРВІ) на зразках Al (Cu, Ta), а також в обговоренні та оформленні статей і доповідей, а саме: у роботах [1-8]- виготовлення зразків, проведення аналізу за допомогою вимірювання мікротвердості; у роботах [1, 2]- дослідження за допомогою методів растрової електронної мікроскопії та інтерпретація результатів дослідження за допомогою анігіляції позитронів, резерфордівського зворотного розсіювання іонів (РЗР) та емісії рентгенівського випромінювання, індукованого протонами (ЕРВІП); [3, 4]- дослідження елементного аналізу за допомогою ВІМС, вимірювання перенесення матеріалу під час тертя, вимірювання адгезії, інтерпретація результатів аналізу, одержаних за допомогою повільного пучка позитронів, енергетичних спектрів вторинних іонів; у роботах [5, 6]- проводив аналіз за допомогою растрової електронної мікроскопії та брав участь в інтерпретації результатів аналізу за допомогою мікропучка протонів, анігіляції позитронів, конверсійної електронної мессбауерівської спектроскопії, РЗР і ACM аналізу; [7,8]- розрахував масовий коефіцієнт корозії та брав участь в інтерпретації результатів одержаних РЕМ та РЗР протонів; [9]-брав участь в аналізі експериментальних робіт.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на таких міжнародних конференціях: «ЙОН-2000» (Казимир-Дольни, Польща, 2000 рік); «Взаємодія випромінювання з твердим тілом», ВИТТ-97 (Мінськ, Бєларусь, 1997 рік); «Модифікація властивостей ненапівпровідникових матеріалів пучками заряджених часток», MPSL-96 (Суми, Україна, 1996 рік); «Плазмова обробка поверхні» , PSE-2000; Garmish-Partenkirchen, (Німеччина, 2000 рік); Х Міжнародній нараді «Радіаційна фізика твердого тіла» (Севастополь, 2000 рік), а також на наукових семінарах кафедри фізичної електроніки Сумського державного університету і Сумського інституту модифікації поверхні.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в дев'яти роботах, з яких 7 статей у фахових журналах, які входять до переліку ВАК України, та тези доповіді на Міжнародній науковій конференції.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів основного тексту, загальних висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації -140 сторінок машинописного тексту, в тому числі 40 рисунків, 9 таблиць. Список використаних „джерел налічує 172 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та завдання дослідження, представлені основні положення дисертаційної роботи, загальна характеристика роботи, наукова новизна, практичне значення, особистий внесок здобувача та ін.

Перший розділ „Структурно-фазові перетворення в складних структурах при опроміненні іонами (літературний огляд) містить огляд літератури стосовно масоперенесення в різних системах, результати аналізу з іонного перемішування в різних системах, наприклад, Cu-Al і Cu-W при високодозній іонній імплантації в роботах різних авторів і шкіл. Представлені результати іонного перемішування і розглянуті різні механізми масо перенесення, зокрема дифузії.

Робиться висновок про те, що необхідно провести дослідження профілів елементів у процесі іонного перемішування і розрахувати коефіцієнти масоперенесення при імпульсному впливі ПІП. Розглядаються також інші завдання дисертації.

Другий розділ „Експериментальні методики приготування, опромінення та аналізу зразків” містить описання способів приготування зразків Pb, Al, б-Fe, монокристалів Fe₅₄Cr₂₀Nі₁₆Mn₁₀ (100) і (111), встановлені режими імплантації та осадження іонів, описані умови обробки за допомогою ПІП, коротко подані джерела імплантації і модифікації матеріалів, а також представлені методи аналізу РЗР, анігіляції позитронів, мессбауерівська спектроскопія, РЕМ та дифракційні методи, метод ядер віддачі, умови виміру мікротвердості, вимір шорсткості за допомогою атомно-силового мікроскопа (АСМ). дифузія іон дифракція

Описані режими процесів іонного перемішування при одночасній імплантації і осадженні іонів Сu і Та на підкладку з А1.

Для виконання поставленої мети були використані зразки з А1(99,9%) товщиною від 200 до 500 мкм, поверхню яких попередньо очищали шляхом розпилення пучків іонів Ar+, потім осаджували іони Сu⁺ або Ta⁺ і одночасно імплантували іони цих металів при прискорюючій напрузі 60 кВ.

Було реалізовано декілька режимів:

1) на Аl (Ta⁺_o+Ta⁺_i+Ta⁺_o) - при дозі імплантації ? 8·10¹⁹ м^-2, товщина плівки становила d_Ta ? 40 нм;

2) на Аl (Ta⁺_o+Ta⁺_i+Ta⁺_o) +(Cu⁺_o+Cu⁺_i+Cu⁺_o) - при дозі імплантації ? 8·10¹⁹ м^-2,, товщина d_Ta ? 25 нм і d_Cu ?30 нм;

3) на Аl (Ta⁺_o+Ta⁺_i+Ta⁺_o) + (Cu⁺_o+Cu⁺_i+Cu⁺_o) + (Ta⁺_o+Ta⁺_i) - при дозі імплантації ? 10²⁰ м^-2 товщина d_Ta ? 45нм, d_Cu ? 55нм, d_Ta ? 70 нм;

4) попередній режим +Ta⁺_o, де i - імплантація; о - осадження.

Іони Al, вилітаючи з дугового джерела, були багатозарядні, тобто Al⁺(56%); Al⁺² (39%) і Al⁺³ (5%). При опроміненні ПІП використовувався магніто-ізольований діод (графіт), для одержання пучка використовували двоімпульсний режим роботи діода і дві форми катода (плоский до 50 А/см² і фокусуючий (5-25)·10⁵А/м²).

Системи дослідження були вибрані, виходячи з таких міркувань:

- Fe та Al широко застосовуються в техніці як конструкційні матеріали, сплави на основі яких, мають підвищену жаростійкість;

- Cu зменшує розчинність вуглецю в Ti, що позитивно впливає на стійкість проти зношення, а також має значну технологічну значущість;

- Та і Cu з Al утворюють мало проміжних фаз, що дозволяє їх легко розпізнати при проведенні структурно - фазових досліджень,при цьому поліпшуються корозійні властивості сплавів на основі Al;

- Cr, Ni і Mn є одними з основних легуючих елементів для даного роду сплавів;

- іони W мають значну атомну масу, що дозволяє легше їх ідентифікувати в поверхневому шарі методом РЗР, а також такий вибір імплантованого елемента дозволяє створювати значну кількість дефектів при невеликих концентраціях (1%) легуючого елемента.

Третій розділ „Масоперенесення і сегрегація при високодозній імплантації і спільному осадженні тонких плівок” містить результати дослідження імплантації іонів Та⁺ в монокристал Cu (100) і (111). Як показали результати експериментів, спостерігається залежність поширення Та⁺ від напрямку імплантації. Найвища концентрація іонів спостерігається для монокристала Cu в напрямку перпендикулярному (111). Ця площина - площина найщільнішої упаковки, тож проникнення іонів Та⁺ в цьому напрямку є найважчим.

Представлені результати аналізів, одержані після спільної імплантації іонів Ta і Cu та одночасному осадженні цих самих іонів на підкладку з Al. Режими опромінення зазначені в розділі 2. Використання декількох методів аналізу ВІМС, ЕРВІ та оже-електронної спектроскопії дозволило одержати більш реальну (достовірну) інформацію про процеси перемішування. Аналіз ЕСВІ - енергетичних спектрів вторинних іонів- показав, що на всіх зразках спостерігається змінювання форми та положення спектрів порівняно з вихідним станом. Зміщення максимуму енергетичного розподілу вторинних іонів невелике і досягає значення 10 еВ (у бік збільшення енергії). Більш істотно змінюється ширина енергетичних спектрів, вона стає більшою для моменту розпилення межі плівка-підкладка. Відомо, що зміна у формі ЕРВІ і положення максимуму ЕРВІ при розпиленні багатошарових структур свідчать про взаємодію компонентів мішені. З вищевикладеного можна зробити висновок про те, що при опроміненні однокомпонентними іонами відбувається взаємодія компонентів мішені на межі плівка-підкладка (у результаті балістичного перемішування й імплантації іонами віддачі) з утворенням складних інтерметалідних фаз.

Результати аналізу профілів елементів, одержаних для двох режимів обробки (рис. 1 а, б), показують, що поряд зі складною формою профілю Та і Cu (багатогорбова структура) спостерігається висока концентрація вуглецю внаслідок осадження із залишкової атмосфери камери імплантера на поверхні і поблизу межі розділу плівка-підкладка.

Кисень також має складний профіль розподілу, і максимум його концентрації знаходиться також на міжфазній межі плівка-підкладка.

Форма оже-спектрів О і С свідчить про те, що ці елементи можуть бути в складі окислів або у вигляді карбідів відповідно, також як і у вільному стані.

Для аналізу процесів при високодозній імплантації іонів Al у б-Fe і процесів сегрегації ми використовували метод пружного резонансу ядерної реакції, у районі 991,98 кеВ, а також мікропучок протонів (рис. 2) з використанням методів ПІРВ і РЗР. Для аналізу дефектів вакансійного типу використовували метод анігіляції позитронів (повільний пучок позитронів), КЕМС та ін.

Як видно з результатів аналізів, одержаних за допомогою мікропучка протонів (ПІРВ, РЗР), при опроміненні дозою 2·10²¹ м^-2 утворюються локальні області з високою концентрацією Аl до 64% з розмірами близько 20 мкм, що мають овальну форму.

З результатів, одержаних за допомогою конверсійної мессбауерівської електронної спектроскопії, випливає, що при дозах понад 2·10¹⁷ см^-2 іонів Al утворюються дуже розупорядковані області, про що свідчать також і результати аналізів, одержаних за допомогою повільного пучка позитронів.

Виявлено, що є дві області з різною глибиною аналізу, а саме: області глибиною до 50 нм, пов'язані з утворенням високої концентрації вакансійних дефектів, і області глибиною (50-120) нм із більш протяжними дефектами вакансійними кластерами і дислокаціями (рис.3).

Як результат пружних взаємодій високої концентрації вакансій і вакансійних дефектів (кластерів) поблизу дислокацій утворюється гелікоїд. У результаті нерівномірного (неоднорідного) розподілу за глибиною точкових дефектів під час імплантації радіус цієї петлі гелікоїда також буде різний. Ми візьмемо як основу залежність зростання радіуса дислокаційної петлі l від часу:

, (1)

де м - модуль зміщення; b - вектор Бюргерса; D - коефіцієнт дифузії дефектів, що контролюють зростання петлі; k - константа Больцмана; T - температура; ф - час зростання петлі.

Для величин м = 8,4·10¹⁰ Па та b = 10^-10м, характерних для ОЦК Fe, а також із експерименту l = 10^-5м; ф =300 с; Т = 400 К (температура експерименту) ми одержуємо D=1,1·10^-14м²·c^-1, що дає для енергії активації

Рис. 3. Залежність S-параметра кривих ДУАП (доплерівського розширення анігіляційного піка), виміряного за допомогою повільного пучка позитронів: 1 - вихідний стан; 2 - після імплантації іонів алюмінію дозою 5·10²¹ м^-2 в -Fe

значення Н_m = 1,35 еВ. Одержане значення Н_m майже збігається з енергією міграції вакансій в ОЦК-Fe (1,32 еВ). Це підтверджує вакансійний механізм зростання дислокаційних петель, що збирають атоми домішки.

При цьому значно зменшується зношення і підвищується мікротвердість.

Для дослідження анізотропії та значних змін кристалічної структури ми ввели f-параметр:

, (2)

де N(0) - максимум інтенсивності анігіляції г-квантів; N(10) - максимум інтенсивності анігіляції г-квантів при куті розподілу (и = 10 мрад); N_fon - інтенсивність фонового випромінювання.

Четвертий розділ „Процеси перемішування і утворення алмазоподібного вуглецю при імпульсній високоінтенсивній імплантації іонів” містить результати, одержані за допомогою РЗР, ОЕС, AСM, раман-спектроскопії та ПЕМ з мікродифракцією на монокристалах Fe₅₄-Cr₂₀-Nі₁₆-Mn₁₀ (100) і (111), імплантованих іонами W енергією 40 кеВ і дозою 5·10²⁰ м^-2 з осадженням аморфної та алмазоподібної вуглецевої плівки.

При аналізі результатів дослідження розподілу іонів W, імплантованих у монокристали нержавіючої сталі Fe₅₄Cr₂₀Nі₁₆Mn₁₀ з орієнтацією (100) і (111), за допомогою пружного резонансу ядерної реакції визначена максимальна концентрація W, яка становить 0,69 aт.% і 0,72 aт.% для монокристала з орієнтацією (100) і (111) відповідно на глибині близько (30-35) нм. У той же час на поверхні формується вуглецева плівка (майже 95%, за даними оже-спектроскопії).

Товщина цієї плівки в різних місцях становить від 15 до 30 нм. Аналіз вуглецевої плівки за допомогою раман-спектроскопії на відбиття показав, що поряд з піком від аморфного вуглецю (1530см^-1) наявний пік від алмазоподібного вуглецю (1313 см^-1).

Дослідження зображення морфології поверхні плівки, одержаної за допомогою AСM, показали, що на поверхні формуються утворення у вигляді «конусів». Ці «горбки» мають висоту від 10 до 14 нм відносно самої аморфної вуглецевої плівки та мають алмазоподібну структуру.

Дослідження, проведені за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії (ПEM), показали, що у вихідному стані монокристал нержавіючої сталі є слабодефектним - скалярна густина дислокацій становить 2·10¹³м^-2. Імплантація іонів W, яка супроводжується осадженням із залишкового вакууму (10^-3 Па) вуглецевої плівки, приводить до того, що на поверхні утворюється аморфна вуглецева плівка (дані ПEM). Під шаром аморфної плівки знаходиться шар з порівняно бездефектною структурою, що, ймовірно, є наслідком інтенсивної перекристалізації поверхні під впливом розпилення зразка іонами W і порівняно невеликою товщиною. При підвищенні дози імплантації до 2·10²¹ м^-2 спостерігається підшар, що відокремлюється різкою межею від основного матеріалу.

Мікродифракційний аналіз показує, що даний шар має ГЦК решітку, параметри якої практично не відрізняються від параметрів основного матеріалу. Даний шар є слабодефектний, густина дислокацій (7-8)·10¹³ м^-2, роблячи висновок з ямок травлення, що містять частинки вторинних фаз (розшифрувати які не вдається через слабкий контраст рефлексів на мікроелектронограмі). В одержаному шарі, також, виявляються субзерна. Дислокації розподіляються або хаотично, або формують сітчасту субструктуру.

Як відомо, Pb і Fe рівноважних сплавів і сполук не утворюють і сильно відрізняються за теплофізичними властивостями. Температура плавлення б-Fe близька до температури кипіння свинцю. У результаті впливу ПІП (С⁺ (30%), Н⁺ (70%)) з енергією Е=(0,2-0,6) МеВ, тривалістю імпульсу близько 80 нс із потоком енергії від 0,9·10⁴ до 1,1·10⁴Дж/м² відбувається перемішування системи в рідкій і газоподібній фазах.

Дослідження, проведені за допомогою ПЕМ з мікродифракцією, показали, що в поверхневому шарі формується неідентифікована фаза, яка має ГЦК решітку.

Виявлені рефлекси відповідають міжплощинним відстаням 0,2608 нм, а виділення мають розміри від 10 до 600 нм.

На рис. 4 зазначені рефлекси неідентифікованої фази, що утворюють правильний шестикутник для ГЦК площини (111). Додаткові рефлекси (d=0,225 нм) можуть бути пов'язані з виникненням часток Fe₃C у процесі впливу ПІП. Під дією ПІП відбувається плавлення б-Fe, а Pb випаровується. Таким чином, Pb та Fe перемішуються у рідкій і газоподібній фазах (при осадженні з газоплазмового шару).

Результати аналізів, проведених за допомогою ВІМС, показують, що в профілі свинцю спостерігається «хвіст», тобто відбувається затягування профілю на великі глибини, а також утворюються кластери Pb_x Fe_1-x, PbFeС. Стехіометрія такого з'єднання, виміряна за допомогою РЗР і ВІМС, свідчить про те, що величина х може змінюватися за глибиною від 0,3 до 0,7 (у системі Pb_x Fe_1-x).

Визначені коефіцієнти дифузії D₁?2·10^-10 м²/с і D₂?10^-9 м²/с для твердофазного та рідкофазного перемішування відповідно.

Як видно з рис. 5, після опромінення ПІП системи Fe/Pb/Fe відбувається зміщення краю спектра в правий бік і зниження інтенсивності Pb, що свідчить про перемішування Pb і Fe з утворенням системи Pb_x Fe_1-x.

На внутрішній частині рисунка наведено схему перемішування під впливом ПІП.

Таким чином, з результатів ВІМС, РЗР і ПЕМ видно, що після впливу ПІП на системи Pb/Fe і Fe/Pb/Fe у поверхневих шарах відбувається перемішування як у рідкій фазі, так і в газоплазмовому стані. Про це свідчать одержані з експерименту коефіцієнти масоперенесення.

Розрахунки показали, що основний внесок у перенесення атомів у дифузійній зоні, утвореній градієнтами тиску і температури, дає бародифузійний потік, зумовлений градієнтом температури і термомеханічною напругою, оскільки час релаксації температурного поля істотно перевищує тривалість опромінення.

Перемішування системи Au/Fe/Ni пучком іонів (С⁺ (30%), Н⁺ (70%)) з енергією Е=(0,2-0,5) МеВ і густиною потоку енергії (0,9-2,5)10^-4 Дж/м² дозволяє поліпшити експлуатаційні характеристики герконів.

ВИСНОВКИ

На основі проведених комплексних досліджень масоперенесення в металічних системах імплантованих імпульсними та інтенсивними іонними пучками з енергією Е =(40 - 90) кеВ і дозою від 8·10¹⁹ м ^-2 до 8·10²¹м ^-2, а також перемішуванням ПІП (С⁺ (30%), Н⁺ (70%)) з енергією Е = (0,2 - 0,5) МеВ і потоком енергії (0,9 - 2,5)10^-4Дж/м² методами РЗР, ОЕС, КЕМС, анігіляції повільних позитронів, ПЕМ, ВІМС, РЕМ, мікропучка протонів (ПІРВ, РЗР) та розрахунку динаміки плавлення були виявлені закономірності процесів масоперенесення в системах Ta/Cu/Al, Pb/Fe, Fe/Pb/Fe, Au/Fe/Ni та ін. і вирішені поставлені задачі.

Основні результати дисертаційної роботи можна сформулювати у вигляді таких узагальнюючих висновків:

1. Уперше за допомогою методів ВІМС, ЕРВІ та ОЕС досліджено процеси перемішування при одночасному осадженні та послідовній імплантації іонів Cu, Ta у Al. Одержано, що спільне осадження та імплантація -більш ефективний процес модифікації порівняно тільки з імплантацією.

2. Досліджені структура і морфологія осаджених плівок з аморфного та алмазоподібного вуглецю при імплантації іонів W на поверхню монокристалів нержавіючої сталі, особливості яких полягають у формуванні аморфної вуглецевої плівки товщиною (15-30) нм із хвилеподібним (острівковим) рельєфом з утвореннями у вигляді конусів (висотою від 10 до 14 нм), що мають алмазоподібну будову вуглецю.

3. Уперше за допомогою мікропучка протонів (ПІРВ і РЗР) вивчені та визначені розміри областей локалізації домішок (L?20 мкм) при імплантації іонів Al у -Fe і досліджений процес сегрегації атомів Al.

4. Вивчено зміну форми енергетичних спектрів вторинних іонів (ЕРВІ) в умовах динамічного перемішування іонів Ta⁺ і Cu⁺ з поверхнею твердого тіла (алюмінію). Відносно невелике (до 10 еВ) зміщення максимуму енергетичного розподілу іонів у напрямі збільшення їх енергії супроводжується також збільшенням ширини спектрів (20-25 еВ) та появою декількох нових максимумів на кривих Al⁺ і Ta⁺.

5. На прикладі систем Pb/Fe і Fe/Pb/Fe показано, що у випадку опромінення ПІП при густині струму (40-150) А/см² основний внесок у перенесення атомів дає бародифузійний потік, зумовлений градієнтом температури і термомеханічною напругою, а міграція і перемішування у полі градієнта концентрації в рідкій фазі не є визначальними факторами в установленні концентраційного профілю. Визначений ефективний коефіцієнт масоперенесення при перемішуванні ПІП свинцю і заліза, що становить від 4,25·10^-8 м²/с до 5,6·10^-8 м²/с залежно від густини струму.

6. Визначені стехіометрія, яка становить величину від 0,3 до 0,7, структура перемішаних під дією ПІП подвійних і потрійних металічних систем (Pb/Fe, Fe/Pb/Fe, Au/Fe/Ni), особливості яких полягають у тому, що їх компоненти нерозчинні один в одному в рівноважних умовах. Це є важливим оскільки система Au/Fe/Ni є основою для геконів, що дає можливість зменшити “замкненість” герконів і збільшує число спрацювань у 5 разів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Pogrebnjak A.D., Shablya V.T., Sviridenko N.V., Valyaev A.N., Plotnikov S.V., Kylyshkanov M.K. Study of deformation states in metals exposed to intense-pulsed-ion beam (IPIB) // Surf. Coat. Tech. - 1999. - V.III. - Р. 46-50.

2. Pogrebnjak A.D., Bakharev O.G., Pogrebnjak N.A., Tsvintarnay Yu.V, Shablya V.T., Sandrik R., Zесса А. Certain features of high-dose and intensive implantation of Al ions in iron // Phys. Letters. - 2000. - A 265. - Р. 225-232.

3. Погребняк А.Д., Мартыненко В.А., Михалев А.Д., Шабля В.Т., Яновский В.П. Некоторые особенности ионного перемешивания при одновременной ионной имплантации и осаждении покрытий из металлов // Письма в ЖТФ. - 2001. - Т.27, В.14. - С. 88-94.

4. Pogrebnjak A.D., Ladysev V.S., Pogrebnjak N.A., Michaliov A.D., Shablya V.T., Valyaev A.N., Valyaev A.A., Loboda V.B. A comparison of radiation damage and mechanical and tribological properties of б-Fe exposed to intense pulsed electrou and ion beams // Vacuum.-2000.-V.58.-Р. 45-52.

5. Pogrebnjak A.D., Shablya V.T., Pogrebnjak N.A., Sandrik R., Zесса А., Bratushka S.N. Certain features of high-dose and intensive implantation of aluminium ions in iron // Surf. Coat. Tech.-1998.-V.110.-Р. 35-39.

6. Алонцева Д.Л., Братушка С.Н., Погребняк А.Д.,
Прохоренкова Н.В., Шабля В.Т. Структура и свойства покрытий и модифицированных слоев, полученных с помощью плазменных потоков //ФІП. - 2007. - Т.5, №3-4. - С.124-139.

7. Pogrebnjak A.D., Shablya V.T., Kshnyakin V.S., Kul'ment'eva O.P. Bondarenko V.V., Gritsenko B.P. Implantation of Ta ions into a copper single crystal (100) and (111) // Вісник Сумського державного університету. Серія: фізика, математика, механіка. - 2005.- № 8.- С. 118-124.

8. Погребняк А.Д., Кобзев А.П., Иванов Ю.Ф., Ильяшенко М.В., МартыненкоВ.А., Шабля В.Т. Имплантация ионов W и побочное осаждение углеродной пленки на поверхность монокристаллов сплава Fe₅₄-Cr₂₀-Ni₁₆-Mn₁₀ (100) и (110) // Труды Х международного совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 3-8 июля 2000 г.,- Москва, 2000.- С. 328-332.

9. Pogrebnjak A.D., Lebed A., Shumakova N., Shablya V.T. Tim Renk, Cowell Sent D., Valyaev N., Ladysov V. S. Processing of modification and mixing in single and multi-layered systems deposited onto steel using high power ion beam // Abstracts Seventh International Conference on Plasma Surface Engineering PSE 2000. Germany, 17-21 September, 2000. - Р. 221.

Размещено на Allbest.ru

...