Нанокристалічні Сr-N та V-N покриття

12. Guglya А., Virich V., Silkin M., Stervoyedov А. Distribution of interstitial impurities in chromium coating, obtained by ion beam assisted deposition // Physical surface engineering - 2003. - Vol.1. - №1.- Р. 56-58.

13. Бондаренко В.Н., Гончаров А.В., Гугля А.Г., Карнаухов И.М., Марченко И.Г., Пистряк В.М., Сухоставец В.И. Применение методов ядерного микроанализа для исследования тонких CrN пленок, полученных ионно-имплантационным стимулированным осаждением // Вісник Харківського Національного Університету. Серія. Ядра, частинки, поля. -2003. - № 585. - Вип.1(21). - С. 93-97.

14. Guglya A., Marchenko I., Neklyudov I. Chromium film deposition stimulated by nitrogen ions implantation with energies up to 30 keV // Surface and Coating Technology. -2003. - №173-174. - Р. 1248-1252.

15. Вирич В.Д., Гугля А.Г., Шкуропатенко В.А. Использование вторично-ионной эмиссии для изучения процессов формирования покрытий Сr-N на алюминии // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2003. - Вып. 6(84). -С. 102-106.

16. Гончаров А.В., Гугля А.Г., Марченко И.Г., Неклюдов И.М. Исследование распределения азота в образцах, полученных ионно-стимулированным осаждением пленок Cr на алюминий при облучении ионами азота // Физическая инженерия поверхности.- 2003. - Т.1. - № 3-4. - С.294-299.

17. Гугля О.Г., Неклюдов І.М., Слюсаренко Ю.В. Кінетика формування тонкоплівочних покриттів в умовах бомбардування важкими іонами // Український фізичний журнал. - 2005. -Т. 50. -№ 9. -С. 962 - 971.

18.Guglya A.G., Neklyudov I.M.,ShkuropatenkoV.А.,Vanzha O.F.,Virich V.D. Composition compound of Cr-N coating deposited on the aluminium preliminary irradiated with nitrogen ions // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005. - Вып. 3(86). -С. 171-175.

19. Goncharov A.V., Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Investigation of nitrogen distribution in samples produced by ion-induced deposition of Cr films on aluminum under nitrogen ions bombardment //Vacuum. -2004. - Vol.76. - № 2-3. - Р. 299-302.

20. Вирич В. Д., Гугля А. Г., Литвиненко М. Л., Перун Н. В., Шкуропатенко В. А. О влиянии предварительной ионной бомбардировки на структуру переходной зоны покрытие-подложка // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005. - Вып. 3(86). - С. 155-159.

21. Гугля А.Г., Неклюдов И.М. Покрытия на базе нитрида хрома. Опыт создания и исследования. Обзор // Успехи физики металлов.- 2006. -Т.6. - С. 1001 - 1055.

22. Гугля А.Г. Электрофизические и структурно-фазовые характеристики тонкопленочных композитов Cr-N и V-N // Вісник Харківського Національного Університету. Серія. Ядра, частинки, поля. - 2005. - № 664. - Вип. №2(27). - С. 73-78.

23. Василенко Р., Гугля А., Литвиненко М. Радиационная повреждаемость нанокристаллических CrN покрытий // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005. - Вып. 5(88). - С. 201-204.

24. Guglya A., Litvinenko M., Marchenko Y., Vasilenko R. Formation of thin film Cr-N composites under ion bombardment at low rates of chromium deposition. Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2006. - Вып. 4(89). - С. 143-146.

25. Деклараційний патент на корисну модель, UA 3951 U. Способ нанесения покрытий на изделия из металлов и сплавов: Деклараційний патент на корисну модель, UA 3951 U. Вирич В.Д., Гугля А.Г., Марченко Ю.А., Шкуропатенко В. А.; Заявл. 06.04.04; Опубл. 15.12.04; Бюл. „Промислова власність”. № 12 від 15.12.04.

26. Гугля А.Г., Марченко Ю.А., Хоренко В.К. Модификация поверхности материалов посредством ионно-лучевого воздействия и молекулярной эпитаксии: Препр. / Харьковский физико-технический институт; -Х.: 1992. - 41 с.

27. Гугля А.Г., Марченко Ю.А., Перун Н.В.Установка для высокоэнергетичной ионно-стимулированной обработки материалов “Арго-1” // Труды 3-й конф. “Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц”. - Том 1. - Томск: - 1994. - C. 53-55.

28. Гугля А., Неклюдов И., Марченко И., Камышанченко Н. Ионно-имплантационная стимулирующая технология и наноразмерные материалы. Методика получения и исследования // Материалы 9-й Межгосударственной конф. “Радиационная повреждаемость и конструкционная способность материалов”. -Том 2. - Белгород: - 2001. - С.37-42.

29. Ванжа А.Ф., Гугля А.Г., Рыбальченко Н.Д. Определение микротвердости и адгезии металлических покритий, полученных с использованием метода имплантационно-стимулирующей технологии// Труды 16-й Межд. конф. “Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение”. -Алушта. -2004. -С. 324-325.

30. Бендиков В.И., Гугля А.Г., Марченко И.Г., Малыхин Д.Г., Неклюдов И.М. Исследование особенностей формирования Cr-N композита на нестационарной стадии имплантационно-стимулированнолго процесса // Труды 15-й Международной конф. “Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение”.- Алушта: - 2002. - C. 282-283.

31. Bendikov V., Guglya A., Marchenko I., Malykhin D., Neklyudov I. The mechanisms of forming the Cr-N composites at unsteady-state stage of the ion beam assisted deposition process // Abst. 4 International symp. “Ion implantation and other application of ions and electrons”. - Kazimierz Dolny (Poland). - 2002.- P. 119.

32. Guglya A., Marchenko I., Neklyudov I. Chromium film deposition stimulated by nitrogen ions implantation with energies up to 30 keV // Abst. Eighth International conf. “Plasma surface engineering”. - Garmisch-Partenkirchen (Germany). - 2002. - P. 476.

33. Василенко Р.Л., Гугля А.Г., Литвиненко М.Л., Марченко Ю.А. Особенности структуры и фазового состава Cr-N покрытия, осаждающегося в условиях высокоэнергетичного облучения ионами азота // Труды 15-го Міжнародного симпозіуму “Тонкие пленки в оптике и электронике”. - Харків. - 2003. -С.208-213.

34. Guglya A.G., Litvinenko M.L., Neklyudov I.M., Virich V.D. Ion bombardment effect on the compound and extent of the mixture between a Cr-N coating and an aluminium substrate // Abst. 13-th international school “Vacuum, electron and ion technologies”. -Varna (Bulgaria). - 2003. -P. 29.

35. Goncharov A.V., Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M., Virich V.D. The nitrogen distribution in specimens received by ion beam assisted deposition method Cr-N films on Al substrate //Abst. 13-th international school “Vacuum, electron and ion technologies”. - Varna (Bulgaria). - 2003. - P. 68.

36. Василенко Р.Л., Гугля А.Г., Литвиненко М.Л., Марченко Ю.А. Закономерности фазообразования в пленках хрома, осаждаемых при облучении ионами азота средних энергий // Труди ІХ Міжнародної конф. “Фізика і технологія тонких плівок”. - Івано-Франківськ. - 2003.- С. 39-40.

37. Guglya A., Litvinenko M., Vasilenko R. First stages of chromium coating formation under irradiation with high-energy nitrogen ions // Abst. 16 International vacuum congress. - Venice (Italy). - 2004. -P.775.

38. Guglya A.G., Shkuropatenko V.А., Virich V.D. Composition compound of Cr-N coating deposited on the aluminium preliminary irradiated with nitrogen ions // Abst. 16 International vacuum congress. - Venice (Italy).- 2004. - P.774.

39. Гугля А.Г., Неклюдов И.М., Слюсаренко Ю.В. О модельном описании эволюции тонкопленочных покрытий в условиях бомбардировки тяжелыми ионами // Труды 16-й Международной конф. “Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение”. - Алушта. - 2004. - С. 318-319.

АНОТАЦІЇ

Гугля О.Г. Нанокристалічні Сr-N та V-N покриття. Створення та дослідження. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут електрофізики та радіаційних технологій НАН України, м. Харків, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню структурних та електрофізичних характеристик нанокристалічних Cr-N та V-N покриттів, а також їх радіаційної стійкості та механічної міцності. Для здобуття такого типу покриттів була використана технологія іонно-стимульованого осадження, яка об'єднує випаровування атомів та молекул металу та бомбардування газовими іонами, які мають енергію у декілька десятків кеВ. Проведене математичне моделювання такого процесу довело, що внаслідок різниці у глибинах залягання іонів та створюємих дефектів умови, за яких зароджується структура та формується є різними. Вивчення особливостей створення покриттів призвело до висновку, що структура сформованого Cr-N матеріалу є нанокристалічною з розміром зерна 3-6 нм з вузькими границями. Електроопір таких композитів дорівнює 1-4·10-4 ом·см. Температурний коефіцієнт позитивний - 3-4·10-4 град-1. Структура V-N покриття також нанокристалічна, розмір зерна якої дорівнює 20-50 нм. Границі між зернами більш широкі та містять у собі вакансійні чи азот-вакансійні пори розміром 3-6 нм. Електроопір більш високий - 1-3·10-3 ом·см. Температурний коефіцієнт негативний - 5-7·10-4 град-1. У дисертації показано, що бомбардування іонами азоту таких покриттів на початковому етапі призводить до заповнення вільних зв'язків між атомами металу та азоту. Внаслідок цього створюються стехіометричні фази CrN та VN. З підвищенням дози опромінення CrN покриття має місце зростання великих(100-200 нм) зон з різною текстурою росту. Внаслідок цього електроопір зростає. Видимих змін у структурі VN композиту не відбувається хоча електроопір тех. підвищується. При опроміненні іонами гелію основна його частина дифундує на границі зерен та створює там газові комплекси - He-Nv. При максимальних дозах опромінення відбувається збільшення тиску у цих комплексах та руйнування Cr-N покриттів. V-N покриття більш стабільні. При підвищенні тиску у газових комплексах частина гелію дифундує по границям зерен до поверхні покриття і залишає його. Руйнування не має місця. Завдяки використанню високоенергетичних іонів у іонно-стимульованій технології суттєво підвищується зчеплення покриттів з основою. Причому, чим більше пор у покритті, тим сильніше зчеплення. Однак інтенсивне перемішування покриття з більш м'яким матеріалом підкладки негативно позначається на твердості покриття. Внаслідок цього спостерігається зменшення твердості при збільшенні адгезії.

Ключові слова: іонно-стимульоване осадження, нанокристалічні структури, моделювання, адгезія, мікротвердість, радіаційні пошкодження, нітрид хрому, нітрид ванадію.

Guglya A.G. Nanocrystalline Cr-N and V-N coatings. The receiving and investigation. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Science in technology on specialty 01.04.07 - Physics of solid state.- Institute of electrophysics and radiation technologies. NAS Ukraine, Kharkov, 2006.

Thesis is devoted to investigation of structure and electro physics characteristics of Cr-N and V-N nanocrystalline coatings so as their radiation stability and mechanical strength. The ion-beam assisted technology (IBAD - method) was used for these coatings creation. This method connects two separate processes - electron-beam evaporation and gas ion bombardment with energy a few tens kiloelectronvolts. The mathematical simulation this method was performed. It was shown that conditions of structure formation on the first and steady-state stages are different. The Cr-N structure is nanocrystalline with grain size 3-6 nm. Boundaries between grains are narrow. The resistivity of this structures are 1-4·10-4 Щ·cm. The thermal coefficient of resistivity is positive and equal 3-4·10-4 grad-1. The V-N structure is also nanocrystalline but the grain size is lager - 20-50 nm. Grain boundaries are broader than in Cr-N coatings and there are many voids inside - 3-6 nm. The resistivity is 1-3·10-3 Щ·cm, thermal coefficient is negative and equal 5-7·10-4 grad-1. In this thesis was shown that on the first stage nitrogen ion bombardment these coatings the capture of nitrogen atoms by free positions in lattice takes place. At higher dose irradiation the large zone with different texture axis are created. When helium ion bombardment takes place helium - vacancy complexes are created on the grain boundaries. At the maximum dose irradiation these complexes destroy Cr-N coating. But in V-N coating helium diffuses along boundaries and releases the material. The structure's destroy doesn't take place. The preliminary nitrogen ion bombardment of substrate surface creates conditions for coatings adhesion increasing. Adhesion increasing in more for V-N coatings than for Cr-N. As a result of coating - substrate mixing the microhardness of aluminum and stainless steel with coating are less than coating's microhardness.

Key words: ion-beam assisted deposition, simulation, nanocrystalline structure, adhesion, radiation damages, chromium nitride, vanadium nitride.

Гугля А.Г. Нанокристаллические Cr-N и V-N покрытия. Получение и исследование - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины, г Харьков, Украина, 2006.

Диссертация посвящена исследованию структурных и электрофизических характеристик нанокристаллических Cr-N и V-N покрытий, а также их радиационной стойкости и механической прочности. Для получения такого рода покрытий использовалась технология ионно-стимулированного осаждения, включающая в себя испарение атомов и молекул металлов при одновременной бомбардировке газовыми ионами с энергией несколько десятков килоэлектронвольт. Выполненное моделирование процесса дефектообразования в покрытиях, осаждаемых при ионно-стимулирующей бомбардировке газовыми ионами средних энергий, показало, что условия, при которых происходит зарождение покрытия и его рост, существенно отличаются. На стадии зарождения основное воздействие на формируемую структуру оказывает высокая концентрация точечных дефектов. По мере роста покрытия влияние дефектной составляющей процесса снижается. Исследование особенностей образования Cr-N и V-N покрытий показало, что на начальной стадии их формирования основную роль играют атомы и ионы азота, из остаточной атмосферы в вакуумной камере, которые создают химические соединения. Высокоэнергетичные ионы азота обеспечивают лишь диссоциацию газовых молекул и молекул металла, а также интенсификацию диффузионных процессов на поверхности подложки. Структура сформировавшегося Cr-N покрытия представляет собой нанокристаллический материал с размером зерна 3-6 нм и узкими межзеренными границами. Удельное электросопротивление таких композитов незначительно отличается от сопротивлений порошковых нитридов хрома - 1-4·10-4 ом·см. Температурный коэффициент сопротивления положительный и равен - 3-4·10-4 град-1. Структура V-N покрытия является также нанокристаллической с размером зерна 20-50 нм. Межзеренные границы более широкие, чем у нитрида хрома. Тройные стыки между зернами содержат вакансионные или азот - вакансионные поры размером 3-6 нм. Удельное электросопротивление таких композитов намного выше, чем сопротивление “массивного” нитрида ванадия - 1-2·10-3 ом·см. Температурный коэффициент сопротивления отрицательный и изменяется в пределах от 5,1·10-4 град-1 до 6,86·10-4 град-1 в зависимости от соотношения между ионной и атомарной составляющими процесса ионно-стимулированного осаждения - N+/V. Показано, что облучение ионами азота покрытий на базе нитрида хрома приводит глобулированию структуры композита и образованию крупных (100-150 нм) областей с различными осями текстуры. При облучении ионами гелия основная его часть диффундирует к границам зерен и в совокупности с атомами азота и вакансиями образует газосодержащие комплексы He-Nv, размер и плотность которых определяют величину удельного сопротивления. При максимальных дозах облучения происходит разрушение CrN1-х покрытия. Бомбардировка ионами азота покрытий из нитрида ванадия также приводит к увеличению их удельного сопротивления. Прирост сопротивления более существенный, чем для нитрида хрома. В случае облучения ионами гелия межкристаллитные поры в исходной структуре нитрида ванадия эффективно взаимодействуют с точечными дефектами, а также с имплантируемыми атомами гелия. При повышенных дозах облучения, когда все вакантные позиции в зернах оказываются занятыми, избыточный инертный газ концентрируется на границах и внутри пор, образуя систему газ - вакансионных комплексов. Дальнейшее облучение до уровней, когда концентрация газа достигает 15 %, приводит к увеличению давления внутри этих образований. Снижение давления внутри таких комплексов происходит за счет диффузии газа по границам и межзеренным порам и, в конечном итоге, выделению его из покрытия. Вследствие протекания такого процесса не происходит разрушения структуры нитрида ванадия, что было характерным для нитрида хрома. Использование в технологии ионно-стимулированного осаждения высокоэнергетичных газовых ионов создает условия для интенсивного перемешивания материала покрытия с подложкой. Причем степень перемешивания определяется наличием или отсутствием разветвленной системы диффузионных каналов. Поэтому ширина переходной зоны покрытие - подложка при осаждении V-N покрытия оказывается больше, чем у Cr-N покрытия. Предварительная имплантация ионов азота в подложку до высоких доз является эффективным методом повышения степени перемешивания покрытия с подложкой в условиях ассистированного ионного облучения. Данный вид обработки подложки способствует также значительному увеличению адгезии покрытия. Осаждение покрытий в условиях бомбардировки ионами азота приводит не только к образованию нитридов, но и к перемешиванию более твердой нитридной фазы с мягким материалом подложки, что приводит к снижению его твердости. Полученные в диссертации экспериментальные данные и развитые концепции формирования структур показали, что технология ионно - стимулированного осаждения может успешно использоваться для получения нанокристаллических покрытий с различным размером зерна и уровнем межзеренной пористости. В результате было обеспечено решение проблемы создания композитных покрытий на базе нитридов хрома и ванадия, структурно-фазовые и электрофизические характеристики которых позволяют эксплуатировать их в условиях высоких температурных и радиационных нагрузок.

Ключевые слова: ионно-стимулированное осаждение, моделирование, нанокристаллические структуры, адгезия, микротвердость, радиационная повреждаемость, нитрид хрома, нитрид ванадия.

Размещено на Allbest.ru