При імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами

Вид материала

Автореферат

Содержание Науковий керівник Офіційні опоненти Береснєв Вячеслав Мартинович Загальна характеристика роботи Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Мета і завдання дослідження. Об’єктом дослідження є Наукова новизна одержаних результатів L≈20 мкм) при імплантації іонів Al у  Практичне значення одержаних результатів Особистий внесок здобувача. Апробація результатів дисертаційної роботи. Структура і зміст роботи. Основний зміст роботи Перший розділ Другий розділ Третій розділ Четвертий розділ Список опублікованих робіт за темою дисертації Ключові слова ... Полное содержание

Подобный материал:

• Гії управління, що сприяють модернізації змісту освіти, інтенсивному розвитку та впровадженню, 108.52kb.
• Инструкция по охране труда № при выполнении работ, 570.4kb.
• Б. В. Грызлов 06 ноября 2002, 793.01kb.
• Б. В. Грызлов 06 ноября 2002, 761.17kb.
• Обеспечение безопасной эксплуатации компрессорного оборудования, 1082.27kb.
• Лекция №12, 74.02kb.
• Алгоритм действий при чс техногенного характера Пожары, 27.55kb.
• Изменения, происходящие в пищевых продуктах при хранении, 429.61kb.
• Травы народной медицины с анатацией, 508.67kb.
• «жемчужины средиземноморья», 79.25kb.

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Шабля Василь Трохимович


УДК 539.121.8.04


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


Спеціальність 01.04.07 – фізика твердого тіла


Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук


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 наукового
фізико-технологічного центру МОН і НАН
України.


Захист відбудеться „___” ______________ 2008 року о ___ 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 „___” ______________ 2008 р.


Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.С. Опанасюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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

Помітне місце займають дослідження, що дозволяють вирішувати поставлені завдання, однак є ряд методичних і фізичних труднощів у інтерпретації результатів для одержання достовірної інформації про розподіл елементів, процеси сегрегації, утворення виділень вторинних фаз і утворення преципітатів.

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, 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 сутність 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≈10¹⁶ cм^-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 завдання 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, 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 завдання дослідження:

- встановити закономірності процесів перемішування при одночасному осадженні іонів (плівки) і послідовній імплантації іонів Ta, Cu на Al;

- проаналізувати енергетичні спектри вторинних іонів (ЕРВІ) Cu⁺, Ta⁺ та Al⁺;

- оцінити дози імплантації іонів Al у α – залізо, 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;

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

Об’єктом дослідження є процеси структурно-фазових перетворень у металічних системах під дією зовнішніх факторів.

Предметом дослідження є процеси масоперенесення в багатошарових структурах Ta/Cu/Al, Pb/Fe, Fe/Pb/Fe, Au/Fe/Ni, Ta/Cu, Al/Fe, 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, ПЕМ);

- мессбауерівська спектроскопія з реєстрацією конверсійних ефект ронів (КЕМС);

- протонами індуковане рентгенівське випромінювання (ПІРВ);

В окремих випадках для перевірки достовірності використовували вторинних іонів масспектрометрію (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, 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 при імплантації іонів W у монокристали нержавіючої сталі. Встановлено товщину аморфної вуглецевої плівки (d≈20 нм) і висоту алмазоподібних конусів (h≈14 нм).

3. Уперше за допомогою мікропучка протонів визначені розміри областей локалізації домішок ( L≈20 мкм) при імплантації іонів Al у  – залізі і визначені дози імплантації (D≈10¹⁷ cм^-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. Вивчено змінювання енергетичних спектрів вторинних іонів (ЕРВІ) в умовах динамічного перемішування іонів з підкладкою. Встановлено зміну форми спектра.

6. Виявлено, що у випадку наносекундного впливу ПІП (при густинах струму (10-150) А/см²) 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, отриманих 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 корозійної стійкості. 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, Fe₅₄-Cr₂₀-Nі₁₆-Mn₁₀; 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 одна теза 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, α-Fe, монокристалів Fe₅₄-Cr₂₀-Nі₁₆-Mn₁₀ (100), (111), покаані 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).

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 ≈ 8·10¹⁵ см^-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 ≈ 8·10¹⁵ см^-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 ≈ 10¹⁶ см^-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 (50-250) А/см²).

Системи дослідження були вибрані, виходячи з такихих міркувань:

• Fe та Al широко застосовуються в техніці як конструкційні матеріали. Збільшуються жаростійкі фази;
  
• 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. Поліпшуються корозійні властивості;
  
• Cr, Ni, Mn є одними з основних легуючих елементів для даного роду сплавів і, з іншого боку рівноважним характером сплавів;
  
• іони W мають значну атомну масу, що дозволяє легше їх ідентифікувати в поверхневому шарі (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). Спостерігається залежність поширення Та⁺ від напрямку імплантації. Найвища концентрація для монокристала Cu (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 й 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 відхилення 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, що 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 α-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), конверсійну електронну мессбауерівську спектроскопію (КЕМС) та ін.





Рис. 1. Профілі елементів у поверхневому шарі Al після іонної імплантації та осадження іонів: а – імплантація та осадження іонів Ta, Cu (режим 3), час імплантації та осадження 15 хв, профілі одержані за допомогою оже-електронної спектроскопії; б – імплантація іонів Cu, осадження та імплантація іонів Ta, час імплантації іонів Cu- близько 20 хв, час імплантації та осадження іонів Ta близько 10 хв. (режим 2), вимірювання проведене за допомогою ВІМС


Як видно з результатів аналізів, одержаних за допомогою мікропучка протонів (ПІРВ, РЗР), при опроміненні дозою 2·10¹⁷ см^-2 утворюються локальні області з високою концентрацією Аl до 64% з розмірами близько 20 мкм, що мають овальну форму.





Рис. 2. Спектр ПІРВ для точок поверхні, виміряний у α-Fe, імплантованому Alⁿ⁺ дозою 5·10¹⁶ см^-2


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 радіуса l від зростання дислокаційної петлі в часі:


, (1)


де μ – модуль зміщення; b – вектор Бюргерса; D – коефіцієнт дифузії дефектів, що контролюють зростання петлі.

Для величин μ = 8,4·10¹⁰ Па та b = 10^-8см, характерних для ОЦК Fe, а також із експерименту l = 10^-3см; τ =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 5·10¹⁷ см^-2 в -Fe

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

Значно зменшується зношення і підвищується мікротвердість.

Четвертий розділ „Процеси перемішування і утворення алмазоподібного вуглецю при імпульсній високоінтенсивній імплантації іонів” містить результати, одержані за допомогою РЗР, ОЕС, AСM, раман-спектроскопії, ПЕМ з мікродифракцією на монокристалах Fe₅₄-Cr₂₀-Nі₁₆-Mn₁₀ (100) і (111), імплантованих іонами W енергією 40 кеВ і дозою 5·10^-16 cм^-2 з осадженням аморфної та алмазоподібної вуглецевої плівки.

При аналізі результатів дослідження розподілу іонів W, імплантованих у монокристали нержавіючої сталі Fe₅₄-Cr₂₀-Nі₁₆-Mn₁₀ 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 (1530см^-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 стосовно 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 2·10⁹см^-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 2·10¹⁷ см^-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)·10⁹ см^-2, роблячи висновок з ямок травлення, що містять частинки вторинних фаз (розшифрувати які не вдається через слабкий контраст рефлексів на мікроелектронограмі). 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 α-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 до 1,1 Дж/см² відбувається перемішування системи в рідкій і газоподібній фазах.

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

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 появою часток Fe₃C у процесі впливу ПІП. Під дією ПІП відбувається плавлення α-Fe, а Pb випаровується. Таким чином, Pb та Fe перемішуються у рідкій і газоподібній фазах (при осадженні з газоплазмового шару).





Рис. 4. Перетин оберненої гратки ГЦК площиною (111) ГЦК кристала:  - рефлекс фази Pb_x Fe_1-x;  – додатковий рефлекс із d = 0,225 нм (Fe₃C);  – матричний рефлекс

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.




Рис. 5. Енергетичні спектри резерфордівського зворотного розсіювання іонів Не^2+, виміряні для системи Fe/Pb/Fe: ▪- вихідний стан, ●- після впливу ПІП (С⁺ (30%), Н⁺ (70%)) з потоком енергії 9,510^-5 Дж/м², τ = 80нс, Е_ср≈300 кеВ (пучок протонів і вуглецю)

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 8·10¹⁵ см ^-2 до 8·10^17см ^-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 завдання.

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

1. Уперше за допомогою методів ВІМС, ЕРВІ, ОЕС досліджені 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.

3. Уперше за допомогою мікропучка протонів (ПІРВ, РЗР) вивчені й визначені розміри областей локалізації домішок (L≈20мкм) при імплантації іонів Al у залізо і досліджений процес сегрегації алюмінію.

4. Вивчено зміну форми енергетичних спектрів вторинних іонів (ЕРВІ) в умовах динамічного перемішування іонів Ta⁺ і Cu⁺ з поверхнею твердого тіла (алюмінію). Зміщення максимуму енергетичного розподілу невелике до 10 еВ у бік збільшеній енергії, збільшується ширина спектрів (20-25) еВ та з’являються декілька 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 стааановить 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, а система Au/Fe/Ni є основою для герконів і дозволяє 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. and 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 α-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. and Coat. Tech.-1998.-V.110.-Р. 35-39.

6. 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.

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. 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. 17-21 September, 2000. – Р. 221.

9. 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.

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 (ПІП). 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 α–Fe за допомогою мікропучка протонів (ПІРВ, РЗР). 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, 2007.

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 α–Fe с помощью микропучка протонов (ПИРИ, РОР). С помощью пучка медленных позитронов определены профили вакансионных дефектов после имплантации ионов Al в α-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 α – 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 (PIXE, RBS), the processes of Al ion segregation under high-intensity implantation into the α-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.