Процеси низькотемпературного структуроутворення у приповерхневих шарах твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків

У процесі моделювання проводили перерахунок по шарах атомної щільності плівки й підкладки з урахуванням їх можливого фазового складу. Властивості іонного джерела установки Арго-1 відтворювали шляхом розрахунку лінійної суперпозиції потоків 30 й 15 кеВ із урахуванням процентного складу молекул й атомів азоту. Зі збільшенням товщини плівки змінювався вид профілю імплантації азоту в системі. На рис. 17 показано вид розрахованих профілів імплантації іонів азоту у плівці й алюмінієвій підкладці. Як видно з рисунка, профіль залягання іонів істотно відрізняється у матриці і плівці. Це приводило до особливостей у розподілі концентрації азоту в зразках.

Здійснено порівняння результатів комп'ютерного моделювання ІСО хрому на алюмінієву підкладку із даними експериментів. На рис. 18 представлено результати моделювання й експериментальні дані, одержані методом ВІМС (нанесені маркерами), зі зміни відносної концентрації азоту в алюмінієвій підкладці й плівці Cr-N. Маркерами позначені експериментальні дані, а пунктирною лінією - результати комп'ютерного моделювання. Ліва вісь ординат відноситься до розрахункових даних. Негативні величини товщини відповідають підкладці. Щільність іонного струму - 25 мкА/см2, швидкість осадження 0,1 нм/с, температура - 300оС. Як видно з рисунка, комп'ютерне моделювання добре узгоджується з експериментальними результатами.

У дисертаційній роботі встановлені особливості в розподілі азоту на границі підкладка-плівка. Показано, що перегини в графіках концентраційних кривих на границі плівка - підкладка при низьких температурах, пов'язані з різницею у процесах імплантації іонів азоту в хром й алюміній.

Проведені дослідження продемонстрували можливість використання методів комп'ютерного моделювання для прогнозування хімічного складу й структури плівок, одержуваних методом іонно-стимульованого осадження в багатошарових системах.

Висновки

У результаті проведених досліджень вирішено проблему встановлення закономірностей фізичних процесів низькотемпературного формування структури приповерхневих шарів твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків.

Основні наукові й практичні результати можна сформулювати у вигляді таких висновків.

1. Встановлено, що тривимірна наноструктура плівок ОЦК і ГЦК металів при низькотемпературному осадженні атомних потоків визначається процесами виникнення і розвитку морфологічної нестійкості на їх поверхні в процесі росту. Шляхом аналізу результатів комп'ютерного моделювання росту плівок знайдений взаємозв'язок між зміною величин, що характеризують структуру поверхні (шорсткість, кореляційна функція висоти) і зміною об'ємних характеристик плівок (щільність, внутрішні мікронапруги, дефектна структура) у металах з ОЦК і ГЦК структурою.

2. Розкрито роль кристалографічної структури матеріалів, що осаджуються, у процесах утворення морфології поверхні, методами комп'ютерного моделювання виявлено ефект дислокаційно індукованої атермічної коалесценції у ГЦК металах.

3. Показано, що низькотемпературне іонне ущільнення при низьких енергіях іонів в основному визначається блокуванням механізму утворення впорядкованої структури наноблоків шляхом збільшення частоти переходів атомів між терасами й атомними шарами.

4. Встановлено, що зміну величини і знака мікронапружень у зростаючих плівках при низькоенергетичному опроміненні обумовлено процесами утворенням кластерів міжвузлових атомів, що утворюються у результаті розвитку каскадів атом-атомних зіткнень. Розкрито кореляцію між щільністю плівок, одержаних з атомно-іонних потоків, їх мікроструктурою й мікронапругами, що виникають.

5. Визначено основні фізичні закономірності процесів формування металевих нанокластерів на буферному шарі інертних газів при осадженні атомних потоків. Методами комп'ютерного моделювання розраховано енергії утворення дефектів, які складаються з поверхневих вакансій і нанокластерів міді, а також коефіцієнти дифузії металевих кластерів на буферному шарі твердого інертного газу. Встановлено, що кластери міді, за розміром більші критичного, впроваджуються в підкладку ксенону, витісняючи атоми ксенону на поверхню.

6. Показано, що зміна структури приповерхневих областей металів при високодозовій низькоенергетичній імплантації іонів, пов'язана з аномально глибоким проникненням домішки в зразки, яке у сотні разів перевищує проективний пробіг, може бути пояснена процесами радіаційно-прискореної дифузії.

7. За допомогою нового запропонованого методу визначення типу і концентрації дефектів за дозовими залежностями спектрів зворотнього розсіювання канальованих часток показано, що утворення дефектної структури металів при імплантації інертних газів пов'язане із процесами росту домішково-вакансійних комплексів.

8. Встановлено, що утворення нітридних шарів при іонному азотуванні визначається конкуренцією процесів розпилення й термічної дифузії атомів азоту. Це приводить до існування області значень іонного струму й енергії іонної обробки, для яких процес іонного азотування проводиться найбільше ефективно.

9. Визначено основні закономірності процесів формування приповерхневих шарів при іонно-стимульованому осадженні. Показано можливість прогнозування властивостей шаруватих матеріалів, одержаних методом іонно-стимульованого осадження.

Виявлені в дисертації нові механізми структуроутворення, пов'язані з виникненням і розвитком нестійкості на поверхні твердих тіл при низькотемпературному осадженні атомно-іонних потоків, доповнюють фізичну картину процесів утворення структури матеріалів і дають передумови для розвитку теорії цих явищ а також стимулюють проведення нових експериментальних досліджень.

Одержані в дисертаційній роботі наукові результати важливі для прогнозування зміни фізичних властивостей поверхні й розробки нових технологій цілеспрямованого поліпшення властивостей матеріалів.

Основні результати дисертації опубліковані у роботах

1. Safonov V.I., Marchenko I.G. Ti and Al layers formation during low energy ion-plasma treatment of copper // Surface and Coatings Technology.-2002.- Vol. 158-159.- P. 105-107.

2. Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Production of Cr-N films by ion beam-assisted deposition technology: experiment and computer simulation // Surface and Coatings Technology.-2003.- Vol. 163-164.- P. 286-292.

3. Bendikov V.I., Guglya A.G., Marchenko I.G., Malykhin D.G., Neklyudov I.M. Mechanisms of forming the Cr-N composite in the unsteady-state stage of ion beam-assisted deposition process // Vacuum.-2003.- Vol. 70.- P. 331-337.

4. Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Chromium film deposition stimulated by nitrogen ion implantation with energies up to 30 keV // Surface and Coatings Technology.-2003.- Vol. 173-174.- P. 1248-1252.

5. 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.- P. 299-302.

6. Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Physical mechanism of forming the microstructure of niobium films under low-temperature ion-atomic deposition // Functional Materials-2006.- Vol. 13-. P. 227-232.

7. Marchenko I.G., Guglya A.G. Computer Simulation of Transient Layer Chemical Composition in Cr-N Films Obtained by Ion Beam Asisted Deposition // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2001.- №4.- С. 137-139.

8. Safonov V.I., Marchenko I.G., Kartmazov G.N., Neklyudov I.M., Dikiy N.I. High dose low temperature Ti and Al implantation in metals // Surface and Coatings Technology.-2003.- Vol. 173-174.- P. 1260-1263.

9. Неклюдов И.М., Толстолуцкая Г.Д., Марченко И.Г., Рыбалко В.Ф., Копанец И.Е., Камышанченко Н.В. Исследование процессов взаимодействия точечных дефектов с иплантированными примесными атомами методом каналирования // Научные ведомости. Белгородский государственный университет.- 1997.- №2 (5).- С. 54-65.

10. Марченко И.Г., Сафонов В.И., Картмазов Г.Н., Дикий Н.И. Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2000.-№.4.- С. 182-184.

11. Гугля А.Г., Марченко И.Г. Моделирование химического состава пленок Cr-N, получаемых с помощью технологии имплантационно-стимулированного осаждения // Научные ведомости. Белгородский государственный университет. Сер.: Физика.- 2001.-№2(15).- С. 7-12.

12. Марченко И.Г., Гугля А.Г., Неклюдов И.М. Компьютерное моделирование образования азотированных слоев в железе при высокодозной ионной имплантации // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.-2002.- №548, вип. 1(17).- С. 48-52.

13. Гугля А.Г., Малыхин Д.Г., Марченко И.Г., Неклюдов И.М.. Методические аспекты формирования двухкомпонентных материалов с использованием имплантационно-стимулирующей технологии // Металлофизика и новейшие технологии.- 2002.- №9.- C. 1295-1304.

14. Бондаренко В.Н., Гончаров А.В., Гугля А.Г., Карнаухов И.М., Марченко И.Г., Пистряк В.М., Сухостовец В.И. Применение методов ядерного микроанализа для исследования тонких CrN пленок, полученных ионно-имплантационным стимулированным осаждением // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.-2003.- №585, вип. 1 (21).- С. 93-97.

15. Василенко Р.Л., Гугля А.Г., Марченко И.Г., Марченко Ю.А., Неклюдов И.М. Влияние температуры и вакуумных условий на структуру Cr-N покрытия, осаждаемого при стимулированном облучении ионами азота // Физика и химия обработки материалов.- 2003.- №6.- С. 34-39.

16. Марченко И.Г., Марченко И.И., Неклюдов И.М. Определение атомной структуры поверхности тонких пленок в методе молекулярной динамики // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2004.- №3 (85).- C. 26-30.

17. Марченко И.Г., Марченко И.И., Неклюдов И.М. Компьютерное моделирование вакуумного осаждения пленок ниобия // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2004.- №628, вип. 2 (24).- С. 93-98.

18. Марченко И.Г., Чишкала А.В., Неклюдов И.М Математическое моделирование ионного уплотнения пленок ниобия // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2004.- №642, вип. 3 (25).- С. 53-58.

19. Марченко И.Г., Марченко И.И., Гугля А.Г., Неклюдов И.М. Компьютерное моделирование ионного азотирования аустенитных сталей // Физика и химия обработки материалов.- 2005.- №1.- С. 56-60.

20. Марченко И.Г. Моделирование осаждения пленок в условиях существенной поверхностной диффузии // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2005.- №657, вип. 1 (26).- С. 73-76.

21. Марченко И.Г. Влияние ионного облучения на внутренние микронапряжения в пленках ниобия. Компьютерное моделирование // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2005.- №664.- вип. 2 (27).- С. 83-86.

22. Марченко И.Г., Неклюдов И.М. Компьютерное моделирование формирования наноструктуры пленок ниобия при низкотемпературном вакуумном осаждении // Доповіді НАНУ.- 2005.- №8.- С. 100-105.

23. Марченко И.Г. Кинетика формирования пористости в тонких пленках ниобия при низкотемпературном осаждении // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2005.- №710, вип. 3 (28).- С. 109-112.

24. Марченко И.Г., Неклюдов И.М Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005.- №3(86).- С. 185-187.

25. Марченко И.Г. Образование наноструктуры тонких пленок меди при низкотемпературном осаждении // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2006.- №721, вип. 1 (29).- C. 73-78.

26. Марченко И.Г. Механизмы формирования микроструктуры пленок тугоплавких металлов при низкотемпературном атомном осаждении // Металлофиз. новейшие технол.- 2006.-№ 4.- С. 481-493.

27. Марченко И.Г., Марченко И.И., Неклюдов И.М. Высокодозовая низкоэнергетическая ионная имплантация азота в сплавах // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2006.- №4(89).- С. 182-184 .

28. Марченко И.Г., Неклюдов И.М. Исследование подвижности малых кластеров меди на буферном слое Xe при температурах 30-70К // Физика низких температур.- 2006.-32 №10 .- С. 1262-1266.

29. Марченко И.Г., Неклюдов И.М. Особенности начальной стадии формирования структуры тонких пленок меди в первой температурной зоне осаждения // Вісник Харківського національного університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2006.- №732, вип. 2 (30).- C. 67-72.

30. Марченко И.Г., Павленко В.И. Программа SPURT.MP: моделирование процессов взаимодействия ионов с многокомпонентной мишенью // Препринт. Харьков: ХФТИ АН УССР 2006-3, 2006, с. 36.

31. Safonov V.I., Marchenko I.G., Dikiy N.I. The Ti and Al Layer Formation During Low Energy Ion-Plasma Treatment of Copper // 12 International Conf. on Surface Modification of Materials by Ion Beams: Abstract, Marburg (Germany), 9-14 September 2001.- Marburg, 2001.- P. O12.

32. Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M., Malykhin D.G. Production of Cr-N Films by Ion Beam-Assisted Deposition Technology: Experiment and Computer Simulation // International Conf. on Metallurgical Coatings and Thin Films: Abstracts, San Diego, 22-26 April 2002.- San Diego, 2002.- P. 84.

33. Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M., Malykhin D.G. The mechanism of forming he Cr-N composite at unsteady-state stage of ion-beam assisted deposition process // Abstracts IV International Symp. “Ion Implantation and Other Application of Ions and Electrons”, Kasimierz Doplny (Poland), 10-13 June 2002.- Lublin, 2002.- P. 119.

34. 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.

35. Safonov V.I., Marchenko I.G., Kartmasov G.N., Neklyudov I.M., Dikiy N.I. High Dose Low Temperature Ti Implantation in Metals // Abstracts VIII International Conf. on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, 9-13 September 2002.- Dusseldorf, 2002.- P. 479.

36. Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Chromium Films Deposition Stimulated by Nitrogen Ions Implantation with Energies up to 30 keV // Abstracts VIII International Conf. on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, 9-13 September 2002.- Dusseldorf, 2002.- P. 476.

37. Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Computer Simulation of Nitide Layers Formation in Fe under the Low Energy High Dose Ion Implantation // Abstracts VIII International Conf. on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, 9-13 September 2002.- Dusseldorf, 2002.- P. 45.

38. Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Radiation Induced Processes in Surface Ion Treatment Technologies // International Conf. on Metallurgical Coatings and Thin Films: Abstracts, San Diego (USA), 28April -2May 2003.- San Diego, 2003.- P. 16.

39. Goncharov A.V. , Guglya A. G., Marchenko I.G., Malykhin D.G., Neklyudov I.M., Virich V.D. Distribution of Nitrogen in Specimens Obtained by Ion Beam Assisted Deposition of Cr-N Films on Al Substrate // Thirting International Summer School on Vacuum, Electron and Ion Technologies: Abstracts, Varna (Bulgaria) 15-19 September 2003.- Varna, 2003.- P. 68-69.

40. Марченко И.Г., Марченко И.И., Чишкала А.В., Неклюдов И.М. Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия // Тр. XVI Междунар. Конф. по физике радиацион. явлений и радиацион. материаловедению, г. Алушта, 6-11 сент. 2004.- Харьков, 2004.- С. 332-333.

41. Марченко И.Г., Марченко И.И., Неклюдов И.М. Высокодозовая низкоэнергетическая ионная имплантация азота в сплавах // Тр. XVI Междунар. Конф. по физике радиацион. явлений и радиацион. материаловедению, г. Алушта, 6-11 сент. 2004.- Харьков, 2004.- С. 334-335.

42. Marchenko I.I., Marchenko I.G., Mazmanishvili A.S. The study of the ifluence of the parameters of ion irradiation on the characteristics of nitride it is layer in austenitic steels by the methods of the computer simulation // 14 International Conf. on Surface Modification of Materials by Ion Beams: Abstracts, Kusadasi (Turkey) 4-9 September, 2005.-Istambul, 2005.- P. 269.

43. Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Mechanisms of Forming the Microstructure of Niobium Films under Ion-Atomic Deposition // International Conf. on Metallurgical Coatings and Thin Films: Abstracts, San Diego (USA), 2-6 May 2005.- San Diego, 2005.- P. 67-68.

44. Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Physical mechanisms of nanostructure formation in metal films under low temperature ion-atomic deposition // Abstracts VI International Conf. “Ion Implantation and Other Application of Ions and Electrons”, Kasimierz Doplny (Poland), 26-29 June 2006.- Lublin, 2006.- P. 160.

Марченко І.Г. Процеси низькотемпературного структуроутворення у приповерхневих шарах твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, м. Харків, Україна, 2007.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей фізичних процесів низькотемпературного формування структури приповерхніх шарів твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків.

Методами комп'ютерного моделювання досліджені закономірності формування приповерхніх шарів, отриманих осадженням з атомних та іонних потоків. Встановлено, що при низькотемпературному осадженні наноструктура тонких шарів металів визначається процесами виникнення і розвитку морфологічної нестійкості на поверхні плівки у процесі її росту.

Вивчено вплив низькоенергетичного опромінення власними іонами на морфологію поверхні й об'ємну мікроструктуру плівок міді і ніобію. Встановлено, що зміна величини і знака мікронапруг у зростаючих плівках під опроміненням обумовлена утворенням кластерів міжвузельних атомів, що виникають у результаті розвитку каскадів атом-атомних зіткнень.

Методами комп'ютерного моделювання встановлено особливості процесів формування поверхневих шарів при імплантації металевих і газових іонів, а також при іонно-стимульованому осадженні. Встановлено, що існує область значень іонного струму та енергії іонної обробки, для яких процес іонного азотування проводиться найбільш ефективно.

Ключові слова: структура поверхні, атомно-іонні потоки, комп'ютерне моделювання.

Процессы низкотемпературного структурообразования в приповерхностных слоях твердых тел. Под воздействием атомно-ионных потоков.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины, г. Харьков, Украина, 2007.

Диссертация посвящена установлению закономерностей физических процессов низкотемпературного формирования структуры приповерхностных слоев твердых тел под воздействием атомно-ионных потоков.

Методами компьютерного моделирования исследованы закономерности формирования приповерхностных слоев, полученных осаждением из атомных потоков. Установлено, что при низкотемпературном осаждении наноструктура тонких слоев металлов определяется процессами возникновения и развития морфологической неустойчивости на поверхности пленки в процессе ее роста. Найдена взаимосвязь между изменением величин, характеризующих структуру поверхности (шероховатость, корреляционная функция высоты) и изменением объемных характеристик пленок (плотность, внутренние микронапряжения, дефектная структура) в металлах с ОЦК и ГЦК структурой.

Определены основные физические закономерности формирования металлических нанокластеров на буферном слое твердых инертных газов. Методами компьютерного моделирования рассчитаны энергии образования дефектов, состоящих из поверхностных вакансий и нанокластеров меди, а также коэффициенты диффузии металлических кластеров на буферном слое твердого инертного газа.

Изучено влияние низкоэнергетического облучения собственными ионами на морфологию поверхности и объемную микроструктуру пленок ниобия и меди. Показано, что низкотемпературное ионное уплотнение металлов при низких энергиях ионов в основном определяется механизмом блокирования образования упорядоченной структуры наноблоков. Установлено, что изменение величины и знака микронапряжений в растущих пленках под облучением обусловлено образованием кластеров междоузельных атомов, образующихся в результате развития каскадов атом-атомных столкновений.

Методами компьютерного моделирования изучены особенности формирования поверхностных слоев при имплантации металлических и газовых ионов. Показано, что аномально глубокое проникновение примеси в образец (в сотни раз превышающее проективный пробег) может быть объяснено радиационно-ускоренной диффузией имплантированных междоузельных атомов.

С помощью разработанной компьютерной модели ионного азотирования бинарных сплавов проведены расчеты образования нитридных слоев в аустенитных сталях. Показано, что существуют области таких значений ионного тока и энергии ионной обработки, в которых процесс ионного азотирования проводится наиболее эффективно.

Разработана компьютерная модель стимулированного ионного осаждения с учетом процессов распыления, имплантации и диффузии. Рассчитаны изменения концентрации азота в растущей пленке Cr-N и алюминиевой подложке в зависимости от энергии ионов и температуры образца. Определена толщина интерфейсного слоя между пленкой и подложкой в зависимости от условий облучения.

Ключевые слова: структура поверхности, атомно-ионные потоки, компьютерное моделирование.

Marchenko I.G. Processes of low-temperature structure formation in the near-surface layers of solids under action of atomic-ion fluxes. - Manuscript.

The thesis for a degree of Doctor in Physics and Mathematics on speciality 01.04.07 - Solid-State Physics. - The Institute of Electrophysics & Radiation Technologies, NAS of Ukraine, Kharkov, Ukraine, 2007.

The dissertation is devoted to determining the mechanisms of the physical processes taking place in the low-temperature structure formation of near-surface layers of solids under action of atomic-ion fluxes.

The computer simulation methods were applied to study the mechanisms of near-surface layer formation by deposition from atomic and ion fluxes. It has been established that the nanostructure of thin metal layers formed by low-temperature deposition is determined by the processes of the morphological instability appearance and development on the growing film surface.

The influence of the low-energy irradiation with proper ions on the surface morphology and bulk microstructure of copper and niobium films was studied. It has been found, that the change of the value and the sign of the microstresses in the growing films under irradiation is caused by the creation of clusters of interstitial atoms formed as a result of the development of atom-atom collision cascades.

By the methods of computer simulation studied were the peculiarities of the processes of surface layer formation by implantation of metal and gas ions, as well as, by ion-beam assisted deposition. It turned out that there is the region of ion current and ion-treatment energy values where the ion nitriding process can be performed most effectively.

Key words: surface structure, atomic-ion flux, computer simulation.

Размещено на Allbest.ru