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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрофізики і радіаційних технологій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

01.04.07 - фізика твердого тіла

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

Марченко Іван Григорович

Харків 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” Національної академії наук України і у Науковому фізико-технологічному центрі Міністерства освіти і науки України і Національної академії наук України.

Науковий консультант: академік НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Неклюдов Іван Матвійович, Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, генеральний директор.

Офіційні опоненти:

член-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Клепіков Вячеслав Федорович, Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, директор;

доктор фізико-математичних наук, професор Фінкель Віталій Олександрович, Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, начальник лабораторії, відділ чистих металів, металофізики і технології нових матеріалів;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Покропивний Володимир Васильович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу теоретичних методів у фізичному матеріалознавстві.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 Пойда А.В.

Анотація

фізичний низькотемпературний приповерхневий шар

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.

Аннотация

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.

Annotation

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.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вивчення процесів зміни властивостей поверхні матеріалів під впливом атомних й іонних потоків є важливою проблемою фізики твердого тіла, що має велике фундаментальне й прикладне значення.

Великий внесок у дослідження структурних властивостей матеріалів, отриманих осадженням на поверхню атомних потоків, і в розвиток теорії цих процесів був внесений Л.С. Палатником, М.Я. Фуксом, В.М. Косевичем, П.Г. Черемским, В.В. Слезовим та ін. Б.А. Мовчан й А.В. Демчишин уперше встановили, що структура плівок, що одержуються, залежить від температури осадження T. Було показано, що для твердих тіл існують 3 температурні інтервали, що характеризуються різною структурою, розділені температурами T₁ та T₂, які визначаються температурою плавлення T_пл матеріалу, що наноситься. Для більшості матеріалів , а . Процеси утворення великих мікрокристалітів у зоні III (Т > T₂) пов'язують із об'ємною дифузією. Утворення стовпчастої структури в зоні II спричинене поверхневою самодифузією. Незважаючи на наявність великої кількості різних експериментальних даних, процеси утворення мікроструктури в області низькотемпературного осадження (Т < T₁) дотепер залишаються ще маловивченими.

Присутність в потоках, що осаджують, низькоенергетичної іонної компоненти істотно змінює структуру і властивості поверхневих шарів, що одержують. Змінюється їх щільність, внутрішні мікронапруження, мікроструктура. Високодозове опромінення приводить до зміни хімічного складу і мікроструктури матеріалу у приповерхневих шарах на глибині, яка істотно перевищує проективні пробіги іонів. Процеси, що призводять до цього фізичного явища, залишаються малодослідженими. Стан поверхні твердого тіла багато у чому визначає міцність, зносостійкість агрегатів і вузлів машин, їх довговічність, стійкість до агресивних середовищ і т.п. Впливаючи на поверхневі шари матеріалів пучками атомів й іонів, можна ефективно змінювати їх структуру, хімічний й фазовий склад, тим самим впливаючи на механічні, оптичні, магнітні, фрикційні та інші властивості оброблюваних виробів. Це визначає практичну значимість досліджень фізичних механізмів зміни приповерхневих шарів атомно-іонними потоками. Особливий інтерес для розробки нових способів поліпшення експлуатаційних характеристик виробів має зміна властивостей поверхні при низьких температурах. Атомно-іонний вплив на поверхню при температурах Т < T₁ дозволяє, з одного боку, одержувати поверхневі структури із властивостями, що істотно відрізняються від властивостей об'ємного матеріалу. З іншого боку, низькотемпературний атомно-іонний вплив дає можливість уникнути деградації об'ємних властивостей матеріалів і виробів, що робить цей напрямок особливо важливим у сучасних технологіях. У той же час, розробка нових методів створення поверхневих структур повинна опиратися на науковий прогноз, заснований на встановлених фізичних закономірностях процесів впливу атомно-іонних потоків на поверхневі шари матеріалів. У зв'язку з цим дослідження, спрямовані на вивчення процесів низькотемпературного структуроутворення в приповерхневих шарах твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків, особливо актуальні на цей час.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана протягом 1993-2006 р. у Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України та Науковому фізико-технологічному центрі МОН України відповідно до планових і конкурсних тем НДР:

1993-1996 рр. “Дослідження й розробки ННЦ ХФТІ в галузі атомної науки й техніки”, 1996-2000р. “Програма робіт з атомної науки й техніки Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”, реєстраційний номер 08.05-КМ/03-93 від 19.12.1996р.; “Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”, Розпорядження Кабінету міністрів від 13.09.2001 р. № 421-р, номер державної реєстрації - 080901UP009 від 08.10.2001р. У виконанні НДР, перерахованих вище, автор дисертації брав участь як виконавець. Дисертант був керівником таких тем: 4.2.6.38 “Аморфні конденсати” Державної науково-технічної програми № 4.2.6 “Одержання й застосування аморфних і мікрокристалічних матеріалів і сплавів”; “Математичне моделювання фізико-хімічних властивостей плівок, отриманих методом імплантаційно-стимульованого осадження”, номер держ. реєстрації 0102U000442, “Комп'ютерне моделювання стабільності багатошарових плівок, отриманих методом іонного осадження”, номер держ. реєстрації 0104U003152.

Мета й основні завдання дослідження. Метою даної роботи є вирішення проблеми встановлення закономірностей фізичних процесів низькотемпературного формування структури приповерхневих шарів твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

Встановити фізичні закономірності низькотемпературного формування структури поверхневих шарів ОЦК і ГЦК матеріалів, утворених з атомних потоків.

Визначити особливості процесів формування металевих поверхневих наноструктур при низькотемпературному осадженні атомних потоків на поверхню твердих інертних газів.

З'ясувати фізичні механізми низькоенергетичного іонного впливу на зміну властивостей приповерхневих шарів, що утворяться.

Вивчити вплив процесів високодозової іонної імплантації на зміну хімічного складу й дефектну структуру приповерхневих шарів.

Дослідити особливості процесів формування інтерфейсних шарів при іонно-стимульованому осадженні.

Створити багаторівневий комплекс математичних моделей для комп'ютерного моделювання процесів структуроутворення у приповерхневих шарах твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків.

Об'єкт дослідження: структура приповерхневих шарів твердих тіл, що утворюються при низькотемпературному впливі атомно-іонних потоків.

Предмет дослідження: процеси зміни морфології поверхні, утворення об'ємних і плоских дефектів, рухливості адатомів і кластерів, виникнення пористості і мікронапружень у приповерхневих шарах матеріалів.

Методи досліджень. Ефективними методами дослідження процесів у складних нерівноважних системах є різні методи комп'ютерного моделювання. Починаючи з робіт Дж. Виньярда, Г. Метью й Т. Лу, метод молекулярної динаміки, кінетичний метод Монте-Карло й ін., які ґрунтуються на добре встановлених фундаментальних фізичних законах, з успіхом використовують у фізиці твердого тіла. Метод парних зіткнень, що базується на роботах М. Робинсона, І. Торенса, Дж. Бирзака та ін., широко застосовують у фізиці радіаційних ушкоджень. Результати, отримані за допомогою методів комп'ютерного моделювання, допомогли виявити нові фізичні закономірності у фізиці конденсованого стану. Застосування методів комп'ютерного моделювання для дослідження фізичних процесів, що лежать на стику таких розділів фізики твердого тіла як фізика поверхні, фізика радіаційних ушкоджень, фізика плівок, має великий теоретичний і практичний інтерес.

У дисертаційній роботі використані: комп'ютерні моделі парних зіткнень для дослідження процесів радіаційного дефектоутворення, імплантації й розпилення; метод молекулярної динаміки для вивчення кінетичних явищ структуроутворення та виникнення об'ємних і плоских дефектів; кінетичний метод Монте-Карло для дослідження процесів зміни структури приповерхневих шарів; методи чисельного розв'язання систем диференціальних рівнянь для опису процесів дифузії й хімічної кінетики. Вірогідність використаних методів підтверджена відповідністю результатів комп'ютерного моделювання одержаним і наявним у науковій літературі експериментальним даним.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в ній вперше:

встановлено, що тривимірна наноструктура плівок ОЦК і ГЦК металів при низькотемпературному осадженні атомних потоків визначається процесами виникнення й розвитку морфологічної нестійкості на їх поверхні у 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).

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

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.

встановлено, що зміна величини й знака мікронапружень у зростаючих плівках при низькоенергетичному опроміненні власними іонами обумовлена процесами утворення кластерів міжвузлових атомів, що утворюються в результаті розвитку каскадів атом-атомних зіткнень. Розкрито кореляцію між щільністю плівок, одержаних з атомно-іонних потоків, їх мікроструктурою і виникаючими мікронапругами.

визначено основні фізичні закономірності формування структури металевих нанокластерів на буферному шарі твердого ксенону. Встановлено, що кластери міді з розміром більше критичного впроваджуються у підкладку ксенону, витісняючи його атоми на поверхню.

на основі аналізу наявних експериментальних даних і результатів проведених розрахунків високодозової низькоенергетичної імплантації іонів у мідь показано, що аномальне проникнення металевої домішки в зразки, яке у сотні разів перевищує проективний пробіг, може бути пояснено процесами радіаційно-прискореної дифузії міжвузлових атомів, що виникають внаслідок процесів взаємодії імплантованих іонів з решіткою твердого тіла.

визначено особливості процесів зміни структури й хімічного складу в інтерфейсних шарах Cr-N/Al. Показано, що перегини концентраційних кривих азоту на межі інтерфейсного шару плівки й підкладки викликані зміною проникаючої здатності іонів у різні матеріали.

доведено, що конкуренція процесів розпилення і дифузії приводить до існування інтервалу оптимальних значень іонного струму й енергії іонної обробки, у якій процес іонного азотування проводиться найбільш ефективно.

Практичне значення отриманих результатів.

Одержані в роботі результати розширюють уявлення про механізми структуроутворення при низькотемпературному осадженні атомно-іонних потоків і можуть бути використані при розробці теорії цих процесів. Дані про формування й рухливість нанокластерів можуть бути використані при розробці нових технологій створення наночіпів для впровадження у мікроелектроніці. Результати дослідження зміни хімічного складу в приповерхневій області матеріалів, що обробляють, залежно від щільності струму й енергії газових іонів дозволяють знаходити оптимальні режими атомно-іонної обробки, що підвищує експлуатаційні властивості виробів. Одержані результати щодо впливу іонів на наноструктуру приповерхневих шарів можуть бути використані при розробці нових технологій поліпшення експлуатаційних характеристик конструкційних матеріалів.

Розроблений комплекс комп'ютерних програм багаторівневого моделювання процесів у металах і сплавах дозволяє досліджувати процеси структуроутворення й прогнозувати поведінку матеріалу в приповерхневих шарах під впливом атомно-іонних пучків в інтервалі часу 10^-14 - 10⁵ с. Його використання дає можливість досліджувати динаміку зміни морфології поверхні, процесів формування мікроструктури поверхневих шарів, прогнозувати зміну дефектної структури й хімічного складу.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, викладені у дисертації, одержані автором особисто або під його керівництвом і за його визначальною участю. Автором дисертації був проведений аналіз наукової літератури, сформульовані мета і завдання дослідження. Він керував розробкою та створенням усього комплексу комп'ютерних програм моделювання процесів у приповерхневих шарах матеріалів під впливом атомно-іонних потоків. Більшість програм було створено безпосередньо автором дисертації. Ним було проведено математичне моделювання процесів низькотемпературного осадження, іонно-стимульованого вакуумного осадження, іонного азотування. Автором виконана обробка більшості одержаних результатів, здійснений їх аналіз, інтерпретація й узагальнення, сформульовані всі висновки, а також підготовлена до опублікування переважна більшість наукових праць. У дисертацію з написаних у співавторстві праць включені тільки результати, безпосередньо одержані її автором.

Апробація результатів роботи. Основні положення й результати, які викладені в дисертації, представлені і обговорені на таких наукових конференціях і семінарах:

V Російсько-Японський симпозіум з взаємодії швидких заряджених часток із твердим тілом, м. Бєлгород, вересень 1996 р.; XII International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, Marburg, Germany, September 9-14, 2001; International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, April 22-26, 2002; IV International Symposium “Ion Implantation and Other Application of Ions and Electrons”, Kasimierz Dolny, Poland, June 10-13, 2002; VIII International Conference on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, September 9-13, 2002; International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, USA, 28 April - 2 May, 2003; XIII International Summer School on Vacuum, Electron and Ion Technologies, Varna, Bulgaria15-19 September, 2003; XVI міжнародної конференції з фізики радіаційних явищ і радіаційного матеріалознавства, Алушта, Крим, 6-11 вересня 2004; XIV International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, Kusadasi, Turkey, September 4-9, 2005; International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, USA, May 2-6, 2005; VI International Conf. “Ion Implantation and Other Application of Ions and Electrons”, Kasimierz Doplny (Poland), 26-29 June 2006.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 44 наукових праць, у тому числі: 29 статей в спеціалізованих наукових виданнях, з них 5 - без співавторів, 1 препринт та 14 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів основного тексту з 160 рисунками, 11 таблицями й списку використаної літератури, що включає 331 найменування. Зміст роботи викладений на 323 сторінках (включаючи рисунки, таблиці й список використаних джерел). Об'єм основного тексту становить 291 сторінку.

2. Основний зміст роботи

У вступі розкрито стан проблеми, обраної для розв'язання, обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета й завдання дослідження, охарактеризовані наукова новизна й практичне значення одержаних результатів, визначений зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, викладено особистий внесок дисертанта в опублікованих у співавторстві працях, наведені дані щодо апробації результатів роботи.

У першому розділі “Вплив атомно-іонних потоків на властивості поверхневих шарів металів” наведений короткий історичний огляд праць, присвячених низькотемпературному осадженню плівок з атомних потоків і впливу іонного опромінення на поверхневі властивості матеріалів. Описано результати наявних експериментальних і теоретичних досліджень з впливу атомно-іонних потоків на фізичні властивості твердих тіл. Проведено критичний аналіз робіт, присвячених комп'ютерному моделюванню структурних властивостей матеріалів. Визначено особливості низькотемпературного осадження й виділений температурний інтервал проведених у дисертаційній роботі досліджень. Розглянуто експериментальні дані з формування мікроструктури плівок при фізичному вакуумному осадженні й молекулярно-променевій епітаксії. Наведено основні виявлені особливості впливу іонів на властивості плівок при термоіонному й іонно-стимульованому осадженні. Розглянуто наявні дані про особливості високодозового низькотемпературного іонного впливу на приповерхневі шари металів. У результаті проведеного аналізу наявних літературних даних зроблено висновок про актуальність дослідження особливостей фізичних процесів низькотемпературного структуроутворення приповерхневих шарів матеріалів під впливом атомно-іонних потоків із залученням методів математичного моделювання.

У другому розділі “Методи комп'ютерного моделювання процесів у приповерхневих шарах твердих тіл” розглянуто створений комплекс програм багаторівневого моделювання процесів структуроутворення в приповерхневих шарах твердих тіл під впливом атомно-іонних потоків, описана його структура, склад програмних модулів, а також взаємозв'язок різних складових частин. Описана програма моделювання осадження атомно-іонних потоків методом молекулярної динаміки (ММД). Розглянуто фізичні основи й область застосування методу молекулярної динаміки, проведений аналіз моделей міжатомної взаємодії й обґрунтований вибір використаних міжатомних потенціалів.

Описано розроблений новий метод аналізу атомної структури, який дозволяє окремо виділяти поверхневі атоми зовнішніх і внутрішніх поверхонь. Наведено опис основних алгоритмів, що використовували для аналізу атомної структури, визначення щільності приповерхневих шарів, внутрішніх мікронапружень та ін. Розглянуто основні фізичні принципи й алгоритми програми розрахунку імплантації, розпилення й дефектоутворення методом парних зіткнень. Проведено аналіз області застосування методу парних зіткнень при розгляді процесів атомно-іонного осадження, визначені рамки використання даного методу, описана структура програмних модулів. Викладено опис програми кінетичного методу Монте-Карло (КМК) для моделювання процесів зміни морфології поверхні а також розглянуті фізичні моделі, покладені в її основу. Обговорено основні параметри моделі. Наведено опис основних алгоритмів програми. Проведено аналіз методів чисельного розв'язку систем диференціальних рівнянь й описана структура комп'ютерної програми для їх розв'язку. Сформульовано основні фізичні уявлення, що враховують у моделях для дослідження процесів дифузії, імплантації, розпилення й утворення домішкових комплексів у приповерхневих шарах.

У третьому розділі “Фізичні механізми зміни наноструктури поверхневих шарів металів при низькотемпературному осадженні атомних потоків” наведені результати досліджень процесів формування поверхневих шарів при низькотемпературному осадженні металів з атомних потоків, а також розкритий взаємозв'язок між процесами морфологічної нестійкості поверхні, що формується при низькотемпературному осадженні, та об'ємною наноструктурою плівок і внутрішніми мікронапругами. В якості матеріалів для досліджень була обрана мідь, яка має ГЦК структуру і ніобій, який має ОЦК структуру. Вибір цих металів обумовлений наявністю експериментальних даних щодо зміни їх структурних властивостей у різних умовах осадження, а також привабливістю їх використання в електронних приладах і надпровідних вакуумних системах сучасних прискорювачів.

Результати комп'ютерних досліджень показали, що при низькотемпературному осадженні з парової фази на поверхні металів виникає морфологічна нестійкість, що надалі визначає об'ємну нанострутуру плівок. На рис. 1 наведена атомна структура поверхні плівки ніобію одержана методом молекулярної динаміки по закінченні часу t=10t_mono (t_mono відповідає часу, необхідному для повного заповнення одного атомного шару плівки, що осаджується). На рисунку присутні яри, витягнуті вздовж кристалографічного напрямку [001], які виникають на поверхні плівки і надалі трансформуються у мікротріщини. Досліджена зміна кореляційної функція висоти C (r,t), що є статистичною мірою зміни морфології поверхні, з часом осадження t:

(1)

де, вектор x визначає координати атомів, вектор R задає напрямок, а дужки означають усереднення по поверхневих атомах. На рис. 2 наведені результати, здобуті при моделюванні низькотемпературного осадження плівок ніобію з атомних потоків. Порожніми маркерами нанесені графіки функцій й у момент часу t=40t_mono уздовж векторів, паралельних ребрам розрахункової комірки. Видно, що поведінка функції C_x уздовж кристалографічного напрямку <100> й C_y уздовж <011> у ніобії якісно відрізняється. Функція має яскраво виражений максимум при нм, у той час як функція C_x є рівномірно убутною.

Морфологія статистично впорядкованої структури поверхні якісно характеризується кореляційною довжиною , котру зазвичай визначають як значення R першого максимуму кореляційної функції . На рис. 2 заповненими маркерами наведений графік C_y у момент часу t=20t_mono. Як витікає з рисунка, величина в інтервалі часу t=2040t_mono практично не змінилася. Це свідчить про те, що в матеріалах з ОЦК структурою уздовж напрямку <110>, на відміну від напрямку <100>, відразу після фази зародження спостерігається утворення корельованої структури з незмінним значенням .

У дисертаційній роботі досліджено динаміку зміни морфології поверхні, яка кількісно описується зміною у часі величини шорсткості W. Шорсткість плівки характеризувалася середньоквадратичним відхиленням координати поверхневих атомів від середнього значення :

, (2)

де підсумовування здійснюється за всіма поверхневими атомами. Результати комп'ютерного моделювання свідчать про те, що в ГЦК й ОЦК металах як розвиток шорсткості, так і зміна кількості поверхневих атомів добре описується лінійною залежністю. На рис. 3 показана зміна функції W для міді й ніобію від тривалості осадження. Як видно з рисунка, лінійна залежність спостерігається як для міді, так і для ніобію. Така залежність обумовлена розвитком морфологічної нестійкості на поверхні зростаючої плівки. Фізичні процеси, які відповідальні за утворення структури поверхневих шарів, характеризуються параметрами n і , що описують зміни у часі шорсткості та кореляційної довжини у моделі подоби, у якій представляється у такому вигляді:

, (3)

де g незалежна від часу масштабна функція, а і W мають такий вигляд: , . Відповідно до результатів моделювання були одержані такі значення параметрів: , а . Ці значення параметрів відповідають утворенню статистично впорядкованої структури наноблоків, розділених мікротріщинами зі стінками, що розвиваються перпендикулярно площині осадження.

Розвиток нестійкості на гладкій поверхні при низькотемпературному осадженні атомних потоків приводить до поглиблення згодом мікроярів, що утворилися, і їх трансформуванню у мікротріщини. Їх глибина згодом збільшується завдяки ефекту “атомного затінення” (викривленню траєкторії падаючих атомів у силовому полі поверхневих атомів), що приводить до екранування нижніх ділянок поверхні. Результатом конкуренції процесів “атомного затінення” і дифузійного згладжування нерівностей рельєфу поверхні є утворення на поверхні наноструктури з різною поверхневою щільністю мікротріщин. При рості плівки під мікротріщинами залишаються пухкі області, що складаються з вакансійних кластерів і дислокацій, які відокремлюють щільні мікрокристалічні зони. Розміри цих зон залежать від умов осадження. Наявність вакансійних кластерів приводить до зниження щільності плівок, що одержують. На рис. 4 показана динаміка зміни щільності плівки ніобію із часом. Як видно з рисунка на початкових етапах спостерігається лінійне зменшення щільності плівки. Згодом щільність плівки флуктує біля сталого стаціонарного значення.

Був досліджений розподіл вакансійних кластерів за розмірами. Результати комп'ютерного моделювання показують, що із часом розмір вакансійних кластерів зростає. Збільшення температури приводить до зменшення кількості вакансійних кластерів, що утворяться на місці мікротріщин на поверхні і відповідно до збільшення щільності плівок, що осаджують. У дисертаційній роботі вивчений вплив кристалічної структури на виникнення й розвиток морфологічної нестійкості. Показано, що у міді й ніобії розвиток поверхневої нестійкості приводить до виникнення різної об'ємної наноструктури. В ОЦК металах при осадженні на щільно упаковану площину (110) виникає структура наноблоків, витягнутих уздовж кристалографічного напрямку. У міді, яка має ГЦК структуру, наноструктура визначається виникненням області дефекту впакування. На рис. 5 показаний характерний вид атомної структури поперечного перерізу плівки міді. Видно виникнення дефекту впакування у площині осадження (на рис. 5 відзначено стрілками), а також виникнення вакансійних кластерів.

Корельоване залягання пор і вакансійних кластерів приводить до виникнення сильних внутрішніх мікронапружень у матеріалах. В ОЦК металах це приводить до виникнення анізотропії внутрішніх мікронапруг. На рис. 6 показаний розподіл усереднених внутрішніх мікронапружень і за товщиною зразка при t=39t_mono. Видно, що стягуючі напруги у два рази вищі за напруження . Це викликано переважним заляганням вакансійних комплексів у площинах XZ. Плівка сильніше розтягнута вздовж напрямку, перпендикулярного мікротріщинам, що виникли. Підвищення температури приводить до зміни внутрішніх мікронапружень, викликаних зміною мікроструктури плівки.

У четвертому розділі “Особливості формування наноструктури поверхневих шарів міді при низькотемпературному осадженні на підкладку твердого інертного газу” розглянуті особливості процесів утворення поверхневих структур при осадженні атомних потоків на поверхню твердого інертного газу. Як показали експериментальні дослідження, при осадженні пари металів на поверхню інертних газів можуть утворюватися структури об'ємних нанокластерів. Створення тривимірних нанокластеров металів на різних поверхнях напівпровідникових матеріалів є важливим завданням, що забезпечує подальший розвиток технології мініатюризації мікрочипів. Одним з методів одержання таких структур є технологія росту на буферному шарі (РБШ). Її суть полягає у тому, що метал, який випаровують, осаджується не безпосередньо на матеріал, а на буферний шар твердого інертного газу, попередньо нанесений на підкладку при низьких температурах (Т=20-50К). Осаджені атоми утворюють тривимірні кластери, які осідають на підкладку після випаровування інертного газу при нагріванні зразка.

Використовуючи розроблений у дисертації потенціал Cu-Xe, були проведені ММД розрахунки утворення металевих структур на поверхні (111) Xe. Результати моделювання показали, що в процесі осадження атомних потоків у результаті об'єднання адатомів на поверхні утворюються кластери міді. Кластери малих розмірів можуть ефективно мігрувати по поверхні твердого інертного газу й поєднуватися у більші тривимірні утворення. Нерухомими залишаються тільки комплекси металевих кластерів з поверхневими вакансіями. Показаний приклад результатів розрахунків структури, що виникла на поверхні Xe при осадженні 0,1 моношару міді (типової величини осадження для РБШ). На рисунку видно два великих металевих кластери, впроваджених у шар твердого ксенону. Ці кластери виникли у результаті злиття адатомів міді та кластерів менших розмірів. Великі металеві кластери оточені атомами ксенону, витиснутими з підкладки. Впроваджені кластери міді являють собою нерухомі зародки тривимірних металевих структур. На рисунку також присутні кластери менших розмірів, що утворюються при злитті окремих атомів міді, що мігрують по поверхні. Для вивчення процесів утворення металевих структур були проведені розрахунки атомної структури різних кластерів міді на поверхні інертного газу й одержані енергії їх утворення і зв'язку з поверхнею ксенону.

З використанням ММД моделювання були досліджені процеси поверхневої дифузії адатомів і кластерів міді різного розміру. Параметри дифузії кластерів по поверхні ксенону визначалися динамічним і статичним методами. Статичним методом досліджували величину енергетичного бар'єра при переході кластера з одного стану на поверхні ксенону у сусіднє, кристалографічно еквівалентне. Результати досліджень зміни енергії кластерів уздовж траєкторії руху дифузійного стрибка з однієї комірки в іншу представлені на рис. 8. Видно, що кластери міді до розміру в п'ять атомів мають енергію активації нижче 0,015еВ і можуть бути рухливі навіть при дуже низьких температурах.

Через те, що статичним методом не можна одержати значення передекспоненційного фактору коефіцієнта дифузії, дифузійну рухливість металевих кластерів також знаходили за динамічним методом, який заснований на відомому співвідношенні:

, (4)

яке пов'язує середньоквадратичний зсув мігруючої по площині частинки з часом дифузії t.

Були одержані дані за дифузійною рухливістю кластерів атомів міді по поверхні ксенону та встановлена добра узгодженість в енергіях активації адатома й діадатома міді, які отримано двома різними методами. Показано, що дифузія адатома й діадатома міді добре описується залежністю Ареніуса з енергіями активації міграції = 0,0073 еВ = 0,0135 еВ. Разом з тим температурну залежність міграції кластера Cu³ не вдалося описати цією залежністю. Встановлені величини коефіцієнтів дифузії адатома, діадатома й триадатома, обчислені динамічним методом, показують що рухливість не тільки адатома міді, але й ді- і триадатома дуже висока при низьких температурах. Це викликає необхідність обрахунку їх дифузії в теоретичних моделях, що описують процеси зародження й росту нанокластерів.

У процесі дослідження рухливості кластерів динамічним методом було встановлено, що при T=70K кластери з 4, 6 й 7 атомів впроваджуються в підкладку ксенону за час менший 3нс, витісняючи атом ксенону на поверхню. З ростом кластера він витісняє наступні атоми інертного газу з поверхні, створюючи навколо себе “шубу”. Проведені розрахунки енергії утворення комплексів металевих кластерів з поверхневою вакансією показують, що кластерам великого розміру енергетично вигідно витісняти поверхневі атоми ксенону й впроваджуватися у підкладку. Одержані результати дозволили пояснити наявні експериментальні дані щодо зміни спектрів рентгенівської фотоемісії від поверхні зразків залежно від часу осадження.

П'ятий розділ “Зміна властивостей приповерхневих шарів матеріалів при високодозовій імплантації іонів” присвячений дослідженню процесів, що відбуваються у приповерхневих шарах матеріалів, при імплантації металевих і газових іонів. Методами комп'ютерного моделювання були вивчені особливості формування приповерхневого шару в міді при високодозовому низькоенергетичному опроміненні іонами титану й алюмінію, а також проаналізовані одержані експериментальні дані з низькоенергетичної імплантації іонів, отриманих з дугових джерел. Встановлено, що впроваджені іони проникають углиб зразка на відстані, що значно перевищують проективний пробіг іонів. Так проективний пробіг іонів Ti з енергією 3 кеВ у міді, розрахований методом парних зіткнень, дає значення 3нм. У той же час, залежно від температури, іони титану проникають на глибини у десятки і сотні разів більше. Через те що рухливість домішки заміщення в матриці міді при температурах досліджень дуже мала, порівняння одержаних експериментальних даних з результатами моделювання дало можливість припустити наявність прискореної радіаційно-стимульованої дифузії імплантованих іонів. Для перевірки цієї гіпотези була створена комп'ютерна модель, що враховує процеси імплантації, розпилення і дифузії впровадженої домішки.

Енергія активації і передекспоненційний фактор були вільними параметрами моделі. Основне питання полягало в тім, чи можна пояснити аномально глибоке проникнення імплантованої домішки одним фізичним механізмом в інтервалі температур, що досліджувався. Наведені профілі залягання алюмінію у міді при різних температурах опромінення, одержані методом ядерних реакцій. Видно, що зі збільшенням температури алюміній інтенсивніше проникає в матрицю міді, істотно перевищуючи проективний пробіг іонів з енергією 3 кеВ.

Наведені результати комп'ютерного моделювання концентрації домішки, одержаної при значеннях D₀ і E_m, визначеними за методом припасування. Спостерігається добра узгодженність експериментальних даних з розрахунковими у всьому розглянутому температурному інтервалі. Значення енергії активації склало 0,12 еВ. Одержані результати показують, що експериментальні дані з аномально глибокого проникнення імплантованої домішки можуть бути пояснені радіаційно-прискореною дифузією домішки за міжвузловим механізмом з характерної для цього процесу енергією активації 0,12 еВ. Створення пухких поверхневих шарів металів важливе для формування високоефективних каталітичних і фрикційних змочуваних шарів. Такі шари можна одержувати шляхом іонної обробки інертними газами. З використанням методів комп'ютерного моделювання, був проведений аналіз експериментальних даних виходу зворотного Резерфордовского розсіювання канальованих іонів від зразків монокристалічного нікелю, опромінених іонами ксенону з енергією 630 кеВ до доз 5*10¹⁶ см^-2. В експериментах використовували пучок іонів гелію з енергією 1,6 МеВ і кутовою розбіжністю 0,03⁰.

У дисертаційній роботі був запропонований новий метод визначення типу й концентрації дефектів з дозових залежностей спектрів зворотного розсіювання канальованих часток, який полягає у використанні розрахованих ММД конфігурацій радіаційних дефектів з атомами ксенону і подальшому розрахунку за теорією Лінхарда виходу зворотно розсіяних канальованих частинок. При порівнянні з експериментальними даними, варійованими параметрами, що характеризують домішки, у цих розрахунках були тільки відносні концентрації різних ксенон-вакансійних комплексів. ММД розрахунки встановили, що впроваджений атом ксенону витісняє атом нікелю з вузла решітки й утворює із ним домішковий комплекс, однак така конфігурація виявляється термічно нестабільною. Порівняння результатів моделювання з експериментальними даними показало, що зміщення атомів Хе може бути пояснене утворенням ксенон-вакансійних комплексів. Були розраховані різні конфігурації домішкових комплексів заміщеного атома Хе з вакансіями та одержані величини атомного зміщення ксенону.

Під час розрахунку внеску кожного домішкового комплексу в нормований вихід назад розсіяних альфа часток ураховувалося те, що кристаллографічно еквівалентні конфігурації дефектів, по різному орієнтовані до напрямку пучка, можуть давати різний внесок у розсіювання. У розрахунках варіювалися концентрації різних домішково-вакансійних комплексів. Приклад проведених розрахунків для каналу показаний на рис. 10, де наведені експериментальні дані і результати розрахунків для вихідного й опроміненого нікелю. Подібні розрахунки були проведені також для каналів [110] й [111] для різних доз опромінення. Одержане у роботі добре узгодження експериментальних даних для різних кристалографічних каналів з результатами моделювання при певних концентраціях дефектів дає можливість зробити висновки про відсутність термічно стабільних комплексів міжвузлових атомів з інертним газом і про утворення зі збільшенням дози опромінення домішково-вакансійних комплексів, які є зародками газонаповнених пор.

Азотування поверхневих шарів металів традиційно використовують для поліпшення властивостей конструкційних матеріалів. Використання іонів азоту для створення азотованих шарів дозволяє зменшити час і температуру обробки, уникнути фазових перетворень, що призводять до деградації властивостей об'ємного матеріалу. Низькоенергетична високодозова імплантація дозволяє істотно збільшити твердість і зносостійкість поверхні за рахунок створення товстих азотованих шарів, у той же час механізми формування таких шарів не були до кінця зрозумілі. Було створено математичну модель і проведено комп'ютерне моделювання іонного азотування як у залізі, так і його сплавах. Було одержано залежність концентрації азоту при його високодозовій імплантації в залізо від енергії падаючих іонів і часу обробки. Встановлено, що процес іонної обробки, який використовують у технологіях іонного азотування, відбувається у нестаціонарній фазі.

При розробці моделі іонного азотування в сплавах ураховували процеси імплантації, створення домішкових комплексів, розпилення і дифузії. Було проведено розрахунки для аустенітних сталей з урахуванням утворення комплексів азоту з атомами хрому. У рухомій системі координат, пов'язаній з поверхнею матеріалу, який опромінювали, зміну концентрації азоту описували такою системою рівнянь:

, (5)

де c₁ - концентрація вільних атомів азоту, c_p - концентрація комплексів азоту з атомами розчиненого компонента, D - коефіцієнт дифузії азоту в матеріалі, G(x) - профіль швидкості імплантації іонів азоту, і характеризують ефективність створення й термічного розпаду домішкових комплексів. При розрахунках приймали, що домішкові атоми хрому рівномірно розподілені за об'ємом матеріалу з деякою щільністю .

Результати комп'ютерного моделювання іонного азотування аустенітних сталей показали добру узгодженість з наявними експериментальними даними і відбивали особливості процесів формування азотованих шарів у сплавах. Відзначені експериментальні дані з іонного азотування аустенітної сталі AISI 304L, що містить 20% Cr, а суцільною кривою - результати комп'ютерних розрахунків. Як було показано, важливу роль у розподілі азоту за глибиною матеріалу, який оброблювали, відіграють атоми хрому, що утворюють комплекси з атомами азоту. Позначені парціальні концентрації вільно мігруючого азоту і азоту, що утримується в комплексах з атомом хрому. Як видно з рисунка, різке падіння концентрації азоту на фронті азотованого шару викликане насиченням домішкових комплексів.

У роботі досліджено вплив параметрів іонного опромінення і температурних режимів обробки на зміну розподілу азоту в сплавах. Наведені дані комп'ютерних розрахунків концентрації азоту в аустенітній сталі при різних значеннях щільності іонного струму при фіксованій енергії іонів 1 кеВ. Як видно з рисунка, при j = 0,2 мА/см² азот проникає на глибину до 3000 нм, однак концентрація його невелика. Збільшення щільності іонного струму (див. j = 5 мА/см²) призводить до збільшення концентрації азоту в азотованому шарі, однак при цьому зменшується глибина проникнення азоту. Наведені графіки відбивають конкуренцію двох процесів: проникнення азоту за рахунок дифузії й зменшення глибини його залягання за рахунок процесів розпилення. Ця конкуренція приводить до виникнення оптимального значення іонного струму, що відповідає максимальному впровадженню азоту в зразок при фіксованому часі обробки. Зменшення або збільшення іонного струму приводить до зменшення ефективності процесу азотування. Дослідження залежності кількості азоту, імплантованого в матеріал, показали, що оптимальне значення іонного струму змінюється з температурою обробки. Підвищення температури приводить до зсуву максимуму у бік більших значень іонного струму.

У розділі 6 “Фізичні механізми зміни наноструктури поверхневих шарів металів при атомно-іонному низькотемпературному осадженні” наведено результати досліджень впливу низькоенергетичного опромінення власними іонами на формування наноструктури в металах із ГЦК й ОЦК структурою. Було проведено ММД моделювання утворення структури плівок міді і ніобію при осадженні атомно-іонних потоків. Традиційно при проведенні експериментів з впливу опромінення на структуру шарів, що осаджуються, прийнято порівнювати результати, одержані для зразків у тих самих умовах при осадженні атомних і атомно-іонних потоків. При цьому можна констатувати лише фінальний результат процесів, що відбулися. Через те, що метод молекулярної динаміки дозволяє на атомарному рівні розглядати швидко протікаючі процеси, використовуючи методику послідовного осадження, можна відповісти на запитання: які процеси призводять до зміни структури поверхневих шарів? Методично таке дослідження полягало у моделюванні спочатку атомного осадження плівки, а потім дослідженні перехідних процесів при осадженні на цю ж плівку атомно-іонного потоку.

Незаповненими маркерами наведена кореляційна функція висоти C_y плівки ніобію, осадженої з атомних потоків, заповненими квадратними маркерами показана зміна функції C_y при моделюванні подальшого осадження атомно-іонного потоку після часу 2t_mono, а круглими - після 10t_mono. Як видно з рисунка, присутність в потоках, що осаджують, іонів призводить спочатку до зменшення максимуму , а потім і до повного його зникнення. Таким чином, іони перешкоджають виникненню на поверхні плівки корельованої структури, блокуючи механізм утворення мікротріщин і виникнення наноблоків. Як відомо, однією із причин виникнення нестійкості при осадженні плівок є наявність бар'єрів Эрліха-Швобеля.

Це енергія, яка необхідна атому для здійснення термічно активованого перескоку з верхньої атомної тераси на нижню. Опромінення плівки, що осаджується, низькоенергетичними іонами приводить до зростання частоти переходу атомів між терасами атермічним образом у процесі нерівноважної стадії каскаду атом-атомних зіткнень. Було встановлено, що ймовірність атомних переміщень між атомними шарами зростає в декілька разів. Збільшення рухливості атомів між шарами приводить до згладжування поверхні й до зменшення кількості поверхневих атомів. Було показано, що основним механізмом впливу низькоенергетичного опромінення на структуру плівок є блокування утворення коррельованої структури мікротріщин внаслідок зростання частоти атомних переходів між терасами.

Викликана іонним опроміненням зміна морфології поверхні призводила до зміни об'ємних властивостей плівок, що одержували, зокрема, до зміни щільності приповерхневих шарів. Незаповненими трикутними маркерами наведена зміна по глибині щільності плівки міді, осадженої з атомного потоку, а квадратними заповненими - щільність плівки, одержаної наступним нанесенням атомно-іонного потоку. Енергія власних іонів становила 100 еВ, їх концентрація - 10%. Для порівняння квадратними незаповненими маркерами наведені значення відношення при подальшому атомному осадженні без участі іонів. Щільність атомарно осадженої плівки менша, ніж щільність масивної міді на 15%, а при атомно-іонному осадженні щільність знову нанесених шарів підвищується, досягаючи щільності масивного матеріалу. У дисертації була досліджена роль міжвузлових атомів, які утворюються при передачі атомам плівки кінетичної енергії, більшої, ніж гранична енергія зсуву E_d. У результаті цього процесу створюються пари Френкеля. Було встановлено, що виникнення міжвузлових атомів приводить до зміни об'ємної структури плівки. У процесі моделювання термоіонного осадження плівки ніобію спостерігалося утворення комплексів із шести й більше міжвузлових атомів. Такі комплекси дефектів зростаючи можуть утворювати міжвузельні дислокаційні петлі. Результати досліджень дозволили пояснити експериментальні факти виникнення дислокаційних петель при атомно-іонному осадженні.