Введение к работе
з
Актуальность темы. Композиционные (многокомпонентные) наноструктурные покрытия, в том числе и покрытия на основе оксидов металлов, представляют собой одно из наиболее перспективных направлений модификации поверхностных свойств различных материалов. Известным и очевидным преимуществом композиционных покрытий является возможность направленного изменения их свойств и параметров за счет варьирования составом покрытия и соотношением входящих в него компонентов.
Интенсивное развитие технологий нанесения оксидных композиционных покрытий ионно-плазменными методами требует дальнейшего развития существующих напылительных систем и создания принципиально новых устройств. Такие устройства должны обладать более широкими функциональными возможностями и обеспечивать в кислородосодержащей среде устойчивость работы и стабильность параметров. Традиционно для получения композиционных оксидных покрытий применяют системы на основе магнетронного разряда или на основе вакуумной дуги. При этом используют либо несколько отдельных напылительных устройств, каждый из которых обеспечивает определенный элемент напыляемого покрытия, либо один распылитель с композитным катодом. Напылительная система, включающая несколько разрядных устройств, позволяет контролировать рост покрытия и регулировать соотношение компонентов во время напыления. Однако такой способ синтеза композиционных покрытий требует сложного и нестандартного оборудования. Задача упрощается, если распыляемый электрод выполнен из композиционного материала, соотношение компонентов которого соответствует требуемому составу покрытия. Но в этом случае любое изменение состава формируемого покрытия требует замены распыляемой мишени.
Известными недостатками магнетронных распылительных систем являются неравномерная выработка катодов и нестабильные параметры разряда
4 при работе в атмосфере кислорода, что связано с образованием на поверхности катода оксидной пленки. Принципиальной проблемой устройств на основе вакуумной дуги является наличие в плазменном потоке так называемой "капельной" фракции. Использование в вакуумно-дуговых источниках специальных фильтров снижает эффективность транспортировки генерируемого плазменного потока и, соответственно, скорость нанесения покрытий. Кроме того, для обеих разрядных систем необходимо ассистирующее устройство (ионный либо плазменный источник) для очистки и активации поверхности образца перед нанесением покрытий.
Двухступенчатая разрядная система с инжекциеи электронов обеспечивает однородную объемную газовую плазму в широком диапазоне давлений с относительно низким уровнем примесей продуктов распыления электродов. Отсутствие в устройстве термоэмиссионного катода обуславливает эффективное функционирование устройства в кислороде и других химически активных газах. Оснащение такой разрядной системы дополнительными распыляемыми электродами с отрицательным относительно плазмы смещением потенциала делает возможным синтез композиционных покрытий оксидов металлов заданного состава. Принимая во внимание преимущества разряда с инжекциеи электронов, следует полагать, что такой метод синтеза оксидных композиционных покрытий может стать для ряда применений альтернативой широко используемых в настоящее время магнетронных и вакуумно-дуговых разрядных систем.
Целью работы являлось исследование особенностей функционирования разрядной системы с инжекциеи электронов и распыляемыми электродами в кислородосодержащей среде для создания на основе этих исследований газоразрядного напылительного устройства, обеспечивающего синтез оксидных композиционных покрытий с регулируемым соотношением компонентов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Определены особенности функционирования разрядной системы с
инжекцией электронов в среде кислородосодержащей плазмы и выявлены
условия, обеспечивающие стабильную и устойчивую работу газоразрядного
устройства в течение длительного срока эксплуатации без заметной деградации
параметров разрядов.
2. С использованием двухступенчатой разрядной системы с
дополнительными распыляемыми электродами показана возможность и
определены оптимальные условия синтеза функциональных оксидных
композиционных покрытий с регулируемым соотношением компонентов.
3. Исследованы параметры, характеристики и функциональные свойства
полученных покрытий.
Практическая ценность работы состоит в том, что на основании проведенных исследований создан экспериментальный образец газоразрядного напылительного устройства, отличающийся высоким ресурсом при работе в кислородосодержащей среде и возможностью формировать различные по составу композиционные оксидные покрытия с регулируемым соотношением компонентов. На ряде примеров (создание гидрофобных и проводящих покрытий на поверхности стекла) продемонстрирована перспективность использования созданного устройства в технологических процессах модификации поверхностных свойств различных материалов.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается
систематическим характером исследований, использованием независимых
дублирующих экспериментальных методик, сопоставлением
экспериментальных результатов и численных оценок, а также практической реализацией научных положений и выводов при создании газоразрядного напылительного устройства.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. В двухкаскадной разрядной системе генератора объемной плазмы с
плазменным эмиттером электронов некритичность параметров эмиттера к
условиям функционирования и параметрам основного разряда в сочетании с
подачей рабочего газа кислорода непосредственно в область второй разрядной
ступени обеспечивают генерацию плотной объемной кислородосодержащей
плазмы в течение длительного срока эксплуатации устройства.
Размещение в двухкаскадной разрядной системе с инжекцией электронов дополнительного распыляемого электрода в виде нескольких изолированных секций затрудняет образование на поверхности этого электрода катодных пятен и обуславливает формирование однородного потока распыленных атомов металла. Выполнение секций распыляемого электрода из различных материалов и независимое варьирование энергией распыляющих ионов для каждой секции, делает возможным, при использовании в качестве рабочего газа кислорода, нанесение композиционных оксидных покрытий заданного состава.
На основе разрядной системы с инжекцией электронов и дополнительным распыляемым электродом создано многофункциональное ионно-плазменное напылительное устройство, обеспечивающее нанесение функциональных композиционных покрытий оксидов различных металлов с требуемой стехиометрией. Для плоских объектов с линейными размерами 30x30 см скорость роста покрытий составляет 0,5 мкм/час, а неоднородность толщины покрытия не превышает ±15%.
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4й и 5й Всероссийских конференциях молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем" (Томск: ТГУ, 2008, 2009 гг.), Всероссийских научно-технической конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР" (Томск, 2010, 2011 гг.), 10й Международной конференции по плазме газового разряда и ее технологическому применению (Томск, Россия, 2007), 9й, 10й Международных
7 конференциях по модификации поверхности пучками частиц и потоками плазмы (Томск, Россия, 2008, 2010).
Личный вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик эксперимента, проведении исследований и анализе их результатов. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводилось совместно с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах. Фамилии соавторов, участвовавших в создании устройства, указаны в прилагаемых к диссертации актах внедрения и патентах. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые положения, сделаны выводы и даны рекомендации, на основании которых разработана принципиальная конструкция многофункциональной напылительной системы на основе разряда с инжекцией электронов. Окончательная редакция защищаемых научных положений и выводов по работе осуществлялась совместно с научным руководителем диссертации при активном творческом участии соискателя.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в список ВАК. Технические решения, реализованные при создании газоразрядного напылительного устройства, защищены 2 патентами РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 136 страниц машинописного текста, 76 иллюстраций. Список используемой литературы включает 163 наименования.
