Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных:
1.1. Разновидности эффектов дальнодействия 7-9
1.2. Эффект дальнодействия при ионной имплантации в режиме высоких доз (высокодозный эффект дальнодействия) 10-19
1.3. Эффект дальнодействия при ионной имплантации в режиме малых доз (ма-лодозный эффект дальнодействия) 20 - 26
1.4. Эффект дальнодействия при плазменной обработке поверхностей 26 - 28
1.5. Влияние фотонного облучения на свойства металлов и сплавов 28 - 34
1.6. Модели, предложенные для объяснения проявлений эффектов дальнодействия 34 - 42
Постановка задач 43
Глава 2. Эффект дальнодействия при ионной бомбардировке в режиме малых доз
2.1. Проверка возможного влияния радиационного нагрева 44-45
2.2. Влияние пострадиационных отжигов 46 - 49
2.3. Влияние предварительной термической обработки на МЭД 49 -52
2.4. МЭД при облучении стопок фолы 52 - 59
2.5. Изменение элементного состава металлов как проявление малодозного эффекта дальнодействия 60 - 68
Глава 3. Эффект дальнодействия при маломощном фотонном облучении металлических фолы - эффект фотомеханической памяти металлов (ФПМ)
3.1. Выяснение возможной роли термического нагрева 70-71
3.2. Основные закономерности влияния слабых фотонных потоков на микротвердость металлических ФПГТГ 71-81
3.3. ФПМ для случая облучения стопок фолы . 81 - 84
Глава 4. Модели дальнодействующего влияния при малодозном ионном и маломощном фотонном облучениях
4.1. Модельные представления МЭД 85-94
4.2. Качественная модель влияния фотонного облучения 94 - 99
Заключение . 99
Выводы 100
Список цитируемой литературы 101 - 109
Список публикаций по теме диссертации 109-113
- Эффект дальнодействия при ионной имплантации в режиме высоких доз (высокодозный эффект дальнодействия)
- Модели, предложенные для объяснения проявлений эффектов дальнодействия
- Изменение элементного состава металлов как проявление малодозного эффекта дальнодействия
- Качественная модель влияния фотонного облучения
Введение к работе
Актуальность темы
Эффект дальнодействия (ЭД) заключается в изменении структуры и свойств твердых тел на глубинах, значительно превышающих область первичного выделения энергии, при взаимодействии энергетических (корпускулярных) потоков с поверхностью твердых тел.
Первоначально эффект был связан с проблемами ионной имплантации. Он оказался настолько сложным и многогранным, что будучи обнаруженным в 60-ых годах 20 века, до сих пор продолжает открывать все новые «грани», которые зачастую заставляют по-новому взглянуть на эффект в целом.
Ионная имплантация уже давно применяется не только в полупроводниковых технологиях, но и как метод модификации структуры и свойств различных, в том числе, металлических материалов. Существенным недостатком ионной имплантации, с точки зрения имплантационной металлургии, является малая глубина проникновения ионов (толщина модифицированного слоя), что ограничивает широкое применение метода. Тот факт, что при ионной имплантации имеет место ЭД, до некоторой степени снимает эту проблему. Особый интерес представляет область малых доз, позволяющая существенно сократить время обработки и исключить эффекты, связанные с нагревом и деградацией поверхности. ЭД при малых дозах - малодозному эффекту дальнодействия (МЭД) было посвящено довольно большое количество работ, однако для установления его природы требовались дополнительные исследования.
Впоследствии, по мере исследований процессов, протекающих при различных видах обработки поверхностей твердых тел (таких как ионно-лучевая, лазерная, химическая, электрохимическая, механическая и др.), сопровождающихся перемещением и взаимодействием различного типа дефектов, дальнодействующие изменения структуры и свойств обнаруживались практически при всех видах воздействия (если подобрать определенные условия обработки). Данное обстоятельство в перспективе позволяет связать между собой и обобщить на первый взгляд совершенно разные явления. Чтобы разобраться в природе этих явлений целесообразно в качестве модельного использовать такой вид энергетического воздействия, который позволял бы по возможности исключить из рассмотрения побочные факторы, имитирующие эффект, и в то же время сохранял бы наиболее важные факторы внешних воздействий, такие как вложенная энергия, скорость ее введения (интенсивность). Одним из наиболее подходящих видов воздействия, удовлетворяющим этим требованиям, служит в принципе облучение слабыми (не вызывающими
существенного нагрева) фотонными потоками, например, светом. Использование световых потоков, будучи чрезвычайно простым и контролируемым способом для практической реализации, позволяет за разумное время достаточно всесторонне изучить закономерности влияния различных факторов. Однако, к началу выполнения работы не было сведений о дальнодействующем влиянии слабых световых потоков на твердые тела, в т.ч. на металлы. Опубликованные результаты по влиянию света на свойства твердых тел относились либо к мощным импульсным воздействиям (облучение лазерными пучками, вызывающее ударные волны), жбо к изменению свойств материала непосредственно во врема воздействия и (или) в области поглощения света («фотопластический» и «фотомеханический» эффекты). Таким образом, тема работы является актуальной.
Цель работы
Экспериментальное получение дополнительной информации о закономерностях малодозного эффекта дальнодействия при ионном облучении, установление и изучение закономерностей дальнодействующего влияния облучения светом на микротвердость металлов.
Научная новизна работы
Получены новые данные об особенностях малодозного эффекта дальнодействия при ионном облучении: показано, что результаты не могут быть следствием побочных факторов; установлены новые особенности эффекта для стопок фольг, изучено влияние предварительных и пострадиационных отжигов, установлены структурные изменения, обусловленные эффектом дальнодействия.
Впервые установлено явление сверхглубокого проникновения атомов имплантированной примеси (В, Р) и атомов отдачи (А1), а также изменение соотношения компонентов сплава на обратной стороне фольги при малодозном ионном облучении.
Впервые обнаружено дальнодействующее влияние маломощного фотонного облучения на микротвердость металлических фольг (эффект фотомеханической памяти металлов) и изучены закономерности эффекта.
Практическая значимость работы
Продемонстрирована возможность целенаправленного изменения свойств металлических фольг путем облучения светом. Полученные результаты в области малодозного эффекта дальнодействия могут быть использованы при экспрессной модификации свойств металлов ионными пучками.
Положении, выносимые на защиту
Установленные в работе новые закономерности малодозного эффекта дальнодействия при ионном облучении согласуются с механизмом эффекта дальнодействия, связанным с влиянием на систему дефектов акустических волн, возбуждаемых ионами.
Малодозный эффект дальнодействия при ионном облучении сопровождается массо-переносом, проявляющимся в изменении элементного состава сплава и аномальном переносе имплантируемой примеси, обнаруживаемых на стороне фольги, противоположной облучаемой.
Облучение металлов слабыми световыми потоками вызывает дальнодействующие изменения механических свойств. Закономерности этого эффекта свидетельствуют о том, что наиболее вероятной причиной его является влияние акустических волн, возникающих при облучении системы металл-естественный окисел.
Личный вклад автора
Основные эксперименты были спланированы автором совместно с научным руководителем. Самостоятельно выполнялись подготовка образцов, исследования механических свойств (измерения микротвердости). Ионная имплантация производилась вед.инж. НИФТИ В.К.Васильевым, В.Л.Шаргелем, а также самостоятельно автором. Структурные исследования осуществлялись автором. Исследования диффузионных свойств выполнялись совместно с ФТИ Уро РАН (В.Я.Баяикин). Анализ результатов и разработка моделей производились совместно с научным руководителем.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 11th International conference on ion beam modification of materials (IBMM, Amsterdam, August 31- September 4, 1998). 4 Всероссийский семинар "Физические и физико-химические основы ионной имплантации " (Н.Новгород , 9-11 июня 1998). 28 Международная конференция по физики взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 25-27 мая, 1998). Конференция «Структура и свойства твердых тел» (Н.Новгород, 27 - 28 сентября 1999). XIV Международная конференция. (Звенигород, Россия, 30 августа-3 сентября, 1999). XXIX Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. (Москва, 31 мая-2 июня, 1999). 5 межгосударственный семинар «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-V)». (Обнинск, 14-17 июня 1999 ). V Всероссийский семинар «Физико-химические основы ионной имплантации» (Н. Новгород, 11-13 октября 2000). 7th Russian-Japanese International Symposium «On interaction of fast charged particles
with solids» (N. Novgorod, October 9 - 16, 2000). XI конференция по химии высокочистых веществ (H, Новгород, 15-18 мая 2000). XXX Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 29-31 мая 2000). European Material Conference (E-MRS-2000) (Strasbourg, May 30 - June 2, 2000). XXXI Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ, 28 - 30 мая 2001 г.). Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов» (Уфа, сентябрь, 2001). Конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 27-31 Августа, 2001).Конференция «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-VI)» (Обнинск, 12-15 июня 2001 г.). IV International Conference on Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconductor Materials using particle beams (Feodosia, August 27-30, 2001). XI Межнациональное совещание «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 25 - 30 июня 2001 г.).Отчетная конференция-выставка по подпрограмме «Транспорт» (Москва-Звенигород, 11-13 февраля 2002 г.). IV International symposium ION 2002 (June 10-13,2002, Kazimierz Dolny, Poland). VI Всероссийский семинар «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (15-17 октября 2002, Нижний Новгород). Fifth International Ural Seminar on Radiation Damage Physics of Metals and Alloys (February 23 - March 1 2003, Snezhinsk, Russia). Конференция «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-VII)» (16-20 июня 2003 г., Обнинск). VII Всероссийский семинар "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 26-29 октября 2004 г.). 2-nd International Workshop "Relaxed, nonlinear and acoustic optical processes; materials - growth and optical properties" -RNAOPM'2005 (June 01-05, 2005, Lutsk, Ukraine). 43-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 26-30 сентября, 2005).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе 11 статей в реферируемых научных журналах. Список основных публикаций приведен в конце диссертации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Общий объем диссертации составляет 113 страниц, включая 8 таблиц и 59 рисунков. Список цитируемой литературы, содержит 137 наименований.
Краткое содержание работы
Во Введении обоснована актуальность темы исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы. Сформулированы основная цель и задачи работы, представлены сведения о ее структуре и содержании. Приведены основные положения, выносимые на защиту.
Эффект дальнодействия при ионной имплантации в режиме высоких доз (высокодозный эффект дальнодействия)
Эффект дальнодействия (ЭД) заключается в изменении структуры и свойств твердых тел на глубинах, значительно превышающих глубину области первоначального выделения энергии, при взаимодействии энергетических (корпускулярных) потоков с поверхностью твердых тел.
Первоначально эффект был установлен при ионной имплантации. Впоследствии при исследовании процессов, протекающих при ряде способов обработки поверхности твердых тел (таких, как ионно-лучевая, лазерная, химическая, электрохимическая, механическая и др.), дальнодействующие изменения структуры и свойств обнаруживались в определенных условиях при различных видах воздействия. Эффект оказался настолько сложным, что, будучи обнаруженным еще в 60-ых годах 20 века, до сих пор продолжает открывать исследователям все новые «грани», которые зачастую заставляют по-новому взглянуть на эффект в целом. Когда речь заходит о том, кто впервые обнаружил эффект дальнодействия, различными авторами, как правило, приводятся разные работы [1], [2] или [3]. Данные [1] и [2], очевидно, можно считать независимыми, т.к. в первой работе речь идет об обнаружении изменения свойств на аномально больших глубинах для полупроводниковых материалов (на примере кремния), а во второй - для металлов.
Исследования эффекта дальнодействия при ионной имплантации можно было бы выделить как особое, нетрадиционное направление в изучении ионно-лучевой обработки материалов (модификация физико-химических свойств материалов на глубинах, исчисляемых сотнями мкм), в отличие от традиционного направления, когда исследования ограничиваются приповерхностными слоями, по толщине сравнимыми со средним проецированным пробегом ионов. Чрезвычайная сложность и многогранность явления способствовали формированию негативного мнения об эффекте, которое на ранних этапах исследований являлось отрицанием существования эффекта (что способствовало вьшосу ЭД по существу на «задворки» науки). Развитие данного интереснейшего, на наш взгляд, (как в прикладном, так и фундаментальном аспектах) явления, происходило практически параллельно (но довольно обособлено и значительно менее интенсивно) с традиционными исследованиями в области ионной имплантации. Сейчас уже накоплено столько экспериментального материала с использованием самых различных методик исследований (таких, как электронная просвечивающая микроскопия, структурный рентгеновский анализ, микротвердость, ионная микроскопия, ядерный гамма-резонанс и многие другие), что отрицать существование эффекта в целом вряд ли имеет смысл. Хотя негативные суждения до сих пор иногда встречаются в научной периодике [4-6], но они уже не так резки (не отрицается существование явления).
В настоящее время исследования дальнодействующих изменений структуры и свойств проводились практически во всех режимах, используемых при ионно-лучевой обработке материалов. Однако, результаты, полученные в различных режимах, на различных образцах, при различных условиях эксперимента (не говоря об особенностях используемых различивши коллективами методик), доволвно трудно сопоставлять. В связи с этим, на наш взгляд, нужно разделять внешне похожие, но по существу различные явления. Чтобы не запутаться в многочисленном количестве разнообразной информации, зачастую довольно противоречивой и неоднозначной, целесообразно классифицировать результаты основных коллективов исследователей, занимающихся данной проблемой, по какому либо признаку. Каждая группа авторов обладает определенным арсеналом исследовательских методик (методов модификации структуры и свойств твердых тел и методов регистрации изменений), что существенным образом отражается на особенностях получаемых результатов. Поэтому имеет смысл положить данный принцип (способы модификации и регистрации) в основу «структурного скелета» при анализе литературных данных, чтобы попытаться достаточно четко осветить все (или, по крайней мере, большую часть) многообразные проявления эффекта дальнодействия, которые встречаются в научной литературе.
Можно выделить (достаточно условно) несколько основных способов модификации структуры и свойств твердых тел, которые используются при исследовании тех или иных проявлений эффектов дальнодействия в металлах и сплавах (табл.1.1).
Некоторые способы обработки поверхностей твердых тел, такие как механическая (шлифовка, полировка), химическая, электрохимическая и воздействие электронных потоков с подпороговой энергией, не были включены в данную структуру, поскольку количество опубликованных работ по дальнодействию при данньк видах обработки поверхностей довольно мало. Проявления эффекта дальнодействия при механической и химической обработках поверхностей полупроводниковых материалов описаны в монографии [8]. Деление видов ЭД по принципу дозы (Ф 1016 ион/см2 и 1016 ион/см2) связано с тем, что закономерности, наблюдаемые в этих диапазонах доз, существенно отличаются [36,130]. Энергии ионов, которые обычно используются для изучения ВЭД, не превышают 200 кэВ. Данное направление изучения эффекта дальнодействия (ЭД) является, пожалуй, наиболее разработанным как в экспериментальном, так и теоретическом плане [130]. Это связано с тем, что указанный диапазон доз наиболее практически значим для целей им-плантационной металлургии, поскольку получение поверхностных сплавов с необходимыми свойствами требует введения достаточно больших концентраций примеси. Детальное описание режимов ионной имплантации для тех или иных целей можно найти в многочисленных монографиях, написанных на эту тему (см., например, [9, 10, 11] для непрерывных режимов имплантации, и [12] для частотно-импульсных режимов).
В некоторых случаях применение этих режимов проблематично с точки зрения фундаментальных исследований, поскольку увеличение дозы (чаще всего сопряженное с высокими плотностями тока) влечет нежелательные и плохо контролируемые процессы деградации поверхности (такие, как образование развитого рельефа поверхности, блисте-ринг и др.). При высокодозной ионной имплантации образуется большое количество самых разнообразных дефектов решетки, кинетика и динамика которых как в процессе, так и при последующих обработках (например, термическом отжиге) в решающей степени определяют конечный результат технологического процесса, но затрудняют интерпретацию.
В 1962 году МИ.Гусевой [2] были впервые (по мнению авторов работы [13]) обнаружены глубинные изменения свойств металлов, которые по терминологии, используемой в нашей и других работах, классифицируются как ВЭД. Впоследствии рядом коллективов было показано, что казалось бы чисто поверхностные процессы, являющиеся следствием взаимодействия ионных потоков с твердыми телами и происходящими на глубинах в десятые доли мкм, при определениых условиях могут приводить к изменению структуры и свойств до глубин, измеряющихся уже не десятыми долями мкм, а десятками или даже сотнями мкм.
Модели, предложенные для объяснения проявлений эффектов дальнодействия
Исследование дислокационных структур при высокодозной ионной имплантации на больших расстояниях от облучаемой поверхности наиболее полно и целенаправленно проводилось силами коллектива авторов Шаркеев Ю.Н., Диденко А.Н. и др, (см., например, [16, 18-21]). Так, в работе [16] исследовалось структурное состояние поликристаллического a-Fe (с размером зерна 400 мкм) после облучения ионами С+, Fe+, W+ (Е-40 кэВ) дозами 1016, 1018 ион/см2. Авторы установили, что в образцах, обладающих в исходном (отожженном) состоянии достаточно однородным распределением дислокации (со средней плотностью р=0,5-10 см""), после облучения возникает развитая дислокационная структура, неоднородная по объему. Плотность дислокаций возрастает на глубинах 5-Ю мкм от облученной поверхности до 5-6-109 см"2 и затем спадает до исходной на расстояниях более 100 мкм (рис.1.7). Показано, что в зависимости от используемой примеси (внедрения - С"1 или замещения - W4) профили распределения плотности дислокаций отличаются. Кроме наведенной дислокационной структуры, в образцах наблюдался слой с высокой концентрацией комплексов точечных дефектов и дислокационных петель (причем количество петель статистически связано с плотностью дислокаций - плотность петель обратно пропорционально плотности дислокаций), в связи с чем авторы выделяют три модифицированных слоя, формирующихся в приповерхностной области металлических мишеней при ионной имплантации (рис.1.8).
Работа [18] была специально посвящена исследованию ближайшего к поверхности слоя (толщиной до 20 мкм), содержащего петли дислокаций и мелкие (точечного типа) образования, размеры которых не превышают разрешения использованного электронного микроскопа (вероятно, кластеры точечных дефектов). Исследовалась поликристалличеекая медь с размером зерна -400 мкм, облученная ионами N4" (Е=40 кэВ) дозами 5-Ю , 1018 ион/см2. С удалением от поверхности общая плотность петель падает (радиус петель не превышает 30 нм), но при этом относительная доля петель вакансионного типа возрастает, а междоузельного типа снижается. Радиус дислокационных петель увеличивается с удалением от облученной поверхности.
В обзоре [19] приведены результаты исследований дислокационной структуры при высокодозной ионной имплантации в двух режимах (непрерывном и частотно-импульсном) для ряда металлов и сплавов с различными исходными структурными состояниями (плотностью дислокаций), которые изменялись путем предварительной деформации. Было показано, что максимальное изменение дислокационной структуры достигается в хорошо отожженных металлах. Чем выше исходная плотность дислокаций в материале, тем меньше изменения, вызванные ионной имплантацией. При интерпретации авторы используют аналогию между результатами пластической деформации и имплантации, в связи с чем изменения дислокационной структуры на больших глубинах объясняется ими статическими напряжениями (от точечных дефектов, их кластеров, дислокационных петель и др.), возникающими в легированном слое. Такой подход подкрепляется теоретическими расчетами [20], сделанными для cc-Fe, легированного НҐ" дозами 2-Ю и 9,3-10 ион/см . Было показано, что величина напряжений в легированном слое равна 1,3-Ю3 и 5,5-Ю4 МЫ/м2 для доз 2-Ю15 и 9,3-Ю16 ион/см2 соответственно. Эти значения существенно превышают предел текучести cc-Fe (45 МН/м2). За пределами легированного слоя величина напряжений, однако, быстро спадает до значений много меньших предела текучести, что требует привлечения дополнительных предположений для объяснения влияния легированного слоя на развитие дислокационной структуры в металлах.
Изменения плотности дислокаций при высокодозной ионной имплантации фиксировали также в [15]. В работе исследовались сплавы Т5К10 и Т15К6, облученные ионами N+ (Е=40 кэВ) дозами 1017, З-Ю17 и 3-Ю18 ион/см2. К сожалению, авторы не проводили прямых электронно-микроскопических наблюдений дислокационной структуры, а прирост дислокационной плотности определялся методом аппроксимации по результатам рентгеновской дифрактометрии. О глубинных изменениях авторы судили по корреляции изменений микротвердости и плотности дислокаций (рис. 1.2а, б). Поскольку микротвердость в облученных сплавах изменялась на глубинах до 200-250 мкм, делался вывод о возможном изменении плотности дислокаций на больших расстояниях от зоны облучения (т.к. упрочнение, по мнению авторов, носит явно дислокационный характер). Особенность этой работы состоит в том, что в отличие от других (см. выше), авторы [15] для объяснения немонотонности дозовой зависимости прироста дислокационной плотности привле- кают кинетические процессы с участием точечных дефектов и их комплексов (в то время как в [16, 19] рассматривается кинетика дислокаций в полях статических напряжений, возникающих в легированном слое).
В работе [22] исследовались монокристаллы вольфрама (с исходной плотностью дислокации р=4-105—10б си2), ориентированные вдоль [100], после бомбардировки иона- ми Ar+ (Е-15 кэВ, j=l -2 мА/см2, Р 10" тор) дозами 1015-1020 ион/см2. Нагрев образцов при обработке, по утверждению авторов, не превышал 10С. Вблизи поверхности наблюдались скопления дислокаций в виде полос шириной до 70 мкм с р=5-107 см"2 и выше, которые характеризовались направлениями близкими к [011]. Послойное травление показало, что повышенная плотность дислокаций имеет место на глубине порядка 20 мкм и достигает 2-7-107 см"2. Для облученного в таких же условиях молибдена глубина слоя с измененной дислокационной плотностью составляла около 15 мкм. Показано также, что глубина слоя с повышенной плотностью дислокаций, как и сами значения р, не зависят от дозы облучения в исследованных пределах 1019-1020 ион/см2.
Изменение элементного состава металлов как проявление малодозного эффекта дальнодействия
В разделах 1.2 и 1.3 было показано, что ионная имплантация в достаточно широком диапазоне доз вызывает изменение структуры и свойств металлов и сплавов на глубинах 100-300 мкм. Энергии ионов, которые использовались для наблюдения указанных явлений, в большинстве случаев, находились в интервале от 20 кэВ до 200 кэВ. Оказалось [37], что при обработке ряда металлов и сплавов плазмой тлеющего разряда, который зажигался при напряжении 11=0,8-3 кВ и токе 1=50 мА (j=25 мкА/см2) в среде остаточной атмосферы газов с давлением Р=2-10 2 Тор изменение микротвердости можно наблюдать на гораздо больших расстояниях (до 10 мм) от обрабатываемой поверхности. По утверждению авторов, температура иа поверхности образцов при этом не превышала 100— 150С.
Если сопоставить результаты работы [37] с работами по ВЭД, то можно предположить немонотонность зависимости структуры и свойств металлов от энергии ионов. Однако, такой вывод на основе результатов одной группы исследователей, видимо, преждевременен.
Структурные изменения на больших глубинах при плазменной обработке металлов фиксировались многими авторами. В частности .коллективом [37, 39] наблюдалась развитая дислокационная структура, наведенная действием плазмы на чрезвычайно больших глубинах -10 мм. В [39] объектами исследования служили металлы Fe, Си. Мо и сплав Ni3Fe. Исходная плотность дислокаций варьировалась от 10 до 10 см . Разряд зажигался в вакууме (Р=10 2 тор) при напряжении 0,8-3 кВ (токе 1=30-40 мА). В процессе обработки (длительность облучения 15-90 мин) температура образцов не превышала 60С. Было установлено, что тип формирующихся дислокационных структур аналогичен тем, что формируются при пластической деформации. Плотность дислокаций оказывается максимальной либо у поверхности, либо на нескольких миллиметрах от нее и убывает с глубиной (рис.1.21). Закономерности изменения дислокационных структур при плазменной обработке во многом сходны с таковыми при ВЭД. Так, плотность дислокаций после обработки возрастает со временем облучения, с приближением к облучаемой поверхности, с уменьшением исходной плотности дислокаций и предела текучести материала. Количество дислокационных петель, образующихся в материале при облучении плазмой, так же, как и в случае ВЭД, обратно пропорционально количеству дислокаций и спадает с удалением от облучаемой поверхности (размер петель увеличивается по мере удаления в глубь образца).
Авторами [40] с использованием рентгеновской дифрактометрии были исследованы образцы деформированной меди, облученной ионами Хет (Е=30-150 эВ, ji»13 мА/см ) дозами 3-Ю4-104 сна. Температура образцов в процессе обработки не превышала 298 К. Эффективная толщина анализируемого слоя, в котором наблюдалось изменение остаточных напряжений, составляла порядка 10 мкм. Было показано, что изменения остаточных напряжений после ионной бомбардировки в зондируемом слое наблюдаются при энергиях выше 30 эВ. Указанная энергия ионов близка к пороговой энергии смещения атомов в металлах и, по мнению авторов, может считаться пороговой энергией наблюдаемого ими эффекта. Если учесть, что в [37] наблюдалось уменьшение величины эффекта (изменение плотности дислокаций) с ростом энергии в диапазоне 0,8-3 кэВ, то, учитывая результаты [40], можно предположить, что энергетическая зависимость амплитуды, а, возможно, и глубины (см. п.1.4.1), дальнодействующих изменений имеет максимум при Е 1 кэВ,
Влияние различных видов фотонного облучения на твердые тела в общем случае представляет собой необозримую по своей обширности и многогранности тему. Здесь мы рассмотрим только те аспекты этой темы, которые имеют отношение к интересующим нас вопросам. При этом мы не будем касаться случаев облучения фотонами высоких энерги-ий, лежащих за пределами ультрафиолетового диапазона. Хотя нас интересуют металлы, для полноты картины мы рассмотрим и воздействие световых потоков на полупроводники, Фотонное облучение с энергией квантов меньше нескольких эВ относится к случаю так называемых «допороговых» воздействий, так как энергия фотонов недостаточна для прямого смещения атомов. Они непосредственно могут воздействовать лишь на электронную подсистему. Первые работы, анализирующие роль электронного возбуждения твердого тела в процессах образования или перестройки дефектов, была выполнены в середине 50-ых годов 20 века и относятся к случаю допороговых радиационных воздействий на щелочно-галлоидные кристаллы [41]. В основе данных процессов лежит сильное элек-трон-фононное взаимодействие, при котором изменение состояния электронной подсистемы влияет на взаимное расположение атомов некоторой области кристалла.
Большинство работ, посвященных исследованиям процессов, происходящих при фотонном облучении в металлах, до недавнего времени были выполнены в основном для случая облучения высоко интенсивным лазерным излучением [42-46], когда имеет место сильный разогрев приповерхностного слоя металла {вплоть до проплавлення). Информация о влиянии светового облучения на свойства металлов при плотностях мощности излучения, много меньших порогового значения Wn, при котором наблюдается плавление приповерхностного слоя, очень скудна. Работы, касающиеся влияния фотонного облучения на глубинные свойства металлов и сплавов, вообще исчисляются единицами.
Прежде чем перейти к обсуждению работ, которые можно было бы отнести к интересующей нас теме, следует коснуться вопросов поглощения света непрозрачными твердыми телами (в частности, металлами) и передачи энергии электронного возбуждения в атомную подсистему, что может стимулировать переходы ионов остова в новые состояния (дефектообразование).
Поглощение света и передача поглощенной энергии кристаллической решетке описаны для металлов в [46, 47], а для полупроводников в [48-50]. Оптические свойства металлов удовлетворительно описываются моделью свободных электронов, используя которую, в работе [47] показано, что падающий на поверхность металла световой поток, за вычетом отраженной части, практически полностью поглощается электронами проводимости в слое толщиной —0,1-1 мкм. Поглощение света приводит к повышению кинетической энергии электронов, в результате чего функция распределения электронного газа по энергиям становится отличной от равновесной. Ее релаксация происходит за счет электрон-электронных и электрон-ионных взаимодействий (см., например [45]).
При интенсивностях светового потока qs 109 Вт/см процессы, происходящие в металле, можно характеризовать двумя температурами: электронной Те и решеточной Tj. Наиболее интенсивная передача решетке энергии электронного газа происходит при условии, когда разность ДТ= Те—ТІ максимальна. При малых qs данный подход не работает, т.к. при условии Тс«Ті электронный газ находится в равновесии с решеткой. Тогда необходимо перейти от рассмотрения электронного газа к локализованным (например, на дефектных центрах) электронным возбуждениям, что позволяет объяснить более широкий класс наблюдаемых экспериментальньгх фактов [41. 51, 52].
Качественная модель влияния фотонного облучения
Ранее говорилось о том, что при ионной имплантации в режимах малых доз при плотностях ионного тока 20 мкА/см можно наблюдать фазовые переходы типа кристаллической решетки (см., например, [24]). При теоретическом обосновании этих экспериментальных данных авторы ссылаются, в частности, на работу [115]. В этой работе показано, что в системе взаимодействующих точечных дефектов (дефекты рассматриваются как броуновские частицы, движущиеся в сплошной среде) при наличии внешнего «белого» шума возможен неравновесный фазовый переход, который состоит в изменении характера релаксации системы. Если до перехода система релаксировала к равновесию диффузионным путем за счет взаимодействия со средой, то в результате фазового перехода возникает гидродинамический режим релаксации, определяемый в основном взаимодействием дефектов между собой. Авторы получили соотношение, определяющее условия для возникновения неравновесного фазового перехода, для которого требуется, во-первых, чтобы корреляционное время внешней случайной силы ткор было меньше времени затухания у-1 импульса точечного дефекта Р и, во-вторых, чтобы амплитуда этой силы была больше ур. Если у" «10 с, то случайная сила с меньшим характерным временем может быть обусловлена только электронными процессами. По мнению [91], в металлах это могут быть плазменные колебания, у которых частота -Ї01 с" . Длина пробега плаз-монов достаточно мала 1-100 нм. В связи с этим в [115] был предложен механизм цепной реакции (плазмоны инициируют перестройку дефектов, которая также возбуждает плазмон), который указывает на возможность более глубокого проникновения плазмонов. Приведенные выше основные результаты теоретических исследований эффектов дальнодействия показывают, что экспериментально наблюдаемые глубинные изменения структуры и свойств материалов не могут быть описаны в рамках известных теорий без соответствующей адаптации для каждого конкретного случая в отдельности. Хотя сейчас уже существует достаточно большое разнообразие теоретических исследований, однако, единая модель хотя бы выделенного вида ЭД (а тем более обобщенная модель явления в целом) в настоящее время не может быть построена, вследствие того, что детали эффекта еще не поняты до конца, а выработаны практически только подходы для частных случаев проявлений ЭД. Так что вопрос моделирования эффектов дальнодействия остается открытым и по сей день.
Из приведенного обзора видно, насколько сложна и многогранна проблема ЭД, даже если иметь в виду интересующий нас МЭД, остаются не выясненными целый ряд вопросов, что препятствует построению адекватной модели. Естественно, что решить этот комплекс вопросов в рамках одной диссертационной работы невозможно. Поэтому было решено поставить те эксперименты, которые, во-первых, сняли бы вопросы о самом существовании МЭД как о фундаментальном (а не связанным с побочными факторами) явлении, во-вторых, облегчили бы выбор между двух основных концепций, предлагаемых для объяснения МЭД (миграция дефектов и акустические волны, возбуждаемые при облучении), и, в-третьих, ответили бы на вопрос о возможности дальнодействующего влияния света па механические свойства металлов и его закономерностях. Кроме того, в состав работы включено исследование массопереноса при МЭД. Итак, были поставлены следующие задачи. 1. Проверка влияния побочного (термического) фактора, способного в принципе имитировать эффектов дальнодействия при ионном и световом облучениях. 2. Дальнейшее исследование закономерностей малодозного эффекта дальнодействия при ионном облучении металлов, существенных для установления его механизма; дозовой и энергетической зависимостей, особенностей проявления эффекта в стопках фольг, влияния предварительных и пострадиационных отжигов, структурных изменений и изменения химического состава образцов (аномального массопереноса). 3. Установление возможности дальнодействующего влияния света на микротвердость и, в случае положительного результата, изучение закономерностей данного явления; в частности, нахождение общих черт и различий по сравнению со случаем ионного облучения. 4. Обсуждение возможных механизмов дальнодействующего влияния малых доз ионного облучения и облучения светом на свойства твердых тел. Основная доля экспериментов проводились на прокатанных фольгах меди марки Ml, пермаллоя-79, пермаллоя-49. В большинстве случаев толщины фольг составляли для меди 50 и 100 мкм, для пермаллоя 20 мкм (размер зерна 1 мкм). Специальной подготовки поверхности фольг, кроме их обезжиривания, не проводилось. Облучение производилось на ускорителях типа ИЛУ-3 сканирующим пучком. Имплантация осуществлялась при комнатной температуре (за исключением отдельных опытов, для которых был необходим нагрев или охлаждение). Структурные исследования выполнялись на электронном микроскопе ПЭМ-100 и электроиографе ЭГ-100. Диффузионные свойства исследовались методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС, спектрометр ЭС-2401 с М а-возбуждением) и вторичной ионной масспектрометрии (ВИМС, спектрометр МС-7201М). Изменение микротвердости фиксировалось с помощью прибора ПМТ-3, Измерения проводились в соответствии с ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников» при нагрузках для меди - 50 г, для пермаллоя - 20 г, так что глубина отпечатка составляла 1-1,5 мкм. Полное время нагружения (с учетом выдержки под нагрузкой) составляло 15 с. Данные усреднялись по десяти отпечаткам, каждый из которых измерялся по четыре раза. При этом погрешность среднего арифметического не превышала 3% на уровне вероятности 0,9. Отклонения Я для различных образцов одного и того же материала до облучения или отжига не выходили за эти пределы. Методика измерения Н подробно описана в работе [36а].
