Введение к работе
В физическом материаловедении тонких пленок одной из актуальных" остается проблема структуры многослойных пленочных^ композиций, представляющих особый класс материалов. В них эффективное управление свойствами может быть достигнуто вследствие реализации размерного эффекта структуры и физических свойств материала.
Гибкость вакуумных технологических процессов позволяет достигать практически любого сочетания фаз. В то же время субструктура слоев в многослойных композициях контролируется многими факторами, поэтому при выборе системы необходимо учитывать как вероятный механизм роста, определяемый характером физико-химического взаимодействия компонентов многослойной системы, так и ожидаемые ориентационные соотношения между кристаллическими решетками слоев, их субструктуру, структуру границ раздела между слоями.
Таким образом, структурный аспект проблемы многослойных композиций сводится к установлению закономерных ориентационных соотношений между кристаллическими решетками на межфазной границе; анализу зависимости субструктуры слоев от взаимной ориентации; анализу структуры образующихся межфазных (межслоевых) границ.
Обзор научной литературы по росту конденсированных пленок металлов на различных монокристаллических подложках показал, что к настоящему времени в решении проблемы ориентированной кристаллизации достигнуты определенные успехи:
доказана определяющая роль характера взаимодействия на меж-фазной границе подложка - пленка на особенности зарождения и роста пленок;
. исследована специфика морфологических, ориентационных, структурных и субструктурных превращений, происходящих в процессе роста пленок по различным механизмам;
на примере большого числа пар с несоответствием параметров кристаллических решеток f < О,1 показана применимость теории Франка и Ван дер Мерве;
доказана применимость модели совпадения для прогноза возмож
ных ориентационных соотношений между фазами.
Основные результаты для металлических систем получены при исследовании сопряжения однотипных решеток (ГЦК). в то время как исследования закономерностей сопряжения и структуры границ для разнотипных решеток (ГЦК-ОЦК, ГПУ-ОЦК, ГПУ-ГЦК) немногочисленны.
В связи с этим проведение исследований в данном направлении
является актуальным.
Цель работы - установление закономерностей сопряжения кристаллических решеток и субструктуры двухслойных металлических пленочных систем, образуемых при последовательной конденсации металлов в вакууме в области температур ориентированного роста.
Для этого решали следующие задачи.
1. "Выращивание двухслойных ориентированных пленок пар металлов:
а) с однотипными кристаллическими решетками и большим несо
ответствием параметров f0 > 0.і (Au-Ni ):
б) с разнотипными кристаллическими решетками и малым несоот
ветствием параметров f0 «0.01 ( Au - Fe, Au - Cr );
в) с разнотипными кристаллическими решетками и большим несо
ответствием параметров ( Au - Со. N1 - Fe, Ni - Cr ).
-
Исследование методами дифракции быстрых электронов и просвечивающей электронной микроскопии ориентационных соотношений и субструктуры в зависимости от температуры подложки, скорости конденсации, толщины, последовательности наращивания.
-
Анализ наблюдаемых ориентационных соотношений на основе представлений решетки совпадающих узлов и теории 0-решетки. Уточнение критериев к прогнозированию ориентационных соотношений.
-
Выработка рекомендаций к выращиванию многослойных пленочных систем с заданной структурой.
Научная новизна. Впервые проведены систематические электронно-микроскопические исследования ориентационных соотношений и субструктуры в бикристаллических системах на основе металлических пар Au-Ni, Au-Fe, Au-Сг, Ni-Fe, Ni-Сг, Au-Co, полученных последовательной конденсацией в вакууме в зависимости от условий и последовательности наращивания слоев; на основе представлений решетки совпадающих узлов и теории 0-решетки объяснены случаи непараллельного сопряжения кристаллических решеток. Установлено влияние величины несоответствия на ориентационные соотношения. Показана эффективность кристаллогеометрического критерия взаимного сопряжения, дополненного условием близости величин поверхностной плотности атомов в сопрягающихся плоскостях.
Установлено проявление фазового размерного эффекта в пленках Ni -на (001) Au и Fe как эффекта межфазной границы. _-
Впервые на модельных пленочных бикристаллах системы Au-Ni исследована дислокационная структура специальных межфазных границ
и показано, _что размерное и ориентационное несоответствие может компенсироваться граничными дислокациями с решеточным вектором Бюргерса.
Практическая ценность. Установленные закономерности могут быть использованы при создании тонкопленочных многослойных композиций на основе металлических систем, а также при прогнозировании стабильности их структуры. Результаты использованы при разработке учебных пособий по курсу "Физика и технология тонкопленочных материалов".
На зашиту выносятся следующие основные результаты и положения:
в системах Аи - N1, N1 - Сг, N1 - Fe и Аи - Со ( большое несоответствие параметров f„ > 0,1) сопряжение происходит плоскостями разных индексов и в соответствии с концепцией РСУ показана общность ряда ориентационных соотношений, обусловленная близостью величин несоответствия. В то же время различие в величинах несоответствия в системах (111)N1 - Fe и (111)Ni - Сг приводит к разным азимутальным ориентациям: Нишиямы - Вассермана для первой и Курдюмова - Закса для второй;
кристаллогеометрический критерий сопряжения следует дополнить положением о том, что благоприятнее ориентационные соотношения, для которых поверхностные плотности атомов в сопрягающихся плоскостях приблизительно равны Zj « 12, причем выгоднее случаи отрицательного знака несоответствия параметров РСУ. При этом оптимальная азимутальная ориентация определяется образованием сравнительно плотных РСУ и хорошим сопряжением плотноупакованных плоскостей;
полиморфизм в конденсированных пленках N1 на (001)Аи и (OOl)Fe есть эффект межфазной границы;
ориентационное и размерное несоответствие на специальных межфазных границах может компенсируется граничными дислокациями с решеточными векторами Бюргерса.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены : на XI Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (г. Таллин, 1979); на 6 Международной конференции по росту кристаллов (г.Москва, 1980); на VI Международной конференции по электронной микроскопии (г.Гаага, 1980); на XII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (г. Сумы, 1982); на I Всесоюз-
ной научной конференции "Структура и свойства границ зерен" (г. Уфа, 1983); на V Всесоюзной конференции "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах" (г. Уфа, 1987); на II Всесоюзной конференции "Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках" (г. Воронеж, 1987); на XIII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (г. Сумы, 1987); на 7 Всесоюзной конференции по росту кристаллов (г. Москва, 1988); на II Всесоюзной конференции "Физикохимия ультрадисперсных систем" (г.'Юрмала. 1989); на XVI Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 1996); на Межотраслевом научно-практическом семинаре "Вакуумная металлизация" (г. Харьков, 1996); на симпозиуме "Синенергетика, структура и свойства материалов" (г. Москва, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ.
Личный вклад автора. Проведены электронно-микроскопические исследования ориентационных соотношений и субструктуры в бикрис-таллических металлических системах, полученных последовательной конденсацией в вакууме в зависимости от температуры подложки. скорости конденсации, толщины, последовательности наращивания слоев.
Проведен анализ наблюдаемых ориентационных соотношений на основе представлений решетки совпадающих узлов и теории 0-решет-ки. '
Разработаны рекомендации к выращиванию многослойных пленочных систем с заданной структурой.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы. Ее объем составляет 177 страниц, включая 56 рисунков и 12 таблиц. В списке литературы 148 наименований.