Распыление и модифицирование поверхности материалов ионами многокомпонентных пучков с широким энергетическим спектром Волков Николай Викторович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современное состояние исследований процессов при взаимодействии ускоренных ионов с твердым телом 17

1.1. Взаимодействие ионов с приповерхностными слоями твердых тел. 17

1.1.1. Отражение бомбардирующих ионов 17

1.1.2. Потери энергии бомбардирующих ионов 21

1.1.3. Пространственное распределение внедренных атомов 27

1.1.4. Накопление радиационных дефектов 28

1.1.5. Диффузия радиационных дефектов 31

1.1.6. Возникновение механических напряжений в облученном слое 32

1.2. Ионное распыление поверхности материалов 34

1.2.1. Топография облученной поверхности 34

1.2.2. Физическое распыление 40

1.3. Внедрение атомов отдачи 51

1.3.1. Основные закономерности внедрения атомов отдачи 51

1.3.2. Механизмы ионного перемешивания 53

1.3.3. Применение метода ионного перемешивания для повышения функциональных свойств приповерхностных слоев 56

1.3.4. Особенности применения метода ионного перемешивания 58

1.4. Применение ионных пучков с широким энергетическим спектром 59

1.4.1. Газоразрядные приборы и источники ионов 59

1.4.2. Воздействие потоков ионов на элементы конструкций в ускорительных системах 63

1.4.3. Воздействие ионизованных потоков частиц на элементы разрядной камеры ТЯР 67

1.4.4. Методы имитации воздействия на материалы пучков ионов с широким энергетическим спектром 72

1.5. Анализ особенностей радиационной повреждаемости приповерхностных слоев материалов при воздействии многокомпонентных ионных пучков с широким энергетическим спектром 77

1.5.1. Радиационные пробеги внедряемых ионов 79

1.5.2. Энерговыделение в модифицируемом слое 81

1.5.3. Распыление 84

1.5.4. Модифицирование приповерхностных слоев материалов 86

1.6. Выводы по главе 1 89

Глава 2. Методические вопросы исследования 93

2.1. Обоснование выбора материалов для исследования 93

2.2. Методы исследования модифицированной поверхности материалов 94

2.2.1 Исследование структурно-фазового состояния материалов 94

2.2.2. Изучение распыления материалов 101

2.2.3. Изучение распределения внедренных атомов в мишени 107

2.3. Методы изучения состояния поверхности 113

2.3.1. Изучение коррозионной стойкости материалов и состояния оксидов 113

2.3.2. Оптическая и инфракрасная спектроскопия 114

2.4. Выводы к главе 2 120

Глава 3. Метод облучения материалов многокомпонентым пучком ионов с широким энергетическим спектром 121

3.1. Разработка методики облучения пучком ионов с широким энергетическим спектром 121

3.2. Источники ионов 133

3.2.1. Источник с разрядом в неоднородном магнитном поле . 133

3.2.2. Источник на основе газового разряда Пеннинга 140

3.2.3. Источник на основе секционированного периплазматрона 144

3.3. Установка «ВОКАЛ» для проведения радиационных экспериментов 152

3.3.1. Конструкция ионно-оптической системы установки 154

3.3.2. Система управления и контроля параметров пучка ионов с широким энергетическим спектром 162

3.4. Специализированная установка для обработки цилиндрических изделий 168

3.5. Выводы к главе 3 172

Глава 4. Распыление материалов при облучении пучками ионов с широким энергетическим спектром 174

4.1.Распыление поли- и монокристаллов 174

4.1.1. Зависимость коэффициентов распыления материалов от дозы и температуры облучения 175

4.1.2. Зависимость коэффициентов распыления материалов от средней энергии ионов 186

4.2. Распыление металлических пленок 204

4.2.1. Однослойные плени на металлической подложке 204

4.2.2. Многослойные пленки на металлической подложке 206

4.3. Обсуждение полученных результатов по распылению материалов и пленок 209

4.3.1 Распыление поликристаллов 209

4.3.2. Распыление пленок на металлической подложке 222

4.4. Выводы к главе 4 226

Глава 5. Легирование приповерхностных слоев материалов в режиме ионного перемешивания 228

5.1. Внедрение газов при облучении материалов пучками ионов H+, He+, Ar+ с широким энергетическим спектром 228

5.1.1. Распределение внедренных ионов газов 228

5.1.2. Анализ накопления внедренных атомов 239

5.2. Внедрение атомов из пленок в режиме ионного перемешивания 251

5.2.1. Внедрение атомов из однослойной пленки 252

5.2.2. Внедрение атомов из двухслойной пленки 256

5.2.3. Внедрение атомов из трехслойной пленки 258

5.2.4. Многокомпонентное внедрение 262

5.2.5 Обсуждение результатов накопления внедренных атомов в режиме ионного перемешивания 270

5.3. Рекомендации по использованию внедрения атомов для легирования материалов 286

5.4. Выводы к главе 5 294

Глава 6. Практическое применение ионного модифицирования материалов 296

6.1. Коррозионная стойкость сплавов циркония 296

6.1.1.Фазовое состояние легированных образцов 298

6.1.2.Структурно-фазовое состояние оксидных пленок на модифицированной поверхности циркониевых сплавов 305

6.1.3. Перераспределение внедренных атомов в процессе роста оксидных пленок 318

6.1.4. Изучение состояния оксидных пленок методами ИК-спектроскопии 329

6.1.5. Диффузия кислорода в процессе роста оксидной пленки 341

6.1.6. Физическая модель роста оксидных пленок на ионно-легированной поверхности циркониевых сплавов 345

6.3. Рекомендации по использованию результатов диссертации в реальном секторе экономики 351

Основные выводы по диссертации 355

Список использованных литературных источников

• Накопление радиационных дефектов
• Исследование структурно-фазового состояния материалов
• Источник с разрядом в неоднородном магнитном поле
• Внедрение атомов из пленок в режиме ионного перемешивания

Введение к работе

Актуальность проблемы

В различных областях техники, например, в электрофизических приборах и установках (газовых лазерах, плазменных генераторах, газоразрядных устройствах и др.), ускорителях, ионных двигателях имеет место одновременное воздействие на материалы заряженных частиц с широким энергетическим спектром и нескольких масс, приводящее к радиационному повреждению материалов. Например, в строящемся термоядерном реакторе ИТЭР материалы первой стенки (Be, W, C/C-композит) будут подвергаться одновременному воздействию ионов гелия, изотопов водорода и примесей из плазмы с энергиями, соответствующими температуре поверхности плазмы и ускорению в зазоре «плазма-стенка», т.е. в широком интервале энергий.

Исторически сложилось так, что для проведения ионной имплантации и исследования радиационной повреждаемости материалов в устройствах современной техники и оценки их работоспособности (ресурса) применяли, в основном, моноэнергетические пучки ионов, для которых отношение ширины энергетического распределения АE, измеренного на полувысоте к среднему значению составляет величину порядка о_E=АE/=0, 1-5%.

Однако накопленные знания в области взаимодействия ионов с атомами мишени показывают, что распределение внедренных ионов и степень радиационных повреждений в мишени существенно зависят от особенностей энерговыделения в зоне торможения F_q(x), от градиента внутренних напряжений <т(x) в приповерхностных слоях мишени, которые в свою очередь зависят от состава пучка ионов и их энергии в пучке. Поэтому анализ результатов воздействия на материалы пучков ионов с широким энергетическим спектром при проведении экспериментов требует учета всего комплекса факторов, например, условий облучения: энергии ионов E, энергетического спектра ср(E), дозы облучения Ф, давления остаточных газов в рабочей камере p, тока пучка ионов I _п, плотности потока ионов j, а также состояния материала: шероховатости поверхности образцов R_a, температуры облучения T, распределения механических напряжений <т(x), и теоретического осмысления полученных результатов.

В большинстве работ в области радиационного эксперимента используют ионно-лучевые установки, генерирующие пучки ионов с узким энергетическим спектром (МПИ), что не всегда соответствует реальным условиям радиационного воздействия потоков ионов на материалы. Применительно к таким ситуациям и для достоверности результатов радиационного воздействия востребованы пучки со

сложным по составу и энергетическому распределению ионов в пучке ф(), поэтому необходимы ускорители, генерирующие пучки ионов с широким энергетическим спектром (ПИ-ШЭС) Ое =10-50%. Примером радиационного воздействия на материалы пучков ионов с широким энергетическим спектром и сложным составом являются электрофизические установки (источники ионов, рекуператоры, ускорители), установки термоядерного синтеза и другие.

В этой связи изучение радиационной эрозии (физического распыления) и модифицирования поверхности материалов ионами многокомпонентных пучков с широким энергетическим спектром является актуальным направлением исследований.

Цель работы

Выявление закономерностей распыления и изменения структурно-фазового состояния приповерхностных слоев материалов для повышения сопротивления радиационной эрозии и коррозии материалов атомной техники в процессе воздействия потоками газовых ионов с широким энергетическим спектром.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи

1. Разработаны физические основы методики модифицирования структурно-фазового состояния приповерхностных слоев материалов путем легирования приповерхностных слоев в режиме ионного облучения, сопровождаемого распылением и перемешиванием атомов материала и пленок, предварительно нанесенных на поверхность.

2. Реализованы разработка и создание источников ионов, ионно-оптические и вакуумные системы, системы диагностики параметров пучков ионов с широким

+ + +

энергетическим спектром, содержащие ионы нескольких атомных масс (H , He , Ar) отработана методика облучения материалов этими пучками.

3. Выявлены закономерности и особенности распыления материалов и пленок на них пучками ионов с широким энергетическим спектром в зависимости от средней энергии, дозы облучения, угла падения ионов и температуры мишени, энергетического спектра ионов в пучке и атомного состава пучка.

4. Выявлены закономерности ионного перемешивания различных атомов пленок на мишенях-подложках, как инструмент легирования приповерхностных слоев, в процессе воздействия пучками ионов с широким энергетическим спектром в зависимости от средней энергии, дозы облучения, энергетического спектра ионов в пучке и атомного состава пучка.

5. Исследовано состояние поверхности материалов в результате их распыления пучками ионов с широким энергетическим спектром и атомного состава пучка.

6. Исследованы структурно-фазовое состояние и коррозионная стойкость

модифицированных сплавов циркония и оксидных пленок на них.

Научная новизна работы

Основные результаты диссертации являются новыми, получены автором самостоятельно и состоят в следующем.

1. Впервые разработаны физические основы оценки радиационной эрозии материалов в результате распыления их поверхности пучками ионов Н⁺, Не⁺ и Ar⁺ в различной комбинации с широким энергетическим спектром, подтвержденные совокупностью экспериментальных данных по распылению материалов, однослойных и многослойных (до пяти слоев) пленок на поверхности материалов.

2. Впервые разработаны физические основы модифицирования структурно-фазового состояния различных материалов в режиме ионного перемешивания атомов мишеней и пленок на них под воздействием ионов Ar⁺ и He⁺ с широким энергетическим спектром, обеспечивающим минимальную степень повреждения материала при равномерном распределении легирующих элементов.

3. Впервые создана методика получения и применения пучков газовых ионов с широким энергетическим спектром и атомным составом пучка (H⁺ : He⁺ : Ar⁺), включая разработку оборудования и средств диагностики пучков.

4. Впервые разработана и реализована методика одновременного легирования атомами Al, Fe, Mo, Y приповерхностного слоя сплавов циркония в режиме ионного перемешивания с использованием пучков ионов Ar⁺ и He⁺ с широким энергетическим спектром, изменяющая кинетику роста оксидной пленки, повышающая коррозионную и износостойкость сплавов.

5. Установлены особенности перераспределения легирующих атомов в процессе ионного перемешивания в композициях «пленка-мишень», «многослойная пленка-мишень» под действием пучков ионов Не⁺ и Ar⁺ с широким энергетическим спектром, основными элементами которых являются обмен энергией в столкновениях и физико-химическое взаимодействие атомов легирующих элементов и мишени.

6. На основе исследований морфологии, структуры и перераспределения легирующих элементов в растущих оксидных пленках на модифицированной поверхности предложена физическая модель замедления окисления сплавов циркония.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Разработанные физические основы оценки радиационной эрозии материалов в результате распыления поверхности трехкомпонентным пучком ионов Н⁺, Не⁺ и Ar⁺ с широким энергетическим спектром могут быть использованы в НИЦ «Курчатовский институт», НИИЭФА им. Д. В. Ефремова для оценки сопротивления распылению материалов первой стенки термоядерных установок, а также на ОАО «Чепецкий механический завод» для финишной ионной очистки и

полировки твэльных труб.

2. Разработанные физические основы модифицирования структурно-фазового
состояния различных материалов в режиме ионного перемешивания атомов мишеней
и пленок на них ионами Ar⁺ и He⁺ с широким энергетическим спектром могут быть
использованы для разработки технологии финишной антикоррозионной обработки,
технологии повышения износостойкости трубной продукции и твэлов на
ОАО «Машиностроительный завод».

3. Разработанная методика получения трехкомпонентных пучков ионов Н⁺ + Не⁺ + Ar⁺ с широким энергетическим спектром и регулируемым составом (С_Н:С_Не:С_Ar) может быть использована в НИЦ «Курчатовский институт» и НИИЭФА им. Д. В. Ефремова для создания технологии комплексной оценки сопротивления распылению материалов плазмой на стадии предварительного отбора материалов первой стенки и дивертора будущих ТЯР.

4. Физическая модель формирования однородного состояния оксидов на модифицированной поверхности сплавов циркония и установленные в работе особенности перераспределения легирующих атомов в процессе ионного перемешивания в композициях «пленка-мишень», «многослойная пленка-мишень» под действием ионных пучков широким энергетическим спектром могут быть использованы в АО ВНИИНМ им. А.А. Бочвара для разработки финишной технологии обработки твэльных труб и снаряженных твэлов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Совокупность экспериментальных результатов и оценки радиационной эрозии материалов в результате распыления их поверхности пучками ионов Н⁺, Не⁺ и Ar⁺ с широким энергетическим спектром в различной комбинации (С_Н : С_Не : С_Ar).

2. Установленные особенности распыления многослойных пленок на поверхности мишени с учетом обмена энергией ионов с атомами пленок и мишени на границе «пленка-мишень».

3. Совокупность экспериментальных результатов и закономерности модифицирования структурно-фазового состояния различных материалов в режиме ионного перемешивания атомов мишеней и пленок на них ионами Ar⁺ и He⁺ с широким энергетическим спектром.

4. Выявленные закономерности перераспределения легирующих атомов в процессе ионного перемешивания в композициях «пленка-мишень», «многослойная пленка-мишень» под воздействием пучков ионов Не⁺ и Ar⁺ с широким энергетическим спектром.

5. Физическая модель замедления окисления сплавов циркония в результате модифицирования их структурно-фазового состояния.

6. Методика получения и применения трехкомпонентных пучков газовых

ионов с широким энергетическим спектром и регулируемым атомным составом пучка

(¹H⁺ : ⁴He⁺ : ⁴⁰Ar⁺).

7. Методика одновременного легирования атомами Al, Fe, Mo, Y приповерхностного слоя сплавов циркония в режиме ионного перемешивания пучком ионов Ar⁺ и He⁺ с широким энергетическим спектром.

8. Разработанные методики неразрушающего контроля структурно-фазового состояния оксидов и определения толщины поликристаллических оксидных пленок на металлической поверхности на основе ИК-спектроскопии сверхвысокого разрешения.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на следующих международных и Российских конференциях:

Семинар по прикладному применению экспериментальной базы исследований в ТЯР (Москва, МИФИ, 1999 г.); 14-th, 15-th, 16-th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (Germany, Munhen, Max-Plank, 2000; Japan, Gifu, 2002; USA, Portland, 2004); Научно-практическая конференция материаловедов России «Новые конструкционные материалы» (Звенигород, МИФИ, 2000 г.); 6 и 7-я Российская конференция по реакторному материаловедению (Димитровград, НИАР, 2000, 2003 г.г.); 7-th WorkShop “Hydrogen isotopes in metals” (USA, Portland, 2004); 33–42-я Международная конференция «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами ФВЗЧК» (Москва, МГУ, 2003–2015 г.г.); 16–22-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП» (Москва–МАИ, НИЯУ МИФИ, Ярославль–ЯрПУ: 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015 г.г.); 12–14 International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials (Tomsk, Russia, 2003, 2013); Межнациональное совещание по радиационной физике твердого тела; (Севастополь, 2002, 2004 г.г.); 2–9 Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, МАТИ, 2003–2014 г.г.); XVII Международная конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (Алушта, Крым, 2006); 5–14-th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2002– 2013); 6-й и 7-й Международный Уральский семинар «Радиационная физика металлов и сплавов (Снежинск, 2005, 2007 г.г.); Научные сессии НИЯУ МИФИ, (Москва, НИЯУ МИФИ, 2000–2009 г.г.); 10-я Международная конференция «Пленки и покрытия – 2011» (С-Петербург: С-ПГПУ, 2011 г.); 16^th International Symposium on High-Current Electronics (16^th SHCE) and 10^th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (10^th CMM). (Tomsk, NR TPU, 2010); International Conference on Gas Discharge Plasmas and their Technological Applications

(Tomsk, NR TPU, 2007, 2015); Научно-практическая конференции

материаловедческих обществ России «Цирконий: металлургия, свойства,

применение» (Москва, НИЯУ МИФИ, 2008 г.); Russian Chinese Workshop PPT-2009

(Tomsk, NR TPU, 2009); International Conference “WWER Fuel Performance, Modelling

and Experimental Support” (Bulgaria, Helena Resort, 2009, 2011, 2013 г.г.);

Международная научно-практическая конференция «Технологии ремонта,

восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования,

инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (С-Петербург:

С-ПГПУ, 2011, 2014 г.г.); Международная школа-конференция «Материалы для

экстремальных условий эксплуатации: Разработка, получение и применение»

(Москва, НИЯУ МИФИ, 2015 г.)

Личный вклад автора

Автором выполнены все изложенные в диссертации методические разработки, представленные экспериментальные результаты и модели, описывающие распыление материалов, легирование методом ионного перемешивания и повышение коррозионной стойкости сплавов циркония.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов подтверждается физической обоснованностью разработанных моделей распыления, легирования методом ионного перемешивания, непротиворечивостью полученных результатов, их внутренним единством и соответствием, существующим представлениям о радиационном взаимодействии ионов с твердым телом.

Расчеты коэффициентов распыления, глубины миграции в подложке внедренных атомов удовлетворительно согласуются с данными, полученными экспериментально.

Значительная часть полученных результатов и выявленных закономерностей по распылению, изменению топографии поверхности, модифицированию поверхностных слоев материалов и повышению их служебных свойств внедрена и учитывается в исследованиях, проводимых в ЗАО Лаборатория 23, г. Томск.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 120 работ, в том числе 34 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ из них 19 статей индексированных в базах данных scopus, web of science.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов. Работа изложена на 405 страницах, содержит 62 таблицы, 239 рисунков. Список литературы включает 539 наименований.

Накопление радиационных дефектов

В процессе движения заряженной частицы в мишени (твердом теле) происходит ее непрерывное взаимодействие с атомами и электронами т.в.т. При этом движущаяся частица при столкновении с покоящимся атомом передает ему часть энергии АЕ, образуя первично выбитый атом - ПВА. Первично выбитый атом, двигаясь, в свою очередь, выбивает атом, образую вторично выбитый - ВВА. Этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия атомов отдачи не уменьшится до энергии, равной пороговой энергии смещения Ed, (Ed = 10-30 эВ), ниже которой выбивание атома из узла решетки уже не происходит. Совокупность смещенных атомов Nd в твердом теле от одной движущейся частицы образует каскад смещений, который может распространяться в различных направлениях. Часть выбитых атомов, перемещающихся к поверхности может покинуть твердое тело при условии если его энергия превышает энергию потенциального барьера Ed Ua, где U0 - энергия сублимации. Характерные времена, за которые движущаяся частица потеряет энергию, составляют величины от 10-10 до 10-13 с, при этом в объеме около 104-1012 см3 выделяется энергия порядка 1012 Вт/см3.

В интервале энергий 1 кэВ-1 МэВ различают следующие основные механизмы торможения движущихся частиц [15, 21-23]: ? за счет ядерного (упругого) взаимодействия - при столкновении движущаяся частица передает атому (ядру) часть кинетической энергии пропорционально величине E=12 E0, где E0 - энергия движущейся частицы, 12 - кинематический параметр (12 4М1М2/(М1+М2)2), М1 - атомная масса бомбардирующей частицы, М2 - масса атома мишени; ? за счет неупругих столкновений - энергия движущейся частицы идет на возбуждение и ионизацию атомов (называют потерями на электронах).

Процесс замедления движущейся частицы носит вероятностный характер, поэтому, хотя облучение частицами идет с одной энергией, распределение их концентрации по глубине имеет плавный переход (рисунок 1.4а). Описание процесса замедления характеризуется следующими величинами [23]: E а - распределение концентрации внедренных атомов по глубине мишени, б - соотношение между полным пробегом R и проективным пробегом Rp Рисунок 1.4 - Внедрение з.ч. в мишень Существует ряд моделей [6-10, 21-26], описывающих процесс прохождения заряженной частицы в твердом теле. Однако наибольшее применение получила модель, предложенная П.Зигмундом [13, 23, 24], которая основана на следующих допущениях: взаимодействие движущейся и покоящейся частиц носит парный характер; при столкновении с атомом иона, обладающего энергией выше нескольких килоэлектронвольт, расстояние наименьшего сближения значительно меньше межатомного расстояния, а длина свободного пробега ионов больше межатомного расстояния; возбуждение или ионизация атомов - партнеров при взаимодействии не влияет на динамику рассеяния; один из сталкивающихся атомов - партнеров первоначально покоятся; при описании процесса столкновения применимы законы классической механики.

В результате взаимодействия з.ч. теряет часть энергии, которая обычно относится к единице пройденного пути dE/dx. При этом ион может рассеяться на некоторый угол относительно направления своего первоначального движения. Средняя величина удельных потерь энергии для налетающей частицы обычно определяется как [23]: где No - среднее число атомов в единице объема мишени; Sn(E) - сечение ядерного торможения; Se(E) - сечение электронного торможения. В зависимости от энергии иона процесс передачи энергии может идти или за счет упругих соударений, интенсивность которых определяется величиной Sn,(E), или неупругих взаимодействий, интенсивность которых определяется величиной Se(E). При кэвных энергиях упругие потери энергии связаны с взаимодействием частицы с атомами твердого тела как с целыми объектами. При этом, в связи с наличием электронных уровней, передача энергии происходит в поле некоторого потенциала - V(r). Если энергия движущейся частицы велика, то она может сблизиться с атомом на расстояния много меньше радиусов электронных орбит. В этом случае взаимодействие происходит по закону Кулона.

Если энергия частицы меньше, то необходимо учитывать экранирующее действие электронов Ф(г/а) - функция экранирования, рассчитанная по модели Томаса-Ферми, и приводится в виде таблицы или графика (рисунок 1.5), а характерная длина экранирования может быть найдена из выражения: где Z1, Z2 - порядковый номер налетающей и покоящейся частиц соответственно; е - заряд электрона; г - межатомное расстояние. В настоящее время наиболее широко используются функции экранирования, предложенные И.Лйнхардом, М.Шарфом, X.Шиотом (теория-ЛШШ) и О.Б.Фирсовым [14, 27–29]:

Предложенные методы аппроксимации функции экранирования в виде степенного ряда и аналитической функции дают снижение точности вычислений, однако сами вычисления значительно упрощаются (особенно при получении аналитических выражений) и поэтому находят широкое применение. В настоящее время существуют и другие методы аппроксимации функции экранирования [30–42], например, УХБ метод (авторы: У.Уилсон, Л.Хагмарк, И.Бирзак), однако этот подход незначительно отличается от выше изложенного. Для рассмотрения процессов взаимодействия движущихся заряженных частиц с атомами твердого тела в расчетах удобно использовать безразмерные величины:

Исследование структурно-фазового состояния материалов

Для энергий бомбардирующих частиц 100-1000 кэВ энерговыделение составляет 340-700 эВ на атом, и величина коэффициента распыления оказывается пропорциональной Sp Fq4 (так называемый режим "термических пиков").

Зависимость коэффициента распыления от дозы облучения. В процессе облучения величина коэффициента распыления может изменяться по следующим причинам: идет удаление слоя адсорбированных атомов остаточных газов; перемешивание адсорбированного слоя с приповерхностным слоем материала мишени; формируется слой с равновесной концентрацией дефектов; может протекать процесс аморфизации; формируется рельеф поверхности, который связан со скоростью распыления, энергией, атомной массой бомбардирующих частиц, массовым составом материала мишени и ее кристаллической структурой.

По этой причине обычно требуется определенная доза облучения, выше которой наступает равновесие в системе «бомбардирующий пучок частиц -приповерхностный слой материала мишени». Как показывают эксперименты, влияние остаточных газов на величину коэффициента распыления заметно при давлениях выше р = 1х104 Па. Время, необходимое для покрытия абсолютно чистой поверхности материала одним монослоем адсорбированных молекул газа (для воздуха), составляет величину t = (7,5x103 р)-1 с. Так, при давлении остаточных газов р = 1х104 Па за 1 с на поверхности никеля образуется один монослой адсорбированных газов и для его удаления необходимо выполнение условия: где J - плотность потока бомбардирующих частиц; f - коэффициент прилипания молекул (атомов) газа к поверхности материала; - степень покрытия адсорбированными атомами единицы поверхности. Поэтому для удаления адсорбированного слоя (при значениях Sp = 1 ат./ион, f = 1, = 1) плотность потока бомбардирующих частиц должна составлять величину не менее j = 6,3 1015 частиц/схсм2. Когда давление остаточного газа велико (р 133 Па) возможен эффект изменения величины коэффициента распыления из-за взаимодействия распылившихся атомов с остаточными газами и возврата части атомов обратно на поверхность мишени. Так называемый «кажущийся коэффициент» распыления можно оценить по формуле Пеннинга-Моубиса [98]: где d - диаметр вакуумного объема рабочей камеры, величина pd (0,1-0,5) Пахм; - средняя длина пробега распыленного атома в атмосфере остаточных газов при давлении 133 Па. При облучении бомбардирующие частицы внедряются на глубину, равную проективному пробегу, и тем самым изменяют состав материала мишени. Поэтому для выхода на стационарный режим облучения необходимо время t, за которое слой толщиной примерно равный R распыляется и приходит в равновесное состояние: t = RPVs1, (1.43) где Vs - скорость распыления. Важно подчеркнуть, что в случае взаимодействия остаточных газов, например, кислорода с материалом мишени или адсорбированными атомами могут образовываться химические соединения, имеющие отличные от матрицы скорости распыления.

Если поверхность мишени имеет шероховатость порядка Ra= 0,1-0,3 мкм, то величина Sp может определяться вкладом участков поверхности с различным углом наклона относительно нормали к поверхности - . Поэтому для получения стационарной скорости распыления необходимо время для распыления слоя толщиной, равной максимальной разности между выступами и впадинами на поверхности мишени, которое может достигать нескольких часов:

Влияние температуры облучения. Коэффициент распыления чистых металлов практически не зависит от температуры материала вплоть до Т = Uo/40, которая равна 0,6 Тпл. При температуре выше Т = 0,7Tпл коэффициент распыления пропорционален Sp ехр (Т) [2, 4, 9, 68, 88, 99-102]. Однако если под действием пучка частиц могут образовываться с остаточными газами летучие химические соединения [79, 80, 87, 99], то повышение температуры облучения может существенно увеличивать распыление материала. Этот процесс, как отмечалось выше, принято называть «химическим распылением». Обычно для оценки общего коэффициента распыления используют принцип независимости физических и химических процессов, т.е. Sp юн = SpphiS + Spchem. Если оба процесса взаимосвязаны, то общий коэффициент распыления имеет более сложную зависимость. Например, при одновременном распылении углеграфитовых материалов ионами H и Ar в контролируемой по составу среде [103] предложено величину Sp toti определять следующим образом: s„ =s„ + x[s„ -s„ Г, (1.45) P total P phis I D і О I \ Pchem P phis / где R=JH+/JAr+ - отношение потоков ионов на поверхность мишени, S =pH+/pH0 отношение парциальных давлений вблизи поверхности мишени ионов и нейтральных атомов водорода, пит- показатели степеней в интервале величин 1-2. Роль угла облучения. Каскадная теория процесса распыления позволяет получить зависимость коэффициента распыления от угла облучения (угол между нормалью к поверхности мишени и направлением движения пучка частиц) в виде:

Источник с разрядом в неоднородном магнитном поле

Изучение микроструктуры образцов и поперечных шлифов выполнено методом растровой электронной микроскопии на приборах: РН-660 фирмы Peckiring Elmer (США) с интегрированным с ним оже-анализатором, JSM-840 фирмы ”Jeol” (Япония) с интегрированным с ним рентгеновском микрозондом фирмы ”Oxford Instruments” (Великобритания) и ионной растровой микроскопии c галиевым источником ионов на приборах Strata 235, Quanta-200 3D и Quarta-500, Helius-600 фирмы FIE (Голандия). Исследования проводили при ускоряющих напряжениях 20 и 40 кВ, токе электронного пучка (0,3-6)х10 9 А, при увеличении 200-10000 крат.

Определение фазового состава оксидных пленок проведено с помощью ПЭМ по электронограммам, полученным в режиме дифракции при ускоряющих напряжениях 75 и 100 кВ. Индицирование электронограмм проведено по стандартной методике [196, 197, 198]. В таблице 2.6 представлены справочные данные межплоскостных расстояний для оксидов циркония различной модификации [198-200].

Изучение структуры оксидных пленок на металлической подложке проведено методом растровой ионной микроскопии (ИРМ). В работе использовались ионные растровые микроскопы Strata-235, Quartа-500, Versa 3D с зондирующим пучком ионов Ga+ при следующих параметрах: энергия ионов 30 кэВ, ток пучка ионов 1–10 нА, поперечное сечение пучка 10–30 нм, давление остаточных газов в рабочей камере ниже 10-8 Па. При этом изображение может быть получено в режиме регистрации как вторичных электронов (аналог метода РЭМ), или вторичных ионов. Последнее имеет весьма перспективное применение для изучения структурно-фазового состояния оксидов, т.к. присутствие на поверхности атомов кислорода значительно увеличивает коэффициент эмиссии вторичных ионов (в 102–103 раз) и это значительно повышает информативность изображения.

Применение пучка с высокой энергией ионов позволяет также проводить прецизионное фрезерование и резку как диэлектриков, так и металлов с точностью позиционирования пучка лучше чем ±0,03 мкм. В работе применялся режим фрезерования на поверхности образцов с оксидной пленкой «прямоугольной лунки» размером 1010 мкм и глубиной до 10 мкм (рисунок 2.2), обеспечивающей вскрытие металлического подслоя подложки.

Для ускорения процесса фрезерования использовался режим фрезерования с клином с углом одной грани 45о, что позволило изучать состояние поперечного среза под углом 45о.

Рентгеновские исследования образцов в исходном состоянии и после облучения пучками ионов выполнены на дифрактометре ДРОН-3 для проведения структурного и качественного фазового анализа [200]. Вычисление коэффициентов распыления проводилось тремя методами. Весовой метод. Одним из простых методов определения величины коэффициента распыления Sp [гл.1, 201] является определение изменения массы Aw образца до и после облучения: где A/w - изменение массы, MA - молярная масса материала образца, АA - число Авогадро, Ni - число упавших на поверхность образца ионов, Nt = j t (J -поток ионов, t - время облучения). Основной вклад в погрешность измерений дают точность определения дозы облучения и изменения массы образца. При этом необходимо учитывать тот факт, что реальные образцы имеют размеры и облучаемую площадь отличную от единицы, поэтому погрешности в определении геометрических размеров так же будут иметь место.

В качестве измерительного инструмента были использованы электронные весы фирмы A&D (Япония) марки GH-252, имеющие порог чувствительности на уровне 0,01 мг и типовую погрешность ±10 мкг. Весы оснащены RS-232 портом и соединены с компьютером. Обработка данных измерений массы образцов осуществляется с помощью лицензированного программного продукта WinST-98, который позволяет управлять весами и снимать показания дистанционно. Это существенно ускоряет процесс взвешивания и обработку результатов.

Для повышения точности измерений весы были откалиброваны на нагрузках от 0,1 до 100 г, затем уточнена функция отклика и в память весов были внесены необходимые коррекции. Это позволило иметь погрешность измерений веса не более ±10 мкг в интервале измеряемых масс 0,001-50 г.

Метод ступеньки. Метод ступеньки основан на определении толщины Ah слоя распыленного материала. Для определения величины ступеньки часть исходной поверхности мишени защищают экраном и после облучения сравнивают взаимное положение поверхностей (защищенной и незащищенной, т.е. смещенной вглубь в результате распыления). Величина коэффициента распыления может быть вычислена как: pxFxAh NA Sp = х , (2.5) М А Ni где F - площадь облученной поверхности, р - удельный вес материала образца, г/см , MA - молярная масса материала образца, АA - число Авогадро, TV,- - число упавших на поверхность образца ионов, М = j t (J - поток ионов, t - время облучения) [2, 68, 201].

На рисунке 2.3 представлена типичная фотография участка образца вольфрама после облучения с защитным экраном от распыления, из которой видно, что основной вклад в точность измерения величины А/г дают степень неоднородного распыления поверхности и угол наклона кромки (границы участков). Из проведенных оценок общая погрешность измерений может достигать 5-10 %.

Внедрение атомов из пленок в режиме ионного перемешивания

Это связано с тем, что при больших углах облучения значительная часть бомбардирующих ионов отражается (коэффициент RN увеличивается), а поскольку ионы аргона имеют меньший пробег по сравнению с ионами гелия, то этот эффект оказывается для них более значимым. При этом максимальная величина Sp для Be достигает 8+0,5 ат./ион (при а«75о) и для Cu (при а«65о) 13,5+0,5 ат./ион.

Таким образом, анализ распыления материалов однокомпонентными пучками ионов (разных масс) Н , Не , Ar и с различными величинами ширины энергетического распределения ( зЕ = 6 %, и зЕ = 40±10 %) показал, что при увеличении ширины энергетического спектра ионного пучка возрастает доля ионов с энергией выше средней, что приводит к изменению значений коэффициентов распыления материалов и смещает зависимость коэффициента распыления от энергии в область больших энергий по сравнению с облучением пучком с узким энергетическим спектром.

Двухкомпонентные пучки ионов. Зависимость SP( E ) измерения величин коэффициентов распыления поликристаллических образцов Ni, облученных одновременно пучком ионов водорода и гелия в различном соотношении компонент (СH+ : СHe+ = 1:3; 1:1; 3:1) в интервале значений средней энергии Е = 0,1-20 кэВ, при ширине энергетического спектра ЗЕ =40±10 % и дозе облучения Ф«2,51018 ион/см2 представлены на рисунке 4.18 (в области средних энергий 5-20 кэВ). Как видно из рисунка 4.18 присутствие в пучке ионов с большей атомной массой (He ) вызывает увеличение SP( E ) по сравнению с облучением только ионами водорода, что соответствует известным данным по распылению металлов [68, 84-88]. Аналогичная картина наблюдается в случае облучения двухкомпонентным пучком (СH+ : СHe+ = 1:0; 1:1; 0:1) сложнолегированной стали 12Х18Н10Т (рисунок 4.19, кривые 1, 3, 5).

При уменьшении ширины энергетического спектра пучка ионов H + He до ЗЕ = 6 % (СH+ : СHe+ = 1:0; 1:1; 0:1) в области энергий 2-13 кэВ установлено ожидаемое снижение величины распыления Sp на 20-30% по сравнению с Sp при ширине ОЕ = 40 % (см. рисунок 4.19, кривые 4 и 3). ТТ+ Л + / 1Л

Совместное облучение ионами Не и Аг \рЕ =40±Ю%) приводит к увеличению величины Ьр( Ь ) по сравнению с облучением только ионами Не (рисунок 4.20) вследствие появления в пучке ионов с большой массой. Так, распыление Ті образцов пучком ионов Не + Аг в равном соотношении компонент (Сне+ : САГ+ = 1:1) приводит к увеличению значений SP( E ) в диапазоне энергий =1-20 кэВ, при этом, как и ожидалось, максимум коэффициента распыления смещается в область больших энергий (от Ет=6,4 кэВ до Ет =8,4 кэВ).

Трехкомпонентный пучок. Одновременное облучение поликристаллических образцов Ті и Ni трехкомпонентным пучком ионов Н + Не + Аг с 5Е =50+10 % (рисунок 4.21) показывает, что с увеличением содержания в пучке ионов аргона от С(Аг)=15 % до С(Аг)=36 % приводит к ожидаемому росту величины Sp как Ni, так и Ті.

Распыление сложнолегированных сталей 12Х18Н10Т и 0Х16Н15МЗБ (рисунок 4.22) трехкомпонентным пучком ионов Н + Не +Аг с а# = 6 и 40 % показывает, что общие закономерности изменения SP( E ) от ширины энергетического спектра, концентрации компонент в пучке сохраняются как и для распыления чистых металлов. При этом коэффициент распыления SP( E ) при облучении пучком с а=40 % выше на 20-30 % по сравнению с облучением пучком с а=6 % .

Зависимость распыления от приведенной атомной массы ионов пучка. В таблице 4.6 представлены полученные нами величины коэффициентов распыления Sp поликристаллических образцов Be, Fe, Си, Mo, W, сталей 12Х18НЮТ и 0Х16Н15МЗБ при облучении пучками ионов Н и Не СО Средней Энергией Ё =Ю КЭВ, C7=50±l0% до доз (1-2)хЮ18 ион/см2. Из анализа приведенных данных таблицы видно, что величины коэффициентов распыления образцов чистых металлов существенно зависят как от атомной массы распыляемых материалов, так и от приведенной атомной массы ионов в пучке Ms, где приведенная масса Ms =(Х Mj))lj, Mj - атомная масса j - иона в пучке: 1 а.е.м. - Н4"; 2,5 а.е.м. - Н4" + Не+; 4 а.е.м. - Не+). Например, для образцов из Be: Н4- Д Ё )=(1,0±0,5)х10 2; ІҐ+ Не+ - SP( E ) =(5,0±1,0)х10 2; Не+ -SP( E ) (9,0±1,0)х10 2 ат./ион. При этом минимальные величины коэффициентов распыления наблюдаются для ионов водорода на образцах W ( lxlO"4 ат./ион), для ионов гелия - на Мо и W [(2,0±1,0)х10 2, (3,0±0,5)х10 2 ат./ион соответственно], для двухкомпонентного пучка ІҐ+Не также на Мо и W [(1,1±0,3)х10 2 и (1,7±0,2)х10 2 ат./ион соответственно]. Эта тенденция полностью соответствует литературным данным по распылению металлов моноэнергетическими пучками ионов [68].

Анализ величин коэффициентов распыления сталей 12Х18Н10Т и 0Х16Н15МЗБ подтверждает выше отмеченную закономерность, а именно: с увеличением приведенной атомной массы ионов в пучке величина Sp растет. При этом большей стойкостью к распылению обладает сталь 0Х16Н15МЗБ с большей долей легирующих элементов и, следовательно, большей энергией межатомной связи.

Изучение влияния на величину коэффициента распыления присутствия в двухкомпонентном пучке компоненты с большей атомной массой (например, Ar+) показало, что для легких мишеней наблюдается нелинейная зависимость увеличения величины Sp с ростом приведенной атомной массы. Например, в таблице 4.7 представлены измеренные величины Sp для образцов бериллия, 202 ТТ"ГА"Г т облученных двухкомпонентным пучком ионов Не +Аг (средняя энергия Ь = 10 кэВ, аЕ = 40±10%, доза облучения Ф = 1 1018 ион/см2) с различным соотношением компонент Сне: СдгОт 1:0 до 0:1.

Из представленных данных видно (таблица 4.7 и рисунок 4.23), что приведенная атомная масса пучка изменяется от 4 до 40 а.е.м., а величина Sp растет соответственно с 0,1 до 3,6 (4) ат./ион, т.е. приведенная атомная масса двух компонентного пучка Ms увеличивается в 10 раз, а величина Sp в 36-40 раз. Как следует из рисунка 4.23 зависимость SP(M) имеет степенной вид (7=0,015 хх1 4541) и максимальное отклонение от линейного характера наблюдается в области величин приведенных масс 5-15 а.е.м.