Введение к работе
Актуальность темы
В ряде работ, посвященных вопросам ионной имплантации твердых тел, было обнаружено, что при некоторых условиях глубина проникновения имплантируемых ионов значительно превышает проективные пробеги ионов, изменения атомной и фазовой структуры в некоторых случаях также распространяются на глубины, существенно превышающие расчетные. Этот эффект получил название «эффекта дальнодействия».
Большое количество работ посвящено исследованию эффекта дальнодействия в металлических системах, находящихся в термодинамическом и структурном равновесии. Проводились также исследования эффекта дальнодействия в материалах, находящихся в неравновесном состоянии. В работах Д.И. Тетельбаума представлены результаты исследований влияния малодозного ионного облучения на микротвердость фолы пермаллоя-79, показано, что облучение фольги приводит к изменению микротвердости образцов не только с облучаемой стороны, но и с обратной. Более того, обнаружено изменение микротвердости фолы, облучавшихся в стопке, и, соответственно, экранированных от облучения в рамках классической теории проникновения ионов в твердые тела. В работах В.Я. Баянкина, Д.И. Тетельбаума и М.И. Гусевой при облучении металлических фолы пермаллоя-79 ионами бора выявлена аномальная миграция атомов имплантируемого бора до обратной стороны фольги, а также сегрегация бора вблизи обеих поверхностей. Изменение значений микротвердости, как структурно-чувствительного параметра, может свидетельствовать о протекании структурно-фазовых превращений в объеме и в приповерхностных слоях фолы. В целом, имеются обширные результаты по дальнодействующему влиянию ионной имплантации на механические свойства, миграцию имплантанта, полученные на мишенях, исходно находящихся в равновесном состоянии, а также изменение структуры при ионной имплантации неравновесных материалов. Однако в литературе практически не освещен вопрос диффузионных процессов в системах, находящихся в исходно неравновесном состоянии, при ионном облучении. Кроме того, недостаточно исследовано изменение состояния неравновесности в условиях внешнего воздействия: В работах А.Н. Диденко, Ю.П. Шаркеева и др. показано, что в случае изначально высокой плотности дислокаций в мишени изменение
дефектной структуры при ионной имплантации может характеризоваться сохранением типа дислокационной структуры с сохранением величины плотности дислокаций. При этом использование разрушающих методов исследования структуры может не выявить изменений в зависимости дефектной структуры от глубины после облучения.
Известно, что изменение дефектной структуры в процессе
ионной имплантации может вызывать изменения химического
потенциала компонентов системы, стимулирующие
перераспределение компонентов системы и поверхностную сегрегацию. В связи с этим для исследования эффекта дальнодействия при ионной имплантации неравновесных систем представляется актуальным исследовать изменение химического состава в результате облучения.
Цель и задачи исследования
Целью работы является исследование влияния ионной имплантации на сегрегационные процессы в поверхностных слоях и физико-механические свойства поверхностных слоев прокатанной фольги сплавов Cu-Ni.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
1. Изучение особенностей формирования состава поверхностных
слоев фольги сплава Cu-Ni при ионной имплантации в зависимости от параметров облучения и типа ионов (В+, Аг+);
2. Исследование влияния параметров ионной имплантации на
микротвердость и межатомное расстояние облученной фольги сплава Cu-Ni;
3. Интерпретация полученных экспериментальных результатов
для объяснения процессов, определяющих формирование
состава поверхностных слоев и структурных изменений
поверхностных слоев фольги сплава Cu-Ni, в рамках
имеющихся теоретических моделей эффекта дальнодействия.
Исследования проводились методами рентгено-
фотоэлектронной и Оже-электронной спектроскопии, вторично-ионной масс-спектрометрии, измерения микротвердости, рентгено-структурного анализа.
Научная новизна работы
-
Впервые обнаружено сегрегационное проявление эффекта дальнодействия в исходно сильнодеформированных фольгах сплава CugoNi2o, заключающееся в проникновении имплантируемых ионов на глубину до 40 мкм.
-
Впервые обнаружено сегрегационное проявление эффекта дальнодействия при ионной имплантации в исходно сильнодеформированных фольгах сплава Cu5oNi5o с напыленным слоем алюминия, выражающееся в изменении профиля концентраций № и Си с необлученной стороны фольги.
-
Впервые выявлено немонотонное распределение компонентов в поверхностных слоях прокатанной медно-никелевой фольги как на облучаемой стороне, так и на стороне, обратной облучению.
-
Впервые выявлена немонотонная зависимость микротвердости исходно сильнодеформированного сплава CU50N150 с напыленным слоем алюминия от энергии ионов и интегральной дозы при имплантации ионов Аг+.
Научная и практическая значимость работы
Работа посвящена актуальному фундаментальному вопросу физики процессов, протекающих при имплантации ионов в твердые тела. Основная значимость работы заключается в исследовании реакции исходно неравновесного состояния матрицы на ионное облучение, заключающееся в протекании релаксационных процессов при внешних энергетических воздействиях.
Практическая ценность работы заключается в возможности применения результатов исследований для решения проблем влияния энергетического воздействия на материал и формирования слоистой структуры поверхностных слоев.
Достоверность
Достоверность полученных результатов, основных положений и выводов диссертации обеспечена использованием ряда апробированных экспериментальных методов, результаты которых хорошо согласуются друг с другом, а также не противоречат общепринятым положениям физики прочности и пластичности, физики взаимодействия ионов с металлами.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Эффект дальнодействия ионного облучения медно-никелевых фолы, находящихся в неравновесном состоянии, реализуется в проникновении имплантируемых атомов на необлучаемую сторону фольги.
-
Формирование немонотонного концентрационного профиля как на облучаемой, так и на необлучаемой сторонах прокатанных медно-никелевых фолы обусловлено перераспределением основных компонентов сплава в поверхностных слоях, протекающем при облучении ионами В+ иАг+.
-
Сегрегационные процессы при ионной имплантации определяются исходной дефектной структурой облучаемого материала.
-
Исследуемые механические свойства материала как с облучаемой, так и с обратной облучению стороны немонотонно зависят от параметров облучения.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих Международных, Российских, региональных конференциях и семинарах: VIII Международная конференция «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», Обнинск, 2005; Школа-семинар КоМУ-2005 «Нанотехнологии и наноматериалы», Ижевск, 2005; VI-ая конференция Молодых Ученых КоМУ-2006, Ижевск, 2006; 1-ая Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Н. Новгород, 2006; Седьмой Международный Уральский Семинар «Радиационная физика металлов и сплавов», Снежинск, 2007; IX международный семинар «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», Обнинск, 2007; V Международная школа-конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов, 2007; XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008», Москва, 2008; II Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Казань, 2008; Восьмой Международный Уральский Семинар «Радиационная физика металлов и сплавов», Снежинск, 2009; III Всероссийская конференция
«Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Н.Новгород, 2010.
Основное содержание диссертации изложено в 11-й тезисах докладов и в 3-х статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК.
Работа выполнена в лаборатории электронной структуры поверхности отдела физики и химии поверхности Физико-технического института УрО РАН, в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: «Исследование влияния внешних воздействий на изменения электронной, атомной структуры, поверхностных сегрегации систем на основе d- и f-металлов» (№ гос. регистрации 0120.0 603318) и проектов РФФИ «Исследование сегрегационных процессов в поверхностных слоях металлических систем при ионной имплантации» (№ 02-02-16670), РФФИ-Урал «Формирование наноразмерных слоев в сплавах на основе 3 d-металлов при деформационном, ионном и лазерном облучении» (№10-02-96039-р_урал_а).
Личный вклад автора
Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором, а также полученные в соавторстве. Автор диссертации принимал личное участие в экспериментах по вторично-ионной масс-спектрометрии, измерению микротвердости, рентгено-фотоэлектронных и Оже-электронных исследованиях. Автором был проведен качественный и количественный анализы результатов исследований состава и структуры поверхностных слоев облучаемых фолы. В работе использовались результаты, полученные Г.Н. Коныгиным (рентгеновская дифракция). Общая и конкретные задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы совместно с научным руководителем В.Я. Баянкиным. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
