Структура, фазовые превращения и электрические свойства аморфных сплавов на основе рения и никеля Бабкина, Ирина Владиславовна

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время исследования в области некристаллических (аморфных) металлических сплавов во всем мире ведутся во все возрастающих масштабах. Приоритетный характер этих исследований обусловлен, с одной стороны, уникальным комплексом физических свойств аморфных сплавов (АС), что способствует их широкому практическому применению. С другой стороны, проблема описания физических свойств АС, атомная структура которых характеризуется ближним порядком и отсутствием трансляционной симметрии, является одной из интереснейших и до конца не решенных задач физики твердого тела.

Известно, что сплавы с аморфной структурой являются неравновесными (метастабильными) и при нагреве выше некоторой температуры Т_х переходят в кристаллическое состояние. Вследствие этого вопросы стабильности, структурной релаксации и кристаллизации являются одними из основных в физике неупорядоченного конденсированного состояния. Так как область применения АС ограничена значениями температуры Т_х, то повышение температуры кристаллизации также имеет и большое практическое значение.

Из анализа литературных данных следует, что для получения АС с высокой термической стабильностью необходимо выбирать системы на основе тугоплавких металлов. Однако, из всех известных АС переходных металлов (ПМ), сплавы на основе тугоплавких металлов наименее изучены в настоящее время, что связано со вполне понятными технологическими трудностями их получения. Например, мало исследованы структура и закономерности образования АС даже в двойных системах тугоплавких металлов.

Как известно, силициды тугоплавких металлов используются в микроэлектронике в качестве материалов для металлизации, диффузионных барьеров, резистивных элементов, барьеров Шоттки. В настоящей работе внимание было обращено к сплавам рения, т.к. кристаллические сплавы на основе рения находят широкое применение в электронике.

Метод закалки из газовой фазы (высокоскоростное ионно-плазменное распыление), использованный в данной работе, является совместимым с базовыми технологическими процессами микроэлектроники и вместе с тем дает возможность получать АС в свободном от подложки состоянии, т.е. изучать закономерности образования и физические свойства, характерные для массивного состояния аморфных металлов.

Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета в соответствии с Координационным планом РАН в области естественных наук по направлению 1.3 Физика твердого тела, раздел 1.3.2.6. "Фазовые превращения и их влияние на механические и другие физические свойства твердых тел" и по плану госбюджетной НИР 001.91.0066.1821 "Синтез, структура и физические свойства материалов электронной техники". Выполненная работа была частично поддержана грантами RJ1000 и RJ1300 Международного Научного Фонда и Российского Фонда Фундаментальных Исследований.

Цель работы. Установить взаимосвязь между закономерностями образования, структурой, термической стабильностью, фазовыми превращениями и электрическими свойствами аморфных сплавов системы Re-Si, а также Ni-IM-Si.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

разработать рентгенодифракционную методику измерения структурного фактора пленок двойных аморфных сплавов;

провести экспериментальные исследования структуры аморфных сплавов системы Re-Si;

исследовать изменение параметров ближнего порядка некоторых АС Re-Si при структурной релаксации;

установить зависимость температуры кристаллизации АС системы Re-Si от состава;

исследовать структуру сплавов Re-Si на различных стадиях процесса кристаллизации;

исследовать зависимость удельного электросопротивления от температуры и состава АС системы Re-Si и установить взаимосвязь между фазовыми превращениями при нагреве и изменением электрических свойств;

методом просвечивающей электронной микроскопии исследовать субструктуру некоторых сплавов системы Re-Ta, для которых наблюдается необратимое увеличение удельного электросопротивления после кристаллизации;

исследовать взаимосвязь между фазовыми превращениями и изменением электрических свойств при нагреве аморфных сплавов [Ni₅6-(Cr,Fe,Mo,W,Ti,Al)44bo-_xSi_x.

Научная новизна. В работе впервые:

исследована структура АС системы Re-Si, и определены концентрационные интервалы существования аморфных фаз с различным типом

ближнего порядка;

исследована зависимость от состава параметров топологического ближнего порядка AC ReSi из однофазной области и их изменение при структурной релаксации. Установлено сходство структуры ближнего порядка этих сплавов и соединений Re5Si₃ и ReSi₂, что позволяет объяснить закономерности образования АС в системе ReSi и направленность процесса структурной релаксации;

исследованы термическая стабильность и фазовые превращения при нагреве АС системы ReSi, установлена их взаимосвязь с атомной структурой ближнего порядка соответствующих аморфных фаз;

на основании полученных экспериментальных результатов построена неравновесная диаграмма состояния системы Re-Si;

проведены комплексные систематические исследования зависимости между фазовыми превращениями при нагреве и изменением электрических свойств в системах различного типа: металл-металлоид (Re-Si и Ni-HM-Si) и металл-металл (Re-Ta) й с различной кристаллической структурой образующихся соединений. На основании анализа полученных результатов сделан вывод о природе необратимой и обратимой составляющих эффекта увеличения электросопротивления АС при кристаллизации.

Практическая значимость. Построенная неравновесная диаграмма состояния системы Re-Si может быть использована при разработке и получении новых аморфных и метастабильных кристаллических сплавов.

Аморфные сплавы Reioo-_xSi_x (х=10-30 ат.%), обладающие высокой термической стабильностью Т_х=Ю65-ь1108 К, высокими значениями удельного электросопротивления р=260-кї50 мкОм-см, низким температурным коэффициентом электросопротивления а=-2,02-10^-1,34-10"⁴ К"¹ и хорошими механическими свойствами, могут быть рекомендованы для использования в микро- и радиоэлектронике в качестве резистивных элементов, диффузионных барьеров, барьеров Шоттки, материалов для автоэмиссионных катодов и различных элементов электровакуумных приборов.

Полученные результаты позволяют прогнозировать формирование АС с высокой термической стабильностью и необходимыми электрическими свойствами в других двойных системах ПМ-Si с аналогичным типом равновесной диаграммы состояния.

Установленные закономерности изменения электрических свойств при нагреве АС типа ПМ-Si могут быть полезны при оптимизации параметров технологических процессов производства полупроводниковых приборов.

Полученные новые AC (Ni-nM)-Si, где (№-ПМ)-жаропрочный сплав на никелевой основе ХН57МТВЮ, могут быть рекомендованы для использования в качестве износостойких покрытий в парах трения, работающих в агрессивных средах.

Основные положения, выносимые на защиту,

1. Для аморфных сплавов системы Re-Si реализуются два типа ближ
него порядка: 1- характерный для плотноупакованных металлических сте
кол и близкий к структуре ближнего порядка соединений ResSis, ReSii и

2- со структурой характерной для ковалентных стекол - типа аморфного кремния.

1. Термическая стабильность и фазовые превращения при нагреве АС системы Re-Si определяются соотношением между параметрами ближнего порядка атомной структуры этих сплавов и соответствующих кристаллических соединений.

2. Построенная на основании экспериментальных результатов неравновесная диаграмма состояния системы Re-Si.

3. При структурной релаксации AC ReSi, содержащих 20 и 31 ат.% Si, наблюдается изменение топологического ближнего порядка: уменьшение координационного числа и корреляционной длины, однако, радиус первой координационной сферы не изменяется. Направленность этих изменений свидетельствует о приближении композиционного ближнего порядка (КБП) АС к КБП соединений Re5Si₃ и ReSi2-

4. Эффект увеличения удельного электросопротивления AC Re-(Si.Ta) и Ni-nM-Si при кристаллизации состоит из необратимой и обратимой составляющих и обусловлен как высоким собственным значением удельного электросопротивления образующихся кристаллических соединений, так и высокой долей границ зерен на первой стадии кристаллизации, соответственно.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: Eighth International Conference on Liquid and Amorphous Metals (Wien, Austria, 1992); International Conference on Magne-tian (Warsaw, Poland, 1994); 7-й Российской научно-технической конференции "Демпфирующие материалы" (г. Киров, 1994); VIII Всероссийской конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (г. Екатеринбург, 1994); Международном семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (г. Воронеж, 1995); IX Российском и X Совещаниях по стеклообразному состоянию (г. Санкт-Петербург, 1995, 1997); Российском семинаре "Структурная наследственность в процессах сверхбыст-

рой закалки расплавов" (г. Ижевск, 1995); VI Международном совещании по аморфным прецизионным сплавам (г. Боровичи, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ в виде статей и тезисов докладов, из которых в диссертации использовано 8 работ.

Цель исследования была поставлена научным руководителем к.ф.-м.н,, с.н.с. Ю.В.Барминым. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автором самостоятельно проведены эксперименты и принято участие в написании статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 149 страниц текста, включая 43 рисунка, 7 таблиц и библиографию из 177 наименований.