Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Структурные особенности и природа внутренних напряжений в углеродных конденсатах, получаемых в условиях ионной бомбардировки на холодных подложках 10
І 1.1. Структурные особенности углеродных конденсатов, получаемых в условиях ионной бомбардировки на холодных подложках 10
1.1.1. Полиморфизм углерода 10
1.1.2. Аморфные тела 13
1.1.3. Методы исследования структуры аморфного углерода 14
1.2. Дефекты в углеродных конденсатах
1.2.1. Поликластерная модель аморфных тел 21
1.2.2. Процессы, протекающие при облучении в аморфных телах 23
1.3. Внутренние напряжения в тонких пленках 26
I 1.3.1. Внутренние напряжения и их классификация 26
1.3.2. Механические напряжения в твердых телах 27
1.3.3. Причины возникновения и механизмы образования внутренних напряжений в тонких пленках 31
1.4. Основные методы исследования внутренних напряжений в тонких пленках 37
1.4.1. Механические методы исследования внутренних напряжений 3 8
1.4.1.1. Дисковый метод 38
1.4.1.2. Метод изгибания стержня 40
1.4.1.3. Пузырьковый метод 41
1.4.2. Рентгеновские методы 42
1.4.3. Метод электронной дифракции 44
1.4.4. Прочие методы 45
1.5. Методы снижения внутренних напряжений в тонких пленках 47
1.5.1. Влияние технологических параметров процесса на величину внутренних напряжений в тонких пленках 47
1.5.2. Нанесение многослойных покрытий 50
1.5.3. Изменение угла наклона плазменного потока ионов к подложке 52
1.5.4. Напуск газа азота в вакуумную камеру 56
1.5.5. Отжиг как метод снижения внутренних напряжений и метод анализа структурных особенностей получаемых конденсатов 56
1.5.5.1. Влияние параметров отжига на диффузионные процессы 57
1.5.5.2. Особенности миграции точечных дефектов в покрытии при отжиге при наличии в нем неоднородного поля внутренних напряжений 59
1.5.5.3. Влияние параметров отжига на структуру и величину внутренних напряжений в углеродных конденсатах 61
1.6. Физические модели, объясняющие возникновение внутренних
напряжений в покрытиях в условиях ионной бомбардировки 67
Выводы к главе 1 74
Глава 2. Теоретический анализ основных механизмов возникновения внутренних напряжений в углеродном конденсате, формируемом в условиях ионной бомбардировки 76
2.1. Процессы, происходящие при низкоэнергетичной ионной бомбардировке поверхности 76
2.1.1. Общие представления 76
2.1.2. Нейтрализация 78
2.1.3. Ядерное торможение 78
2.1.4. Неупругие потери энергии 80
2.1.5. Распределение пробегов ионов 81
2.1.6. Радиационные дефекты 81
2.1.7. Термически стимулированные процессы отжига дефектов 83
2.2. Моделирование процессов радиационного повреждения в твердых телах 84
2.2.1. Общие положения 84
2.2.2. Основные принципы моделирования 85
2.3. Модель возникновения внутренних напряжений сжатия в углеродных конденсатах, формируемых в условиях ионной бомбардировки 90
Выводы к главе 2 94
Глава 3. , Исследование влияния условий формирования покрытий, выявленных в результате моделирования процессов возникновения и миграции радиационных дефектов, приводящих к возникновению внутренних напряжений сжатия в конденсате 96
3.1. Влияние энергии ионов и степени ионизации плазмы на
величину внутренних напряжений в углеродных конденсатах 96
3.2. Влияние угла наклона потока углеродной плазмы к поверхности подложки на величину внутренних напряжений в углеродных конденсатах
3.3. Влияние температуры подложки на величину внутренних напряжений в углеродных конденсатах 107
Выводы к главе 3 110
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований изменения внутренних напряжений в углеродных конденсатах в зависимости от параметров процесса их формирования и последующего отжига 111
4.1. Метод измерения величины внутренних напряжений 111
4.2. Экспериментальные зависимости величины внутренних напряжений в углеродном конденсате от условий его формирования и последующего отжига 118
4.3. Экспериментальные зависимости изменения величины внутренних напряжений (в процентах) в углеродном конденсате от условий его формирования и последующего отжига 129
4.4. Сопоставление экспериментальных данных с результатами моделирования 135
Выводы к главе 4 136
Глава 5. Исследование процесса отжига углеродных покрытий как метода снижения внутренних напряжений и метода анализа структурных особенностей получаемых конденсатов 137
5.1. Влияние параметров отжига на величину внутренних напряжений 137
5.2. Исследование структурных особенностей углеродных конденсатов по результатам анализа экспериментальной кривой изменения внутренних напряжений при отжиге 140
Выводы к главе 5 145
Заключение 146
Использованная литература 148
Приложение 1 160
Приложение 2
Введение к работе
Актуальность темы. Модифицирование поверхности различных изделий путем нанесения тонких пленок в вакууме с использованием плазмы используется в промышленности для улучшения их трибологических характеристик. Сверхтвердые углеродные покрытия, формируемые в результате конденсации ускоренных частиц углерода на подложке, привлекают особое внимание исследователей. Особенность этих покрытий и основной недостаток - аномально-высокие внутренние напряжения, которые вызывают изгиб подложки и при увеличении толщины до определенного значения приводят к его отслаиванию. В качестве примера этого процесса можно рассматривать изгиб кантилевера (микрозонда) сканирующего зондового микроскопа, на который нанесено твердое углеродное покрытие.
Анализ литературных источников показывает, что внутренние напряжения в углеродных конденсатах носят структурный характер, а возникновение их связывают с процессами генерации радиационных дефектов и последующей их эволюцией, однако, в этих работах не приводятся данные о влиянии частичных вакансий, глубины залегания имплантированных атомов углерода и последующего отжига на величину внутренних напряжений сжатия. Не предложен универсальный теоретически обоснованный подход к проблеме снижения внутренних напряжений в углеродных конденсатах, формируемых в условиях ионной бомбардировки.
В настоящее время разработаны физические модели формирования конденсатов, в которых определена роль радиационных точечных дефектов в уплотнении конденсатов. Установлена зависимость плотности формируемых конденсатов от энергии ионов и степени ионизации плазменного потока. Однако, существующие модели не объясняют существование экстремального значения величины внутренних напряжений в углеродном покрытии в диапазоне энергий ионов от 50 - 60 эВ, а также не учитывают влияния угла наклона потока ионов к подложке на величину внутренних напряжений. Кроме того, недостаточно экспериментальных исследований по влиянию температуры отжига на характер изменения внутренних напряжений в углеродных покрытиях, полученных при различных температурах подложки и энергетических характеристиках ионов. Поэтому возникает необходимость в разработке модели, учитывающей зависимость величины внутренних напряжений не только от общего количества радиационных дефектов, но также от вида этих дефектов и глубины их залегания.
Проведение исследований в данном направлении позволит расширить наше представление о механизмах возникновения внутренних напряжений, определить основные пути их уменьшения, а также снизить вероятность отслаивания сверхтвердого углеродного покрытия от подложки. В связи с вышеизложенным, проблема снижения внутренних напряжений сжатия в углеродных твердых покрытиях является актуальной не только в научном плане, но и в практическом ее аспекте.
Цель работы. Установление условий формирования и методов последующей обработки углеродного конденсата, получаемого из импульсного потока углеродной плазмы, позволяющих снизить величину внутренних напряжений в нем. Научная новизна работы
1. С использованием феноменологической модели и компьютерного моделирования процессов взаимодействия ускоренных ионов углерода с формируемым конденсатом определены основные пути снижения внутренних напряжений в углеродном покрытии.
2. Установлено, что на величину внутренних напряжений влияет не только общее количество радиационных дефектов, генерируемых в углеродном конденсате при ионной бомбардировке, но также их вид и распределение по глубине.
3. Получены экспериментальные зависимости величины внутренних напряжений в углеродном конденсате от энергии ионов, степени ионизации плазмы и угла наклона потока ионов к подложке, степени легирования азотом, имеющие удовлетворительное совпадение с результатами моделирования и оценочными расчетами.
4. Установлено, что наибольшее влияние на величину внутренних напряжений при последующем отжиге оказывает угол наклона потока плазмы к подложке.
5. Показано, что анализ кривой изменения внутренних напряжений при отжиге может быть использован для идентификации покрытия и экспресс-анализа его свойств.
Практическая ценность работы.
Полученные результаты расширяют существующие представления о механизмах возникновения внутренних напряжений в тонких твердых пленках углерода и могут быть использованы для совершенствования технологии нанесения тонких пленок в вакууме и расширения областей их применения, в частности, в нанотехнологии.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Феноменологическая модель и результаты анализа основных механизмов возникновения внутренних напряжений в углеродном конденсате, формируемом в условиях ионной бомбардировки.
2. Результаты оценочных расчетов и компьютерного моделирования влияния условий формирования покрытий, выявленных в результате моделирования процессов возникновения и миграции радиационных дефектов, приводящих к возникновению внутренних напряжений сжатия в конденсате.
3. Результаты экспериментальных исследований изменения внутренних напряжений в углеродных конденсатах в зависимости от параметров процесса их формирования и последующего отжига.
4. Результаты анализа процесса отжига углеродных покрытий как метода снижения внутренних напряжений и метода анализа структурных особенностей получаемых конденсатов. Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях:
• IX Межгосударственная конференция «Радиационная повреждаемость и конструкционная способность материалов». - Белгород, 2001.
• 15-й международный симпозиум "Тонкие пленки в оптике и электронике». -Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003.
• 14th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides&Silicon Carbide, Salzburg, Austria, 2003.
• 9th International Conference on New Diamond Science and Technology, Waseda University International Conference Center Tokyo, Japan, March 26-29, 2004.
• 4-й Научно-практический симпозиум «Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения». - Харьков: ННЦ ХФТИ, 16-20 мая, 2005.
• Международная молодежная научная конференция «XXXI Гагаринские чтения». - Москва: МАТИ, 5-9 апреля, 2005.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 9 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора в проведение исследований и получение результатов является определяющим. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Полный объем работы составляет 164 страницы.
