Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ исследования определяется необходимостью определения величины кинетических коэффициентов, а также выявления роли параметров имплантации и типа ионов в формировании состава и структуры поверхностных слоев при взаимодействии ионов с металлами. Новым направлением физики твердого тела является исследование фазовых переходов при неравновесных состояниях металлов, стимулированных мощной накачкой энергии при ионном облучении. В результате процесса ионного внедрения в поверхностном слое может быть получена концентрация атомов вводимой примеси, выше предела растворимости, а за счет упругих соударений с атомами решетки - образование радиационных дефектов, количество которых на 2-3 порядка превосходит число имплантированных атомов. Оба этих процесса оказывают заметное влияние на свойства поверхностного слоя и в целом материала при создании новых материалов с необычными характеристиками. При этом, радиаішонно-стимулированная сегрегация и радиадтгошга-ускоренная диффузия примеси являются процессами, во многом определяющими состав и структуру ионно-имплантированного слоя. Существующие модели, описывающие концентрационное перераспределение компонентов матрицы и имплантируемой примеси, в большинстве создаются под конкретные условия облучения и включают в себя один или несколько процессов, происходящих при ионном облучении, например, таких, как распыление, каналирование, поверхностная сегрегация, каскадное перемешивание и т. д. Таким образом, возрастающий научный интерес к подобного рода задачам определил значительные успехи в понимании и описании различных механизмов и кинетики поверхностной сегрегации и диффузии в двух- и трехкомгюнентных системах.
Таким образом, способов расчета для определения
коэффициентов диффузии компонентов системы «ион-мишень» при
ионной имплатггации оказывается недостаточно. Практически
отсутствуют систематические исследования, выявляющие
закономерности влияния типа ионов, параметров облучения на формирование химического состава и атомной структуры мишени. Установление роли основных параметров облучения, массы и атомного размера внедренных ионов на изменения концентрационных профилей распределения компонентов, а также на величины коэффициентов диффузионной подвижности элементов системы требуют комплексных исследований, включающих сочетание эксперимента с компьютерным моделированием.
ДЕЛЬ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ состоит в разработке метода определения коэффициентов диффузии компонентов системы «ион-мишень» при имплантации ионов в металлы и сплавы при аморфизации и рекристаллизации поверхностных слоев.
Для решения поставленной цели решались следующие задачи: l.Ha основании анализа литературных данных предложить феноменологическую модель формирования состава поверхностных слоев при аморфизации и рекристаллизации ионно-имплантированных слоев.
2. Выбрать объекты исследования, режимы ионной
имплантации, и методы анализа поверхностных слоев металлических
систем.
-
Экспериментально исследовать распределение компонентов по глубине и изменение атомной структуры поверхностных слоев системы Fe-Cr при облучении ионами (Р+ и В4), (Аг+ и Не4) с энергиями (30-40 кэВ) и плотностями ионного тока (10-50 мкА/см2).
-
Получить численные значения коэффициентов диффузионной подвижности компонентов системы «ион-мишень» на основе экспериментальных результатові
Выбор объектов исследования обусловлен тем, что система Fe-Cr легко аморфизуется при имплантации ионов металлоидов, кроме того, она является основой нержавеющих сталей мартенситного класса, в который входит низколегированная сталь 20X13, широко применяемая в промышленности. Параметры облучения подбирались достаточными для аморфизации и рекристаллизации поверхностных слоев мишени. В качестве экспериментальных методов исследования использовались: Оже- и рештеноэлектронная спектроскопии, электронография на отражение, измерение микротвердости; для расчетов величины диффузионных коэффициентов имплантанта и атомов матрицы применялось численное решение систем дифференциальных уравнений по разностной схеме.
-
Предложен комплексный метод определения коэффициентов диффузии компонентов системы «ион-мишень» при имплантации ионов в металлы и сплавы. Метод включает разработку феноменологической модели формирования состава ионно-имплантированных слоев и сравнение рассчитанных профилей распределения концентраций компонентов по глубине с экспериментальными результатами.
-
Впервые экспериментально показано, что:
а) при возрастании плотности потока ионов Р+ или В+ с 10 мкА/см2 до 50 мкА/см2 уменьшается концентрация внедренной примеси в измененном слое;
б) повышение дозы имплантации ионов Р+ с ІХІ017 ион/см2 до 5
ХІ017 ион/см2 вызывает изменение структуры поверхностных слоев мишени: исходный поликристалл => аморфное состояние => поликристалл => текстурованный поликристалл. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ.
-
Вследствие влияния остаточной атмосферы вакуумной системы, имплантация ионов аргона вызывает образование в поверхностных слоях сложных оксидов Fe3-xCrx04 со структурой шпинели, а имплантация более легких ионов гелия приводит к конденсации на поверхности мишени паров углеводородов.
-
Определены коэффициенты диффузии компонентов при имплантации в сплавы Fe-Cr ионов фосфора или бора при аморфизации и рекристаллизации ионно-имплантированных слоев.
НА защиту выносится:
1. Комплексный метод определения коэффициентов диффузионной подвижности компонентов системы «ион-мишень» при имплантации ионов в металлы и сплавы. Метод включает в себя феноменологическую модель формирования состава ионно-имплантированных слоев и сравнение рассчитанных профилей распределения концентраций компонентов по глубине с экспериментальными результатами.
2. Программы позволяющие оценить коэффициенты
диффузионной подвижности компонентов, основанные на численном
решении системы диффузиотгых уравнений модели.
3. Результаты экспериментальных исследований
концентрационных неоднородностей компонентов в поверхностных
слоях системы Fe-Cr, штициируемых ионной имплантацией, в
зависимости от типа ионов и параметров имплантации.
4. Результаты экспериментальных исследований структуры
поверхностных слоев системы Fe-Cr при различных параметрах
облучения и типа ионов.
АПРОБАПИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на II Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Ускорители заряженных частиц и радиационная физика" (Москва, 1990), Ш Всесоюзном совещании "Физико - химия взаимодействия ионного и фотонного излучения с веществом" (Москва, 1991), II Всесоюзной конференции "Обработка конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Свердловск, 1991), XI Всероссийской конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1993),
П Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной
имплантации" (Н. Новгород, 1994), XII Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1995), IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996), IV Межгосударственном ссміїнаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1997), XDI Международной конференции "Взаимодействие нонпп с поверхностью" (Москва, 1997).
Отдельные результаты работы вошли в отчет УрО РАИ "Отчет о научной и научно-организационной деятельности за 1995 г."
Основные результаты диссертации изложены в 13 публикациях.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, включая 33 рисунка и 5 таблиц. Список литературы содержит 144 наименования.
