Экспериментальное исследование расширения пара магния в вакуум Золкин, Александр Степанович

Введение к работе

Актуальность темы. Физика кластеров является новой, интенсивно развивавшейся областью знаний. Неизученные физические свойства ультрамалых частиц (кластеров), занимающих промежуточное место мецду изолированными атомами и массивным твердым телом, а такие необходимость, глубже понять сущность механизмов конденсации паров веществ, катализа, фотопроцессов стимулируют исследования по форшірованию кластерных потоков, в частности, создание источников кластеров. В связи с этим развитие методов получения кластерных частиц является задачей актуальной, и от ее решения в значительной мере зависит развитие новых направлений в физике, химии, материаловедении. Метода, основанные на конденсации паров при их истечении в разрешенное пространство, в настоящее время рассматриваются как - перспективные. Именно эти методы дают возмоеность изучать кластеры "в свободном состоянии" и использовать кластерные потоки, в частности металлические, для новых технологий (нанотехнологий).

.-При реализации научных или технологических целей особое внимание уделяется источникам паров. Интерес к источникам паров металлов объясняется их широким использованием в фундаментальных и прикладных исследованиях о атомными пучками. Они применяются в установках термоядерного синтеза' при создании парометаллических мишеней - нейтрализаторов, где особое внимание сосредоточено на струйных парометаллических источниках, в' технологиях интенсивного нанесения покрытий и т.д. В связи с начавшимися исследованиями физики кластеров появилась потребность в источниках паров металлов, надежность которых не уступает широко применяемым газовым.

С 1572 года ионизированные кластерные пучки используются для синтеза высококачественных тонких - пленок для микроэлектроники. Учитывая большое прикладное значение данного метода, в различных научных центрах интенсивно исследуются различные его стороны: формирование пучков с кластерами заданного размера, взаимодействие кластеров с заряженными частицами и т.д. Одна из целей таких работ - выяснить роль кластеров в процессе формирования.тонких пленок.

Среди проблем, возникающих при использовании метода, основной, на наш взгляд, является проблема формирования, генерации кластеров в расширяющихся в вакуум потоках паров металлов. В настоящее- время информация о концентрации и размерах металлических кластеров в

потоке пара противоречива и непонятна. Данные о кластерах, сообщаемые различными научными группами, отличаются на несколько порядков при одних, и тех ке параметрах расширения пара из . источника. Многое могло бы бить объяснено при использовании источников аналогичных используемым в физической газовой динамике. Эксперименты при строго контролируемых условиях расширения парометаллических потоков дадут возможность выявить возможную специфику образования металлических кластеров в сравнении с газовыми.'Необходимость разрешения возникших противоречий - одна из движущих сил данного исследования.

Цель данной работы состоит в получении новых экспериментальных данных о расшишнии пара магния в вакуум в диапазоне давлений пара (ІСКРо«ДО Па) в источнике и применении полученных данных к задаче металлизации материалов. Цель достигается решением следующих задач:

1. - создание экспериментальной высоковакуумной установки для проведения исследований;

2. - создание и доследование высокотемпературного источника (То^2000 К) струй паров металлов; основное внимание мы уделили стабилизации параметров расширения пароматалличэсксй струн -давлению пара Ро в источнике и температуре расширения Го;

3. - создание методик измерения основных характеристик источника паров металлов (массового расхода, интенсивности на оси);

4. - масс-спектрокетрическсе исследование молекулярного состава

магния, направленное на поиск генерации кластеров з потоке; Еыбор

вещества объясняется его свойствами: возможность?) псоведешія опыта

ч в широком интервале давления, Р<,=Ю-1СГ Па при умеренней

температуре То<[550 К;

5 - разработка, создание и исследование ионизатора
парометаллического потока для диагностики кластеров серебра и
напыления пленок ионизированными частицами;

6 - электронно-микроскопическое исследование плзнск, полученных
осакденнем нейтральных частиц магния (кластера.-,-!* и атомными
частицами). Микроморфологический анализ поверхности.

В качестве примера практического применения результатов работы описан реализованный метод ионно-кластерпого напыления. Метод применен для формирования низкоошшх контактов к высокотемпературным

сверхпроводящим пленкам Y-Ba-Cu-O.

Научная и практическая ценность полученных результатов Полученные результаты важны, в первую очередь, для дальнейшего

развития теории гомогенной конденсации паров металлов;

они позволяют глубие понять условия формирования кластированных парометаллических пучков;

созданный источник паров металлов мокет быть использован в физических исследованиях с атомными и кластерными пучками.

С практической точки зрения ценность результатов определятся тем, что:

создан источник перегретых паров металлов, обеспечивающий высокие скорости напыления пленок;

создана установка для напыления покрытий ионизированными кластерными и атомными пучками с энергией частиц до 10' кэВ (металлические пленки с высокой адгезией и высокой плотностью напыляемого вещества);

разработаны основы технологии напыления электрических контактов к высокотемпературным сверхпроводящим пленкам (созданы структуры Ag/YBaCuO/АІгОз; Ag/YBaCuO/SrTlCb с переходным контактным сопротивлением (Ag/YBaCu0)<10~ 0м>см²).

Источник паров металлов защищен авторским свидетельством,-. напыленные контакты на ВТСП пленках прошли экспертизу в научном центре "Аттестат" института Атомной энергии им.Курчатова И.В. Научная новизна работы:

создана металлогазодинамическая установка, разработаны методики для исследования расширения паров металлов;

впервые получены данные о концентраций ытимив и кластеров при расширении пара магния в диапазоне давлений 1СКРо<1Сг Па пара в источнике;

определена область начала гомогенной конденсации пара магния при расширении через звуковое сопло в вакуум; .

выявлено, что пленки, напыленные кластерным пучком, обладают большей плотностью и ориентацией кристаллов по сравнению с пленками, напыленными атомными частицами.

Основные защищаемые положения:

- металлогазодинамическая установка, основной частью которой .
является высокотемпературный источник перегретых паров металлов
для проведения фундаментальных и прикладных исследований;

экспериментальные данные о расширении пара магния, зарождении конденсированной фазы в потоке;

реализованный метод напыления тонких пленок и покрытий ионизированными атомами и кластерами металлов.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается

использованием современных методов и техники физического эксперимента: V- масс-спектрометрии,

фазочувствительного детектирования молекулярных пучков,

электронной сканирующей (и просвечивающей) микроскопии,

использованием стандартных средств измерений.

Представленные в диссертации исследования выполнены в лаб.теплофизики микродисперсных систем и. в лаб.теплофизики высокотемпературной сверхпроводимости Института теплофизики СО РАН и являются составной частью НИР Института по темам: "Неравновесные процессы в потоках разреженного газа" (Гос.per. N 81030083); "Исследование гидродинамики и теплообмена при конденсации, кипении, барботаже, кристаллизации" (Гос.per. N 81030077); "Неравновесные процессы и молекулярная газодинамика" (Гос.per.N 01.86. 0103354); "Исследование термодинамических и теплофизических свойств и материалов новой техники" (Гос.per. N 01.86.0170 109), а также Государственной программе по ВТСП.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы отражено в 19
публикациях. Ее результаты обсуждались на Всесоюзном семинаре
"Ультрадисперсные системы" научного совета АН СССР "Физика, химия и
механика поверхности" (Москва, 1983), Первой Всесоюзной конференции
"Физико-химия ультрадисперсных систем" (Москва, 1986), Сибирском
теплофизическом семинаре "Физика кластеров в газовой фазе"
(Новосибирск, 1987), Всесоюзной конференции по .динамике разреженных
.газов (Свердловск, 1987)-, 4-ом Международном симпозиуме по малым
частицам к неорганическим кластерам (Франция, 1988), Мекдународном
семинаре по динамике' разреженного газа - СССР- ФРГ (Новосибирск,
1988), Международной конференции "Сверхпроводимость-90" (Китай,
І989), Международной конференции "Второй конгресс по ВТСП" (США,
1990), Международной '. конференции "Высокотемпературная

сверхпроводимость" . (ФРГ,' 1990)', Международной' конференции "Конденсированные материалы^. (Франция, 1990), Всесоюзном семинаре "Новые вакуумные методы получения тонких пленок ..и покрытий"

(Харьков, 1991), Всесоюзной конференции "Формирование вакуумных конденсатов" (Харьков, 1990).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 142 страницы основного текста, G2 рисунка, 2 таблицы. Список цитируемой литературы включает в себя 210 наименований. ( i^vt* 2Ъ5 с-р)