Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия

Методом молекулярной динамики исследованы физические механизмы низкотемпературного ионного уплотнения; показано, что оно происходит благодаря двум физическим механизмам. Первый механизм связан со сглаживанием поверхностного рельефа пленки во время ионной бомбардировки. Это приводит к уменьшению коли...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2005
Автори:	Марченко, И.Г., Неклюдов, И.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2005
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Краткие сообщения
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80535
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия / И.Г. Марченко, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 185-187. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-80535
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-805352015-04-19T03:02:51Z Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия Марченко, И.Г. Неклюдов, И.М. Краткие сообщения Методом молекулярной динамики исследованы физические механизмы низкотемпературного ионного уплотнения; показано, что оно происходит благодаря двум физическим механизмам. Первый механизм связан со сглаживанием поверхностного рельефа пленки во время ионной бомбардировки. Это приводит к уменьшению количества «микротрещин», под которыми располагаются поры. Второй механизм ионного уплотнения определяется повышением плотности пленок в результате вбивания и последующей миграции к микропорам собственных междоузельных атомов. Методом молекулярної динаміки вивчені фізичні механізми низькотемпературного іонного ущільнення. Показано, що іонне ущільнення відбувається завдяки двом фізичним механізмам. Перший механізм пов’язаний із згладжуванням рельєфу поверхні при іонному бомбардуванні. Це призводить до зменшення кількості “мікротріщин”, під якими розташовуються пори. Другий механізм іонного ущільнення визначається підвищенням густини плівок за рахунок вбивання і наступній міграції міжвузельних атомів до мікропор The paper is about the physical mechanism of low temperature ion densification of the films performed by the method of molecular dynamics. The investigation shows that the ion densification occurs due to two physical mechanisms. The first mechanism is related with the film smoothing under ion bombarding. It leads to decreasing the quantity of “microcracks” below which pores take place. The second mechanism is the ion densification of films at the expense of knocking-in of interstitial atoms and its further migration to micro voids. 2005 Article Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия / И.Г. Марченко, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 185-187. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80535 539.216:519.876.5 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Краткие сообщения Краткие сообщения
spellingShingle	Краткие сообщения Краткие сообщения Марченко, И.Г. Неклюдов, И.М. Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия Вопросы атомной науки и техники
description	Методом молекулярной динамики исследованы физические механизмы низкотемпературного ионного уплотнения; показано, что оно происходит благодаря двум физическим механизмам. Первый механизм связан со сглаживанием поверхностного рельефа пленки во время ионной бомбардировки. Это приводит к уменьшению количества «микротрещин», под которыми располагаются поры. Второй механизм ионного уплотнения определяется повышением плотности пленок в результате вбивания и последующей миграции к микропорам собственных междоузельных атомов.
format	Article
author	Марченко, И.Г. Неклюдов, И.М.
author_facet	Марченко, И.Г. Неклюдов, И.М.
author_sort	Марченко, И.Г.
title	Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия
title_short	Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия
title_full	Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия
title_fullStr	Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия
title_full_unstemmed	Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия
title_sort	низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Краткие сообщения
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80535
citation_txt	Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия / И.Г. Марченко, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 185-187. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT marčenkoig nizkotemperaturnoeionnoeuplotnenieplenokniobiâ AT neklûdovim nizkotemperaturnoeionnoeuplotnenieplenokniobiâ
first_indexed	2025-07-06T04:32:44Z
last_indexed	2025-07-06T04:32:44Z
_version_	1836870653559439360
fulltext	УДК 539.216:519.876.5 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ИОННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ПЛЕНОК НИОБИЯ И.Г. Марченко, И.М. Неклюдов Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина Методом молекулярной динамики исследованы физические механизмы низкотемпературного ионного уплотнения; показано, что оно происходит благодаря двум физическим механизмам. Первый механизм свя зан со сглаживанием поверхностного рельефа пленки во время ионной бомбардировки. Это приводит к уменьшению количества «микротрещин», под которыми располагаются поры. Второй механизм ионного уплотнения определяется повышением плотности пленок в результате вбивания и последующей миграции к микропорам собственных междоузельных атомов. Для улучшения свойств защитных и упрочняю щих покрытий в последние годы широко применяют различные технологии ионного воздействия, позво ляющие получать компактные покрытия с хорошей адгезией при низких температурах. Воздействуя ионами на осаждаемые пленки, можно эффективно влиять на целый ряд их свойств, в частности, на плотность. Повышение плотности осаждаемых пленок под воздействием ионов при температурах ниже 0,3 температуры плавления известно как явле ние низкотемпературного ионного уплотнения. Экс периментально установлено, что ионная бомбарди ровка собственными ионам позволяет достигать плотности пленок равной плотности объемного ма териала [1]. Данные экспериментов также свиде тельствуют, что ионное уплотнение сопровождается изменением размеров блоков и внутренних микро напряжений [2,3]. Для объяснения механизма ионного уплотнения и сопровождающих его эффек тов необходимо понимание физических механизмов формирования структуры пленок под облучением. Несмотря на проведенные экспериментальные работы, а также теоретические модели и компьютер ные расчеты, физический механизм низкотемпера турного ионного уплотнения до настоящего времени окончательно не установлен, как и не выявлена вза имосвязь ионного уплотнения с изменением микро структуры пленок, в частности, с изменением блоч ной структуры. Целью настоящей работы было изучение физиче ских механизмов низкотемпературного ионного уплотнения металлических пленок методами мате матического моделирования. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ Компьютерное моделирование атомно-ионного осаждения тонких пленок ниобия производилось ме тодом молекулярной динамики с использованием программы DYMOD [4]. Расчетная ячейка представ ляла собой прямоугольный параллелепипед с разме рами 4.63, 4.67 и 13.8 нм соответственно по осям X,Y и Z. Оси имели следующие кристаллографиче ские направления: ось X - [100], ось Y - [01-1], ось Z - [011]. Вдоль направлений X и Y применялись пе риодические граничные условия. Рост кристаллита происходил в направлении оси Z. Атомно-ионный поток осаждался на пленку, предварительно полу ченную термическим осаждением [5]. Пленка пред ставляла собой 24 монослоя, осажденных на плотно упакованную плоскость типа {110}. Осаждение пленки проводилось при температуре 300 K. При атомно-ионном осаждении температура расчетного микрокристаллита поддерживалась постоянной при помощи алгоритма коррекции атомных скоростей [6]. Корректировались скорости всех атомов за ис ключением атомов четырех последних нанесенных монослоев. Взаимодействие атомов описывалось в приближении погруженного атома [7]. Энергия кри сталлита рассчитывалась как сумма парных взаимо действий и энергии “внедрения”: E=∑ i F i  ρi  1 2 ∑ j≠i φij Rij  , (1) где φij – потенциал парного взаимодействия; Fi(ρi) – энергия, необходимая для внедрения атома типа i в электронный газ в точке i с электронной плотностью ρi. Электронная плотность находилась как ρi=∑ j≠i ρ 0 j R ji  , (2) где ρ0 j(Rij) – электронная плотность от атома типа j на расстоянии Rij в точке i. Функции, описывающие парное межатомное взаимодействие, атомную элек тронную плотность и функцию внедрения в элек тронный газ, взяты из работы Джонсона [8]. На ма лых межатомных расстояниях взаимодействие опи сывалось потенциалом Хартри-Фока в аппроксима ции Мольер [9]. Осаждаемые атомы случайным образом равно мерно распределялись в плоскости, параллельной плоскости осаждения. Время осаждения одного мо нослоя tmono составляло 0,142 нс. Термически оса ждаемые атомы имели энергию 0.2 эВ, характерную для вакуумного осаждения, и импульс, направлен ный перпендикулярно плоскости осаждения. Ион ный поток в компьютерном моделировании имел следующие характеристики: энергия ионов 200 эВ, _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 185-187. 185 количество ионов 10% от общего количества упав ших атомов. При этих параметрах в экспериментах наблюдалась максимальная плотность осажденных пленок ниобия. Анализ атомной структуры пленки и определе ние поверхностных атомов производились при по мощи алгоритма, описанного в работе [10]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ На рис. 1 заполненными маркерами показано изменение плотности пленки после осаждения 12 монослоев ниобия из атомно-ионного потока. Рис.1. Изменение пленки по глубине при атомно- ионном осаждении. Пунктиром для сравнения нанесены данные измене ния плотности по глубине термически осажденной пленки при t=26tmono и t=36tmono. Данные получены в ходе компьютерного экспе римента по осаждению атомно-ионного потока на пленку, предварительно сформированную путем термического осаждения. Как следует из рисунка, вновь осаждаемые слои достигают плотности мас сивного материала. Пунктирными линиями показа ны значения плотности термически осажденной пленки в момент начала атомно-ионного осаждения и при дальнейшем термическом осаждении без уча стия ионов. Нужно отметить, что при ионно-атом ном осаждении увеличивается плотность не только вновь образуемых слоев, но так же наблюдается из менение плотности в глубине пленки. Обращает на себя внимание факт появления в пленке плотности, превышающей плотность массивного материала (на рисунке отмечено стрелкой). Это связано с появле нием в пленке собственных междоузельных атомов, которые образуются при передаче атомам твердого тела кинетической энергии большей, чем пороговая энергия смещения. В результате этого процесса со здаются пары Френкеля. При низких энергиях ионов вакансии образуются, как правило, на поверхности пленки. Возникающие в объеме растущей пленки междоузельные атомы мигрируют и могут либо вы ходить на границу растущей пленки, либо залечи вать вакансионные кластеры, образовавшиеся в объеме формирующегося покрытия. Таким образом, одним из механизмов ионного уплотнения при низ ких энергиях является «залечивание» вакансионных кластеров собственными междоузельными атомами, образующимися в результате ионного облучения. Вместе с тем ионное воздействие не сводится только к баллистическому уплотнению. На рис. 2 изображено изменение шероховатости пленки как при ее нанесении термическим способом, так и по сле атомно-ионного осаждения. Рис. 2. Изменение величины <(Zs-<Zs>)2>, характе ризующей шероховатость поверхности со време нем осаждения. После термического осаждения пленки (отмечено на рисунке треугольными марке рами) осуществлялось атомно-ионное осаждение. Единица время tmono соответствует полному запол нению одного монослоя кристаллита Шероховатость поверхности характеризовали величиной <(Zs-<Zs>)2>, где усреднение проводи лось по всем поверхностным атомам. Для отбора атомов поверхности использовался алгоритм из ра боты [10]. При термическом осаждении шерохова тость растет со временем. Как было показано в рабо те [5], эта шероховатость связана с возникновением и развитием на поверхности растущей пленки «ми кротрещин», при росте которых под ними образует ся область, обогащенная вакансионными кластера ми. Ионное облучение увеличивает подвижность по верхностных атомов, что приводит к блокированию механизма образования «микротрещин» на поверх ности растущей пленки. После начала ионной бом бардировки шероховатость пленки начинает резко падать (см. рис. 2). Таким образом, вторым механиз мом повышения плотности пленок при ионной бом бардировке является подавление механизма образо вания «микротрещин». Вследствие этого повышение плотности должно сопровождаться увеличением размеров блочной структуры. Как следует из анали за работ [2,3], такая корреляция действительно на блюдается при атомно-ионном осаждении. ВЫВОДЫ В работе исследован эффект низкотемператур ного ионного уплотнения и связанное с ним измене ние микроструктуры пленок ниобия. Показано, что ионное воздействие влияет на рельеф растущей пленки. Установлено, что при ионной бомбардиров ке собственными ионами с энергией 200 эВ плот ность образующейся пленки повышается и достига _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 185-187. 186 ет плотности массивного материала. Эти данные хо рошо совпадают с экспериментальными результата ми, полученными методом атомно-ионного осажде ния. Показано, что низкотемпературное ионное уплотнение происходит благодаря двум физическим механизмам. Первым механизмом является вбива ние собственных междоузельных атомов в объем растущей пленки. Второй механизм связан с блоки рованием развития «микротрещин» на поверхности растущей пленки вследствие повышения подвижно сти атомов в приповерхностном слое. Работа выполнена в рамках Программы проведе ния фундаментальних исследований по атомной науке и технике ННЦ ХФТИ. 1. 2. ЛИТЕРАТУРА 1.И.В. Алексеенко, Л.В. Булатова, Н.П. Дикий и др. Исследование параметров микро- и субструктуры толстых покрытий, полученных вакуумной конден сацией высокоплотных атомных и атомно-ионных потоков //Вопросы атомной науки и техники. Серия «ФРП и РМ». 1987, в. 1 (2), с. 73–90. 2.С.Н. Слепцов, И.Г. Марченко, Л.В. Булатова, А.Н. Слепцов, Ю.И. Поляков. Структурное состояние толстых конденсатов ниобия, осажденных из соб ственных атомно-ионных потоков //Вопросы атом ной и техники. Серия «ФРП и РМ». 1993, в. 1(60), с. 62–69. 3.С.Н. Слепцов, И.Г. Марченко, А.Н. Слепцов. Тон кая структура конденсатов ниобия, сформирован ных из ионно-атомных потоков в атмосфере гелия //Физика и химия обработки материалов. 1994, №4- 5, с. 94–100. 4.В.В. Ганн, И.Г. Марченко. Комплекс программ "ДИМОД" для динамического моделирования дефек тов в металлах и сплавах: Препринт №87-24. Харь ков: ХФТИ АН УССР, 1987, 10 с. 5.И.Г. Марченко, И.И. Марченко, И.М. Неклюдов. Компьютерное моделирование вакуумного осажде ния пленок ниобия //Вестник Харьковского универ ситета. Сер. Ядра, частицы, поля. 2004, № 628, в. 2 (24), с. 93–98. 6.W.D. Luedtke, Uzi. Landman. Molecular-dynamics studies of the growth modes and structure of amorphous silicon films via atom deposition //Phys. Rev. B. 1989, v.40, N 17, p. 11733–11745. 7.M.I. Baskes. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities //Phys. Rev. B. 1992, v. 46, N 5, p. 2727–2742. 8.R.A. Johnson, D.J. Oh. Analytic embedded atom method model for bcc metals //J. Mater. Res. 1989, v. 4, N5, p. 1195–1201. 9.К. Лейман. Взаимодействие излучения с твердым телом и образовние элементарных дефектов. М.: «Атомиздат», 1979, 296 с. 10.И.Г. Марченко, И.И. Марченко, И.М. Неклюдов. Определение атомной структуры поверхности тон ких пленок в методе молекулярной динамики //Во просы атомной и техники. Серия «ФРП и РМ (85) ». 2004, №3, с. 26–30. НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНЕ ІОННЕ УЩІЛЬНЕННЯ ПЛІВОК НІОБИЯ І.Г. Марченко, І.М. Неклюдов 3. 4. Методом молекулярної динаміки вивчені фізичні механізми низькотемпературного іонного ущільнення. Показано, що іонне ущільнення відбувається завдяки двом фізичним механізмам. Перший механізм пов’язаний із згладжуванням рельєфу поверхні при іонному бомбардуванні. Це призводить до зменшення кількості “мікротріщин”, під якими розташо вуються пори. Другий механізм іонного ущільнення визначається підвищенням густини плівок за рахунок вбивання і на ступній міграції міжвузельних атомів до мікропор. 5. 6. 7. LOW TEMPERATURE ION DENSIFICATION OF NIOBIUM FILMS I.G. Marchenko, I.M. Neklyudov The paper is about the physical mechanism of low temperature ion densification of the films performed by the method of molecular dynamics. The investigation shows that the ion densification occurs due to two physical mechanisms. The first mecha nism is related with the film smoothing under ion bombarding. It leads to decreasing the quantity of “microcracks” below which pores take place. The second mechanism is the ion densification of films at the expense of knocking-in of interstitial atoms and its further migration to micro voids. 8. _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 185-187. 187

Низкотемпературное ионное уплотнение пленок ниобия

Репозитарії

Схожі ресурси