О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd
Исследовано формирование однородного твердого раствора в слоистой пленочной системе Ag-Pd с толщиной слоев по 60 нм при in situ нагреве в ПЭМ. Пленочная система формировалась путем последовательной конденсации компонентов в вакууме при комнатной температуре подложки. Показано, что, начиная с темпе...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2013
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100593 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd / А.П. Крышталь, С.И. Богатыренко, Р.В. Сухов, А.А. Миненков // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 4. — С. 351–354. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859953420050366464 |
|---|---|
| author | Крышталь, А.П. Богатыренко, С.И. Сухов, Р.В. Миненков, А.А. |
| author_facet | Крышталь, А.П. Богатыренко, С.И. Сухов, Р.В. Миненков, А.А. |
| citation_txt | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd / А.П. Крышталь, С.И. Богатыренко, Р.В. Сухов, А.А. Миненков // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 4. — С. 351–354. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| description | Исследовано формирование однородного твердого раствора в слоистой пленочной системе
Ag-Pd с толщиной слоев по 60 нм при in situ нагреве в ПЭМ. Пленочная система формировалась
путем последовательной конденсации компонентов в вакууме при комнатной температуре подложки. Показано, что, начиная с температуры 180 °С, в системе Ag-Pd активируются диффузионные процессы, которые уже при температуре 350 °С приводят к полной гомогенизации
пленочной системы по всей толщине.
Досліджено формування однорідного твердого розчину в шаруватій плівковій системі Ag-Pd з
товщиною шарів по 60 нм при in situ нагріванні в ПЕМ. Плівкова система формувалася шляхом
послідовної конденсації компонентів у вакуумі при кімнатній температурі підкладки. Показано,
що, починаючи з температури 180 °С, в системі Ag-Pd активуються дифузійні процеси, які вже
при температурі 350 °С призводять до повної гомогенізації плівкової системи по всій товщині.
The formation of homogeneous solid solution in Ag-Pd layered film system with 60 nm layer thick was
investigated by means of in situ TEM heating. The film system was formed by sequential deposition
of components in vacuum on the substrate at room temperature. It has been shown that diffusion processes
in the system under study were activated starting from a temperature 180 °С. These processes
were completed at 350 °С and led to a total homogenization of the film system over its entire thickness.
Keywords: film system Ag-Pd, in situ TEM heating, homogenization.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:18:33Z |
| format | Article |
| fulltext |
351
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что диффузионные процессы в на-
норазмерных системах протекают значитель-
но интенсивнее по сравнению с макросисте-
мами [1], хотя количественные данные об
энергиях активации и коэффициентах диф-
фузии ограничены даже для однокомпонент-
ных и простейших бинарных наноразмерных
систем. Это связано со сложностью экспери-
ментального исследования диффузии в сис-
темах с пониженной размерностью и мно-
жеством факторов, влияющих на кинетику ее
протекания [2]. При этом наиболее детальную
информацию при исследовании диффузии
можно получить, как правило, при помощи
in situ методов. In situ просвечивающая элект-
ронная микроскопия является одним из самых
мощных методов изучения процессов взаимо-
действия в наноразмерных объектах [3, 4].
Однако использование изолированных нано-
частиц на углеродных подложках требует уче-
та взаимодействия материала подложки с ис-
следуемой системой, что значительно услож-
няет интерпретацию результатов [5]. В насто-
ящей работе предлагается использовать слои-
стые пленочные системы, получаемые после-
довательной конденсацией компонентов в
вакууме, для исследования диффузии в би-
нарных системах. Такой подход обеспечивает
контакт компонентов системы на атомарном
уровне и нивелирует влияние свободной по-
верхности и подложки на исследуемые эф-
фекты. Целью данной работы являлось изу-
чение процесса гомогенизации в слоистой
УДК 538.975
О ДИФФУЗИОННОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ В СЛОИСТОЙ ПЛЕНОЧНОЙ
СИСТЕМЕ Ag-Pd
А.П. Крышталь, С.И. Богатыренко, Р.В. Сухов, А.А. Миненков
Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина
Украина
Поступила в редакцию 02.10.2013
Исследовано формирование однородного твердого раствора в слоистой пленочной системе
Ag-Pd с толщиной слоев по 60 нм при in situ нагреве в ПЭМ. Пленочная система формировалась
путем последовательной конденсации компонентов в вакууме при комнатной температуре под-
ложки. Показано, что, начиная с температуры 180 °С, в системе Ag-Pd активируются диффу-
зионные процессы, которые уже при температуре 350 °С приводят к полной гомогенизации
пленочной системы по всей толщине.
Ключевые слова: плёночная система Ag-Pd, in situ нагрев в ПЭМ, гомогенизация.
ПРО ДИФУЗІЙНЕ ПЕРЕМІШУВАННЯ В ШАРУВАТІЙ ПЛІВКОВІЙ СИСТЕМІ
Ag-Pd
О.П. Кришталь, С.І. Богатиренко, Р.В. Сухов, О.О. Мінєнков
Досліджено формування однорідного твердого розчину в шаруватій плівковій системі Ag-Pd з
товщиною шарів по 60 нм при in situ нагріванні в ПЕМ. Плівкова система формувалася шляхом
послідовної конденсації компонентів у вакуумі при кімнатній температурі підкладки. Показано,
що, починаючи з температури 180 °С, в системі Ag-Pd активуються дифузійні процеси, які вже
при температурі 350 °С призводять до повної гомогенізації плівкової системи по всій товщині.
Ключові слова: плівкова система Ag-Pd, in situ нагрівання в ПЭМ, гомогенізація
ON THE DIFFUSIONAL MIXING IN Ag-Pd LAYERED FILM SYSTEM
A.P. Kryshtal, S.I. Bogatyrenko, R.V. Sukhov, A.A. Minenkov
The formation of homogeneous solid solution in Ag-Pd layered film system with 60 nm layer thick was
investigated by means of in situ TEM heating. The film system was formed by sequential deposition
of components in vacuum on the substrate at room temperature. It has been shown that diffusion pro-
cesses in the system under study were activated starting from a temperature 180 °С. These processes
were completed at 350 °С and led to a total homogenization of the film system over its entire thickness.
Keywords: film system Ag-Pd, in situ TEM heating, homogenization.
Крышталь А.П., Богатыренко С.И., Сухов Р.В., Миненков А.А., 2013
ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4352
пленочной системе при ее нагреве непосред-
ственно в электронном микроскопе.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объекта исследования была вы-
брана слоистая пленочная система Ag-Pd.
Компоненты этой системы образуют фазовую
диаграмму типа сигара с неограниченной рас-
творимостью компонентов в твердом и жид-
ком состояниях. При этом параметры крис-
таллической решетки серебра и палладия
(0.408 и 0.389 нм соответственно) значитель-
но отличаются друг от друга, что позволяет
дифракционными методами надежно фик-
сировать состояние системы и определять мо-
мент формирования однородного твердого
раствора в результате диффузионного переме-
шивания компонентов.
Исследуемые пленочные системы получа-
лись посредством электроннолучевого испа-
рения компонентов из независимых источ-
ников в вакууме 1·10–7 Торр. На свежий скол
монокристалла KCl, находящийся при ком-
натной температуре, последовательно кон-
денсировались пленки С, Pd и Ag толщиной
20, 60, 60 нм, соответственно. Пленка угле-
рода предотвращала взаимодействие моно-
кристалла соли с исследуемой пленочной сис-
темой Pd-Ag. После конденсации пленка
С/Pd/Ag отделялась от подложки путем рас-
творения соли в дистиллированной воде и
помещалась на электронно-микроскопичес-
кую сеточку.
Структура пленочной системы исследо-
валась in situ в просвечивающем электронном
микроскопе ПЕМ-125К в диапазоне темпе-
ратур от 20 до 800 °С с использованием спе-
циального держателя для нагрева образцов.
Особенность данного держателя состояла в
том, что нагревание образцов проводилось
путем пропускания электрического тока не-
посредственно через специально подготов-
ленную электронно-микроскопическую се-
точку. Такой способ нагрева обеспечивал ма-
лую инерционность системы и позволял ми-
нимизировать термический дрейф объекта.
Для определения температуры объекта дер-
жатель с электронно-микроскопической се-
точкой предварительно калибровался на
стенде, созданном на базе высоковакуумной
установки ВУП-5М, и состоящем из пиро-
метра и прецизионного источника питания,
которые управлялись при помощи специаль-
но разработаной программой для ПК. Для
каждой электронно-микроскопической се-
точки снималась зависимость ее температуры
от величины пропускаемого электрического
тока. Точность определения температуры се-
точки составляла 2%. Малый размер ячейки
(использовались никелевых сеточки толщи-
ной 30 мкм и размером ячейки 37×37 мкм),
совместно с хорошей теплопроводностью об-
разца, обеспечивали, в рамках погрешности
измерения, одинаковую температуру по всей
площади ячейки. Скорость нагрева в различ-
ных экспериментах варьировалась в диапа-
зоне от 0.1 до 1 K/сек. Поскольку значитель-
ного изменения поведения образцов при раз-
личных скоростях нагрева не наблюдалось, то
принималось, что в любой момент времени
исследуемая пленочная система Ag-Pd нахо-
дилась в состоянии близком к равновесному
при данной температуре.
Микродифракционная картина пленочной
системы регистрировалась с помощью систе-
мы САИ-1 на базе цифровой видеокамеры.
Использование видеокамеры позволяло про-
водить непрерывную регистрацию микроди-
фракционного изображения системы в про-
цессе ее нагрева.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.1 приведены характерные микро-
дифракционные картины исследуемой пле-
ночной системы Ag-Pd при различных тем-
пературах и соответствующие фотометричес-
кие кривые. Размер областей когерентности,
оцененный в соответствии с выражением
Селякова-Шеррера для обоих металлов при
комнатной температуре, принимает значение
≈5 нм. Изменение угла наклона образца по
отношению к пучку электронов не приводило
к перераспределению интенсивности линий
дифракционной картины, что, совместно с
малым размером областей когерентности,
указывает на мозаичную мелкодисперсную
структуру пленочной системы по всей ее тол-
щине. Видно, что при повышении темпера-
туры двухфазная пленочная система Ag-Pd
О ДИФФУЗИОННОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ В СЛОИСТОЙ ПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМЕ Ag-Pd
353
(рис. 1а) постепенно переходит в гомогенную
систему, состоящую из однородного твердого
раствора по всей толщине пленки (рис. 1г, д).
Для того чтобы определить область темпе-
ратур, в которой протекают диффузионные
процессы в исследуемой системе, была про-
ведена количественная обработка видеопо-
следовательности с шагом по температуре в
10 К. В качестве критерия использовалась
интенсивность и полуширина двойного пика
(220) на фотометрических кривых электро-
нограмм (рис. 1). Такой выбор обусловлен
тем, что при повышении температуры и, сле-
довательно, активации диффузионных про-
цессов, пики серебра и палладия на элект-
роннограммах расширяются и сближаются,
вследствие чего идентифицировать поло-
жение каждого из них по отдельности за-
труднительно. Выбор пиков (220) обусловлен
тем, что эти рефлексы достаточно интенсив-
ны и хорошо различимы на электроннограм-
мах, а также отсутствием близлежащих ли-
ний, влияющих на форму пиков. Результаты
приведены на рис. 1.
Видно, что по мере нагрева до темпера-
туры ≈180 °С электронограмма не изменялась
(рис. 1б), отчетливо наблюдались линии, со-
ответствующие пленкам серебра и палладия,
их интенсивности и полуширина оставались
постоянными (рис. 2). Начиная с температу-
ры ≈180 °С, активируются диффузионные
процессы: линии, соответствующие пленке
серебра, начинают смещаться в сторону бо-
льших углов, при этом положение линий пал-
ладия остается практически неизменным
(рис. 1в). Этот факт однозначно указывает на
направление диффузии: палладий диффун-
дирует в серебро. Сближение линий приво-
дит к незначительному росту интенсивности
двойного пика, и при температуре 300 −
350 °С данный процесс завершается полным
слиянием линий, на электроннограмме при-
сутствует лишь одна система линий (рис. 1г),
соответствующая дифракции от однородного
твердого раствора, что указывает на полную
гомогенизацию системы. Дальнейшее повы-
шение температуры не изменяло характер
электронограммы, а влияло лишь на интен-
сивность линий и, соответственно, на полу-
ширину пика. Так, до температуры ≈430 °С
происходило постепенное сужение всех ли-
ний при одновременном росте их интенсив-
ности (рис. 1д). При более высоких темпера-
турах интенсивность и полуширина пиков
электронограммы оставались неизменными
вплоть до температур ≈600 °С, начиная с ко-
Рис. 1. Микродифракционные картины пленочной системы Ag-Pd при различных температурах и их фото-
метрические кривые.
2θ
А.П. КРЫШТАЛЬ, С.И. БОГАТЫРЕНКО, Р.В. СУХОВ, А.А. МИНЕНКОВ
ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4354
торой на кольцах появляются отдельные реф-
лексы, указывающие на существенное уве-
личение размеров кристаллитов.
Необходимо отметить, что коэффициент
диффузии в системе Ag-Pd, как правило, до-
стигает экспериментально измеряемых вели-
чин при температурах выше 400 °С [6]. Акти-
вация диффузии в эпитаксиальных монокрис-
таллических пленках Pd/Ag [2] также наблю-
далась при температурах около 400 °С. Естест-
венно предположить, что наблюдаемое диф-
фузионное перемешивание компонентов в
исследуемой системе при температурах 180°С
– 350 °С связано именно с мелкодисперсной
структурой слоистой пленочной системы
Ag/Pd, что согласуется с результатами работы
[1]. В то же время для полного понимания
процессов происходящих в таких системах
требуются дальнейшие исследования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gleiter H. Diffusion in Nanostructured Metals//
Phys. Stat. Sol. (b).– 1992. – № 172. – Р. 41-51.
2. Kosevich V., Gladkikh A.N., Karpovskyit M.,
Klimenko V. Interdiffusion in Two-Layer Pd/Ag
Films I. The Effects of Interphase Boundaries//
Interface Science.–1994.– Vol. 2. – Р. 247-259.
3. Asoro M., Kovar D., Shao-Horn Y., Allard L.,
Ferreira P.J. Coalescence and sintering of Pt na-
noparticles: in situ observation by aberration-
corrected HAADF STEM//Nanotechnology. –
2010. – Vol. 21. – P. 025701.
4. Lee J.G. and Moria H. Particle-size dependence
of alloy phase formation in isolated particles in
the In-Sn system//J. Vac. Sci. Technol. – 2003.
– Vol. A 21. – P. 32.
5. Sutter Eli A., Sutter Peter W. Giant carbon so-
lubility in Au nanoparticles//J. Mater. Sci. – 2011.
– Vol. 46. – P. 7090-7097.
6. Vasilyev A.D., Bekrenev A.N. Influence of free
surface and interfaces on diffusion coefficients
in Pd-Ag and Pd-Au polycrystalline thin films
systems//Applied Surface Science. – 2000. –
Vol. 161. – P. 14-19.
LITERATURA
1. Gleiter H. Diffusion in Nanostructured Metals//
Phys. Stat. Sol. (b).– 1992. – № 172. – Р. 41-51.
2. Kosevich V., Gladkikh A.N., Karpovskyit M.,
Klimenko V. Interdiffusion in Two-Layer Pd/Ag
Films I. The Effects of Interphase Boundaries//
Interface Science.–1994.– Vol. 2. – Р. 247-259.
3. Asoro M., Kovar D., Shao-Horn Y., Allard L.,
Ferreira P.J. Coalescence and sintering of Pt na-
noparticles: in situ observation by aberration-
corrected HAADF STEM//Nanotechnology. –
2010. – Vol. 21. – P. 025701.
4. Lee J.G. and Moria H. Particle-size dependence
of alloy phase formation in isolated particles in
the In-Sn system//J. Vac. Sci. Technol. – 2003.
– Vol. A 21. – P. 32.
5. Sutter Eli A., Sutter Peter W. Giant carbon so-
lubility in Au nanoparticles//J. Mater. Sci. – 2011.
– Vol. 46. – P. 7090-7097.
6. Vasilyev A.D., Bekrenev A.N. Influence of free
surface and interfaces on diffusion coefficients
in Pd-Ag and Pd-Au polycrystalline thin films
systems//Applied Surface Science. – 2000. –
Vol. 161. – P. 14-19.
Рис. 2. Зависимость полуширины (• ) и интенсивности
(ο) пика (220) от температуры.
О ДИФФУЗИОННОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ В СЛОИСТОЙ ПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМЕ Ag-Pd
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100593 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:18:33Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Крышталь, А.П. Богатыренко, С.И. Сухов, Р.В. Миненков, А.А. 2016-05-24T12:48:27Z 2016-05-24T12:48:27Z 2013 О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd / А.П. Крышталь, С.И. Богатыренко, Р.В. Сухов, А.А. Миненков // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 4. — С. 351–354. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100593 538.975 Исследовано формирование однородного твердого раствора в слоистой пленочной системе Ag-Pd с толщиной слоев по 60 нм при in situ нагреве в ПЭМ. Пленочная система формировалась путем последовательной конденсации компонентов в вакууме при комнатной температуре подложки. Показано, что, начиная с температуры 180 °С, в системе Ag-Pd активируются диффузионные процессы, которые уже при температуре 350 °С приводят к полной гомогенизации пленочной системы по всей толщине. Досліджено формування однорідного твердого розчину в шаруватій плівковій системі Ag-Pd з товщиною шарів по 60 нм при in situ нагріванні в ПЕМ. Плівкова система формувалася шляхом послідовної конденсації компонентів у вакуумі при кімнатній температурі підкладки. Показано, що, починаючи з температури 180 °С, в системі Ag-Pd активуються дифузійні процеси, які вже при температурі 350 °С призводять до повної гомогенізації плівкової системи по всій товщині. The formation of homogeneous solid solution in Ag-Pd layered film system with 60 nm layer thick was investigated by means of in situ TEM heating. The film system was formed by sequential deposition of components in vacuum on the substrate at room temperature. It has been shown that diffusion processes in the system under study were activated starting from a temperature 180 °С. These processes were completed at 350 °С and led to a total homogenization of the film system over its entire thickness. Keywords: film system Ag-Pd, in situ TEM heating, homogenization. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd Article published earlier |
| spellingShingle | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd Крышталь, А.П. Богатыренко, С.И. Сухов, Р.В. Миненков, А.А. |
| title | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd |
| title_full | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd |
| title_fullStr | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd |
| title_full_unstemmed | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd |
| title_short | О диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе Ag-Pd |
| title_sort | о диффузионном перемешивании в слоистой пленочной системе ag-pd |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100593 |
| work_keys_str_mv | AT kryštalʹap odiffuzionnomperemešivaniivsloistoiplenočnoisistemeagpd AT bogatyrenkosi odiffuzionnomperemešivaniivsloistoiplenočnoisistemeagpd AT suhovrv odiffuzionnomperemešivaniivsloistoiplenočnoisistemeagpd AT minenkovaa odiffuzionnomperemešivaniivsloistoiplenočnoisistemeagpd |