Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди
Исследовался процесс низкоэнергетичного (Е<З кэВ ) облучения поверхности меди ионами Ti и Al из сепарированного потока плазмы вакуумной дуги. Представлены результаты измерения концентрационных профилей титана и алюминия в зависимости от дозы облучения и температуры подложки. Установлено, что глуб...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2000 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2000
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78218 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди / В.И. Сафонов, И.Г. Марченко, Г.Н. Картмазов, Н.И. Дикий // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 182-184. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859986783680331776 |
|---|---|
| author | Сафонов, В.И. Марченко, И.Г. Картмазов, Г.Н. Дикий, Н.И. |
| author_facet | Сафонов, В.И. Марченко, И.Г. Картмазов, Г.Н. Дикий, Н.И. |
| citation_txt | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди / В.И. Сафонов, И.Г. Марченко, Г.Н. Картмазов, Н.И. Дикий // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 182-184. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Исследовался процесс низкоэнергетичного (Е<З кэВ ) облучения поверхности меди ионами Ti и Al из сепарированного потока плазмы вакуумной дуги. Представлены результаты измерения концентрационных профилей титана и алюминия в зависимости от дозы облучения и температуры подложки. Установлено, что глубина залегания бомбардируемых ионов существенно превышает проекционный пробег ионов и зависит от температуры подложки и вида ионов. Процесс накопления внедренных примесей Ti и Al является термоактивируемым, с характерной энергией 7…15 кДж/г.моль. Одним из объяснений полученных результатов является радиационно-стимулированная диффузия внедренной примеси по междоузельному механизму. Данные, полученные методом ядерных реакций, коррелируют с измерениями внедренной дозы, полученными рентгенофлюоресцентным методом.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:28:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 533.9
ФОРМИРОВАНИЕ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПРИ НИЗКО-
ЭНЕРГЕТИЧНОМ ВЫСОКОДОЗНОМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОМ
ОБЛУЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТИ МЕДИ
В.И.Сафонов, И.Г. Марченко, Г.Н. Картмазов, Н.И.Дикий
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт",
Украина, г.Харьков, ул.Академическая,1; Научный физико-технологический
центр,Украина, г.Харьков, ул.Новгородская.1
Исследовался процесс низкоэнергетичного (Е<З кэВ ) облучения поверхности меди ионами Ti и Al из се-
парированного потока плазмы вакуумной дуги. Представлены результаты измерения концентрационных
профилей титана и алюминия в зависимости от дозы облучения и температуры подложки. Установлено, что
глубина залегания бомбардируемых ионов существенно превышает проекционный пробег ионов и зависит
от температуры подложки и вида ионов. Процесс накопления внедренных примесей Ti и Al является термо-
активируемым, с характерной энергией 7…15 кДж/г.моль. Одним из объяснений полученных результатов
является радиационно-стимулированная диффузия внедренной примеси по междоузельному механизму. Дан-
ные, полученные методом ядерных реакций, коррелируют с измерениями внедренной дозы, полученными
рентгенофлюоресцентным методом.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ионно-плазменная обработка
интенсивно применяется для модификации припо-
верхностных слоев металлических материалов с це-
лью улучшения эксплуатационных характеристик
деталей машин и инструмента. Несмотря на то, что
при энергиях, обычно используемых для очистки по-
верхности и создания переходных слоев, толщина
легируемого слоя мишени не превышает долей ми-
крометра, именно эта приповерхностная область иг-
рает определяющую роль в технологическом ис-
пользовании полученных изделий. В то же время
экспериментально установлено, что влияние ионной
имплантации не ограничивается легируемым слоем
и может распространяться на приповерхностные
слои существенно большей толщины. Аномальное
распространение деформаций в глубь материала на
толщины, превышающие на порядки проекционный
пробег имплантированных ионов, наблюдалось в ра-
ботах [1-5]. Вопрос о физических механизмах такого
явления и связи деформаций с ионной имплантацией
остается до настоящего времени открытым. В дан-
ной работе исследовался массоперенос внедряемых
примесей при различных температурах. Целью рабо-
ты являлось экспериментальное исследование про-
никновения имплантированных ионов Al и Ti в медь
при высокодозном низкоэнергетическом плазмен-
ном облучении.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Облучение образцов из чистой меди ионами Ti и
Al осуществлялось в сепарированном от микро-
капель потоке плазмы вакуумной дуги. Потенциал
подложки был равен 1,5 кэВ. Распределение ионов
по зарядовым состояниям соответствовало типично-
му распределению для дуговых установок [6]. Сред-
няя энергия ионов с учетом распределения их по за-
рядности составляла 2,7 кэВ. При такой энергии на-
ряду с имплантацией происходит стравливание при-
поверхностного слоя меди. Алюминий и титан были
выбраны в качестве имплантируемых ионов, так как
эти материалы являются основными при нанесении
износостойких покрытий. Плотность ионного тока
Ti и А1 составляла 2,4 и 2,1 мА/см2 соответственно.
Процесс облучения проводился в вакууме 4⋅ 10-4 …5
10-3 мм. рт. ст. Концентрационные зависимости
определялись методом ядерных реакций по резо-
нанс-реакциям 49Ti (p, γ) V50 , и 27Al (p, γ) Si28 при
энергии 1007 и 992 кэВ соответственно. Ошибка из-
мерения содержания Ti и А1 не превышала 5%. Ин-
тегральное содержание внедренных элементов опре-
делялось ретгенофлюоресцентным методом с чув-
ствительностью < 1015 част./см2.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И
ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе эксперимента были получены концентра-
ционные профили Ti и Al в зависимости от дозы об-
лучения при постоянной температуре охлаждаемой
подложки равной 293 К. На рис.1 приведены кон-
центрационные профили Ti после различного време-
ни облучения меди. На этом же рисунке приведен
профиль внедрения ионов Ti с энергией 3 кэВ в Cu,
рассчитанный по программе SPURT [7].
Как видно из графиков, глубина залегания Ti
значительно превышает величину проекционного
пробега и достигает 250...300 А. С увеличением
дозы облучения поверхностная концентрация титана
уменьшается ,пока не выходит на насыщение ≈ 30%.
Определение величины внедренной дозы в интерва-
ле значений доз облучения 1017 …1019 см-2 показа-
ло, что предельная доза Ti в Сu достигает значения
Qnp = 2,0…4,1 10-6 г/см2.
В отличие от Ti ионы алюминия глубже прони-
кают в матрицу меди ( рис. 2). Однако поверхност-
182
ная концентрация Al ниже, чем Ti и в установив-
шемся режиме составляет 13%. Как видно из рисун-
ка, с увеличением дозы облучения наблюдается бо-
лее глубокое проникновение атомов Al в образец.
К
он
це
нт
ра
ци
я T
i,
ат
%
Глубина, А
С
ко
ро
ст
ь
вн
ед
ре
ни
я
T
i,
от
н.
е
д.
Рис.1.Профили залегания Ti в Си в зависимости от времени облучения в минутах
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
A
l,
ат
%
Глубина, А
Рис.2. Профили залегания А1 в Си от времени облу-
чения: в минутах
Эффект низкоэнергетичного ионного легирова-
ния существенно зависит от температуры облучения.
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
T
i,
ат
.%
Глубина, А
Рис.З. Профили залегания Ti в Си от температуры.
Время облучения 15 мин
На рис. 3 приведены профили залегания титана в
меди при различных температурах облучения. Вид-
но, что с увеличением температуры, титан интен-
сивнее проникает в матрицу меди, а при температу-
ре 913 К происходит образование слоя интерметал-
лида TiCu2 толщиной более 4000 А. На рис.4 приве-
дены подобные зависимости для алюминия при по-
стоянной дозе облучения равной 7,3⋅1018 ион⋅см-2 и
температурах подложки 293 К, 523 К и 913 К. Так
же как для Ti наблюдается усиление проникновения
имплантированных ионов в глубь матрицы с повы-
шением температуры. облучения.
Предельная растворимость алюминия в меди рав-
на 9,5% (α-твердый раствор ), а при большей кон-
центрации сплав состоит из смеси фаз α+γ' (элек-
тронное соединение Сu32Аl19 ) [8].
Ко
нц
ен
тр
ац
ия
A
l,
ат
%
Глубина А
Рис.4. Профили залегания А в Си от температуры
облучения, К. Время облучения 15 мин
Как видно из профилей на рис.4, при повышении
температуры облучения вблизи поверхностности
формируется слой α твердого раствора с предельной
концентрацией алюминия.
Состав поверхности на стабильной стадии распы-
ления (т.е. после распыления около 100 А) [9] опре-
деляется соотношением:
N1/N2 = r (S-1)-1.,
где N1 и N2 - концентрации имплантируемых
ионов и атомов мишени; г - отношение вероятностей
распыления атомов мишени и бомбардируемых с по-
верхности материала; S - коэффициент распыления
поверхности. При низких энергиях, вследствие ма-
лых величин коэффициента распыления, поверх-
ностная концентрация имплантируемых ионов мо-
жет достигать больших значений. Это подтвержда-
ется данными на рис.1 и 2. В начальный период по-
верхностная концентрация достигает 75% для титана
и 20% для алюминия, что обусловлено низким коэф-
фициентом распыления мишени вследствие наличия
на поверхности окисных пленок. Затем, после страв-
183
ливания этих слоев, поверхностная концентрация ти-
тана и алюминия уменьшается до стабильных значе-
ний в 30 и 13% соответственно. Более низкие значе-
ния для алюминия свидетельствуют о его преимуще-
ственном распылении, а также о более интенсивной
миграции в глубь мишени (см. рис.2). При повышен-
ных температурах облучения (больших 0,3 Тпл )
концентрация легируемых элементов контролирует-
ся диффузионными процессами и определяется рав-
новесными диаграммами состояния.
Оценка энергии активации процесса накопления
А1 и Ti в меди производилась путем обработки зави-
симости интегрального количества внедренной при-
меси от обратной температуры. По полученным дан-
ным энергия активации составляет 7…15
кДж/г.моль. Такие низкие значения энергии актива-
ции процесса характерны для энергии миграции
междоузельных атомов.
И
нт
ен
си
вн
ос
ть
I/
I 0
Время облучения, мин.
Рис. 5. Зависимость внедренной дозы Al(1) и Ti(2)
от времени облучения
Зависимость внедренной дозы ионов титана и
алюминия от времени облучения при температуре
293 К приведена на рис.5. Данные получены ренте-
нофлюорисцентным методом на образцах диамет-
ром 40 мм. Предельная доза внедренных ионов в за-
висимости от времени облучения составляет для
алюминия 1,25...1,6⋅10-6 г/см-2, а для титана 2...4,1⋅
10-6 г/см-2. Результаты по определению внедренной
дозы, полученные из концентрационных профилей,
соответствуют данным рентгенофлюоресцентного
метода.
ВЫВОДЫ.
В работе исследованы особенности формирова-
ния переходного приповерхностного слоя в Cu при
высокодозном низкоэнергетическом облучении
ионами Ti и Al. Установлено, что внедренные ионы
проникают в глубь образца на расстояния, значи-
тельно превышающие проекционный пробег ионов.
Процесс проникновения сильно зависит от темпера-
туры образца. Обработка экспериментальных дан-
ных свидетельствует о том, что процесс накопления
внедренных примесей является термоактивируемым,
с характерной энергией 7…15 кДж/г.моль. Одним из
объяснений полученных результатов является радиа-
ционно-стимулированная диффузия внедренной при-
меси по междоузельному механизму.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.Н.Диденко, А.Е.Лигачев, И.Б.Куракин. Воздей-
ствие пучков заряженных частиц на поверх-
ность металлов и сплавов. М.: "Энергоатомиз-
дат", 1987, 184 с.
2. Y. Sharkeev , A. Didenko High dislocation density
structures and hardening produced by high fluency
pulsed – ion beam implantation //Surface and Coat-
ing Technology. 1994. v. 65, p. 112-120.
3. Ю.П. Шаркеев, А.Н. Диденко, Э.В. Козлов Дис-
локационные структуры и упрочнение ионно-им-
плантированных металлов и сплавов // Изв. вузов.
Физика, 1994, № 5, с. 92-108.
4. Ю.В. Мартыненко Эффекты дальнодействия при
ионной имплантации // Итоги науки и техники.
Пучки заряженных частиц и твердое тело.
1993, № 7, с. 82-112.
5. В.А. Шулое Влияние ионной имплантации на хи-
мический состав и структуру поверхностных сло-
ев жаропрочных сплавов // Изв. вузов. Физика.
1994, № 5, с. 72-91.
6. Б.С.Данилин Применение низкотемператур-
ной плазмы для нанесения тонких пленок.
М.; "Энергоатомиздат", 1989, 328 с.
7. И.Г. Марченко, С.Н. Слепцов, И.В. Хирнов Мо-
делирование ионно индуцированной десорбции
газа методом Монте-Карло// “Радиационная
физика твердого тела ” II Межотраслевое
совещание, Севастополь 1 - 6 июля 1992 г.
Севастополь , 1992, с. 42-43
8. Ю.М. Лахтин Металловедение и термиче-
ская обработка. М:"Металлургия", 1964, 471 с.
9. Дж. Хирвонен. Ионная имплантация. М.: “Ме-
таллургия”, 1985, 390 с.
184
Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном
облучении поверхности меди
ВВЕДЕНИЕ
Методика эксперимента
Экспериментальные результаты и обсуждение
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78218 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:28:58Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сафонов, В.И. Марченко, И.Г. Картмазов, Г.Н. Дикий, Н.И. 2015-03-12T20:14:09Z 2015-03-12T20:14:09Z 2000 Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди / В.И. Сафонов, И.Г. Марченко, Г.Н. Картмазов, Н.И. Дикий // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 182-184. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78218 533.9 Исследовался процесс низкоэнергетичного (Е<З кэВ ) облучения поверхности меди ионами Ti и Al из сепарированного потока плазмы вакуумной дуги. Представлены результаты измерения концентрационных профилей титана и алюминия в зависимости от дозы облучения и температуры подложки. Установлено, что глубина залегания бомбардируемых ионов существенно превышает проекционный пробег ионов и зависит от температуры подложки и вида ионов. Процесс накопления внедренных примесей Ti и Al является термоактивируемым, с характерной энергией 7…15 кДж/г.моль. Одним из объяснений полученных результатов является радиационно-стимулированная диффузия внедренной примеси по междоузельному механизму. Данные, полученные методом ядерных реакций, коррелируют с измерениями внедренной дозы, полученными рентгенофлюоресцентным методом. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди Article published earlier |
| spellingShingle | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди Сафонов, В.И. Марченко, И.Г. Картмазов, Г.Н. Дикий, Н.И. Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел |
| title | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди |
| title_full | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди |
| title_fullStr | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди |
| title_full_unstemmed | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди |
| title_short | Формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди |
| title_sort | формирование приповерхностных слоев при низкоэнергетичном высокодозном ионно-плазменном облучении поверхности меди |
| topic | Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел |
| topic_facet | Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78218 |
| work_keys_str_mv | AT safonovvi formirovaniepripoverhnostnyhsloevprinizkoénergetičnomvysokodoznomionnoplazmennomoblučeniipoverhnostimedi AT marčenkoig formirovaniepripoverhnostnyhsloevprinizkoénergetičnomvysokodoznomionnoplazmennomoblučeniipoverhnostimedi AT kartmazovgn formirovaniepripoverhnostnyhsloevprinizkoénergetičnomvysokodoznomionnoplazmennomoblučeniipoverhnostimedi AT dikiini formirovaniepripoverhnostnyhsloevprinizkoénergetičnomvysokodoznomionnoplazmennomoblučeniipoverhnostimedi |