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...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2000
Main Authors: Сафонов, В.И., Марченко, И.Г., Картмазов, Г.Н., Дикий, Н.И.
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