Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах

Факторами, определяющими поверхностную подвижность атомов и таким образом кинетику структурообразования при ионно-плазменных методах конденсации, являются температура осаждения и плотность потока пленкообразующих частиц. Формирование аморноподобного структурного состояния ионно-плазменных конденсато...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
1. Verfasser:	Соболь, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2008
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7892
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:	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах / О.В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 134-141. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859815935397855232
author	Соболь, О.В.
author_facet	Соболь, О.В.
citation_txt	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах / О.В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 134-141. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Факторами, определяющими поверхностную подвижность атомов и таким образом кинетику структурообразования при ионно-плазменных методах конденсации, являются температура осаждения и плотность потока пленкообразующих частиц. Формирование аморноподобного структурного состояния ионно-плазменных конденсатов обуславливается низкой поверхностной подвижностью осаждаемых атомов при Тк < 0,1Тпл (статистическое осаждение), а также присутствием примесных атомов остаточной атмосферы (O, N, C) при низкой плотности потока осаждаемых частиц (при Рост = 10^–2 Па, jMe< 1014 см^–2с^–1) и в начальных слоях роста и приповерхностной области конденсата. В качестве дополнительного критерия формирования аморфноподобного состояния ионно-плазменного конденсата может выступать отношение атомных радиусов металлоида к металлу превышающее число Хэгга (0,59). Чинниками, що визначають поверхневу рухливість атомів і таким чином кінетику структуроутворення при іонно-плазмових методах конденсації є температура осадження та щільність потоку плівкоутворюючих частинок. Формування аморноподібного структурного стану іонно-плазмових конденсатів обумовлюється низкою поверхневою рухливістю атомів, що осаджуються при Тк < 0,1 Тпл (статистичне осадженне), а також присутністю домішкових атомів залишкової атмосфери (O, N, C) при низькій щільності потоку частинок, що осаджуються (при Рост = 10^–2 Па, jMe < 1014см^–2с^–1) і у початкових шарах росту або приповерхній області конденсату. У якості додаткового критерію формування аморфноподібного стану іонно-плазмового конденсату може виступати відношення атомних радіусів металоїду до металу, що превищує число Хегга (0,59). Factors determining the surface atomic mobility, and thus the kinetics of structure formation under ionplasma condensation are the condensation temperature and film forming particle flux density. The formation of amorphous-like structure state of ion-plasma condensates is caused by low surface mobility of deposited atoms at Тk < 0,1 Тm (statistic deposition), and presence of impurity atoms of residual atmosphere (O, N, C) at low deposited particle flux density (at Рres = 10^–2 Pа, jMe < 1014 cm^–2s^–1), and in initial and subsurface layers of growing condensate. As an additional criterion for amorphous-like state formation of ion-plasma condensate, the metalloidto metal atomic radii ratio exceeding G. Hagg number (0.59) may be used.
first_indexed	2025-12-07T15:21:42Z
format	Article
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4134 ВВЕДЕНИЕ Получение конденсированных материалов с аморфноподобной или нанокристаллической структурой основано на механизме интенсив- ной диссипации энергии, обобщенной в трех стадиях формирования. На первой стадии идет процесс зародышеобразования, который из-за отсутствия соответствующих термоди- намических условий не переходит в полно- масштабную кристаллизацию. В случае обра- зования нанокристаллических зародышей существует вторая стадия, которая представ- ляет собой формирование вокруг них аморфных кластеров, объединяющихся затем в межкристаллитную фазу (третья стадия), с образованием диссипативной наноструктуры [1]. Наличие такого термодинамически мета- стабильного состояния открывает совершен- но новые возможности для достижения в конденсированном материале уникальных функциональных свойств [2 – 11]. Однако сложная многопараметрическая задача моде- лирования процессов формирования струк- турного состояния при осаждении конденсата из ионно-плазменных потоков, не имея в нас- тоящее время прямого численного решения, может быть рассмотрена только для частных случаев на основе детального изучения зако- номерностей формирования структуры кон- денсата. Поэтому целью данной работы было уста- новление закономерностей формирования аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния ионно-плазменных конденсатов, полученных ионным распы- лением тугоплавких материалов на основе вольфрама. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА В работе исследовались образцы микронной и субмикронной толщины, полученные маг- нетронным распылением мишеней вольфра- ма, карбидов и боридов на его основе, карби- дов и боридов титана, боридов циркония и хрома, а также мишеней квазибинарных сис- тем WC-TiC и W2B5-TiB2. Распыление осуществлялось в среде инертного газа Ar при давлении 2 – 3 мТорр. Подаваемое распыляющее напряжение сос- тавляло 320 – 450 В. Подложками служили монокристаллический кремний, толщиной 380 мкм, ситалл, толщиной 350 мкм, алюми- ниевая фольга толщиной 15 мкм и шлифо- ванный никель, толщиной 400 мкм. Для исследования фазового состава, струк- туры, напряженного состояния и субструк- турных характеристик образцов (микроде- формации, размера кристаллитов, концент- рации дефектов упаковки) использовались УДК 538.91 :548.73: 539.234: 539.219.3 ФАКТОРЫ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ АМОРФНОПОДОБНОГО И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ В ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТАХ О.В. Соболь Национальный технический университет “ХПИ” МОН Украины Украина Поступила в редакцию 22.07.2008 Факторами, определяющими поверхностную подвижность атомов и таким образом кинетику структурообразования при ионно-плазменных методах конденсации, являются температура осаждения и плотность потока пленкообразующих частиц. Формирование аморноподобного структурного состояния ионно-плазменных конденсатов обу- славливается низкой поверхностной подвижностью осаждаемых атомов при Тк < 0,1Тпл (ста- тистическое осаждение), а также присутствием примесных атомов остаточной атмосферы (O, N, C) при низкой плотности потока осаждаемых частиц (при Рост = 10–2 Па, jMe< 1014 см–2с–1) и в начальных слоях роста и приповерхностной области конденсата. В качестве дополнительного критерия формирования аморфноподобного состояния ионно-плазменного конденсата может выступать отношение атомных радиусов металлоида к металлу превышающее число Хэгга (0,59). ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 135 современные методы рентгеновского ана- лиза: рентгеновская дифрактометрия на от- ражение и на просвет (ДРОН-2, ДРОН-3М), включая модифицированный sin2ψ-метод для изучения напряженного состояния конденса- тов с аксиальной текстурой [12] и съемки в “скользящей геометрии” для исследования тонких приповерхностных слоев [13]. Для изучения субструктурных характеристик ис- пользовался способ аппроксимации профи- лей дифракционных рефлексов. Для визуали- зации микроскопической картины структуры пленок использовалась просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ-125К). Сос- тояние поверхности пленок изучалось с по- мощью растровой электронной микроскопии (РЭММА-101А). Элементный состав образ- цов определяется с помощью взаимодопол- няющих методов: лазерной масс-спектромет- рии на энергомасс-анализаторе ЭМАЛ-2, Оже-электронного анализа (LAS-2000), рент- геновской флуоресцентной спектроскопии (СПРУТ-2), масс-спектроскопии вторичных ионов (TRIFT-II). РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Если провести сравнительный анализ струк- турного состояния конденсатов различного типа в соответствии с температурой их осаж- дения на подложку, то видно (рис. 1), что при понижении температуры подложки при кон- денсации, Тк, размер кристаллитов уменьша- ется до величины менее 10 нм при Тк < 400 К. Причем размер кристаллитов в фазах внедре- ния и твердых растворах фаз внедрения мень- ше, чем в металлическом конденсате (кривые 1 − 3 на рис. 1), а в фазах внедрения с высокой теплотой образования таких, как TiB2, боль- ше, чем в менее стабильных на основе вольф- рама. Учитывая, что Тк = 300 К для большинства материалов, представленных на рис. 1, соот- ветствует величине, близкой к 0,1Тпл, то мож- но ожидать, что при меньшей Тк будут фор- мироваться конденсаты со структурой, близ- кой к аморфноподобной. Известно, что в слу- чае низкой температуры осаждения, когда конденсат формируется по мере случайного заполнения отдельных малых участков по- верхности подложки, в соответствии со ста- тистикой Пуассона, такое осаждение счита- ется статистическим, а структура конденсата, получаемая при таком осаждении, является аморфноподобной. При этом наличие легкой составляющей в фазах внедрения в значите- льной степени усиливает процесс дисперги- рования в осаждаемых конденсатах. Это при- водит к тому, что при формировании конден- сатов системы W-B, для которой rB/rw > 0,59, образуется аморфноподобная структура даже при достаточно высокой Тк. Формирование аморфноподобной структуры характерно и для Тк < 370 К в случае квазибинарной 83 мол.% W2B5 – 17 мол.% TiB2 системы (рис. 2, кривая 1) в то время, как при более высокой Тк происходит образование нано- кристаллических конденсатов. В случае большого содержания в конден- сате TiB2 составляющей с высокой теплотой образования и с rB/rTi < 0,59, начиная с самой низкой, исследуемой в работе Тк ≈ 300 К, про- исходит формирование конденсатов с нано- кристаллическим структурным состоянием. Рис. 1. Зависимость размера кристаллитов в конденса- тах от Тк для составов: 1 – W; 2 – WC; 3 – 69 мол.% WC – 31 мол.% TiC; 4 – W/Ti; 5 – TiB2; 6 – 50 мол.% W2B5 – 50 мол.% TiB2; 7 – 61 мол.% W2B5 – 39 мол.% TiB2. О.В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4136 В тоже время слои начальной стадии рос- та, обогащенные примесными атомами рабо- чей атмосферы, даже в случае осаждения ме- таллических конденсатов имеют аморфно- подобную структуру [14]. Вследствие этого модель роста конденсата при относительно невысокой температуре осаждения Тк < 700 К (для большинства из исследуемых в работе материалов на основе вольфрама она не пре- вышает 0,2Тпл) предполагает, что на началь- ном этапе формирования покрытий, получен- ных ионным распылением, идет образование пересыщенного примесными атомами слоя, толщина которого в зависимости от скорости осаждения и энергии осаждаемых частиц из- меняется от одного до нескольких наномет- ров, достигая, по данным послойного элемен- тного анализа в конденсатах, осажденных при низкой плотности потока пленкообразу- ющих частиц (jМе > 51014 см–2⋅с–1), величины 7 ÷1 0 нм (рис. 3а). При этом наличие при- месных легких атомов стабилизирует форми- рование мелкодисперсной аморфноподобной структуры конденсата. В дальнейшем при увеличении толщины конденсата под действием сжимающих на- пряжений, развивающихся в результате “ato- mic peening” эффекта [15], происходит вытал- кивание легких примесных атомов к грани- цам формируемых зерен с последующим вы- носом части примесных атомов на свободную поверхность (рис. 3б). Поверхность при этом может играть роль “диффузионного насоса”, а диффузия в наноструктурных и кластерных конденсатах осуществляется по зерногранич- ному механизму [9]. В оказавшемся более свободном от примесных атомов объеме кон- денсата под действием напряжений стиму- лируются кристаллизационные процессы (рис. 3в). Так как в результате перехода из аморфноподобного в кристаллическое сос- тояние происходит уменьшение удельного объема на один металлический атом, то такое изменение структурного состояния приводит к релаксации упругих конденсационных на- пряжений сжатия. При дальнейшем увеличе- нии толщины конденсата минимизация тер- модинамического фактора деформации, свя- занного с конденсационными напряжениями стимулирует формирование текстуры, умень- шение микродеформации и увеличение раз- мера кристаллитов [16]. В соответствии с этой моделью в процессе формирования межкристаллитной границы (с увеличением толщины конденсата) должна наблюдаться следующая цепочка элементар- ных актов: искажение дальнего порядка в зо- нах межкристаллитных сочленений → ад- Рис. 2. Фрагменты широкоугловых дифракционных спек- тров отражения покрытиями твердого раствора (W,Ti)B2. Тк К: 1 – 570; 2 – 970; 3 – 1070. а) б) в) Рис. 3. Схема стадий процесса формирования ионно- плазменного конденсата: а) – начальная стадия образо- вания пересыщенного примесными атомами аморфно- подобного слоя конденсата (м – пленкообразующие атомы и ионы мишени); б) – стадия кристаллизации аморфноподобного слоя с уменьшением его объема под действием конденсационных напряжений сжатия; в) – стадия формирования бифазного (“нанокристал- литы” – “граница”) состояния с вытесненными на гра- ницу примесными атомами. ФАКТОРЫ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ АМОРФНОПОДОБНОГО И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРУКТУРНОГО ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 137 сорбционное обогащение их примесным эле- ментом → перераспределение электронной плотности и появление дальнодействующих сил межатомного взаимодействия → диффу- зионное перемещение атомов химических элементов с образованием микрогруппировок докритических размеров с размытыми гра- ницами и с намечающимся новым порядком в расположении (кластеров). Всю цепочку можно представить в виде понижающегося каскада потенциальных ям, из которых верх- няя соответствует искаженной структуре дальнего порядка межкристаллитных границ, а нижняя – образованию в приграничной об- ласти нового устойчивого структурного сос- тояния или фазы. Таким образом, превращение аморфно- подобного в нанокристаллическое состояние в результате действия напряжений или нагре- ва можно рассматривать как распад аморфной фазы на нанокристаллическую и зернограни- чную составляющие. Для образования зародышей кристалли- ческой структуры на поверхности роста не- обходимо, чтобы в течение времени осаж- дения одного монослоя поверхностная под- вижность металлических атомов была дос- таточной для перемещения на расстояние межатомного порядка, то есть при jМе = 1015 см–2⋅с–1 подвижность была бы рав- ной 10–16 ÷ 10–15 см2⋅с–1. В то же время ко- эффициент диффузии металлических атомов в сформированном конденсате в нанокрис- таллическом или кластерном структурном состоянии, как показали результаты при фор- мировании модулированной структуры при длительном часовом отжиге, не превышает 10–19 см2⋅с–1 [17]. В начальные моменты от- жига сильно неравновесной структуры кон- денсата подвижность атомов несколько более высокая, однако и в этом случае величина D < 10–18 см2⋅с–1 [18]. Диффузионный коэффи- циент при упорядочении в процессе конден- сации того же порядка (0,7 ÷ 8)⋅10–18 см2⋅с–1. Эта величина на четыре порядка превосходит аналогичное значение для массивного состо- яния, однако значительно ниже поверхност- ной подвижности атомов (Dп ). Сопоставление полученных данных пока- зывает, что процесс концентрационного рас- слоения становится энергетически выгодным и потому протекает не в начальный момент формирования поверхностного слоя, а в про- цессе роста конденсата в его приповерхност- ной области. В этом процесс расслоения по- добен происходящему в приповерхностном объеме растущего конденсата формированию текстуры и кристаллизации межфазных слоев под действием конденсационных напряже- ний [14 – 16]. На рис. 4 приведена схема протекающих таким образом процессов при осаждении конденсатов фаз внедрения с решеткой типа NaCl на примере (W,Ti)C твердого раствора [19]. В случае материалов фаз внедрения с крис- таллической решеткой типа NaCl при форми- ровании поверхностного слоя высокая под- вижность атомов приводит к образованию текстуры (111), минимизирующей поверх- ностную энергию кристаллитов. Это прояв- ляется на дифракционных спектрах конден- сатов в виде увеличения относительной ин- тенсивности отражений от плоскостей (111) на начальной стадии роста конденсата кар- бида [20]. В дальнейшем рост конденсата со- провождается развитием высоких напряже- ний в объеме конденсата (рис. 3), что приво- дит к формированию текстуры (100), кристал- лизации межфазных слоев и концентраци- онному расслоению. В последнем случае в ос- нове протекания процесса расслоения в кон- денсируемых материалах лежит различное действие факторов, определяющих термоди- намический потенциал материала. Так на ста- дии формирования поверхностных слоев кон- денсируемых атомов, когда минимален вклад в термодинамический потенциал (F = U –T⋅S) фактора внутренней энергии (U), определяе- а) б) Рис. 4. Схема характерных диффузионных процессов в приповерхностных слоях – а) и объеме – б) растуще- го конденсата (W,Ti)C твердого раствора. О.В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4138 мого объемным состоянием материала, ос- новной вклад вносит вероятностный фактор S (энтропия). Наибольшая величина S соот- ветствует максимальной вероятности термо- динамического состояния, которое достига- ется при равномерном распределении метал- лических атомов в твердом растворе АВАВАВ…. При увеличении толщины кон- денсата становится существенным фактор внутренней энергии, который стимулирует упорядочение (кластеризацию), так как при этом минимизируется воздействие фактора примесных атомов. Действие этого фактора приводит к кластерообразованию с периоди- ческой модуляцией состава. Следует также отметить, что объемная диффузионная подвижность, достигающая в конденсатах 10–18 см2⋅с–1, значительно ниже поверхностной подвижности осажденных атомов. С этим, по-видимому, связана более высокая температура формирования равно- весных фаз в конденсате при осаждении. Действительно, в случае, например, карбида вольфрама для формирования равновесной α- WC фазы с гексагональной решеткой необхо- димо, чтобы подвижность металлических атомов, близкая к 10–15 см2⋅с–1, была как мини- мум в нескольких приповерхностных слоях для обеспечения объемной минимизации энергии при образовании α-фазы, что ста- новится достижимым только при высоких температурах осаждения. Стабилизация аморфноподобного состоя- ния в конденсатах систем W-B и W-Cr корре- лирует с высоким отношением в этих случаях атомных радиусов бора к металлу (rB/rw ≈ 0,62, rB/rCr ≈ 0,67). Как известно, в соответствии с эмпирическим правилом Хэгга, структуры внедрения с достаточно простыми металли- ческими подрешетками могут образовыва- ться лишь в тех случаях, когда отношение атомных радиусов металлоида к металлу удовлетворяет неравенству rX/rMe ≤ 0,59. При большем значении rX/rMe размеры пустот ока- зываются недостаточными для размешения неметаллического атома, что приводит в рав- новесных условиях к формированию слож- ных кристаллических решеток. Как показали авторы работы [21], данный критерий может быть эффективно использован и для пред- сказания структурного состояния импланти- рованных сплавов. В соответствии с этим критерием высокодозная имплантация высо- коэнергетических неметаллических ионов в металлическую матрицу должна приводить к формированию кристаллических фаз, если rX/rMe < 0,59. Если же rX/rMe > 0,59, то следует ожидать образование метастабильного аморфного сплава, так как в этом случае фор- мирование соединений с простой структурой невозможно. При этом верхнего предела значения отношения радиуса металлоида к радиусу металла, вызывающего аморфизац- ию, по-видимому, не существует [22]. Закономерности, полученные при высоко- дозном легировании путем ионной имплан- тации, при котором состав получаемых сме- сей не лимитируется принципами термоди- намики, могут быть использованы и при про- гнозировании структурного состояния ионно- плазменных конденсатов. Наиболее подвер- женными аморфизации должны в ряду эле- ментов внедрения B-C-N быть бориды из-за наибольшего атомного радиуса металлоида. В соответствии с полученными данными по формированию структуры при jMe = 1014 ÷ 1016 см–2⋅с–1 ионно-плазменных конденсатов разных систем “переходной металл-металло- ид” можно предложить подход к прогнозиро- ванию структурного состояния ионно-плаз- менных конденсатов, который основан на ис- пользовании соотношения атомных радиусов металлоида к металлу Хэгга. Для интервала температур осаждения Тк = 0,1 ÷ 0,3Тпл при соотношении радиусов менее 0,59 происхо- дит формирование кристаллических струк- тур. Этому критерию соответствовали иссле- дуемые в работе конденсаты карбида вольф- рама и титана, боридов титана и циркония (рис. 5). При соотношении, превышающем 0,59, при котором в равновесных условиях образуются фазы со сложной кристалличес- кой решеткой, при осаждении из ионно-плаз- менных потоков стимулируется формирова- ние аморфноподобного структурного состо- яния, что было выявлено для системи W-B, Сr-B, а также для квазибинарной системы TiB2-WB2 с большим содержанием WB2 сос- тавляющей. Кроме того, на рис. 5 приведены данные из работы [23], в которой структурное ФАКТОРЫ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ АМОРФНОПОДОБНОГО И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРУКТУРНОГО ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 139 состояние было определено для ионно-плаз- менных конденсатов карбидов переходных металлов для большого числа двойных и тройных систем. Для последних, переход в аморфноподобное состояние наблюдался в случае наибольшего соотношении rC/rNi ≈ 0,63 при содержании 15 ат.% никелевых атомов в тройном карбиде на основе карбида вольфра- ма, а для Fe и Co с меньшим атомным соотно- шением rC/rМе ≈ 0,62 аморфноподобное состо- тяние в конденсате достигалось при содержа- нии более 20% соответствующих металличе- ских атомов в конденсированном материале. Таким образом, для переходных металлов, атомный радиус которых лежит в интервале 0,145 ÷ 0,139 нм, образование кристалличес- ких фаз химических соединений должно про- исходить в основном в конденсатах фаз внед- рения с небольшим атомным радиусом метал- лоида (N, C), а для металлов с r < 0,13 нм об- разование кристаллического структурного состояния можно ожидать в основном при формировании только нитридных фаз. ВЫВОДЫ 1. Неравновесные условия получения мате- риалов ионно-плазменных конденсатов вследствие сверхбыстрой термализации осаждаемых частиц позволяют получать уникальные структурные состояния. Ос- новными факторами, определяющими по- верхностную подвижность атомов и тем самым кинетику структурообразования при ионно-плазменных методах конден- сации, являются температура осаждения и плотность потока пленкообразующих частиц. 2. Используя поверхностную подвижность металлических атомов в процессе осажде- ния и плотность потока осаждаемых плен- кообразующих частиц в качестве физичес- ких параметров координат можно выде- лить характерные области: – аморфного состояния, связанного с низкой подвижностью при Dп < 10–16 cм2⋅с–1 и высо- кой относительной плотностью попадающих в конденсат газовых атомов примесной ат- мосферы при jMe < 1014 см–2⋅с–1; – кристаллического структурного состояния, определяемого высокой подвижностью осаж- даемых атомов при jMe > 1015 см–2⋅с–1. 3. Предложен подход для прогнозирования аморфноподобного состояния материала конденсата при относительно высокой температуре осаждения 0,1 ÷ 0,25Тпл, в основу которого положено отношение rX/rMe > 0,59. 4. На основании анализа структурного сос- тояния материала в широком диапазоне толщин и режимов терморадиационного воздействия процессы структурообразо- вания классифицированы на поверхност- ные и объемные. К поверхностному клас- су отнесено формирование текстуры мате- риала, основанное на минимизации по- верхностной энергии, а также преиму- щественно статистическое распределение атомов в поверхностных слоях многоком- понентных конденсатов. К объемному классу отнесены эффекты текстурообра- зования и кристаллизации под действием деформационного фактора, а также кон- центрационное расслоение в конденсатах твердых растворов. 5. Предложена и обоснована модель роста ионно-плазменных конденсатов, получен- ных при низкой плотности потока пленко- образующих атомов (1014 см–2⋅с–1 < jМе < 1015 см–2⋅с–1), температуре осаждения 0,1Тпл < Tк < 0,25Тпл и Рр = 0,1 ÷ 0,5 Па, которая в качестве основных этапов вклю- * – [23] Рис. 5. Зависимость структурного состояния материа- ла ионно-плазменного конденсата системы “переход- ной металл – металлоид” от соотношения атомных ра- диусов металлоида (rx) и металла (rMe): A – аморфно- подобное состояние; К – кристаллическое состояние. О.В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4140 чает формирование начального пересы- щенного примесными газовыми атомами аморфноподобного слоя с последующей кристаллизацией материала по мере роста конденсата, сопровождающегося выте- снением примесных атомов к границам и развитием конденсационных сжимающих напряжений в пленке связанной с подлож- кой. Минимизация энергии деформации стимулирует развитие текстуры в конден- сатах, степень совершенства которой по- вышается с увеличением толщины плен- ки. ЛИТЕРАТУРА 1. Шпак А.П., Черемской П.Г., Куницкий Ю.А., Соболь О.В. Кластерные и наноструктурные материалы. Т. 3. – К.: Академпериодика, 2005. – 516 с. 2. Носкова Н.И., Мулюков Р.Р. Субмикрокрис- таллические и нанокристаллические метал- лы и сплавы. – Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 279 с. 3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии /Пер. с англ. под. ред. Ю. И. Головина. – М.: Техно- сфера, 2004. – 328 с. 4. Mayo M.J. Processing of nanocrystalline cera- mics from ultrafine particles//Int. Mater. Rev. – 1996. – Vol. 41, № 1. – Р. 85-115. 5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Нанострук- турные материалы. – М.: Академия, 2005. – 192 с. 6. Гусев А. И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соедине- ниях//УФН. – 1998. – Т. 168, № 1. – С. 55-83. 7. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. II. Механические и физические свойства// ФММ. – 2000. – Т. 89, № 1. – С. 91-112. 8. Cheng Y.H., Tay B.K. Structure and mechanical properties of tungsten carbide films deposited by off-plane double bend filtered cathodic vacu- um arc//J. Vac. Sci. Technol. A. – 2003. – Vol. 21, № 2. – P. 411-415. 9. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии.– М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 416 с. 10. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с. 11. Tjong S. C., Chen H. Nanocrystalline Materials and Coatings//Materials Science and Engine- ering. – 2004. – Vol. R 45. – Р. 1-88. 12. Гладких Л.И., Соболь О.В. Рентгенографиче- ское определение макронапряжений в тексту- рированных конденсированных пленках/В кн.: Методические указания к лабораторным работам по курсу “Актуальные проблемы фи- зического материаловедения”. – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2006. – С. 3-20. 13. Козьма А.А., Пинегин В.И., Соболь О.В., Фронтова Е.А. Роль поправки на преломление и поглощение в прецизионном определении параметров структуры ионно-плазменных конденсатов//Заводская лаборатория. Диаг- ностика материалов. – 1997. – Т. 63, № 6. – С. 33-37. 14. Соболь О.В. Механизм формирования фазо- во-структурного состояния конденсатов, по- лученных ионным распылением//Физическая инженерия поверхности.– 2008.– Т. 6, № 1-2. – С. 20-36. 15. Соболь О.В. Фазовый состав, структура и на- пряженное состояние вольфрамовых слоев, формируемых из ионно-плазменных потоков //Физика металлов и металловедение. – 2001. – Т. 91, № 1. – С. 63-71 16. Соболь О.В. Фазовый состав, структура, суб- структурные характеристики и макродефор- мированное состояние ионно-плазменных нанокристаллических конденсатов квазиби- нарной TiB2-W2B5 системы//Наносистеми. Наноматеріали. Нанотехнології. – 2006. – Т. 4, № 3. – С. 707-727. 17. Соболь О.В. Процесс наноструктурного упо- рядочения в конденсатах системы W-Ti-B// Физика твердого тела. – 2007. – Т. 49, Вып. 6. – С. 1104-1110. 18. Шпак А.П., Соболь О.В., Татаренко В.А., Ку- ницкий Ю.А., Барабаш М.Ю., Леонов Д.С., Дементьєв В. А. Закономерности формирова- ния неравновесной структуры ионно-плаз- менных конденсатов квазибинарных карбид- ных и боридных систем//Металлофиз. и но- вейшие технологии. – 2008. – Т. 30, № 4. – С. 525-535. 19. Sobol’ O.V. Thermal factor effect on phase for- mation, structure, substructure features, and stress state in ion-plasma nano-crystalline con- densates of quasi-binary carbide WС-TiC// Functional Materials. – 2007. – Vol. 14, № 4. – P. 436-445. 20. Sobol’ O.V., Sobol’ E.A., Podtelezhnikov A.A. Peculiarities of texture formation in coatings obtained from ion-plasma beams//Functional materials. – 1999. – Vol. 6, № 5. – P. 868-876 ФАКТОРЫ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ АМОРФНОПОДОБНОГО И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРУКТУРНОГО ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 141 21. Hohmuth K., Rauschenbach B., Kolitsch A. For- mation of Compounds by Metalloid Ion Implan- tation in Iron//Nucl. Instrum. and Method. – 1983. – Vol. 209-210. – P. 249-257. 22. Комаров Ф. Ф. Ионная имплантация в метал- лы. – М.: Металлургия, 1985. – 216 с. FACTORS CAUSING THE FORMATION OF AMORPHOUS-LIKE AND NANO-CRYSTALLINE STRUCTURE STATE ION-PLASMA CONDENSATES O.V. Sobol’ Factors determining the surface atomic mobility, and thus the kinetics of structure formation under ion- plasma condensation are the condensation tempe- rature and film forming particle flux density. The formation of amorphous-like structure state of ion-plasma condensates is caused by low surface mobility of deposited atoms at Тk < 0,1 Тm (statistic deposition), and presence of impurity atoms of resi- dual atmosphere (O, N, C) at low deposited particle flux density (at Рres = 10–2 Pа, jMe < 1014 cm–2s–1), and in initial and subsurface layers of growing conden- sate. As an additional criterion for amorphous-like state formation of ion-plasma condensate, the metal- loid-to metal atomic radii ratio exceeding G. Hagg number (0.59) may be used. ЧИННИКИ, ЩО ОБУМОВЛЮЮТЬ ФОРМУВАННЯ АМОРФНОПОДІБНОГО АБО НАНОКРИСТАЛІЧНОГО СТРУКТУРНОГО СТАНУ У ІОННО-ПЛАЗМОВИХ КОНДЕНСАТАХ О.В. Соболь Чинниками, що визначають поверхневу рухли- вість атомів і таким чином кінетику структуро- утворення при іонно-плазмових методах конден- сації є температура осадження та щільність по- току плівкоутворюючих частинок. Формування аморноподібного структурного ста- ну іонно-плазмових конденсатів обумовлюється низкою поверхневою рухливістю атомів, що осаджуються при Тк < 0,1 Тпл (статистичне осад- женне), а також присутністю домішкових атомів залишкової атмосфери (O, N, C) при низькій щі- льності потоку частинок, що осаджуються (при Рост = 10–2 Па, jMe < 1014см–2с–1) і у початкових шар- ах росту або приповерхній області конденсату. У якості додаткового критерію формування амор- фноподібного стану іонно-плазмового конден- сату може виступати відношення атомних радіу- сів металоїду до металу, що превищує число Хег- га (0,59). О.В. СОБОЛЬ 23. Trindade B., Viera M.T., Bauer-Grosse P. Amor- phous phase forming ability in (W-C)-based sput- tered films//Acta mater.–1998. – Vol. 46, № 5. – P. 1731-1739.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7892
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1999-8074
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:21:42Z
publishDate	2008
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
record_format	dspace
spelling	Соболь, О.В. 2010-04-20T12:57:43Z 2010-04-20T12:57:43Z 2008 Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах / О.В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 134-141. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7892 538.91 :548.73: 539.234: 539.219.3 Факторами, определяющими поверхностную подвижность атомов и таким образом кинетику структурообразования при ионно-плазменных методах конденсации, являются температура осаждения и плотность потока пленкообразующих частиц. Формирование аморноподобного структурного состояния ионно-плазменных конденсатов обуславливается низкой поверхностной подвижностью осаждаемых атомов при Тк < 0,1Тпл (статистическое осаждение), а также присутствием примесных атомов остаточной атмосферы (O, N, C) при низкой плотности потока осаждаемых частиц (при Рост = 10^–2 Па, jMe< 1014 см^–2с^–1) и в начальных слоях роста и приповерхностной области конденсата. В качестве дополнительного критерия формирования аморфноподобного состояния ионно-плазменного конденсата может выступать отношение атомных радиусов металлоида к металлу превышающее число Хэгга (0,59). Чинниками, що визначають поверхневу рухливість атомів і таким чином кінетику структуроутворення при іонно-плазмових методах конденсації є температура осадження та щільність потоку плівкоутворюючих частинок. Формування аморноподібного структурного стану іонно-плазмових конденсатів обумовлюється низкою поверхневою рухливістю атомів, що осаджуються при Тк < 0,1 Тпл (статистичне осадженне), а також присутністю домішкових атомів залишкової атмосфери (O, N, C) при низькій щільності потоку частинок, що осаджуються (при Рост = 10^–2 Па, jMe < 1014см^–2с^–1) і у початкових шарах росту або приповерхній області конденсату. У якості додаткового критерію формування аморфноподібного стану іонно-плазмового конденсату може виступати відношення атомних радіусів металоїду до металу, що превищує число Хегга (0,59). Factors determining the surface atomic mobility, and thus the kinetics of structure formation under ionplasma condensation are the condensation temperature and film forming particle flux density. The formation of amorphous-like structure state of ion-plasma condensates is caused by low surface mobility of deposited atoms at Тk < 0,1 Тm (statistic deposition), and presence of impurity atoms of residual atmosphere (O, N, C) at low deposited particle flux density (at Рres = 10^–2 Pа, jMe < 1014 cm^–2s^–1), and in initial and subsurface layers of growing condensate. As an additional criterion for amorphous-like state formation of ion-plasma condensate, the metalloidto metal atomic radii ratio exceeding G. Hagg number (0.59) may be used. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах Чинники, що обумовлюють формування аморфноподібного або нанокристалічного структурного стану у іонно-плазмових конденсатах Factors causing the formation of amorphous-like and nano-crystalline structure state ion-plasma condensates Article published earlier
spellingShingle	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах Соболь, О.В.
title	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах
title_alt	Чинники, що обумовлюють формування аморфноподібного або нанокристалічного структурного стану у іонно-плазмових конденсатах Factors causing the formation of amorphous-like and nano-crystalline structure state ion-plasma condensates
title_full	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах
title_fullStr	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах
title_full_unstemmed	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах
title_short	Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах
title_sort	факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7892
work_keys_str_mv	AT sobolʹov faktoryobuslavlivaûŝieformirovanieamorfnopodobnogoinanokristalličeskogostrukturnogosostoâniâvionnoplazmennyhkondensatah AT sobolʹov činnikiŝoobumovlûûtʹformuvannâamorfnopodíbnogoabonanokristalíčnogostrukturnogostanuuíonnoplazmovihkondensatah AT sobolʹov factorscausingtheformationofamorphouslikeandnanocrystallinestructurestateionplasmacondensates

Факторы, обуславливающие формирование аморфноподобного и нанокристаллического структурного состояния в ионно-плазменных конденсатах

Institution

Ähnliche Einträge