WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРОФИЛЕЙ ИОНОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ИСТОЧНИКОВ

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

 

Мельникова Татьяна Сергеевна

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРОФИЛЕЙ ИОНОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

 

01.04.07 – физика конденсированного состояния

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

 

 

 

Омск – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет

им. Ф.М. Достоевского»

Научный руководитель:     кандидат физико-математических наук,

доцент Вершинин Георгий Анатольевич

Официальные оппоненты:  доктор физико-математических наук,

профессор Яловец Александр Павлович 

                                                кандидат физико-математических наук,

доцент Потемкин Гелий Валерьянович

                                               

Ведущая организация:         ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государст-  

венный электротехнический университет "ЛЭТИ"

им. В.И. Ульянова (Ленина)»            

Защита состоится «_20_»  декабря  2011 года  в  15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.179.02 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского» по адресу: 644077,

г. Омск, пр. Мира, 55 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

Автореферат разослан     "___"   ноября   2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.179.04

кандидат физико-математических

наук, доцент                                                                                                         Г.А. Вершинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Эффективным инструментом для улучшения физико-механических характеристик металлических материалов является высокодозовая ионная имплантация. При этом наряду с непрерывным и высокоинтенсивным импульсным воздействием широко применяется модификация в частотно-импульсном режиме пучками ионов вакуумно-дуговых источников. Ускорители с вакуумной дугой генерируют ионы с зарядом  от 1+ до 6+, процентное содержание компонент которых зависит от типа катода. Следовательно, облучение в этом случае производится  полиэнергетическим пучком. При анализе экспериментальных результатов учитывается чаще всего только средняя энергия ионов. Так, например, в экспериментальных исследованиях, проведенных на ускорителях "Радуга-5" [1], "Диана" [2] и др. установлено, что в зависимости от комбинации "ион-мишень" концентрационные профили внедряемых частиц по глубине мишени имеют широкие максимумы и демонстрируют аномально глубокое проникновение налетающих частиц по сравнению с табличным значением проективного пробега. В рамках существующих теоретических моделей наблюдаемые эффекты объяснить не удается. Следовательно, актуальной остается проблема разработки теоретического подхода, учитывающего имплантацию при высоких (?1017 ион/см2) дозах полиэнергетическими пучками.

В последнее время внимание исследователей уделяется модификации ионными пучками мелкозернистых (со средним размером зерен < 15 мкм) и наноструктурированных материалов в связи с перспективой их широкого применения. Большинство экспериментальных работ, представленных в литературе, реализовывались, в основном, на крупнозернистых (? 15 мкм) образцах. В исследованиях [3, 4], проведенных при имплантации пучками ионов вакуумно-дугового источника "Диана-2", установлено, что формирование концентрационных профилей зависит от зеренной структуры мишени и сорта налетающих частиц.  Поэтому анализ особенностей формирования профилей распределения имплантированных ионов в структурированных материалах также является актуальной задачей.

Разработка общего теоретического подхода для интерпретации массопереноса при высокодозовом ионном облучении позволит качественно прогнозировать свойства материалов при имплантации полиэнергетическими пучками в зависимости от режимов обработки и структурного состояния мишени.  

Цель диссертационной работы заключается в теоретическом анализе формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах различного структурного состояния при высокодозовой ионной имплантации частотно-импульсными полиэнергетическими пучками вакуумно-дуговых источников.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Предложить физико-математическую модель формирования концентрационных профилей ионов в металлических материалах при воздействии высокодозовыми ионными пучками.

2. Разработать модель для описания формирования концентрационных профилей внедряемых ионов при воздействии полиэнергетическими частотно-импульсными пучками вакуумно-дуговых источников.

3. Исследовать влияние статистических процессов, термической и радиационно-стимулированной диффузии на формирование концентра-ционных профилей внедряемых ионов в зависимости от режимов имплантации и структурного состояния мишени при воздействии пучками источников "Радуга-5" и "Диана-2".

4. Провести теоретический анализ формирования концентрационных профилей при облучении материалов в ионно-плазменном режиме при непрерывном росте осаждаемой "газо-металлической" пленки на поверхности мишени в процессе имплантации.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Предложена физическая модель  формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при высокодозовой ионной имплантации, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов на различных временных этапах облучения.

2. Развита модель для описания формирования концентрационных профилей при имплантации металлических материалов полиэнергетическими ионными пучками.   

3. Продемонстрировано, что формирование широких глубинных максимумов концентрационных профилей в металлических материалах при облучении пучками вакуумно-дуговых источников ("Радуга-5", "Диана-2") обусловлено, преимущественно, статистическими процессами на первоначальных этапах имплантации полиэнергетическими ионами. Диффузионные процессы на заключительном этапе приводят к их дополнительному уширению.

4. Выявлено, что наблюдаемые максимумы концентрационных кривых ионов никеля у поверхности структурированных образцов титана при облучении пучком источника "Диана-2" обусловлены диффузионными процессами.

5. Установлено, что пространственные центральные моменты функции распределения внедряемых ионов по глубине мелкозернистых (со средним размером зерен <15 мкм) мишеней могут отличаться от известных табличных значений более чем на 25%.

6. В рамках предложенной модели показано, что в мелкозернистых образцах (со средним размером зерен 0,1 и 1,4 мкм) основным механизмом массопереноса на заключительном этапе имплантации является радиационно-стимулированная (в том числе и зернограничная) диффузия внедряемой  примеси, а в крупнозернистых (со средним размером зерен 15 и 38 мкм) – диффузия в объеме зерна.

7. Установлено, что в ионно-плазменном режиме облучения с осаждением "газо-металлической" пленки на поверхности мишени при относительно высоких температурах концентрационные профили внедряемых ионов алюминия формируются путем статистических и термодиффузионных процессов одновременно как в пленке, так и подложке. Имплантация атомов отдачи ответственна за неоднородное распределение примеси вблизи границы раздела  пленки с подложкой.

Научная и практическая значимость результатов работы. В диссертационной работе предложена обобщенная теоретическая модель для описания закономерностей формирования концентрационных профилей в металлических материалах в зависимости от набираемой дозы легируемых частиц при облучении частотно-импульсным полиэнергетическим ионным пучком, а также структурного состояния мишени. Выполненные на ее основе исследования способствуют углублению представлений о механизмах массопереноса в твердых телах (в т.ч. полупроводниковых материалах) при воздействии на них высокоинтенсивными потоками тяжелых частиц, а также стимулируют дополнительное развитие методов исследования состояния  вещества в процессе имплантации.  

Достоверность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью развитой модели массопереноса при высокодозовой ионной имплантации, ее внутренним единством и соответствием существующим представлениям о радиационно-стимулированных процессах в приповерхност-ных слоях твердых тел, непротиворечивостью полученных результатов и удовлетворительным согласием их с экспериментальными данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При интерпретации наблюдаемых закономерностей массопереноса в металлических системах при высокодозовой ионной имплантации рекомендуется учитывать, по крайней мере, две стадии во времени формирования концентрационных профилей внедряемой примеси по глубине мишени: статистическую на первоначальном этапе и диффузионную - на завершающем.

2. Наблюдаемые широкие глубинные максимумы концентрационных профилей ионов Al, Ti, Ni, W в металлических системах при высокодозовой имплантации полиэнергетическими пучками вакуумно-дуговых источников обусловлены, главным образом, статистическими процессами на первоначальном этапе внедрения и последующей радиационно-стимулированной диффузией.

3. При имплантации ионами алюминия источника "Радуга-5" через растущую "газо-металлическую" пленку, обусловленную осаждением на поверхность мишени алюминиевой плазмы в промежутках между импульсами пучка, концентрационные профили внедряемых ионов как в пленке, так и в подожке формируются одновременно путем статистических, термодиффузионных процессов и распределения атомов отдачи. Последние ответственны за неоднородный характер поведения концентрационных профилей примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

4. В мелкозернистых образцах титана на этапе интенсивного диффузионного перераспределения примеси в формирование профилей внедряемых ионов по глубине существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия, в том числе и зернограничная, а в крупнозернистых – диффузия в объеме зерна.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Всероссийской научной молодежной конференции "Под знаком Сигма" (Омск, 29-31 мая 2007 г.); IV Международном технологическом конгрессе "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения" (Омск, 4-9 июня 2007 г.); Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс": МНСК-XLV (Новосибирск, 10-12 апреля 2007 г.),  МНСК-XLVI (Новосибирск, 27-30 апреля 2008 г.), МНСК-XLVIII (Новосибирск, 10-14 апреля 2010 г.); Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-14 (Уфа, 15-21 апреля 2008 г.), ВНКСФ-15 (Томск-Кемерово, 19-25 апреля 2009 г.); VI Международной научной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск, 8-15 августа 2008 г.); V Международной конференции студентов и молодых ученых "Перспективы развития фундаментальных наук" (Томск, 20-23 мая 2008 г.); Ежегодной Региональной  научно-практической студенческой конференция "Молодежь третьего тысячелетия" (Омск, 15-20 мая 2007 г.; 16-20 мая 2010 г.); ХХXIX, XL, XLIМеждународных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 26-28 мая 2009 г.; 25-25 мая

2010 г.; 31 мая-2 июня 2011 г.); 9th and 10th International Conference Modification of  Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 21-26 September 2008; 19-24 September 2010); I Международной научно-практической конференции молодых ученых (Таганрог, 30 января 2011 г.).

Личный вклад автора. Автором развита модель формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах  при высокодозовой имплантации полиэнергетическими пучками частиц вакуумно-дуговых источников, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов в зависимости от режимов облучения и структурного состояния мишени. Представлен анализ большого числа экспериментальных результатов. Лично автором разработаны алгоритмы и составлены  вычислительные программы для проведения модельных расчетов.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 21 работа, 6 из которых в изданиях из перечня ВАК, и 15 в сборниках трудов региональных российских и международных конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 106 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 161 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткое обоснование актуальности исследования, формулируется цель и решаемые задачи, изложены новизна работы, её научная и практическая зна­чимость, основные положения, выносимые на защиту, приве­дены данные об апробации работы, указан личный вклад автора, описана струк­тура диссертации.

Первая глава «Массоперенос при ионном облучении твердых тел и способы его описания» носит обзорный характер по анализу теорий и подходов, посвященных интерпретации массопереноса в металлических материалах при радиационном воздействии пучками заряженных частиц. Обсуждаются основные возможные механизмы формирования концентрационных профилей при ионной имплантации в зависимости от дозы внедряемых частиц и структуры исходных образцов. На основании литературного обзора сформулированы задачи исследования.

Во второй главе «Модель формирования концентрационных профилей при воздействии ионными пучками вакуумно-дуговых источников» предлага­ется физико-математическая модель для описания формирования концентраци­онных профилей при воздействии полиэнергетическими ионными пучками вы­сокой дозы. Сущность модели заключается в следующем.

На первоначальном этапе имплантации, когда доза введенной в образец  примеси ещё относительно мала и концентрация генерируемых ионным пучком дефектов структуры невысокая, профили формируются преимущественно статистическим образом, определяемым случайными процессами упругих и неупругих столкновений внедряемых ионов с атомами мишени. На втором этапе имплантации, с увеличением концентрации дефектов и при достижении дозы легируемой примеси > 5?1016 - 1017 ион/см2, перераспределение уже внедренных атомов и окончательное формирование концентрационных профилей происходит за счет различных диффузионных механизмов. Используя предположения о справедливости одномерного описания и об аддитивности процессов при высокодозо­вой ионной имплантации полиэнергетическим пучком, итоговый профиль представляется в виде суммы вкладов каждой энергетической компоненты пучка:

(1)

                           

где                                      

                                                                                   (2)

Функция ns(x,Ei) описывает статистическое распределение, а nd(x,Ei) учитывает различные диффузионные процессы для пучка с энергетической компонентой Ei. Доза Фiвнедряемых ионов с долей Piв составе ионного пучка, соответствующая энергии Ei, через полную дозу ? определяется выражением Фi=Ф?Pi. Профиль внедряемых ионов по глубине мишени за счет статистических процессов ns(x,Ei) для фиксированной энергии E (далее индекс iопущен)описывается выражением [5]:     

                                                                            (3)

где Fp(x, Е) – функция Пирсона IV типа [5]:

                                                  (4)

В выражении (4) нормировочный множитель K и другие параметры (a, q, ?) функции определяются через моменты Rp (пробег ионов), ?Rp (страгглинг) и Sk (коэффициент асимметрии), соответствующие энергии Ei [5].

Распределение примеси по глубине мишени вследствие диффузионных процессов nd(x)для каждой энергетической компонентыучитывается в рамках радиационно-стимулированной диффузии имплантируемых частиц:

                     (5)

где х – расстояние от поверхности, распыляемой со скоростью V=Sj/N0, S – коэффициент распыления; j – плотность потока ионов;  N0 – концентрация атомов мишени; f (x, t) – функция источника.

Уравнение (5) на полупрямой решается при следующих начальном и граничных условиях (полагается, что образцы достаточно толстые):

                                   (6)      

где g(х) – профиль, сформированный на первоначальных этапах имплантации статистическим образом.

        При больших временах легирования и коэффициенте распыления больше единицы диффузионное распределение ионов по глубине мишени может быть описано стационарным решением краевой задачи (5) – (6), которое имеет следующий вид [3]: 

                        (7)

Коэффициент диффузии D(х) представляется в виде суммы термического D?(х)  и радиационно-стимулированного D*(х) коэффициентов, причем D*(х) про­порционален концентрации радиационных дефектов С(х). Выражение для концентрации дефектов С(х) выбрано в виде:

           (8)

которое является решением стационарного уравнения диффузии для дефектов. В выражении (8) введены обозначения:

                                                (9)

Коэффициенты B1 и B2  находятся из соответствующих граничных условий. Параметр – длина диффузии дефектов, зависит от свойств мишени и является варьируемым параметром; Dd коэффициент диффу­зии дефектов.

                При высокой температуре мишени формирование профилей сопровождается также термическим перераспределением, представляемым в виде:                        (10)

где ns(x) – профиль, сформированный на первом этапе имплантации статистиче­ским образом, t – общее время имплантации,  t0 – время начала термического перераспределения, – функция Грина для заданной краевой задачи. 

При имплантации через растущую с постоянной скоростью пленку на по­верхности мишени профиль распределения внедряемых частиц в такой слоистой системе представим в виде:

                                                                  (11)

где n1(х) и n2(х)  – профили распределения примеси в пленке и в под­ложке, соот­ветственно. Здесь – координата, трансформирующая шкалу глубин при переходе во второй слой; h(t)– толщина пленки в момент времени t; Rp1 – проективный пробег ионов в пленке; Rp2 – проективный пробег ионов в подложке. Постоянная ? выбирается из условия нормировки общего профиля. Поскольку в различных режимах имплантации могут достигаться от­носительно высокие температуры образцов (~1000 К), то имеет место термиче­ское перераспределение примеси. Поэтому в точке x(t) в момент времениt кон­центрационный профиль в пленке и подложке представляется в виде суммы трех слагаемых:

                                  (12)

где ns(x, t) – определяет вклад статистических процессов; nr (x, t) – учитывает эффекты баллистического перемешивания внедряемых частиц с атомами под­ложки; n?(x, t) – задает вклад тер­мического перераспределения внедряемых час­тиц. Выражения для n1(x) и n2(x) получаются интегрированием формулы (12) по времени:

                                                          (13)

Если коэффициент диффузии не зависит от концентрации дефектов и пространственных координат (является константой), то уравнение (5) примет вид:

(14)

                          

с теми же начальным и граничными условиями (6).

Решение уравнения (14) с условиями (6) представимо в виде:

                               (15)

где t – общее время имплантации, функция – функция Грина для заданной краевой задачи.                            

Таблица 1

Условия имплантации никелевых образцов

В третьей главе «Анализ массопереноса при высокодозовой имплантации металлических материалов пучком источника "Радуга-5"» анализируется перенос внедряемых ионов в результате облучения пучком источника "Радуга-5". В работах [6-8] приведены результаты исследования микроструктуры, элементного и фазового состава технически чистого поликристаллического никеля со средним размером зерен ~ 25 мкм, имплантированного пучком ионов титана и алюминия. Основные режимы имплантации представлены в таблице 1. Концентрационные профили титана (рис.1) характеризуются наличием широких максимумов, положение и вид которых зависят от параметров ионного пучка. Профили алюминия (рис. 2) плавно спадают с поверхно­сти. Ионный пу-чок вакуумно-дугового источ­ника "Радуга-5" явля-ется поли­энергетиче­ским, со­держа­ние компо­нент ти­тана и алюминия при этом составляет [5]: 11% – Ti1+, 76% – Ti2+, 12% – Ti3+, 1% – Ti4+; 38% – Al1+, 51 % – Al2+, 11% – Al3+. Энергетический состав пучка при имплантации титаном представлен компонентами с энергиями 20, 40, 60, 80 кэВ (при ускоряющем напряжении 20 кВ), а при имплантации алюминием – 40, 80 и 120 кэВ (ускоряющее напряжение 40 кВ). Время имплантации для титана составило 120 мин, а для алюминия – 20 мин. Доля ?i вкладов статистического и диффузионного механизмов установлена путем моделирования и составляет для системы Ti-Ni: 1) статистические - 0,58 (режим 1); 0,50 (режим 2); 0,42 (режим 3, 4). 2) диффузионные – 0,42 (режим 1); 0,50 (режим 2); 0,58 (режим 3, 4); для системы Al-Ni: 1) статистические – 0,95 (режим 1); 0,15 (режим 2); 0,4 (режим 3). 2) диффузионные – 0,05 (режим 1); 0,85 (режим 2); 0,6 (режим 3).   

Результаты моделирова­ния в рамках представленного во второй главе алгоритма приве­дены на рис. 1 и рис. 2 для всех режимов облучения. Теоретические кривые относительно хорошо согласуются с экспери­ментальными данными. На рис. 1 г представ­лены теоретиче­ские рас­четы с

 учетом только ме­ха­низ­мов радиа­ци­он­но-сти­му­лирован­ной диф­фу­зии (кривая 3). Как видно, учет только диффузионных механиз­мов не позволяет описать распределение примеси вблизи поверхности. Путем моделирова­ния установлено, что вклад диффузионных процессов в рас­пределе­ние имплантируемых частиц по глубине образцов увеличивается с ростом дозы и температуры мишени. При облучении никелевых образцов ионами титана с дозой ~1019 ион/см2 вклад  диффу­зионных процессов несколько снижается, что может быть связано с протеканием интенсивных про­цессов распыления поверхности. Таким образом, модель позволяет описать наличие широких максимумов, глубокое проникновение при­меси и достичь хорошего качествен­ного и в отдельных случаях количествен­ного согласия теории с экс­пери­мен­том.

Рис.2. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов алюминия в никеле для режимов: а – 1, б – 2; в – 3.

Рис.1. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов титана в никеле для режимов: а – 1, б – 2; в – 3, г – 4.

Параметры моделирования для ни­келевых образцов приведены в табл. 2. При расчетах ис­пользованы значения пространственных мо­ментов из работы [5] для соответствующих значений энер­гии  ионов. Коэффициент усиле­ния диффузии за счет вакансий был выбран dv=100. Коэф-фициент распыления S рассчи­тывался по из-вестной формуле Зиг-мунда для каждой компоненты энергии ионов в пучке. Экспериментальные результаты при им­планта­ции титана марки ВТ1-0 ионами алюминия приведены в работах [1, 9]. Специфическая осо­бенность режимов облучения в указан­ных экспериментах связана с осаждением алюминиевой плазмы на поверхность ми­шени в промежутках между воздействием частотно-импульсным пучком ускоренных ионов. Одновременно с этим атомы кислорода, углерода и азота из остаточной атмосферы вакуумной системы тоже осаждаются и перемешиваются в поверхностных слоях ионным пучком и вместе с частицами осажденного алюминия в виде атомов отдачи внедряются вглубь модифицируемого материала. При таких условиях облучения содержание титана в пленке близко к нулю. Режимы имплантации представлены в таблице 3.

Таблица 3

Условия имплантации ионами алюминия образцов титана марки ВТ1-0

Режим

Доза облучения Ф, 1018 ион/см2

Толщина пленки, нм

Время импланта-ции, мин

1

0,22

50

12

2

0,62

100

35

3

1,1

180

60

4

2,2

400

125

Таблица 2

Модельные параметры для описания концентрационных профилей титана и алюминия в никеле

Параметры

Система

Режим

Энергия ионов, кэВ

20

40 

60 

80

120

Коэффициент распы­ления S, атом/ион

Ti-Ni

1-4

1,31

1,86

2,72

2,61

 

Al-Ni

1,2

4,02

 

5,65

6,89

3

6,1

7,5

8,4

Диффузионная длина дефектов  

Ld, мкм

Ti-Ni

1

  3,7

4,75

8,85

9,16

 

2

4,63

5,31

6,87

3

7,55

8,38

8,85

10,31

4

9,84

9,88

9,91

Al-Ni

1-3

 

0,8

 

1,2

1,4

Коэффициент терми­ческой диффузии

 D?, 10-13 см/с2

Ti-Ni

1

0,85

0,9

1,0

1,3

 

2

0,9

1,25

1,3

1,35

3,4

6,9

7,25

7,35

7,75

Al-Ni

1

 

0,3

 

0,5

0,6

2

 0,4

  0,6

0,7

3

 1,2

  1,6

1,7

Из анализа экспериментальных данных сле­дует, что примерно через 8-10 минут облучения толщина пленки превышает проективный пробег ионов, соответствующий сред­ней энергии (40 кэВ) частиц в пучке. При дальнейшем увеличении времени облучения (до 20 мин) ионы алюминия даже с максимальной энергией 60 кэВ в модели статистического рас­пределения не способны проникнуть в

мишень через пленку. Поэтому можно предполо­жить, что глу­бинные концентрационные профили алюминия формируются в течение первых минут имплантации полиэнер­гетиче­ским пучком. В это время на результирую­щий профиль оказывают влияние, по-видимому, такие процессы, как распыле­ние поверхности пленки, радиационно-стимулированная и термическая диффузия, а также другие эффекты с различной степенью интенсивности. Формирование концентрационных профилей в тита­новой матрице в этом случае осуществля­ется преимущественно за счет возни­кающих атомов отдачи между исходным образцом и растущей пленкой, а также термической диффузии.

Таблица 4

Вклады механизмов в формирование концентрационных профилей алюминия в титане

Энергетический состав пучка алю­миния при ускоряющем напря­жении 20 кВ соответствует энергиям 20, 40, 60 кэВ. Для анализа концен­трационных профилей ис­пользуем предложен­ную мо­дель, которая учитывает им­плантацию через расту­щую пленку на поверхности мишени. Профиль в такой системе оп­ределяется выражением (11). При теоре­тическом описании пред  -полагалось, что пучок ионов падает перпендикулярно поверхности исходного образца вдоль оси x, а пленка равномерно растет в противопо­ложном направлении.  Вклад статистического распределения ns(x, t) описывается функцией Пирсона - IV типа.  Вклад ато­мов отдачи nr(x, t) в формирова­ние профилей оцени­вается по алгоритму работы [10].

Рис.3. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов алюминия для режимов облучения титана: а – 1, б – 2, в – 3, г – 4. Нормировочный множитель ? соответствует: а – 0,6; б – 0,65, в – 0,67, г – 0,76.

Доля ?i вкла­дов ука­занных меха­низ­мов установ­лена пу­тем моде­лирования и пред­ставлена в таб­лице 4. Теоретические кривые сопос­тавля­ются с эксперименталь­ными данными для всех режимов на рис. 3. Граница об­ласти "пленка-подложка" обозначена верти­кальной пунк­тирной ли­нией. В модели без учета растущей пленки удается вос­произвести концен­трационные кривые только на больших глубинах, на поверх­ности и на границе раздела каче­ствен­ного согласия полу­чить не удается.

Таблица 5

Модельные параметры для описания концентрационных профилей алюминия в титане

Параметры

Режим

Энергия ионов алю­миния, кэВ

20

40 

60 

Проективный пробег Rp в пленке, нм

1-4

11,32

22,37

33,46

Страгглинг ?Rpв пленке, нм

1-4

7,73

14,78

19,98

Коэффициент асимметрии Sk

1-4

0,23

0,11

-0,14

Коэффициент термической диффузии D?,

10-13 см/с2

1

0,85

0,9

1,0

2

0,9

1,25

1,3

3

6,9

7,25

7,35

4

6,9

7,25

7,35

Таким обра­зом, теоретические расчеты позволяют утверждать, что глубинные концентра­ционные профили алюминия в титане, имплантированного импульсно-периоди­ческим пучком ис­точника "Радуга-5" через растущую "газо-металлическую" пленку, формиру­ются путем статистического распределения внедряемых ионов на первоначальном этапе (в течение ~25 минут) и последую­щего термиче­ского перераспределения в оставшееся время. Варьируемым параметром при моде­лировании яв­лялся ко­эффициент тер­миче­ской диффузии D?, который под­бирался из требования  лучшего согласия теории с экспериментом. Моменты про­странствен­ных рас­пределений представлены в таблице 5 для каждой компоненты энергии ионов алюми­ния. Для описания прохождения частиц в "газо-металличе­ской" пленке моменты рассчитывались как для многокомпонентной среды.

В четвертой главе «Анализ форми­рования концентрацион­ных профилей внедряе­мых ионов при имплантации пучком источ­ника "Диана-2" металлических материалов с различным структурным состоянием» анализируются концентрационные профили алюминия и никеля при облучении титана марки ВТ1-0 с различным структурным состоянием [4]. Содержание компонент никеля в пучке составляет: 30% – Ni1+, 64% – Ni2+, 6% – Ni3+ со значениями энергий ионов как никеля, так и алюминия 60, 120, 180 кэВ при ускоряющем напряжении 60 кВ. Температура образцов в про­цессе имплантации не превышала 450 К. Время имплантации составляло 80 минут. Характерная особен­ность мелкозернистых (со средним размером зерен < 15 мкм) и нанострукту­рированных материалов – большая протяженность внутрен­них поверхно­стей раздела. С уменьшением размеров зерен происхо­дит облег­ченная диффузия леги­рующей примеси по грани­цам зерен материала. Коэффициенты зерногра­ничной диффузии в нано­структурированных метал­лах и сплавах на несколько порядков превышают соот­ветствующие коэффици­енты в крупнозернистых. Ма­лый размер зерен, воз­можность перекрытия друг с другом диффузионных потоков атомов от сосед­них границ, релаксация и миграция границ зерен в ходе диффу­зионных отжи­гов и, сверх того, неоднородность струк­туры объема зерен значи­тельно влияют на кинетику диффузион­ных процессов. Поэтому доминирующая роль

Рис.4. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов алюминия в титане в зависимости от размеров зерен d: а – 0,1 мкм; б – 1,4 мкм; в – 15 мкм; г – 38 мкм.

состояния границ зерен данного класса материа­лов наблюдается при разме­рах зерен порядка 0,1 – 2 мкм.

Сформулированная выше модель формирования  концен­трационных профилей при высокодозовой импла­н­тации была применена и в этом случае.

Поскольку при облуче­нии темпера­тура образцов поддержива-лась  относи­тельно не­высокой, то при теоретическом анализе влияние термических эффектов не учитыва­лось.

Рис.5. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов никеля в титане в зависимости от размеров зерен d: а – 0,1 мкм; б – 1,4 мкм; в – 15 мкм; г – 38 мкм.

Доля ?i вкладов механиз­мов установлена путем моделирования и составляет для системы Al-Ti: 1) статистические - 0,44 (образцы 1-4); 2) диффузионные – 0,56 (образец 1-4); для системы Ni-Ti: 1) статистические – 0,44 (образцы 1-3); 0,63 (режим 4); 2) диффузионные – 0,56 (образцы 1-3); 0,37 (образец 4).

Для мелкозернистых образ­цов титана (с размером зерен 0,1 и 1,4 мкм) при облучении ионами алюминия вклад диф­фузионных процес­сов учитывали по формуле (7). При описании концентрационных профилей никеля и алюминия в крупнозернистых образцах титана (со средним размером зерен ? 15 мкм) исходили из краевой задачи (15)-(16). Диффузия в объеме зерна для соответствующих образцов является одним из доминирующих механизмов.  

                                                                                                           Таблица 9

Модельные параметры для описания концентрационных профилей алюминия и никеля в образцах титана

Параметры

Образец

Энергия ионов алю­миния, кэВ

Энергия ионов никеля, кэВ

60

120 

180 

60 

120 

180 

Проективный пробег Rp, нм

1

53,3

108,2

163,6

 

57,1

69,3

76,9

2

65,3

3

68,3

4

28,3

52,1

Страгглинг ?Rp, нм

1

26,1

44,4

59,3

 

7,1

 

9,7

 

31,6

2

3

4

13,3

22,7

36,1

Коэффициент асиммет­рии Sk

1

0,17

-0,23

-0,40

 

0,41

 

0,27

 

0,17

2

3

 

0

 

0,23

 

0,40

4

Диффузионная длина дефектов  Ld, мкм

1

0, 28

0, 28

0, 28

0,57

0,69

0,77

2

0,125

0,125

0,125

0,78

0,92

Коэффициент распыле­ния S, атом/ион

1

 

1,5

 

1,5

 

1,5

 

2,59

 

3,65

 

4,56

2

3

10,5

15

20

4

Коэффициент объемной диффузии D, 10-15 см2/с

3

1,5

1,7

1,9

2,7

2,8

2,9

4

2,9

3,0

3,1

Коэффициент тер­миче­ской диффузииD?, 10-15 см2/с

1

1,8

1,8

1,8

1,3

1,3

1,3

2

1,6

1,6

1,6

1,2

1,2

1,2

  Результирующие концентрационные профили с учетом вкладов статистических и диффузионных процессов представлены при имплантации алюминия на рис. 4 и никеля - на рис.5. Из сопоставления результатов следует, что качественно описать положение максимума на глубине для образцов никеля позволяет учет статистических процессов. Анализ экспериментальных данных при имплантации ни­келя показал, что положение глу­бинного максимума соответствует табличным [5] значениям пробегов для об­разца с размерами зерен 38 мкм. Для мелкозерни­стых образцов максимумы рас­положены на относительно большей глубине по сравнению с крупнозерни­стыми. По-видимому, это связано с тем, что проектив­ные пробеги ионов и страгглинг зависят от зеренной структуры мишени. По результатам моделиро­вания установлено, что наилучшее согласие теории с экс­периментом достига­ется при выборе модельных пробегов и страгглингов, отли­чающихся от таблич­ных на 25-30%. В образцах мелкозернистого титана в формирование профилей внедряемых ионов по глубине мишени на втоом этапе существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия (в том числе и зернограничная), а в крупнозернистых – диффузия в объеме зерна. В качестве варь­ируемых параметров, которые представлены в таблице 9, были выбраны коэффициент объемной диффузии и диффу­зионная длина дефектов. Коэффициент распыления S рассчитывался по формуле Зигмунда для каждой компоненты энергии ионов в пучке. Коэффициент усиления диффузии за счет вакансии й принят равным d?=40.

 Пред­ложенная модель была применена также для анализа наблюдаемых концентрационных профилей при имплантации крупнозернистых атериалов "тяжелыми" (порядковый номер которых > 60) элементами – ионами вольфрама [2]. Отмечено качественное согласие теоретических и экспериментальных кривых.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы, которые заключаются в следующем:

1. Предложена физико-математическая модель для описания формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при высоких дозах имплантации частотно-импульсными пучками вакуумно-дуговых источников, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов на различных временных этапах облучения. 

2. Путем моделирования показано, что наблюдаемые широкие глубинные максимумы концентрационных профилей внедренных частиц при высокодозовой имплантации пучками вакуумно-дуговых источников, таких как "Радуга-5", "Диана-2", обусловлены преимущественно статистическим распределением в приповерхностном слое мишени ионов с разными начальными энергиями.

3. Различные диффузионные процессы, интенсивно проявляющиеся на заключительном этапе имплантации, приводят к дополнительному уширению глубинных максимумов у концентрационных профилей и в зависимости от комбинации мишень-ион к формированию дополнительного максимума у поверхности.

4. В результате моделирования установлено, что в мелкозернистых образцах титана на этапе интенсивного диффузионного перераспределения примеси в формирование профилей внедряемых ионов по глубине существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия, в том числе и зернограничная, а в крупнозернистых – диффузия в объеме зерна.

5. При имплантации через растущую "газо-металлическую" пленку, обусловленную осаждением на поверхность мишени алюминиевой плазмы в промежутках между импульсами пучка, концентрационные профили внедряемых ионов как в пленке, так и в подожке формируются путем статистических, термодиффузионных процессов и распределения атомов отдачи. Последние ответственны за неоднородный характер  поведения концентрационных профилей примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

В рецензируемых научных журналах из перечня ВАК МОН РФ

1. Г.А. Вершинин, Г.И. Геринг, Т.С. Грекова . К интерпретации массопереноса в металлических системах при высокодозной имплантации импульсно-периодическим пучком //  Известия вузов. Физика. 2007. №10/3. С. 60-63.

2. Формирование концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации / Т.В. Вахний, Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, И.А. Божко, И.А. Курзина, Ю.П. Шаркеев  // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.  2008. № 4. С. 51-54.

Фамилия Грекова Т.С. – до замужества.

. Роль радиационно-стимулированных процессов в формировании концентрационных полей в металлах при воздействии ионным пучком источника "Радуга-5" / Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, Г.И. Геринг, С.Н. Поворознюк // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.  2009. № 3. С. 109-112.

4. Влияние размера зерен поликристаллического титана на формирование концентрационных профилей ионов алюминия, имплантированных полиэнергетическим пучком / Т. В. Вахний, Г.А. Вершинин, Ю.П. Шаркеев, И.А. Курзина, А.Ю. Ерошенко, Т.С. Грекова, Б.П. Гриценко // Известия вузов. Физика. 2009. №11/2. С. 232-237.

5. Роль размера зерен поликристаллического титана в формировании концентрационных профилей имплантируемых ионов алюминия / Т. В. Вахний, Г.А. Вершинин, Ю.П. Шаркеев, И.А. Курзина, А.Ю. Ерошенко, Т.С. Грекова, Б.П. Гриценко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.  2010. № 4. С. 94-99.

6. Формирование концентрационных профилей имплантируемых ионов в титане и никеле в зависимости от структуры образцов и режимов облучения. / Г. А. Вершинин, Ю. П. Шаркеев, Г.И. Геринг, Т.С. Грекова, И.А. Божко, И.А. Курзина // Известия вузов. Физика. 2011. т. 54. № 1/2.  С. 133-137.

В сборниках тезисов, семинаров и конференций

7. Формирование концентрационных полей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации / Т.В. Вахний, Г.А. Вершинин, И.А. Божко, И.А. Курзина, Ю.П. Шаркеев, Т.С. Грекова //  Тезисы докладов ХХХVII Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 29-31 мая 2007 г.). М.: Университетская книга, 2007. С. 151.

8. Грекова Т.С. Моделирование концентрационных полей при высокодозовой полиэнергетической ионной имплантации // «Молодежь третьего тысячелетия»: XXXI региональная научно-практическая студенческая конференция: тезисы докладов. Омск: Изд-во ОмГУ, 2007. С. 348-349.

9. Грекова Т.С., Вершинин Г.А. Интерпретация массопереноса в металлических системах при высокодозной ионной имплантации // «Под знаком Сигма»: тезисы докладов IV Всероссийской научной молодежной конференции (Омск, 29-31 мая 2007 г.). С. 57-58.

10. Грекова Т.С. Моделирование концентрационных полей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации // Материалы XLV Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика (Новосибирск, 10-12 апреля 2007 г.). Новосибирск: Новосиб. гос. унив, 2007. С. 276.

11. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Грекова Т.С. Интерпретация массопереноса при формировании наноразмерных интерметаллидов в металлах при высокоинтенсивной полиэнергетической имплантации // Труды IV Международного технологического прогресса (Омск, 4-9 июня 2007 г.). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. С. 320-324.

12. Роль радиационно-стимулированных процессов в формировании концентрационных полей в металлах под воздействием ионного пучка источника «Радуга-5» / Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, Г.И. Геринг, С.Н. Поворознюк // Тезисы докладов ХХХVIII Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 27-29 мая 2008 г.). М.: Университетская книга, 2008. С. 160.

13. Грекова Т.С. Формирование концентрационных полей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации // Материалы Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14, Уфа). Екатеринбург-Уфа: Изд-во АСФ России, 2008. С. 578-579.

14. Грекова Т.С. К интерпретации массопереноса в металлических системах при высокодозной имплантации импульсно-периодическим ионным пучком // Труды V Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 20-23 мая 2008 г.). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. С. 30-32.

15. Роль радиационно-термических процессов в формировании концентрационных полей в металлах при воздействии полиэнергетическими ионными пучками / Г.А. Вершинин, Г.И. Геринг, Т. С. Грекова, Ж.К. Мамытбеков, С.Н. Поворознюк.  // Труды VI международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 8-15 августа 2008 г.). Томск: Изд-во ТПУ, 2008. С. 798-801.

16. Роль размера зерен поликристаллического титана в формировании концентрационных профилей имплантируемых ионов алюминия / Т. В. Вахний, Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, Б.П. Гриценко, И.А. Курзина, Ю.П. Шаркеев // Тезисы докладов XXXIX Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 26-28 мая 2009 г.). М.: Университетская книга, 2009. С. 149.

17. Грекова Т.С. Влияние размеров зерен мишени и энергетического состава ионного пучка на формирование концентрационных профилей имплантируемых атомов в частотно-импульсном режиме // Материалы XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика (Новосибирск, 10-14 апреля 2010 г.). Новосибирск: Новосиб. гос. унив., 2010. С. 276.

18. Грекова Т.С., Мельников Н.С. Интерпретация закономерностей массопереноса в металлах при воздействии ионными пучками частотно-импульсных источников // «Молодежь третьего тысячелетия»: XXXIV региональная научно-практическая студенческая конференция: тезисы докладов (Омск, 19 апреля – 21 мая 2010 г). Омск: Изд-во ОмГУ, 2010. С. 84-87.

19. Analysis of Mass Transfer in Metallic Materials under Irradiation by the Particle Beams of the Vacuum-Arc Ion Sources / G. A. Vershinin, T. S. Grekova, Yu. P. Sharkeev, I. A. Kurzina, I.A. Bozho // Proceedings оf 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. Р. 205-208.

20. Формирование концентрационных профилей имплантируемых ионов в титане и никеле в зависимости от структуры образцов и режимов облучения // Г.А. Вершинин, Ю.П. Шаркеев, Т.С. Грекова, И.А. Божко, И.А. Курзина // Тезисы докладов XL Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 25-27 мая 2010 г.). М.: Университетская книга, 2010. С. 141.

21. Грекова Т.С. Анализ массопереноса в поликристаллическом титане при имплантации пучком ионов алюминия вакуумно-дугового источника через осаждаемую пленку // I Международная научно-практическая конференция молодых ученых: тезисы докладов. Таганрог, 30 января 2011. C. 338-342.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Э.В. Козлов, И.А. Курзина, И.А. Божко, М.П. Калашников и др. Высокоинтенсивная имплантация ионов алюминия в титан  // Металлофиз. Новейшие технологии, 2004. – Т. 26. – № 12. – С. 1645-1659.

2. А.Д. Погребняк, Н.К. Ердыбаева, Л.В. Маликов, С.Н. Братушка, Н. Левинтант. Влияние высокодозной имплантации ионов металлов и газов на физико-механические свойства титановых сплавов // Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. науки и техники, 2008. – Т. 1. – С. 81-92.

3. Yu.P. Sharkeev, I.А. Kurzina, I.A. Bozhko, and A.Yu. Eroshenko. Influence of the Target Grain Size on Structural-Phase State of Titanium Implanted with Aluminum Ion // Proceedings оf 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. – Р. 705-708.

4. Role of Polycrystalline Titanium Grain Size in the Formation of the Concentration Profiles of implanted Aluminum Ions / T.V. Vahniy, G.A. Vershinin, Yu.P. Sharkeev, I.A. Kurzina, A. Yu. Eroshenko, T.S. Grekova, B.P. Gritsenko // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2010. Vol. 4, № 2.

P. 353-358.

5. А.Ф. Буренков Ф.Ф. Комаров, М.А. Кумахов, М.М. Тёмкин. Пространственные распределения энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах. – Москва: Энергоатомиздат, 1985. – 248 с.

6. И.А. Курзина И.А.Божко, М.П. Калашников, Д.О. Сивин и др. Структурно – фазовое состояние поверхностных слоев никеля, имплантированных ионами титана // Труды 8-ого Международного семинара "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах". 12-16 сентября г. Сочи, 2005. – С. 212-214.

7. I.A. Kurzina I.A. Bozhko, M.P. Kalashnikov, Yu.P. Sharkeev, E.V. Kozlov Formation of nanosized intermetallic phases in Ni-Ti syatem upon ion implantation. Приложение  // Proceedings оf 8th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2006.  – № 8. – С. 211-214.

8. E.V. Kozlov A.I. Ryabchikov, Yu.P. Sharkeev, I.B. Stepanov et. al. Formation of intermetallic layers at high intensity ion implantation  // Surface and Coating Technology, 2002. – V. 158-159.  – Р. 343-348.

9. Ю.П. Шаркеев А.И. Рябчиков, Э.В. Козлов, И.А. Кузина и др. Высокоинтенсивная ионная имплантация – метод формирования мелкодисперсионных интерметаллидов в поверхностных слоях металлов // Известия ВУЗов. Физика,  2004. – № 9. – С. 45-47.

     

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.