РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ПІДГОТОВКИ ЗРАЗКІВ ТА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
Узагальнюючи результати літературного огляду, визначимо мету наших
експериментальних і теоретичних досліджень. Вона полягає у вивченні розмірних
та температурних ефектів у електрофізичних властивостях (питомий опір,
термічний коефіцієнт опору, коефіцієнт тензочутливості) наноструктурних
багатошарових металевих плівок з різним типом розчинності компонентів в умовах
взаємної дифузії та фазоутворення. Необхідно відмітити, що багатошарові плівки
поділяються на два типа (див. рис. 2.1), а саме, на загальні dn /…/ d3 / d2 /
d1 / П, де n ? 2, та періодичні структури. Згідно класифікації, приведеної в
[15], такі зразки відносяться до нанорозмірних структур за двома ознаками: за
товщиною і за середнім розміром зерна.
Рис. 2.1. Багатошарова плівкова система загального (а) та періодичного типу
(б). n і N– номер шару і фрагменту
Сучасні світові тенденції розв’язку подібних задач полягають у комплексному
підході до вивчення фізичних властивостей:
– високий та надвисокий вакуум при одержанні плівкових структур;
– метод резистометрії в умовах дії температури та деформації для вимірювання
електричних характеристик;
– фазовий аналіз методами електрографії та рентгенографії;
– дослідження кристалічної структури і субструктури методами ПЕМ, РЕМ, АСМ;
– вивчення елементного складу та дифузійних процесів методами ВІМС і
оже-спектроскопії;
– вимірювання механічних характеристик (адгезія, макронапруження).
Дослідження електрофізичних властивостей та процесів масоперенесення
проводилось у дво- та багатошарових плівкових системах на основі Sc, Ti, V, Cr,
Co, Ni і Cu. Підбором металів сусідніх шарів вдалось реалізувати плівкові
структури, для яких виконувались наступні умови. По-перше, окремі сусідні шари
у вихідному стані мали різний або однаковий тип кристалічної решітки ОЦК (V і
Cr), ГЦК (Ni, Cu і в-Co) та ГЩП (Sc, Ti і б-Co). По-друге, були виготовлені
системи, в яких питомий опір окремих шарів був близький або різко відрізнявся.
По-третє, вибір компонент плівкових структур задовольнив можливості вивчення
систем із необмеженою або обмеженою розчинністю, типу простої евтектики та
систем з проміжними фазами. При вивченні дифузійних процесів також
враховувались висновки роботи [24] про форму дифузійного профілю в тонких
плівках сплавів із різним ступенем взаємодії компонентів. Результати цього
аналізу можна перенести на випадок двошарових плівкових систем. Так, у випадку
пари із необмеженою розчинністю і рівністю ефективних коефіцієнтів дифузії
D1=D2 розподіл концентрації атомів верхнього шару у нижній буде мати вигляд,
наведений на рисунку 2.2,а. Якщо D1?D2, площина Матано буде змінюватись
відносно положення t=0, оскільки в одному напрямку продифундує більше атомів. У
тому випадку, коли компоненти мають обмежену розчинність (рис. 2.2 б, г),
дифузійні профілі зазнають стрибок, причому, для систем, в яких утворюються
проміжні фази, градієнт концентрації змінюється стрибкоподібно на межі
інтерметалід/твердий розчин (рис. 2.2 в, д).
Діаграми стану бінарних металевих систем розглянуті в роботі [137], згідно
даних якої до систем з обмеженою розчинністю можна віднести на основі Cr–Cu,
Рис.2.2. Розподіл концентрації атомів одного шару в іншому (а, в, д) та
відповідні діаграми стану типу простої евтектики (б) та при утворенні твердих
розчинів і проміжних фаз (г). ПМ – площина Матано. S1,2 – площі над і під
дифузійним профілем [24]
Cu – Sc. Cu і Sc мають також низьку взаємну розчинність але в системі на основі
цих металів можливе утворення перехідних фаз Cu4Sc, Cu2Sc та CuSc з надзвичайно
вузькою областю гомогенності. Діаграма стану Ni – Cr відноситься до систем
евтектичного типу (низькотемпературна частина при Т<820 К), хоча, у верхній
частині діаграми мають місце тверді розчини на основі ГЦК – Ni та ОЦК – Cr, а
при концентраціях Cr 22-40 ат.% і нижче Т=820 К – утворення проміжної фази
NiCr. Наявністю твердих розчинів та двох проміжних фаз високотемпературних
(Cr3Co2 та CoCu) характеризується система Co – Cr. При відносно низьких
температурах відпалювання у плівках на основі Со і Cr буде, ймовірно, низька
взаємна розчинність.
До систем, в яких утворюються тверді розчини та інтерметаліди, відносяться V –
Ni, Ti – Co і Ti – Ni. На відміну від систем Ti – (Co, Ni) де проміжні фази
виникають при Т<700 К, майже всі інтерметаліди V і Ni є високотемпературними.
Необмежену розчинність атомів один в одному мають Ni і Co.
При переході від масивних до плівкових зразків слід очікувати, що в них
утворення проміжних фаз і твердих розчинів може відбуватись не у повній
відповідності з діаграмою стану, оскільки, в них більш активно протікають
дифузійні процеси, а фазоутворення відбуватиметься незалежно в обох шарах
системи при більш низьких температурах.
У зв’язку з тим, що процеси масоперенесення впливають на електрофізичні
властивості плівкових систем, у технологічному відношенні дуже важливо
контролювати фазовий спад як у свіжосконденсованих зразках, так і після їх
термообробки. Тому, велике значення має розробка методик одержання
багатошарових плівок та після-конденсаційної обробки. Розглянемо методики
отримання та комплексного дослідження властивостей плівкових матеріалів, які
використовувались нами при виконанні цієї роботи.
2.1. Отримання плівкових систем [138–140]
Отримання і термообробка плівок та дослідження їх електрофізичних властивостей
здійснювалось у робочих об’ємах вакуумних установок на основі пароструменевого
та магніто-розрядного насосів.
У першому випадку використовувались вакуумні установки ВУП–5М виробн
- Київ+380960830922