СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................................................... 4
Глава I. Обзор литературы........................................ 8
1.1. Изучение явления ионно-индуцированных структурных превращений в тонких металлических пленках............... 8
1.2. Изучение природы фазовых превращений в тонких пленках металлов, вызванных облучением ...................... 10
1.3. Предполагаемый механизм структурно-фазовых превращений..................................................... 14
1.4. Анализ экспериментальных условий и возможных погрешностей исследований................................... 18
1.5. Выводы и задачи исследования......................... 24
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики исследований ......................................................... 27
2.1. Конструкция и технические характеристики напылитсль-ного стенда............................................... 27
2.2. Технологические особенности и режимы получения поли-и монокристапличсских пленок никеля, железа и хрома .......................................................... 34
2.3. Анализ чистоты пленок и контроль исходной структуры 37
2.4. Характеристики использовавшихся облучательных устройств и режимов облучения................................ 38
2.4.1. Экспериментальная установка «Скиф»............. 39
2.4.2. Электростатический ускоритель ЭСУ-2 МэВ 45
2.4.3. Ускорительная установка на энергию 200 кэВ 47
2.5. Аппаратура для электронографических и электронномикроскопических исследований исходных и облученных образцов.................................................. 48
Глава 3. Исследование структурпых изменений в моно- и по.ш-кристаллическн.т пленках никеля при облучении ионами инертных и химически активных газов (М+, О*) .. 50
3.1. Изучение структурных изменений в монокристаллических пленках N1 при облучении ионами Не1’, ЬГ и О'............. 51
3.1.1. Облучение ионами Не* различных энергий......... 51
3.1.2. Облучение ионами Не' с энергией 20,100 и 150 кэВ 53
3.1.3. Не сепарированный пучок ионов. Облучение ионами Не+ с энергией 150 кэВ............................ 55
3.1.4. Облучение монокристаллических пленок [001] N1 ионами И’ и О' с энергией 20 кэВ..................... 57
3.2. Структурные изменения в поликристаллических пленках никеля при облучении ионами Не*, Аг\ Кг*, Хе* и
ионами И4, О* ........................................ 60
3.2.1. Облучение поликристаллических пленок никеля ионами гелия с энергией 100 кэВ........................ 61
2
3.2.2. Облучение поликристаллнческих пленок никеля ионами гелия с энергией 20 кэВ....................... 62
3.2.3. Облучение поликристаллнческих пленок никеля ионами тяжелых инертных газов........................ 63
3.2.4. Облучение поликристаллнческих пленок никеля химически активными ионами К* иО1.................... 64
Выводы................................................... 66
Глава 4. Структурные изменения в поликристаллнческих пленках Ре и Сг при облучении ионами инертных и химически активных газов....................................... 68
4.1. Влияние бомбардировки ионами инертных газов Не*, Ые\
Ат , Кг*, Хс* на структуру поликристаллнческих пленок
Ре и Сг.............................................. 69
4.1.1 Влияние облучения ионами гелия с энергией 100 и
20 кэВ на структуру пленок железа и хрома 69
4.1.2. Влияние бомбардировки ионами тяжелых инертных газов на структуру пленок Ре и Сг................ 72
4.2. Влияние облучения ионами О* на структурные изменения в пленках железа и хрома.................. 74
4.2.1. Облучение пленок Ре ионами ЬГ и О'............ 74
4.2.2. Облучение пленок Сг ионами Ы* и О'............ 76
Выводы................................................... 79
Глава 5. Изменение микроструктуры пленок никеля при облучении нонами Не+ различных энергий............................. 82
5.1. Влияние облучения Не+ с энергией 20 и 100 кэВ на микроструктуру поликристаллнческих пленок никеля 83
5.1.1. Изменение микрострукту ры в пленках никеля после бомбардировки ионами гелия с энергией 20 кэВ .... 83
5.1.2. Влияние облучения ионами Не* с энергией 100 кэВ на микроструктуру поликристаллнческих пленок никеля................................................ 86
5.2. Изменение микроструктуры моно- и поликристаллнческих пленок никеля при бомбардировке ионами Не*. Возникновение и развитие гелиевой пористости в пленках........... 91
5.2.1. Изменение микроструктуры и морфологии поверхности монокрнсталлических пленок никеля после бомбардировки ионами Не*.............................. 91
5.2.2. Изменение микроструктуры и морфологии поли-крнсталлических пленок никеля при бомбардировке ионами гелия.......................................... 97
Выводы.................................................. 102
Заключение.................................................... 103
Библиографический список...................................... 105
3
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие металлические пленки занимают особое положение в физике твердого тела. Прикладной и научный интерес к тонким пленкам, которые нашли особенно широкое применение в микрооэлектронике и других направлениях новой техники обусловлен не только специфическими особенностями их физических свойств, но и возможностью изменения физических свойств в широких пределах путем вариации ионного облучения.
Облучение тонких пленок переходных металлов ионными пучками с энергиями ~ 10... 102 кэВ приводит к изменению их кристаллической структуры [1-8].
Это явление, получившее название ионно-индуцированных фазовых переходов, лежит в основе интенсивно развиваемых в настоящее время ион-но-имплантационных технологий для модификации свойств металлов [9, 10]. По своей природе оно тесно связано с эффектами радиационно-индуцированного зарождения и распада выделений вторых фаз в сплавах [11], изучение которых играет важную роль в решении проблемы радиационной стойкости конструкционных материалов [12]. В фундаментальном аспекте изучение этого явления представляет значительный интерес, так как позволяет пролить свет на некоторые еще недостаточно изученные свойства кристаллической решетки металлов, поэтому нонно-нндуцированные фазовые превращения служат объектом интенсивных исследований в течение более четырех десятилетий.
Начало исследованиям этого явления было положено в 1956 г. сообщением Дж. Триллата (1. ТпНаО и др. [2], которые наблюдали изменение структуры пленки N1 в процессе облучения несепарированным пучком ионов воздуха и трактовали этот эффект как фазовый переход кубического никеля в гексагональный. В дальнейшем было показано, что фазовые превращения под действием ионной бомбардировки характерны для переходных металлов.
Природа этого явления в течение почти сорока лет считалась твердо установленной: фазовые превращения при ионной бомбардировке представ-
4
ляют собой разновидность полиморфных фазовых переходов (термодинамических переходов первого рода), отличающихся от последних тем, что они вызваны не изменением Р, Т- параметров, а радиационным воздействием на решетку металла.
Однако в начале 1980-х возникли серьезные основания для того, чтобы усомниться в правильности такой концепции. В литературе появились данные, свидетельствующие о том, что металлические пленки, полученные в традиционных вакуумных условиях (масляная откачка, Р~10'2...10'4 Па, могут быть сильно загрязнены примесями химически активных элементов (С, К, О), и эти примеси могут служить причиной структурных превращений, наблюдаемых при ионной бомбардировке. Проведенный нами анализ условии приготовления пленок показал, что большинство авторов использовали пленки, которые могли содержать большое количество примесей. В связи с этим под сомнением оказалось абсолютное большинство результатов исследований и, в первую очередь, их трактовка. Это означало, что сложившиеся представления о природе структурных превращений при ионной бомбардировке, по-видимому, являются ошибочными.
Учитывая научную и практическую значимость явления, не трудно прийти к выводу, что решение вопроса об его природе является очень актуальной задачей.
В связи с этим цель настоящей диссертационной работы была сформулирована как изучение природы структурных превращений в тонких пленках переходных металлов при ионной бомбардировке.
Для решения поставленной задачи необходимо было провести исследования на пленках высокой чистоты, облученных в условиях, предотвращающих возможность их загрязнения.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые установлены принципиальные различия структурных изменений в пысокочистых и загрязненных примесями тонких пленках переходных металлов, подвергнутых облучению нонами инертных и химически активных газов, и установлен меха-
5
низм структурных и фазовых превращений в пленках переходных металлов, обусловленный химическим взаимодействием имплантированных ионов с материалом пленки, приводящий к образованию нового химического вещества с характерной для этого вещества кристаллической струюурой.
Практическая и научная значимость работы определяется тем, что правильное представление о природе структурных и фазовых изменений, вызываемых ионной бомбардировкой в металлах, шрает важную роль в разработке научных основ интенсивно развиваемых в настоящее время ионно-лучевых технологий, целью которых является целенаправленный поиск и создание новых материалов с заданными поверхностными свойствами, например: прочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью и др.
Вторым важным для практики моментом работы является формирование представления о механизмах зарождения и поведения вторичных фаз, возникающих в конструкционных материалах, работающих в условиях интенсивных ядерных излучений. Знание механизмов этих явлений позволяет вести научно-обоснованные разработки путей их подавления. В фундаментальном аспекте правильные представления о поведении чистых металлов под облучением способствует более глубокому пониманию их свойств и характеристик.
Автор защищает следующие научные результаты и положения:
1. Результаты изучения явления радиационно-индуцированных структурных превращений на чистых моно- и поликристаллических пленках никеля, позволившие впервые экспериментально установить принципиальные различия в характере структурных изменений в чистых и загрязненных примесями пленках и сделать вывод о несостоятельности взглядов на природу этих изменений как на фазовые переходы первого рода.
2. Результаты исследований вышеназванного явления на чистых пленках Ре и Сг как типичных представителях переходных металлов, подтвердившие данные, полученные на никеле, и позволившие распространить вышеупомянутое заключение и вывод о действительной природе явления на весь ряд переходных металлов.
6
3. Экспериментальное доказательство причины структурных превращений в пленках при ионной бомбардировке как проявление чисто химических процессов взаимодействия химически активного имплантанта с матрицей металла, приводящих к образованию нитридов, карбидов или окислов металлов и, как следствие, - к изменению кристаллической структуры самого металла.
4. Результаты изучения влияния ионной бомбардировки на микроструктуру тонких металлических пленок (в том числе выяснение особенностей дробления зеренной структу ры металла и связи этого эффекта с уширением дифракционных линий электронограмм) вносят определенный вклад в развитие методик структурных исследований.
5. Разработку и создание аппаратуры и методик, впервые позволивших получить пленки переходных металлов Fe, Ni, Сг высокой чистоты, провести их облучение и структурные исследования в строго контролируемых условиях, исключающих возможность заметного загрязнения примесями.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы, представленные на конкурс в Координационный Научно-Технический Совет по физике радиационной повреждаемости твердого тела, приказом по Министерству среднего машиностроения от 15.04.1986 г. № 174 были оценены присуждением второй премии и диплома лауреата отраслевой премии. Основные материалы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях: Превращения в материалах под действием импульсных воздействий и пучков частиц (Дрезден, ГДР. 7-11 сентября 1987 г.); Межотраслевом совещании по физике радиационных повреждений, ионно-лучевым и радиационным технологическим процессам (г. Харьков, 1988 г.); Международных школах по физике радиационных повреждений твердого тела (г. Алушта, 1989, 1991 гг.); Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов: VII конференция стран СНГ, Белгород, 9-12 сентября 1997 г.; 2-й Международной конференции «ВОМ», Донецк, 2-4 нюня 1998 г.; Международной конференции по атомным столкновениям в твердом теле ICACS-19, Париж, Франция, 29 июля - 3 августа 2001 г.
Основное содержание диссертации изложено в 10 работах и журналах Radiation Effects and Defects in Solids - 2, ВАНТ, Научные ведомости и др.
7
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Изучение явления ионно-индуиированных структу рных превращений в тонких металлических пленках
В истории открытия явления структурных превращений в тонких металлических пленках при ионной бомбардировке и дальнейшем развитии исследований в этой области существенную (если не сказать роковую) роль сыграло событие, которое произошло задолго до обнаружения структурных эффектов, вызванных ионной бомбардировкой.
Таким событием послужила публикация в 1929 г. статьи Томсона (в. Р. ТЬотБоп), в которой сообщалось о получении гексагонального никеля. Никель не обладает полиморфизмом, и сейчас уже совершенно ясно, что выводы Томсона были ошибочными. Тем не мснес, в свое время сообщение о гексагональном никеле было воспринято как истинное [1].
Именно поэтому, когда Дж. Триллат (1. ТгШаО и др. (2) наблюдали изменение структуры пленок никеля при облучении несепарированными ионами воздуха, они трактовали этот эффект как переход кубического никеля в гексагональный, т. е. как фазовый переход первого рода, индуцированный ионной бомбардировкой.
В дальнейшем было показано, что фазовые превращения под действием ионной бомбардировки характерны для пленок всех исследовавшихся переходных металлов.
Природа этого явления до недавнего времени считалась твердо установленной. Полагают (3, 4), что фазовые превращения при ионной бомбардировке представляют собой разновидность полиморфных фазовых переходов (термодинамических переходов первого рода), отличающихся от последних лишь тем, что вызваны они не изменением Р-. Т- параметров, а радиационным воздействием на решетку металла.
8
Фолстаед Д. М. (Рої^аесі О. М.) [5] считал, что переход ГЦК -» ГПУ явлется классическим, надежно установленным процессом радиационно-стимулированного фазового превращения в переходных металлах. Механизм этого превращения, по его мнению, заключается в мартенситном переходе ГЦК -> ГПУ под действием напряжений, возникающих в облученном слое в результате накопления радиационных дефектов. К этому же заключению приходит и ГІ. В. Павлов [6, 7].
При облучении пленок N1 ионами инертных Не', Аг* и химически активных газов (С+, Р' и ионами N1"), а также нейтронами многие авторы наблюдали возникновение одной и той же кристаллической структуры и трактовали наблюдаемый эффект как полиморфный переход ГЦК -> ГІ1У.
И. Теодореску и А. Глодеану [8] облучати пленки никеля быстрыми нейтронами; пленки толщиной 400-800А были сконденсированы в вакууме при давлении ~10‘3 торр на стеклянных и кварцевых подложках. Для облучения пленки N1 были запаяны в ампулы в вакууме (при давлении кислорода -ТО’4 торр). Облучение было выполнено с флюенсами 3,38-1017 и 9,45-Ю15 п\Л при температуре 59° и 45° С. Структура пленок изучатась с помощью электронной микроскопии и электронной дифракции. При облучении до дозы 3,3810'7 п\Ч наблюдали переход ГЦК -> ГПУ во всей пленке; при 451015 п\Д наблюдалась смесь ГЦК (а = 3,25 А) и ГПУ (а = 2,62А, с = 4,ЗбА) фаз.
П. В. Павлов и др. [9, 10) изучали структурные превращения при бомбардировке железа, никеля и молибдена ионами Аг*, ЬГ и С*. Пленки металлов толщиной б = 30 мкг/см2 напылялись на свежие сколы КаС1 при Т=200-300° С в вакууме при давлении 2-Ю'5 торр. Облучение вели ионами с энергией Е = 40 кэВ в диапазоне доз » 61015^210'' ион/см2, плотность тока составляла ) = 17 мкА/см2. Нагрев образцов под действием пучка не превышал 100-150° С. После бомбардировки пленки отделяли и переносили на никелевые сетки, и снимались электронограммы на просвет. Дифракционная картина во всех случаях изменялась. В никелевых пленках наблюдали пере-
9
- Київ+380960830922