научная статья по теме ДИФФУЗИЯ НА ГРАНИЦЕ “ПЛЕНКА–ПОДЛОЖКА” ПРИ ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЦИНКА НА МЕДНОЙ ПОДЛОЖКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ДИФФУЗИЯ НА ГРАНИЦЕ “ПЛЕНКА–ПОДЛОЖКА” ПРИ ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЦИНКА НА МЕДНОЙ ПОДЛОЖКЕ»

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.53:539.219.3

ДИФФУЗИЯ НА ГРАНИЦЕ "ПЛЕНКА-ПОДЛОЖКА" ПРИ ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЦИНКА НА МЕДНОЙ ПОДЛОЖКЕ

© 2015 г. Э. Ф. Штапенко, В. А. Заблудовский, В. В. Дудкина

Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта им. ак. В. Лазаряна,

Украина, 49010Днепропетровск, ул. Лазаряна, 2 e-mail: shtapenko@rambler.ru Поступила в редакцию 24.04.2014 г.; в окончательном варианте — 18.06.2014 г.

Приведены результаты экспериментальных исследований диффузионного слоя на границе раздела "пленка—подложка" электролитических пленок цинка на медной подложке. Исследования показали, что в переходном слое происходит диффузия осаждаемого металла в материал подложки. Глубина диффузионного слоя и, следовательно, концентрация внедренных атомов никеля сильно зависит от условия электрокристаллизации: от 1.5 мкм на постоянном токе до 4 мкм на постоянном токе с применением лазерно-стимулированного осаждения (ЛСО). Рентгеноструктурные исследования переходного слоя на границе раздела "пленка—подложка" показали, что при электрокристаллизации импульсным током с "жесткими" режимами и с использованием ЛСО в диффузионном слое образуется фаза CuZn2. Это говорит о том, что диффузия цинка в медь происходит по двум механизмам: зерно-граничному и объемному. Получены значения коэффициента диффузии ад-атомов цинка в поликристаллической меди: 1.75 х 10-15 м2/с для осаждения на постоянном токе и 1.74 х 10-13 м2/с для ЛСО.

Ключевые слова: граница раздела "пленка—подложка", диффузионный переходной слой, коэффициент диффузии, энергия ад-атома.

DOI: 10.7868/S0015323015030122

ВВЕДЕНИЕ

Образование новой фазы на подложке при электрокристаллизации представляет интерес с точки зрения диффузионных процессов в бинарных системах. Именно начальные стадии электрокристаллизации влияют на формирование текстуры, размер кристаллитов, количество дефектов, а, следовательно, и на механические свойства элек-троосажденных пленок [1]. В частности, на коррозионную стойкость и адгезию в большей степени влияет переходный слой между подложкой и пленкой, структура которого полностью определяется начальными стадиями кристаллизации [2]. В связи с этим изучение диффузионных процессов на границе "пленка—подложка" представляет интерес как с теоретической, так и практической стороны.

Из известных механизмов диффузии [3] при электрокристаллизации можно выделить два основных: диффузия по границам зерен — зерногра-ничная диффузия и диффузия по объему зерна — объемная диффузия. Последняя может происходить разными путями: по вакансиям, по механизму атомного обмена. Обычно объемная диффузия сопровождается образованием новых фаз в системах, в которых они возможны. Однако до настоящего времени в литературе отсутствует общепри-

нятая точка зрения на многие вопросы, касающиеся особенностей протекания диффузионных процессов в кристаллических материалах.

В большинстве работ по прямому измерению параметров диффузии обнаружен большой разброс экспериментальных данных по значениям коэффициентов диффузии и энергий активации диффузии в металлах. Это связано с различными технологическими режимами формирования структуры, различной концентрацией неконтролируемых примесей и другими факторами.

Большинство работ посвящены исследованию механизмов диффузии, протекающей при изотермическом отжиге. При электрокристаллизации диффузионные процессы происходят при формировании растущей пленки на начальных стадиях нуклеации. При этом ад-атом может диффундировать в подложку [4], тем самым образовывая новую фазу, которая состоит из атомов подложки и атомов кристаллизующегося на подложке металла.

В данной статье приведены результаты экспериментальных исследований диффузионного слоя на границе раздела "пленка—подложка" электролитических пленок цинка на медной подложке. Получены коэффициенты диффузии ад-атомов цинка в поликристаллической меди.

Рис. 1. Фотография поперечного шлифа и пути сканирования переходного слоя "пленка—подложка".

ЭКСПЕРИМЕНТ

Цинковые пленки получали с применением постоянного и импульсного тока, а также с применением лазерно-стимулированного осаждения (ЛСО). Для электроосаждения пленок цинка использовали водный раствор электролита (г/л): 2П804 • 7Н2О - 250, Ш2804 • 5Н2О - 75, Л1(804)3 -30, рН — 4, Т = 300 К. Частота следования импульсов тока (/) изменялась от 30 до 1000 Гц. Скважность импульсов тока О (отношение периода к длительности импульса) изменялась от 2 до 32. Средняя плотность постоянного и импульсного тока (/) составляла 1—3 А/дм2, что позволяло менять перенапряжение на катоде (п) в пределах 0.1—0.3 В. Лазерно-электрохимическая установка для ЛСО собрана на базе твердотельного рубинового лазера, излучающего в импульсно-перио-дичному режиме с длиной волны 694 нм при интенсивности 70 кВт/см2 [5].

В качестве подложки при электроосаждении использовали пластины поликристаллической меди. Подложки подвергали механической и химической полировке. В качестве раствора для химической полировки использовали 5%-ный раствор азотной кислоты. Затем подложки обезжиривались в растворе венской извести и промывались в дистиллированной воде. Толщина осажденных пленок составляла 5—20 мкм. Выбор подложек был обусловлен тем, что цинк с медью образует промежуточные фазы [6].

Химический состав переходного слоя "пленка—подложка" определяли микрорентгеноспек-тральным анализом с помощью растрового электронного микроскопа РЕММЛ-102-02 с разрешающей способностью 5 нм. Торцевые шлифы подложки с осажденной пленкой подвергали механической и химической полировке. На последнем этапе химического растворения добавляли обработку обратными импульсами тока, которые

не только полировали торцевую поверхность, но и удаляли с нее частицы другого металла, возможно, попавшие в результате механической полировки. Это дало возможность повысить достоверность микрорентгеноспектрального анализа.

Для исследования фазового состава металлических пленок использовали дифрактометр ДР0Н-2.0 с применением сцинтилляционной регистрации рентгеновских лучей. Съемка осуществлялась в Си-излучении.

МИКРОРЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ "ПЛЕНКА—ПОДЛОЖКА"

Для изучения диффузии в твердых телах в настоящее время разработано большое число физических и физико-химических методов исследования [7]. Эти методы основаны на измерении распределения концентрации диффундирующего вещества в исследуемом образце в зависимости от времени и температуры отжига или другого внешнего воздействия.

Для определения структуры переходного слоя на границе раздела "пленка—подложка" был проведен элементный химический анализ на наличие атомов осаждаемого материала и атомов подложки. Исследования проводили в направлении, перпендикулярном границе раздела, с шагом 0.5 мкм. Область исследования распространялась на 4—6 мкм от границы раздела в ту и другую сторону в зависимости от условий осаждения пленок. На рис. 1 представлена фотография границы переходного слоя и линия, вдоль которой проводили исследования элементного состава.

Результаты качественного интегрального анализа переходного слоя "пленка—подложка" представлены на рис. 2. Приведены спектры микро-рентгеноспектрального анализа цинковых пленок, полученных осаждением на медные подложки при постоянном токе, для различных координат (х) зонда. Анализ осуществлялся по двум основным элементам, из которых состояли растущая пленка и подложка. Сканирование начиналось с осажденной пленки и продолжалось в глубину подложки. Начало отсчета х = 0 соответствует границе раздела "пленка—подложка".

Из представленных рисунков видно, что на спектрах имеются линии, соответствующие двум элементам: кристаллизующегося материала Zn и материала подожки Си. Вблизи границы раздела, со стороны растущих пленок, на спектрах присутствуют линии, соответствующие только атомам цинка (рис. 2а). При дальнейшем сканировании переходного слоя "пленка—подложка" в глубину на спектрах увеличивается интенсивность линий, со-

(а)

1 1 01 1 1 23 II 1 1 1 1 4 5 6 7 8 9 10 кэВ

гп Си 1 1 I 1 гп Си Си 2п 1 III 111

(б)

гп

гп

Си

10 кэВ

Си Си

гп

гп

1111 11111 Си | гп |

(в)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0123456789 10

кэВ (г)

Си

Си

гп 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Си гп |

0 123456789 10

кэВ

Рис. 2. Спектры микрорентгеноспектрального анализа переходной области "пленка-подложка" цинковых пленок на медных подложках, полученных на постоянном токе (/ = 1 А/дм2, п = 0.2 В): а — х = -0.5 мкм; б — х = 1 мкм; в — х = 1.5 мкм; г — х = 2 мкм.

ответствующих материалу подложки (рис. 2б, 2в). Это свидетельствует об увеличении концентрации атомов материала подложки и уменьшении концентрации атомов материала пленки. При достижении глубины 2 мкм в пленках, осажденных на постоянном токе, атомы цинка не были обнаружены (рис. 2г). Анализируя вышеуказанные спектры, можно сделать вывод о том, что при электроосаждении имеет место диффузионное взаимодействие между элементами покрытия и поверхностью основного металла, в результате которого атомы цинка диффундируют в металл подложки, образуя переходный диффузионный слой.

В табл. 1 приведены количественные результаты химического анализа переходной диффузионной области пленок цинка на медных подложках, полученных при различных условиях осаждения. Усреднение проводилось по пяти образцам, полученным в одинаковых условиях, а также каждый образец сканировался по трем направлениям в переходном слое.

Из результатов, представленных в табл. 1, видно, что атомы цинка проникают на глубину от 1.5 мкм при электрокристаллизации на постоянном токе (/ = 1 А/дм2, п = 0.2 В) до 2.5 мкм при осаждении на импульсном токе "жесткого" режима (/ = 1 А/дм2, / = 30 Гц, О = 64, п = 0.4 В). Применение ЛСО

Таблица 1. Концентрации С (ат. %) диффундирующего цинка в медную подложку при различных условиях осаждения

Вид осаждения х, мкм — 1 —0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Постоян. ток, / = 1 А/дм2, п = 0.2 В Zn, ат. % 100 99.5 99 40 2 0.5 0

Си, ат. % 0 0.5 1 50 98 99.5 100

Импульс. ток, / = 1 А/дм2, / = 1000 Гц, О = 2, п = 0.3 В Zn, ат. % 100 99 9 83.5 42 2 0.4 0

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком