Статья поступила в редакцию 06.03.15. Ред. рег. № 2197
The article has entered in publishing office 06.03.15. Ed. reg. No. 2197
УДК 538.9
ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ С РОСТОМ ТОЛЩИНЫ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ПЛЕНОК НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Е.К. Белоногое
Воронежский государственный технический университет 394006 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел.: +7(4732) 467633, e-mail: ekbelonogov@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 10.03.15 Заключение совета экспертов: 14.03.15 Принято к публикации: 18.03.15
Проанализированы эффекты ионно-плазменного нанесения пленочных покрытий (микро- и нанокристаллические композиционные гетероструктуры) с градиентным характером морфологии, фазового и элементного состава, субструктуры и ориентации. Обсуждается перечень подходов к формированию градиентных структур у свободной поверхности для модификации или получения новых свойств материала. Показано, что компоненты плазмы, выступая ассистентами конденсации материала, инициируют механизмы формирования дискретных и компактных, пористых и плотных, изотропных и морфо-анизотропных, аморфных и кристаллических конденсатов. Установлены закономерные связи условий нанесения, морфологических параметров и свойств ионно-плазменного конденсата.
Ключевые слова: пленочные покрытия, градиент, структура, ориентация, рельеф, морфология поверхности, фазовый состав, магнетронное распыление, электронная микроскопия, дифракция быстрых электронов.
EVOLUTION OF THE STRUCTURE WITH INCREASING THICKNESS CONDENSED FILMS OF INORGANIC MATERIALS
E.K. Belonogov
Voronezh State Technical University 14 Moskow ave., Voronezh, 394006, Russia Tel.: +7(4732) 467633, e-mail: ekbelonogov@mail.ru
Referred: 10.03.15 Expertise: 14.03.15 Accepted: 18.03.15
The analysis of the effects of ion-plasma film coating (micro- and nanocrystalline composite heterostructures) with a gradient character morphology, phase and elemental composition, substructure and orientation. Discusses approaches to the formation of gradient structures at the free surface modification or new material properties. It is shown that plasma component - assistants condensation of material, initiate mechanisms of formation of discrete and compact, porous and dense, isotropic and anisotropic morphological, amorphous and crystalline condensates. The relation between the synthesis conditions, morphological parameters and properties of ion-plasma condensate (IPC).
Keywords: film coatings, gradient, structure, orientation, surface morphology, phase composition, magnetron sputtering, electron microscopy, diffraction of fast electrons.
Евгений Константинович Белоногов
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, ВГТУ - профессор кафедры физики; ВГУ - профессор кафедры материаловедения и индустрии наносистем; доцент кафедры физики твердого тела.
Руководство научными проектами РФФИ 08-08-99071-р_офи «Разработка физико-химических основ создания тонкопленочных солнечных элементов на основе теллурида кадмия» 20082009; 2009-2012 гг., «Разработка научно-технических принципов создания наноструктурных сенсоров магнитного поля на основе треков быстрых тяжелых ионов для применения в изделиях ракетно-космической техники» программы Союзного государства «Разработка нанотехнологий создания материалов, устройств и систем космической техники и их адаптация к другим отраслям техники и массовому производству» («Нанотехнология-СГ») на 2009-2012 гг.
Область научных интересов: материаловедение, поверхность, ионно-плазменные конденсаты, нанокристаллические и нанопористые пленочные гетероструктуры; ионно-плазменные конденсаты с высокой открытой пористостью свободной поверхности; селективные мембраны глубокой очистки водорода; тонкопленочные фотоэлектрические преобразователи; синтез пленочных покрытий титана из гидроксиапатита для биоимплантатов.
Публикации: 57. Индекс Хирша 6.
№ 03 (167) Международный научный журнал
E.K. Belonogov Author information: Voronezh State Technical University - Professor of chair of Physics;
Voronezh State University - Professor of chair of materials science and industry nanosystems; Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor in the Department of Physics of Solids.
Management of scientific projects RFBR 08-08-99071-r_ofi "Development of physical and chemical bases of creation of thin-film solar cells based on cadmium telluride" 2008-2009; 2009-2012. "Development of scientific and technical principles of creation of nanostructured magnetic field sensors based on the tracks of fast heavy ions for use in rocket and space technology" Union State program "Development of nanotechnology create materials, devices and systems for space applications and their adaptation to other industries and mass production" ("Nanotechnology-SG") for 2009-2012.
Main research interests: materials, surface, ion-plasma condensates, nanocrystalline and nanoporous film heterostructures; ion-plasma condensates with a high open porosity free surface; selective membranes of deep purification of hydrogen; thin-film photovoltaic cells; synthesis of titanium film coatings of hydroxyapatite for bio-implants.
Publications: 57. Hirsch index 6.
Введение
Дизайн низкоразмерных материалов и структур предполагает разработку прецизионных методов воздействия параметрами процесса синтеза на структуру (инженерия дефектов субструктуры) и фундаментальных физико-технологических основ создания компактной или дискретной архитектуры с морфологическими наноразмерными неоднородностями (индустрия наносистем). Успехи современного материаловедения достигнуты на фоне тенденции уменьшения размеров изделий и элементов структуры. Фундамент успеха - размерный эффект, делающий свойства низкоразмерных структур отличными от свойств объемных материалов.
В перспективных проектах материаловедения (на-но-, микро-, оптоэлектроника) ведущая роль принадлежит двумерным (гетероструктуры, мультислои, сверхрешетки), одно- и нульмерным объектам (квантовые нити и точки). Недостаток информации о закономерностях синтеза в зависимости от толщины конденсата сдерживает реализацию идей, требующих сложной архитектуры многокомпонентных слоев.
Актуальность исследования субструктуры пленочных покрытий при ионно-плазменном воздействии обусловлена потребностями фундаментальной науки и перспективой создания материалов с принципиально новыми свойствами.
Цель работы - установление закономерностей ионно-плазменного воздействия на структуру пленочных покрытий. Работа ориентирована на изучение эффектов формирования градиентных микро- и наноструктур.
Теоретический анализ
Процессы, ассистирующие распылению и конденсации материалов
В обзоре [1] представлены технологические варианты синтеза кластеров, порошков и пористых покрытий различных материалов. Образование кластеров материала в магнетронной плазме зависит от концентрации атомов в объеме рабочего газа, давления рабочего газа и степени пересыщения конденси-
руемого потока у подложки, т.е. вероятность образования кластера возрастает с удельной мощностью разряда на магнетроне. Геометрия расположения распыляемого материала и подложки, температура осаждения позволяют получать дискретные и компактные кластерные структуры. Снижение концентрации атомов в плазме вызывает уменьшение размера кластера. Конденсация повышает температуру подложки, что увеличивает концентрацию атомов в плазме непосредственно у подложки за счет реиспа-ренных атомов. Концентрационные градиенты реализуют положительную и отрицательную обратную связь в системе плазма - поверхность конденсата.
При поступлении на подложку атомарного потока могут быть реализованы три механизма формировании конденсата: постоянная скорость возникновения зародышей новой фазы; разрастание и объединение зародышей; повторное зародышеобразование. Кинетика зародышеобразования и структурообразования следует уравнениям Колмогорова - Аврами. Аналитические решения получены только для простейших систем. При компьютерном моделировании используют алгоритмы движения межфазной границы, метод Монте-Карло, метод клеточного автомата. В отношении многокомпонентных ионно-плазменных конденсатов (ИПК) применение уравнений возможно при условии стационарного пересыщения и неизменного механизма зародышеобразования.
При ионно-плазменных методах нанесения конденсированных слоев протекают физико-технологические процессы, характеризующиеся неравновесными и анизотропными термодинамическими параметрами. С учетом структурной чувствительности и изменения поверхностной энергии (эффект Ребинде-ра) это приводит к образованию градиентных слоев, физико-химические свойства которых изменяются с толщиной, как в пленочных конденсатах, так и у свободной поверхности массивных материалов, взаимодействующих с плазмой. Поэтому ИПК, особенно многокомпонентных неорганических материалов, пространственно неоднородны - имеют зависимость структуры (суб-, мезо-, инфраструктуры), фазового, химического и элементного состава от толщины слоя.
№ 03 (167) Международный научный журнал
Процесс распыления атомов с поверхности твердого тела ионами низкотемпературной плазмы или ионным пучком [2] в зависимости от условий разряда создает пространственное распределение распыленных и (или) испаренных атомов в плазме. В зависимости от давления рабочего газа и энергетических параметров распыления движение атомов по направлению к подложке осуществляется диффузионным путем (и) или по баллистическому механизму. При конденсации стационарного диффузионного потока в плоскости подложки реализуются изотропные условия роста конденсата, но направление потока будет выделенным. При баллистическом поступлении атомов, характеризующихся угловыми и энергетическими спектрами, анизотропные условия предопределяют пространственную неоднородность формирования конденсата. При высоком давлении преобладает объемная конденсация (кластерообразование), при низком -конденсация происходит по механизму ПК (пар-кристалл) или ПЖК (пар-жидкость-кристалл), т.е. равновесный процесс роста слоя конденсата.
Отношение эффективных коэффициентов распыления компонентов мишени в стационарно
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.