ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 6, с. 38-52
УДК 537.534
РАСПЫЛЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИТРИДА БОРА
РАЗНОЙ СТРУКТУРЫ
© 2007 г. В. Е. Юрасова, С. С. Еловиков, Е. Ю. Зыкова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
Поступила в редакцию 29.11.2006 г.
Приводятся результаты, полученные при исследовании распыления монокристаллов нитрида бора гексагональной, ромбоэдрической и кубической модификаций с помощью моделирования на ЭВМ. Представлены данные по распылению грани (0001) BN двух графитоподобных модификаций и грани (111) для кристаллов BN с кубической решеткой. Рассмотрены энергетические и угловые зависимости коэффициентов распыления, а также пространственные и энергетические распределения распыленных частиц для случая нормального и наклонного падения ионов. Проанализированы особенности анизотропии пространственных распределений распыленных частиц и механизмы их формирования.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование распыления нитрида бора представляет интерес как с научной точки зрения, так и для многочисленных применений [1-3]. Нитрид бора является ценным конструкционным материалом благодаря уникальному набору физических и химических свойств.
Нитрид бора образует две графитоподобные модификации (гексагональную - И-BN и ромбоэдрическую - г-ВЭД, которые можно синтезировать химическим путем [4], а также кубическую модификацию (с-В№), которая может быть получена из графитоподобных посредством фазовых переходов при высоких давлениях [5].
Нитрид бора гексагональной модификации является перспективным изоляционным материалом для использования при высоких температурах. Применяется также нитрид бора кубической и ромбоэдрической модификации. Особый интерес представляют диэлектрические свойства г-В^ сохраняющиеся при высоких температурах (~2000 К).
Электрофизические и механические свойства нитрида бора рассмотрены во многих публикациях [5-8]. Он имеет высокую механическую прочность (причем с повышением температуры прочность возрастает), термостоек при высоких температурах и не реагирует с железом, что позволяет его использовать для упрочняющих покрытий режущих инструментов и конструкционных материалов [3-13]. BN обладает высокой теплопроводностью и слабой активацией в нейтронном поле реактора. Эти особенности нитрида бора, а также малая атомная масса его компонентов важны для применения в плазменных устройствах, в том числе в установках термоядерного синтеза [14]. Однако изучение радиационной стойкости этого ма-
териала, как монокристаллов, так и поликристаллов, при облучении ионами низкой энергии началось лишь сравнительно недавно [15-27].
В настоящей работе приведены данные, полученные при исследовании методом компьютерного моделирования распыления гексагональной, ромбоэдрической и кубической модификаций монокристаллов нитрида бора. Изучалось распыление граней (0001) И-ВТ и г^ и грани (111) с^ в зависимости от энергии первичных ионов Е0 при нормальном и наклонном падении ионов. Угол падения ионов, как правило, изменялся в плоскости
(1010). Получены энергетические Г(Е0) и угловые 7(а) зависимости коэффициента распыления. Проанализированы пространственные и энергетические распределения распыленных частиц для случая нормального и наклонного падения ионного пучка. Установлены особенности анизотропии пространственных распределений распыленных частиц при нормальном и наклонном падении ионов. Изучены механизмы формирования наблюдаемых пространственных распределений.
МОДЕЛЬ РАСЧЕТА
Метод расчета подробно описан в [28, 29]. Использовалась модель молекулярной динамики [30, 31] с подвижным монокристаллическим блоком атомов. В блок входило около 100 атомов. В каждый момент времени рассматривалось взаимодействие движущейся (активной) частицы с теми атомами, расстояние до которых было меньше радиуса обрезания потенциала взаимодействия. Перестройка блока происходила при смене атома, ближайшего к активному атому. Поскольку процесс распыления атома протекает в очень короткое время (порядка 10-13 с [32] с момента удара иона),
(а)
(б)
(в)
ов СЖ
Рис. 1. Кристаллическая структура гексагональной (а), ромбоэдрической (б) и кубической (в) модификаций нитрида бора.
нестабильность блока атомов не успевала проявиться.
Выбранная модель мишени позволяла прослеживать траектории частиц на больших (сотни ангстрем) расстояниях от места падения иона на поверхность. Поликристалл моделировался поворотом монокристаллического блока на произвольные углы для каждого налетающего иона [33]. Неупругие потери учитывались в соответствии с формулой Фирсова [34]. Тепловые колебания считались некоррелированными. Уравнения движения интегрировались с использованием модифицированной схемы Эйлера предиктор-корректор, которая, как известно [35], является стабильной.
В качестве потенциала межатомного взаимодействия использовался потенциал и(г) = аЬт(1 + + аъ/г)ехр(-г/Ь), с константами аЬт = 52(2122)3/4 [36], аъ = (2122)1/4/52, Ь = 0.219 А, где 2Х и 22 - атомные номера налетающего иона и атома мишени, соответственно. Такое выражение для потенциала хорошо описывает взаимодействие в области низкой и средней энергии. Отсутствие притяжения в выбранном потенциале компенсировалось введением энергии связи поверхностных атомов Еъ. В согласии с [32], Еъ выбиралась равной удвоенному значению энергии когезии, приходящейся на одну связь атомов в соединении [37]. Затем эта величина корректировалась на основе данных [38] и сравнения с экспериментальными результатами [39, 40, 22]. Выбранная таким образом величина Еъ для ВК составляла 8.1 эВ.
Кристаллическая структура гексагональной, ромбоэдрической и кубической модификаций нитрида бора показана на рис. 1. Расчет проводился для распыления граней (0001) А-ВК и г-ВК и грани (111) с-ВК в зависимости от энергии первичных ионов Е0 при нормальном и наклонном падении ионов.
Рассмотрим сходство и различия в строении указанных граней. Первый слой граней (0001) А-ВК и г-ВК одинаков (см. рис. 1). Различия начинаются со второго слоя: грань (0001) А-ВК имеет открытый вертикальный канал [0001], в отличие от
той же грани г-ВК Характерной особенностью грани (111) с-ВК является то, что она состоит целиком из атомов одного сорта (В или К) и плотность атомов здесь значительно выше, чем для граней (0001) А-ВК и г-ВК
Расстановка атомов в моделируемом блоке проводилась следующим образом. Кристаллическая структура графитоподобных модификаций нитрида бора представляет собой последовательность плоских атомных слоев, в каждом из которых атомы расположены в вершинах шестиугольников, заполняющих плоскость, причем каждый атом окружен тремя атомами другого сорта (рис. 1а, 16). В монокристалле гексагональной модификации слои образуют последовательность АА'АА' [41, 42], при этом атомы второго и нижележащих слоев расположены точно под атомами верхнего слоя, но сорта атомов чередуются, так что под атомами В находятся атомы К и наоборот (рис. 1а). Расстояние между слоями (0001) равно 3.331 А [4]. Наименьшее межатомное расстояние в плоскости (0001) А-ВК равно 1.446 А. Элементарная ячейка гексагонального нитрида бора содержит четыре атома.
Структура ромбоэдрического нитрида бора (г-ВК) [42] аналогична гексагональной модификации графита; слои следуют в порядке АВСАВС, причем каждый последующий слой смещен относительно предыдущего (рис. 16). Расстояние между слоями (0001) почти такое же, как для гексагональной модификации - 3.337 А [4]. Наименьшее расстояние между атомами в плоскости (0001) г-ВК равно 1.446 А. В отличие от гексагонального нитрида бора, слои атомов в монокристалле ромбоэдрического нитрида бора переходят один в другой при параллельном переносе, и элементарная ячейка для этой кристаллической структуры содержит два атома, а не четыре, как для А-ВК. Еще одно принципиальное отличие между этими двумя модификациями заключается в том, что ромбоэдрический нитрид бора не обладает симметрией вращения третьего порядка вокруг нормали к грани (0001) (хотя для каждой атомной плоскости (0001) по отдельности эта симметрия существует).
Y, ат./ион
E, кэВ
Рис. 2. Зависимости коэффициентов распыления бора и азота для граней (0001) r-BN, ^-BN и грани (111) c-BN от энергии Eo ионов Ar при нормальном падении (а = 0°).
Кубический нитрид бора имеет структуру сфалерита (рис. 1в). Она может быть представлена как совокупность двух конгруэнтных и одинаково ориентированных гранецентрированных кубических подрешеток бора и азота, смещенных на четверть диагонали куба. Элементарную ячейку для этой решетки можно выбрать в виде пары атомов -бора и азота, лежащих на одной диагонали куба. Для грани (111) кубического нитрида бора все горизонтальные (параллельные поверхности) плоскости состоят из какого-либо одного компонента. В зависимости от того, какая плоскость является верхней, она может состоять целиком из бора или целиком из азота. Расстояние между состоящей из бора верхней плоскостью (111) и лежащей непосредственно под ней плоскостью азота равно 0.52 А. Следующая плоскость бора отстоит от лежащей над ней плоскости азота на 1.56 А. Наименьшее межатомное расстояние в плоскости (111) c-BN равно 1.446 А. Оно такое же, как межатомное расстояние в плоскостях (0001) гексагональной и ромбоэдрической модификаций. Отметим, что прозрачность рассмотренных граней нитрида бора разных модификаций неодинакова. Наибольшая прозрачность у гексагональной модификации нитрида бора, поскольку в ней атомы второго и последующих слоев расположены точно под атомами верхнего слоя, в отличие от ромбоэдрического и кубического BN.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Коэффициент распыления
В реальных условиях распыление поверхности двухкомпонентного материала приводит к обогащению поверхности тем компонентом, коэффициент распыления которого меньше. Во всех рас-
считанных случаях коэффициент распыления бора был выше (на 10-25%), чем коэффициент распыления азота, что объясняется его меньшей массой (10.5 против 14.5 у азота). Селективное распыление бора должно приводить к обогащению поверхности азотом и к увеличению коэффициента распыления азота (и,
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.