научная статья по теме СТРУКТУРА НАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНОК -ТАНТАЛ-АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА НАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНОК -ТАНТАЛ-АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 11, с. 1014-1018

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.294.71:539.216.2

СТРУКТУРА НАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНОК Р-ТАНТАЛ-АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ © 2013 г. В. Н. Володин, Ю. Ж. Тулеушев, Е. А. Жаканбаев

Институт ядерной физики Министерства индустрии и новых технологий РК 050032 Казахстан, Алматы, ул. Ибрагимова, 1 e-mail: tuleushev@mail.ru Поступила в редакцию 26.02.2013 г.; в окончательном варианте — 09.04.2013 г.

Ионно-плазменным распылением и соосаждением ультрадисперсных частиц Ta и Al получены твердые растворы во всем интервале концентраций двойной системы в виде покрытий из сплава. Образование твердых растворов-сплавов непосредственно в процессе соосаждения является подтверждением теории термофлуктуационного плавления малых частиц и слиянием квазижидких кластеров докритического размера. При формировании покрытий нанослоями тантала толщиной менее 0.8 нм для P-Ta и 1.1 нм для алюминия происходит самопроизвольное взаимное растворение компонент с образованием твердых растворов одного металла в другом, причем атомы алюминия, начиная с концентрации ~85 ат. % Al в сплаве, задают формирующейся решетке свой тип симметрии. Рост характерных размеров (толщины субслоев) тантала и алюминия приводит к появлению в покрытиях помимо фаз Р-тантала и алюминия, фазы твердых растворов металлов, аморфных образований и сверхрешеток нанокластеров одного металла в матрице другого. Установлено, что причиной возникновения сверхструктур является размерный фактор.

Ключевые слова: бета-тантал, алюминий, структура, сверхструктура, пленки, размерный эффект, твердый раствор.

DOI: 10.7868/S0015323013110132

ВВЕДЕНИЕ

Получение сплавов из тантала и алюминия традиционным плавлением затруднено кратной разницей в температурах плавления (в 4.6 раза), плотностях металлов (в 6.1 раза). Давление пара жидкого алюминия достигает атмосферного на 530°С ниже температуры плавления тантала (3014°С). Ионно-плазменное формирование материалов потоками ультрадисперсных частиц распыленных металлов, совмещенных с нанесением на изделия пленочных покрытий [1—3], позволяет получить сплавы из металлов, имеющих весьма большие отличия в физических свойствах. В основу процесса получения положено совместное осаждение распыленных ультрадисперсных частиц, находящихся, в соответствии с представлениями о термо-флуктуационном плавлении [4], в квазижидком состоянии и способных к коалесценции с образованием (при достижении каплей критического размера) твердого раствора, или прямого синтеза интерметаллических фаз, как правило, с увеличением концентрационных пределов их существования и областей гомогенности.

Изменение температуры плавления пленок с уменьшением их толщины аналогично таковому для малых частиц [5] вследствие того, что форми-

рование их ведется по "островковому" принципу. Рост размеров капель при формировании пленок на подложке будет определяться практически только коалесценцией островков с ростом размеров последних.

Слияние наноразмерных островков разноименных металлов, находящихся в жидком состоянии, в наноразмерные островки, размер которых менее критического, приведет к образованию жидкого раствора с последующей кристаллизацией в виде сплава при укрупнении частиц. Этот процесс может быть использован при получении покрытий из сплавов металлов с разными физическими свойствами.

Тантал имеет две кристаллографические модификации: а-тантал с кубической объемно-центрированной (ОЦК) решеткой, имеющей параметр а = 0.3306 нм, и Р-тантал с тетрагональной решеткой, имеющей параметры а = 1.0194 нм, с = = 0.5313 нм и пространственную группу Р42/тпт. Переход из модификации Р-тантала в а-тантал происходит при температуре ~ 1000°С. Поэтому весь используемый в металлургии тантал представляет собой а-тантал. При осаждении ультрадисперсных частиц металла получают Р-модифи-

кацию тантала при низких температурах — менее 200°C.

Целью настоящей работы является определение возможности формирования сплавов системы Р-тантал-алюминий с учетом размерного фактора, концентрационных пределов существования твердых растворов и установление структуры полученных сплавов в пленочных покрытиях.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использованы тантал и алюминий с содержанием 99.9 мас. % основного элемента в виде мишеней диаметром 40 и толщиной 4 мм. При магнетронном распылении в качестве плазмообразующего газа применяли аргон, подвергшийся очистке на геттере — распыленном титане.

Методика формирования образцов сплавных покрытий заключалась в ионно-плазменном распылении тантала и алюминия и их совместном осаждении на перемещающиеся относительно потоков плазмы подложки в виде короткопериод-ных (в соответствии с терминологией [6]) субслоев толщиной менее 1 нм, до суммарной толщины пленки 4—5 мкм со скоростью 1—1.5 мкм ч-1. Скорость перемещения — 5 х 10—2 м с-1. Температура подложки во время напыления не превышала 200°C. Напыление осуществляли одновременно с двух оппозитно расположенных магнетронов, пространство между которыми разделено устройством для перемещения подложек из поликора и монокристаллического кремния.

При изучении влияния размерного фактора варьировали толщину чередующихся слоев тантала и алюминия. Методика проведения исследования состоит в постепенном уменьшении толщины слоев тантала и алюминия в результате каждого пересечения перемещающейся подложкой потока металлсодержащей плазмы. Толщину слоев меняли поочередным включением магнетронов, при котором на подложку наносили слои при прохождении потоков металлсодержащей плазмы 12, 8, 4, 2, 1 раз каждого из металлов и непрерывном напылении.

Составом покрытия управляли изменением соотношения мощностей, подаваемых на распыляющие тантал и алюминий магнетроны. Соотношение осажденных металлов контролировали весовым методом по количеству распыленного и осажденного каждого из металлов во время формирования покрытия. Толщину пленки определяли методом резерфордовского обратного рассеяния протонов на тандемном ускорителе УКП-2-1 и расчетным путем на основании количества осажденных металлов.

Рентгеноструктурные исследования выполнены на дифрактометре D8 Advance фирмы Bruker с медным излучением Хка = 0.154051 нм с графито-

Л_LI

10 30 50 70

Угол 29, град

90

Рис. 1. Дифрактограммы покрытий системы Р-тантал-алюминий с изменением толщины слоев Р-Та/А1, нм: 1 - 0.8/1.1; 2 - 0.9/1.3; 3 - 3.7/4.9; 4 - 7.3/10.4; 5 -10.9/13.6; ▼ - р-тантал; • - алюминий; О - кремний.

вым монохроматором. Значение параметров решетки вычислено как среднее при использовании всех дифракционных линий от идентифицируемой фазы. Для обнаружения сверхструктур использован рентгеноструктурный анализ при съемке на малых (2© менее 5°) углах.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изучение влияния размерного фактора - толщины чередующихся слоев тантала и алюминия на структуру покрытий выполнено с системой, содержащей ~ 59 ат. % алюминия, состав которой выбран случайным образом. Сформированы пленочные покрытия с толщиной отдельных слоев тантала и алюминия, Ta/Al, нм: 1 - 0.8/1.1; 2 - 0.9 /1.3; 3 -3.7/4.9; 4 - 7.3Д0.4; 5 - 10.9/13.6. Дифрактограммы покрытий приведены на рис. 1.

При анализе дифрактограмм установлено, что до толщины слоя тантала 3.7 нм и алюминия 4.9 нм в покрытии (рис. 1, 3-5) присутствуют отдельные фазы металлов, имеющие каждая свою кристаллическую решетку с табличными или несколько искаженными межатомными расстояниями и грани-

1

1016

ВОЛОДИН и др.

т

Д1. У Ь^_

м

10 30 50 70

Угол 29, град

90

а, нм 10.21

10.19 -

10.17 -с, нм

5.31 5.29 -5.27 5.25

30 40 50 60 70 А1, ат. %

80

90

Рис. 2. Дифрактограммы покрытий из сплавов Р-тан-тал-алюминий с концентрацией, ат. % А1: 1 - 34.8; 2 - 43.3; 3 - 53.1; 4- 76.2; 5 - 84.7; ▼ - Р-тан-тал; • - алюминий; О - поликор.

цу раздела фаз. При этом параметры тетрагональной решетки Р-тантала соответствуют значениям: а = 1.0194 нм и с = 0.5313 нм, алюминия - а = = 0.4053 ± 0.0004 нм, что в пределах точности измерений соответствует табличным значениям обоих металлов. Фаза алюминия прогнозируемо плохо отслеживается на фоне фазы Р-тантала вследствие значительно меньшей отражательной способности атомов.

При достижении толщины слоев 0.8 нм для Р-Та и 1.1 нм для алюминия происходит самопроизвольное образование твердого раствора (рис. 1, 1) с типом кристаллической решетки тантала, но измененными параметрами вследствие присутствия алюминия.

Отмечено некоторое промежуточное состояние, при котором алюминий не выделяется в отдельную фазу (рис. 1, 2), фиксируемую рентгенографически, но нет и твердого раствора, о чем можно судить по аморфизации металлов при переходе от фиксируемых в виде отдельных фаз металлов к твердому раствору алюминия в Р-тантале.

Рис. 3. Зависимость параметров решетки Р-тантала от концентрации алюминия в сплаве.

С целью определения концентрационных границ существования твердых растворов в системе Р-Та-А1 ионно-плазменным напылением с учетом размерного фактора сформированы образцы покрытий с концентрацией алюминия, ат. %: 11.6, 34.8, 36.9, 43.3, 53.1, 66.3, 76.2, 84.7, 90.9, 95.6 и 97.8.

При исследовании структуры установлено, что все пленочные покрытия представлены твердыми растворами - сплавами, при этом до концентрации ~85 ат. % алюминия в Р-Та существуют твердые растворы на основе Р-тантала, который по пику (202) совпадает с пиком алюминия (111), что происходит из-за эпитаксиального соответствия Р-Та с сосуществующим с ним А1. Дифрактограммы твердых растворов с 34.8, 43.3, 53.1, 59.7, 76.2 и 84.7 ат. % алюминия, подтверждающие образование сплавов, представлены на рис. 2.

По полученным рентгенограммам рассчитаны параметры решетки тетрагонального Р-тантала, изменение которых в зависимости от содержания алюминия в сплаве отражено на рис. 3, где штриховая линия соответствует табличным величинам.

На концентрационных зависимостях параметров решетки тетрагонального Р-тантала от концентрации алюминия присутствует выраженный минимум около 50 ат. % А1, что является следствием того, что атомы алюминия имеют меньший, чем атомы тантала радиус: (г0)А1 = 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