научная статья по теме СТРУКТУРА ПЛЕНОК НИОБИЙ-ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НАПЫЛЕНИЕМ МЕТАЛЛОВ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА ПЛЕНОК НИОБИЙ-ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НАПЫЛЕНИЕМ МЕТАЛЛОВ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 11, с. 61-66

УДК 538.913

СТРУКТУРА ПЛЕНОК НИОБИЙ-ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НАПЫЛЕНИЕМ МЕТАЛЛОВ

© 2014 г. В. Н. Володин, Ю. Ж. Тулеушев*, Е. А. Жаканбаев

Институт ядерной физики Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан, 050032 Алматы, Казахстан *Е-таИ: уыпу. tuleushev@mail.ru Поступила в редакцию 12.02.2014 г.

Ионно-плазменным распылением и соосаждением ультрадисперсных частиц № и W получены твердые растворы во всем интервале концентраций двойной системы в виде покрытий из сплава. Получены образцы с содержанием W от 15.8 до 90.6 ат. %. Размер распыленных частиц металлов составлял 0.1—0.9 нм. Установлено, что при концентрации вольфрама в покрытии менее 40 ат. % сплавы имеют структуру твердого раствора на основе ниобия, при концентрации более 40 ат. % W — структуру твердых растворов на основе вольфрама. При определенных соотношениях размеров ультрадисперсных частиц вольфрама и мощности распылителя наблюдается фотоиндуцированное увеличение подвижности частиц, приводящее к выделению фазы чистого W из твердого раствора вольфрама в ниобии и коагуляции частиц в сверхрешетку нанокластеров. Установлено также, что причиной возникновения сверхструктур является размерный фактор. Рост толщины субслоев ниобия и вольфрама приводит к появлению в покрытиях фаз металлов, твердых растворов и сверхрешеток нанокластеров одного металла в матрице другого.

БОТ: 10.7868/8020735281411016Х

ВВЕДЕНИЕ

Получение сплавов из ниобия и вольфрама традиционным плавлением затруднено из-за высокой температуры плавления металлов. Как металлы, так и сплавы из них в компактном виде получают в процессе прессования и спекания порошков в восстановительной атмосфере при температуре более 1600°С или электронно-лучевого переплава. Известно получение с помощью ионно-плазменного напыления пленок из вольфрама [1], имеющих кубическую структуру А15.

Формирование материалов в результате осаждения из потока ультрадисперсных частиц распыленных металлов открывает возможности одновременного получения сплавов тугоплавких металлов и нанесения на изделия пленочных покрытий [2—5]. Непосредственное, в процессе напыления, получение сплавов может быть объяснено с позиции представлений о термофлуктуа-ционном плавлении малых частиц [6, 7], при котором малая частица находится в квазижидком состоянии и способна к коалесценции с частицей, близкой по размеру.

Изменение температуры плавления пленок с уменьшением их толщины наблюдается и в случае осаждения малых частиц [8] вследствие того, что пленки формируются по "островковому" принципу. Рост размеров частиц при островковом формировании пленок на подложке будет опре-

деляться коалесценцией островков при росте их размеров. То есть при слиянии малых островков разноименных металлов, находящихся в жидком состоянии, в малые островки, размер которых менее критического, будет происходить образование жидкого раствора до достижения островком критического размера, что приведет к его кристаллизации в виде сплава. Этот процесс использован нами при получении покрытий из сплавов ниобия и вольфрама.

Ниобий образует с вольфрамом непрерывные ряды растворов как в жидком, так и твердом состояниях [9, 10]. Сплавы, полученные традиционным способом, имеют объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру, параметр решетки которой изменяется от 0.33007 нм для ниобия до 0.31651 нм для вольфрама. Отмечено значительное отрицательное отклонение от закона Вегарда в интервале концентраций W 3—80 ат. % и небольшое положительное отклонение при ~93— 97 ат. %.

Целью настоящей работы является установление возможности и условий получения сплавов системы W в покрытиях, сформированных сооса-ждением распыленных в плазме низкого давления малых частиц ниобия и вольфрама и определение их структуры.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использованы ниобий с содержанием 99.6 мас. % основного элемента и вольфрам (99.9 мас. %), из которых изготовлены мишени магнетронов диаметром 40 и толщиной 4 мм. При магнетронном распылении в качестве плаз-мообразующего газа использован аргон, подвергшийся очистке на геттере — распыленном титане.

В качестве подложек использованы медная фольга, поликор (поликристаллический корунд) и монокристаллический кремний. Выбор материала подложек обусловлен возможностью устранения влияния рефлексов от материала подложки на точное определение брэгговских углов и выявления зависимости структуры напыляемого покрытия от типа подложки.

Методика формирования образцов сплавных покрытий заключалась в магнетронном распылении ниобия и вольфрама и их совместном осаждении на перемещающуюся относительно потоков плазмы подложку в виде короткопериодных (с малым числом периодов решетки [11]) субслоев толщиной менее 1 нм до заданной суммарной толщины. Для обеспечения равномерности состава покрытия подложки размещены на карусельном устройстве с возможностью поочередного прохождения через потоки распыляемых материалов. Скорость перемещения подложек составляла 5 х 10-2 м • с-1. Температура подложек во время напыления не превышала 100°С.

Составом покрытия управляли путем изменения соотношения мощностей, подаваемых на распыляющие ниобий и вольфрам магнетроны. Соотношение осажденных металлов контролировали взвешиванием (с использованием микроаналитических весов ВЛР-200) по количеству распыленного и осажденного металла во время формирования покрытия. Толщину пленки определяли методом ре-зерфордовского обратного рассеяния протонов на тандемном ускорителе УКП-2-1. Изохронные отжиги проводили в вакуумной печи, созданной на базе установки УРВТ-2500 с безмасляной откачкой магниторазрядным диодным насосом НМД-0.4-1. Перед началом отжига объем печи откачивали до давления 3 х 10-4 Па.

Приготовлены образцы пленок системы ниобий-вольфрам семи составов с концентрацией W от 15.8 до 90.6 ат. %.

Рентгеноструктурные исследования выполнены в соответствии с описанной в [12, 13] методикой на дифрактометре D8 Advance фирмы Bruker с медным излучением ХКа = 0.154051 нм с графитовым монохроматором. Значение параметра решетки вычислено как среднее при использовании всех дифракционных линий от идентифицируемой фазы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для изучения влияния состава сплавов на структуру покрытий получены образцы с концентрацией W от 15.8 до 90.6 ат. % соосаждением распыленных частиц металлов, размер которых составлял 0.1—0.9 нм, что, как будет показано ниже, обеспечивало образование твердых растворов.

Для проверки возможного влияния подложки на структуру покрытия проведено напыление ниобий-вольфрамовых пленок с концентрацией вольфрама 15.8 ат. % на различные носители: по-ликор (а-А1203), стекло, монокристаллический кремний и медную фольгу. Рентгеноструктурный анализ данного покрытия на различных носителях показал, что по чередованию рефлексов, соотношению их интенсивностей и параметру решетки получаемого по наноразмерной технологии твердого раствора (а = 0.3324 ± 0.0005 нм) данные покрытия неотличимы друг от друга. Поэтому в последующем большая часть исследований проводились на подложках из поликора. Данный выбор обусловлен тем, что дифракционная картина поликора характеризуется большим числом рефлексов, что позволяет точнее определять постоянную решетки получаемых твердых растворов путем введения соответствующих поправок в значения брэгговских углов. Суммарная толщина покрытий составила ~1000 нм.

При получении образцов покрытий системы ниобий—вольфрам суммарную толщину смежных субслоев металлов поддерживали примерно постоянной. Дифрактограммы образцов покрытий представлены на рис. 1.

При анализе дифрактограмм установлено следующее. При концентрации вольфрама менее 39.3 ат. % все покрытия представлены твердыми растворами на основе ниобия, при большей концентрации — растворами ниобия в вольфраме. Отличием стал увеличенный на 0.0030—0.0050 нм параметр решетки по сравнению со сплавами, полученными по традиционной технологии (рис. 2). Данное обстоятельство может быть объяснено внедрением атомов аргона в решетку формируемого ионно-плазменным способом твердого раствора. На рис. 2 приведены также меньшие параметры решетки (рис. 2, кривые 3, 4) плавленого ниобия и вольфрама, что подтверждает предположение. Следует отметить также меньшее значение, чем это следует ожидать, параметра решетки напыленного покрытия из ниобия, полученного ранее [2]. Это может быть следствием разной (в этом случае меньшей) электрической мощности, подводимой к распылительному устройству. Подведение большей мощности сопровождается увеличением количества распыленных ультрадисперсных частиц, большей скоростью формирования покрытия и, соответственно, большим захватом атомов аргона. Предположение о захва-

10 20 30 40 50 60 Угол 29, град

70 80

а р

а Па

0.335 0.330' 0.325 0.320 0.315

I

4

Рис. 1. Дифрактограммы покрытий системы ниобий—вольфрам с содержанием вольфрама, ат. %: 1 — 15.8; 2 - 27.2; 3 - 39.3; 4 - 46.6; 5 - 67.6; 6 - 77.1; 7-90.6; • - твердый раствор W в №>; ■ - твердый раствор №> в W; ▼ - сверхструктура; О - поликор.

те атомов аргона решеткой напыляемого металла подтверждает также отжиг в течение 20 ч покрытия из вольфрама при температуре 400°С, т.е меньшей, чем 0.2 Тплав. В результате этого отжига параметр решетки вольфрама уменьшился от 0.3215 до 0.3177 нм.

При анализе дифрактограмм отмечены ярко выраженные структурные особенности пленочных сплавов с концентрацией W 27.2, 39.3 и 46.6 ат. % (рис. 1, кривые 2-4). На дифрактограмме покрытия с содержанием 27.2 ат. % видны рефлексы от ОЦК-фазы с параметром решетки а = 0.3192 ± ± 0.0011 нм (рис. 2, кривая 5). Предположительно, этой фазой является вольфрам, не растворивший в себе ниобий и содержащий меньшее количество аргона.

Объяснением этому может быть предположение об открытой недавно фотоиндуцированной подвижности нанокластеров [14]. В основе предположения лежит следующее. Размер распыленных кластеров и светимость магнетрона пропорциональны мощности, подводимой к распылительному устройству. Фотоиндуцированная подвижность

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»