научная статья по теме СТРУКТУРА ПЛЕНОК -ТАНТАЛ-ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СООСАЖДЕНИЕМ РАСПЫЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА ПЛЕНОК -ТАНТАЛ-ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СООСАЖДЕНИЕМ РАСПЫЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 2, с. 80-85

УДК 538.913

СТРУКТУРА ПЛЕНОК р-ТАНТАЛ-ВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СООСАЖДЕНИЕМ РАСПЫЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ

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

Институт ядерной физики Агентства по атомной энергии РК, Алматы, Казахстан

Поступила в редакцию 02.04.2013 г.

Ионно-плазменным распылением и соосаждением ультрадисперсных частиц Та и W получены твердые растворы во всем интервале концентраций двойной системы Ta—W в виде покрытий из сплава. Образование твердых растворов-сплавов непосредственно в процессе соосаждения является подтверждением теории термофлуктуационного плавления малых частиц и слияния квазижидких кластеров докритического размера. При формировании покрытий на основе нанослоев Та и W толщиной менее 0.5 нм происходит взаимное растворение компонентов с образованием твердых растворов, причем вольфрам, начиная с концентрации 34 ат. % W в сплаве, задает решетке свой тип симметрии. Увеличение толщины субслоев тантала и вольфрама приводит к появлению, помимо фаз Р-тантала и вольфрама, фазы твердых растворов металлов, аморфных образований и сверхрешеток нанокластеров одного металла в матрице другого. При большом содержании вольфрама в покрытии сверхструктура из нанокластеров тантала не возникает. Предполагается, что причиной возникновения сверхструктур является размерный фактор.

Б01: 10.7868/80207352814020206

ВВЕДЕНИЕ

Получение сплавов Та и W традиционным методом затруднено вследствие высокой температуры плавления металлов. Как металлы, так и их сплавы в компактном виде получают прессованием и спеканием порошков при температурах более 1600°С или электронно-лучевой плавкой. Известно получение пленок вольфрама [1], имеющих кубическую структуру и структуру типа А15 с помощью магнетронного напыления. Развитие ионно-плазменных технологий формирования материалов с использованием потоков ультрадисперсных частиц распыленных металлов открывает возможность получения сплавов тугоплавких металлов одновременно с нанесением на изделия пленочных покрытий [2—4]. Однако при этом значительные изменения претерпевает структура материалов, полученных соосаждением распыленных частиц, увеличиваются концентрационные области существования твердых растворов. Последнее может быть объяснено с позиции представлений о термофлуктуационном плавлении малых частиц [5, 6], при котором малая частица находится в квазижидком состоянии и способна к коалесценции с подобной себе по размеру. Такой процесс, по предварительным данным, практически не зависит от физических свойств элементов, в частности от температуры плавления. Это открывает возможности получения сплавов тугоплавких металлов, каковыми являются тантал и вольфрам, при низких (менее

100°С) температурах. Однако существование малой частицы из разных металлов в квазижидком состоянии ограничено некоторым максимальным размером, при превышении которого условия термофлуктуации исключаются.

Изменение температуры плавления пленок с уменьшением их толщины аналогично происходит и для малых частиц [7] вследствие того, что формирование их ведется по "островковому" принципу. Рост размеров частиц при островковом формировании пленок на подложке определяется практически только коалесценцией островков с увеличением их размера. То есть при слиянии малых островков разноименных металлов, находящихся в жидком состоянии, в островке, размер которого менее критического, будет образовываться жидкий раствор до достижения островком критического размера, что приведет к его кристаллизации в виде сплава. Этот процесс может быть использован при получении покрытий из сплавов металлов с высокой температурой плавления.

Тантал имеет две кристаллические модификации: а-Та с кубической объемно центрированной (ОЦК) решеткой с параметром а0 = 0.3306 нм, и Р-Та с тетрагональной решеткой с параметрами а = 1.0194 нм, с = 0.5313 нм, пр. гр. Р42/тпт. Переход из Р-Та в а-Та происходит при температуре 1000°С, поэтому весь используемый в металлургии тантал представляет собой а-фазу тантала. Вольфрам существует в виде одной кристаллической модификации а-^ имеющей ОЦК-решетку

с параметром а0 = 0.3165 нм. При осаждении ультрадисперсных частиц Та в квазижидком состоянии есть основание ожидать снижения температурного порога перехода в-Та в а-Та.

Целью настоящей работы является установление возможности и условий получения модификации в-Та при низких температурах и изучение структуры сплавов системы Ta—W в покрытиях, полученных соосаждением распыленных в плазме низкого давления малых частиц тантала и вольфрама.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах были использованы тантал и вольфрам с содержанием 99.9 мас. % основного элемента, из которых изготовляли мишени магнетрона диаметром 40 мм и толщиной 4 мм. При магнетронном распылении в качестве плазмооб-разующего газа служил аргон, подвергшийся очистке с помощью геттера (распыленный титан). В качестве подложек были использованы медная фольга, поликор (поликристаллический корунд) и монокристаллический кремний. Выбор материала подложек был обусловлен возможностью устранения влияния подложки на точность определения положения рефлексов от полученного покрытия при рентгеноструктурных исследованиях.

Методика формирования образцов сплавных покрытий заключалась в магнетронном распылении Ta и W и их совместном осаждении на перемещающуюся относительно потоков плазмы подложку в виде короткопериодных (в соответствии с терминологией [8]) субслоев толщиной менее 1 нм до суммарной толщины пленки 4—5 мкм. Для обеспечения равномерности состава покрытия подложки были 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 осаждения не превышала 100°C.

Составом покрытия управляли путем изменения соотношения мощностей, подаваемых на магнетроны. Соотношение осажденных металлов контролировали весовым методом с помощью микроаналитических весов ВЛР-200 по количеству распыленного и осажденного металлов. Толщину пленки определяли методом резерфордов-ского обратного рассеяния протонов на тандем-ном ускорителе УКП-2-1. Были приготовлены образцы пленок системы тантал-вольфрам семи составов с концентрацией от 19.9 до 85.8 ат. % W.

Рентгеноструктурные исследования выполнены в соответствии с описанной в [9, 10] методикой на дифрактометре D8 Advance фирмы Bruker с медным анодом, СиК"а-излучения, X = 0.154051 нм и графи-

0 20 40 60 80

Угол 29, град

Рис. 1. Дифрактограммы пленки тантала на медной фольге при толщине субслоев 0.4 нм (1), 0.6 нм (2): • — а-Та, ▼ — Р-Та, О — Си (подложка).

товым монохроматором. Параметр решетки вычисляли как среднее значение при использовании всех дифракционных линий от данной фазы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При исследовании возможности получения модификации в-тантала при низких температурах при осаждении распыленных частиц использовали прием постепенного повышения мощности, подаваемой для распыления мишени. В результате было установлено, что до толщины субслоев 0.5 нм напыляемый металл кристаллизуется в виде фазы а-Та (рис. 1, кривая 1) с параметром решетки 0.3386 ± 0.0004 нм, при этом первый рефлекс имеет индексы 110, второй — 211, а третий — 220. Рефлексы от плоскостей с йш = 0.2397 нм, йш= = 0.1380 нм и йш = 0.1199 нм свидетельствуют о наличии фазы а-Та. При формировании покрытия из субслоев толщиной более 0.5 нм образуется фаза в-Та.

На дифрактограмме покрытия (рис. 1, кривая 2), полученного при толщине слоев 0.6 нм, рефлексы от плоскостей с йш = 0.2670, 0.2375, 0.2097, 0.1364 и 0.1335 нм свидетельствуют о наличии фазы в-тантала тетрагональной сингонии с параметрами а = 1.0163 ± 0.0006 нм и с = 0.5347 ± 0.0006 нм. Пленка сильно текстурирована в направлении [001].

Таким образом, установлена возможность получения бета-модификации тантала при осаждении ультрадисперсных частиц металла. Причиной изменения структуры тантала в покрытии является, по нашему мнению, размерный фактор, в данном случае — размер островковых субслоев, из которых формируется покрытие.

82

ВОЛОДИН и др.

Таблица 1. Толщина субслоев и состав покрытий Ta—W

Толщина субслоев, Состав покрытия,

№ п/п нм ат. %

Та W Та W

1 0.37 0.28 53.7 46.3

2 1.04 0.70 56.4 43.6

3 2.07 1.46 54.5 45.5

4 4.00 2.83 55.3 44.7

5 6.8 4.87 54.4 45.6

Определение границ существования твердых растворов в системе Ta—W в зависимости от размеров частиц (толщины субслоев) металлов было выполнено с образцами покрытий примерно одинакового состава (~45 ат. % W). Соосаждение ультрадисперсных частиц металлов проводилось на подложки из поликора и монокристаллического

1

20 30 40 50 60 70 80 90 Угол 29, град

Рис. 2. Дифрактограммы покрытий системы тантал—вольфрам для разной толщины субслоев Та/^ нм: 1 - 0.37/0.28; 2 - 1.04/0.70; 3 - 2.07/1.46; 4 -4.00/2.83; 5 - 6.58/4.87; • - а-тантал; ▼ - раствор вольфрама в Р-Та, ♦ - раствор тантала в вольфраме; ❖ - кремний; О - поликор А12О3.

кремния. Толщина субслоев при напылении и состав полученных покрытий приведены в табл. 1.

Дифрактограммы покрытий, полученных таким образом, представлены на рис. 2. При толщине субслоев тантала 6.58 нм (рис. 2, кривая 5) и субслоев вольфрама 4.87 нм в покрытии присутствуют две фазы: Р-Та с параметрами решетки а = = 1.0198 нм, с = 0.5313 нм и W с параметром а0 = = 0.3185 ± 0.0016 нм. Обе фазы сильно текстури-рованы в направлении [100]. Сверхструктуры в покрытии не наблюдаются.

С уменьшением толщины субслоев Та до 4.00 нм и W до 2.83 нм образуется фаза Р-Та с параметрами решетки а = 1.0217 нм, с = 0.5302 нм и объемом элементарной ячейки, равным 0.55365 нм3. Обнаружено некоторое количество эпитаксиаль-но связанной с Р-Та фазы вольфрама с параметром решетки а0 = 0.3156 ± 0.0012 нм, совпадающим с табличным значением. Сверхструктура отсутствует.

При толщине субслоев Та и W 2.07 нм и 1.46 нм соответственно появляется фаза Р-Та с параметрами а = 1.0232 нм, с = 0.5263 нм и объемом элементарной ячейки V = 0.55

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