ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 5, с. 82-88
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.232:669-172:539.219.3
ОБЪЕМНАЯ ДИФФУЗИЯ ЖЕЛЕЗА, КОБАЛЬТА И РОДИЯ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ИРИДИЯ
© 2004 г. А. В. Ермаков*, С. М. Клоцман**, С. А. Матвеев**, Г. Н. Татаринова**, А. Н. Тимофеев**, Г. Ф. Кузьменко*, В. К. Руденко*, Н. И. Тимофеев*
*ОАО "Екатеринбургский завод по обработке цветных металлов", 620014 Екатеринбург, просп. Ленина, 8 Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 11.03.2003 г.; в окончательном варианте - 27.11.2003 г.
После одновременной объемной диффузии в условиях сверхвысокого вакуума в интервале температур 1540-1780 К (0.57-0.66Гт) методом вторично-ионной масс-спектрометрии измерены коэффициенты диффузии кобальта, железа и родия в монокристаллах иридия и параметры температурной зависимости коэффициентов объемной диффузии кобальта. Получены оценки параметров, характеризующих комплексы вакансий с атомными зондами в иридии. Сделан вывод, что комплексы вакансий с этими атомными зондами обладают в иридии устойчивыми локальными магнитными моментами. Сделаны оценки энергий взаимодействий партнеров в таких комплексах.
1. ВВЕДЕНИЕ
Закономерности объемной диффузии в твердых телах определяются взаимодействием диффундирующих атомных зондов с вакансиями. Взаимодействия вакансий с диффундирующими 3й-атомными зондами в никеле и в меди и вакансий с 4й-атомными зондами в палладии и в серебре теоретически исследованы в [1]. Показано, что разность энергий £уАР взаимодействия вакансии с примесным и собственным атомными зондами (для краткости - энергия взаимодействия) зависит от наличия или отсутствия стабильного локального магнитного момента М у диффундирующего атомного зонда в данной матрице. Так, энергии {£уАР}рт взаимодействия вакансий с й-пе-реходными атомными зондами без локальных магнитных моментов (парамагнитное состояние, индекс "рт") параболически зависит от разности валентностей (избыточного заряда) 721 = 72 - 71 примесного (72) и собственного (71) атомных зондов. Параболические зависимости (ЕУАр}рт(221) сужаются и смещаются в сторону меньших значений (ЕуАР}рт при переходе от матриц конца периодов к матрицам середины больших периодов.
При учете спиновой поляризации окружения диффундирующего й-переходного атомного зонда с магнитным моментом М (ферромагнитное состояние атомного зонда [1], индекс "1т"), например, для 3й-атомных зондов в никеле и в меди, величина (£уАР}£т значительно уменьшается по сравнению с (£уАР}рт. Это понижение энергии взаимодействия в таких системах обусловлено вкладом обменной энергии £ехсЬ в величину £уАР. Величина магнитного момента Мсотр1 комплекса
вакансии с атомным зондом значительно больше величины момента М изолированного атомного зонда в той же матрице [1].
Результаты экспериментальных исследований закономерностей объемной диффузии 3й- и 5й-атомных зондов в монокристаллах вольфрама [2] полностью согласуются с теоретическими предсказаниями. Оказалось, что в ряду 5й-атомных зондов, не обладающих локальными магнитными моментами в вольфраме, разность {Q21 }рт = - 01}рт энтальпий активации примесной {б2}рт и самодиффузии (21), как и энергия {£уАР}рт, параболически зависит от избыточного заряда 721. Но для 3й-атомных зондов, диффундирующих в вольфраме, эта параболическая зависимость исчезает из-за вклада обменной энергии £ехсЬ в величину £уАР. Вклад обменной энергии £ехсЬ в величину £уАР пропорционален величине магнитного момента М примесного атомного зонда [2]. По отклонениям Q21 от параболической зависимости {б21(721)}рт в данной матрице оказывается возможным качественно определять наличие или отсутствие магнитного момента Мсотр1 у комплекса вакансия - атомный зонд.
Энтальпии активации объемной диффузии го-мовалентных примесных атомных зондов практически совпадают, если их магнитное состояние идентично, например, энтальпии активации объемной диффузии атомных зондов кобальта и иридия в вольфраме, атомных зондов титана и гафния в золоте, меди в серебре и в золоте [2-4].
В настоящей работе представлены результаты исследования закономерностей объемной диффузии одновременно диффундировавших приме-
сей железа, кобальта и родия в монокристаллах иридия. Одновременная диффузия примесей исключает влияние погрешностей в определении условий (времен и температур) диффузионных отжигов и глубин в диффузионной зоне на сравниваемые коэффициенты диффузии. Это повышает надежность выводов, которые делаются даже на ограниченном массиве результатов. Получены свидетельства, что примеси железа, кобальта и родия в комплексах с вакансиями в иридии обладают устойчивыми локальными магнитными моментами.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Координатная зависимость концентрации (профиль) атомных зондов при объемной диффузии из "мгновенного источника" в полубесконечный однородный объем описывается соотношением [5, 6]
С(х, г) = (РП^йг)ехр(-х2/4йг). (1)
Здесь С(х, г) - концентрация атомных зондов в диффузионной зоне, х - глубина в диффузионной зоне, г - время диффузионного отжига, Р - количество атомных зондов в "мгновенном источнике", й - коэффициент объемной диффузии. При таких условиях диффузионного эксперимента коэффициент й определяется из наклона д1п С(х, г)дх2 прямой 1пС(х2):
й = (4 гд 1п С (X, г )/д X2 )-1. (2)
Как известно [7, 8], коэффициенты диффузии экспоненциально зависят от температуры:
й = й0ехр (-О/ЯТ). (3)
Здесь й0 - предэкпоненциальный множитель, О - энтальпия активации диффузии, Я - газовая постоянная. Соответственно, энтальпия О активации диффузии определяется из наклона д1пй/д(1/Т) линейной зависимости 1пй(1/й):
О = -Я д 1п й / д( 1/Т). (4)
Разность энтальпий О21 активации диффузии можно, используя модельные представления о ва-кансионном механизме объемной диффузии в металлах, записать в виде [7]
°21 = Н 21 + Еулр + Ос. (5)
Здесь Я2 = #2 - Я1,2 - разность энтальпий активации миграции примесного () и собственного
(Я"2) атомных зондов, ОС - энтальпия активации корреляционного фактора, в которую входят раз-
Яш
^ энтальпий миграции для разных перескоков. Оказалось [2], что с хорошим приближением
О21 = ЕуДР. (6)
Таблица 1. Равновесное давление пара (Па) над собственным металлом для 3 ^-металлов и родия при планировавшихся температурах диффузионных отжигов [9]
Атомные Сг Со
зонды
1300 к = 10-3 = 10-3 <10-8
2000 К >102 >102 = 10-1
Это соотношение используется далее для определения энергий £уЛР взаимодействия примесного атомного зонда с вакансией.
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Технология подготовки монокристаллов иридия (моно-1г) описана в работе [8].
Диффузионные источники для осуществления одновременной диффузии трех атомных зондов: железа, кобальта и родия создавались двумя способами. Родий, обладающий низким равновесным давлением пара при планировавшихся температурах отжигов (табл. 1), наносился на подготовленные поверхности моноТг путем электронно-лучевого испарения проволоки родия диаметром около 0.1 мм. Диффузионный источник примесей 3й-металлов создавался следующим образом. Рядом с моноТг в рениевом контейнере помещались кусочки кобальта. Благодаря высокому равновесному давлению пара 3^-металлов кусочки кобальта испарялись уже при прогреве (табл. 1), и поэтому еще до начала диффузионного отжига в контейнере с образцом создавался газовый диффузионный источник. Но из-за отсутствия уплотнения используемых рениевых контейнеров газовый диффузионный источник в контейнере сохранялся короткое время в начале диффузионного опыта. В результате возникал эффективный "мгновенный" газовый диффузионный источник 3^-при-месей. Относительное содержание других 3^-при-месей, например, хрома, железа и т.п. в использованных нами кусочках кобальта было достаточно высоким, что и обеспечивало измеримое количество всех 3^-металлов в диффузионных зонах.
Диффузионные отжиги проводили в сверхвы-соковакуумной (СВВ) печи с электронно-лучевым нагревом. Технологии проведения диффузионных отжигов и измерения температур описаны в [8].
Координатные распределения концентрации (профили) примесей после диффузионных отжигов анализировали методом вторично-ионной масс-спе-ктрометрии. Во всех анализах использовался первичный пучок ионов кислорода 0+. Подробности методики измерения профилей вторичных ионов в диффузионных зонах в моноТг описаны в [8].
Глубина, м
Рис. 1. Примеры исходных профилей примесей кобальта, диффундировавших в монокристаллах иридия при отжигах в СВВ условиях.
Скорости распыления при анализах определяли на образце-свидетеле моно-Ir с гладкой и плоской поверхностью при точно тех же параметрах распыляющего пучка первичных ионов, который использовался во время анализа. Глубина создававшегося на образце-свидетеле кратера распыления определялась на многолучевом микроинтерферометре МИИ-11. Использовалось усредненное значение толщины слоя, распыляемого на каждом цикле измерения профиля: h = H/n. Здесь H - общая глубина кратера, измеряемая после завершения анализа диффузионной зоны, n -число циклов измерений при анализе диффузионной зоны.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Обработки профилей, линейность и динамический диапазон профилей, коэффициенты и параметры температурной зависимости коэффициентов диффузии кобальта в моно-1г
На рис. 1 приведены примеры исходных профилей интенсивностей У вторичных ионов изотопов кобальта-59. Как видно, профили состоят из двух частей: круто падающей, примыкающей к источнику диффузии, и пологой, "хвостовой" части профиля. На профилях заметны признаки незначительного испарения диффундирующих примесей: несколько точек вблизи диффузионного источника отклоняются вниз. Эти точки исклю-
j_I_I_I_I_I
0 2 4 6 8 10
Глубина2, м2 х 10-12
Рис. 2. Линейные зависимости 1п /(х2) профилей, созданных при диффузии кобальта в монокристаллах иридия. Прямые проведены методом наименьших квадратов. Числовые индексы у значений температур отжигов - множители шкал глубин каждого профиля, использованные для их размещения на одном графике.
чались из последующих обработок профилей и поправки на испарен
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.