научная статья по теме ПЛЕНОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ СИСТЕМЫ ТАНТАЛ–КАДМИЙ: ПОЛУЧЕНИЕ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА Физика

Текст научной статьи на тему «ПЛЕНОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ СИСТЕМЫ ТАНТАЛ–КАДМИЙ: ПОЛУЧЕНИЕ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 1, с. 59-66

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.29473:669.058:536.42

ПЛЕНОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ СИСТЕМЫ ТАНТАЛ-КАДМИЙ: ПОЛУЧЕНИЕ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА

© 2015 г. Ю. Ж. Тулеушев, В. Н. Володин, Е. А. Жаканбаев

Институт ядерной физики Министерства индустрии и новых технологий РК 050032 Алматы, ул. Ибрагимова, 1, Республика Казахстан, e-mail: tuleushev@mail.ru Поступила в редакцию 18.03.2014 г.; в окончательном варианте — 06.05.2014 г.

Ионно-плазменным распылением и соосаждением ультрадисперсных частиц Ta и Cd впервые получены твердые растворы — сплавы до концентрации 66.2 ат. % Cd в виде покрытий, что является подтверждением термофлуктуационного плавления и коалесценции малых частиц. При формировании покрытий нанослоями тантала и кадмия происходит взаимное растворение компонент с образованием твердых растворов одного металла в другом. При концентрации Cd более 44.4 ат. % в сплавах происходит смена тетрагональной решетки Р-Та на объемно-центрированную кубическую решетку а-Та. Начиная с 74.4 ат. %, кадмий формирует свой тип гексагональной решетки, а танал в покрытиях представлен аморфной фазой. Констатировано образование твердых растворов внедрения на основе Р-Та и Cd и замещения на основе а-Та. При 700°C кадмий из твердых растворов на основе тантала испаряется с образованием пористого тантала, а из покрытий, представленных смесью твердого раствора тантала в кадмии и аморфного Та образуется тантал с чрезвычайно развитой поверхностью. Полученные материалы на основе тантала предполагают технологическое использование результатов исследования.

Ключевые слова: тантал, кадмий, структура, пленки, размерный эффект, твердый раствор, фаза. DOI: 10.7868/S001532301501012X

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени сведения о диаграмме состояния, сплавах и соединениях, а также термодинамических исследованиях системы тантал—кадмий не обнаружены [1]. Данные о структуре каких-либо фаз и соединений, кроме тантала и кадмия, в таблицах 1СРЭ8 (ранее А8ТМ) и других справочных изданиях отсутствуют.

Тантал существует в двух модификациях: а-Та с объемно-центрированной кубической решеткой (а = 0.3305 нм) и Р-Та-с тетрагональной решеткой (а = 1.0194 и с = 0.5313 нм). Известно [2], что Р-Та получают электролизом из расплавов солей в виде мелкодисперсного порошка. В статьях [3, 4] сообщали о получении тонких пленок из Р-Та при магнетронном напылении при постоянном токе. Последующий нагрев до 1000°С сопровождается необратимым переходом Р-Та ^ а-Та, что свидетельствует о метастабильности Р-фазы. Механизм образования Р-Та и особенности кристаллической решетки этой фазы описаны в работе [5].

Предварительными исследованиями по получению покрытий из тантала ионно-плазменным напылением, выполненными нами, установлено,

что смена модификации тантала может быть обусловлена концентрацией растворенного металла [6], а также размером ультрадисперсных частиц.

Вместе с тем ионно-плазменное формирование материалов потоками ультрадисперсных частиц распыленных элементов, совмещенное с нанесением на изделия пленочных покрытий, позволяет получить сплавы из металлов, имеющих весьма большие отличия в физических свойствах. В основу процесса получения сплавов положено совместное осаждение распыленных ультрадисперсных частиц, находящихся, в соответствии с представлениями о термофлуктуационном плавлении [7], в квазижидком состоянии и способных к коалесценции с образованием (при достижении каплей критического размера) твердого раствора (ТР), как правило, с увеличением концентрационного предела его существования.

Изменение температуры плавления пленок с уменьшением их толщины аналогично таковому для малых частиц [8] вследствие того, что формирование ведется по "островковому" принципу. Рост размеров капель при формировании пленок на подложке будет определяться практически только ко-алесценцией островков с ростом размеров последних до критического.

Таблица 1. Состав, толщина покрытия и субслоев тантала и кадмия и обнаруженные фазы

№ п/п Толщина субслоя Та, нм Толщина субслоя Cd, нм Суммарная толщина покрытия, мкм Концентрация Cd в покрытии, ат. % Присутствующие в покрытии фазы

1 1.7 0.2 1.10 6.7 P-Ta

2 1.7 0.2 1.14 9.9 P-Ta

3 1.1 0.2 0.80 13.9 P-Ta

4 1.1 0.2 0.85 17.0 P-Ta

5 1.1 0.3 0.80 17.3 P-Ta

6 1.0 0.4 0.80 22.9 P-Ta

7 1.0 0.4 0.84 25.6 P-Ta

8 1.1 0.5 1.10 30.4 P-Ta

9 1.1 0.8 1.10 38.0 P-Ta

10 1.2 1.1 1.40 44.4 P-Ta

11 1.1 1.2 1.40 48.8 P-Ta + а-Та

12 0.7 1.0 1.00 51.2 P-Ta + а-Та

13 1.2 1.8 1.80 56.6 P-Ta + а-Та

14 0.3 0.5 0.66 59.6 а-Та

15 1.2 2.2 0.67 61.3 а-Та

16 1.2 2.6 2.26 66.2 а-Та

17 1.2 4.0 3.10 74.4 Cd + аморфный Та

18 0.7 2.6 1.95 75.4 Cd + аморфный Та

19 0.2 1.8 1.20 87.6 Cd + аморфный Та

Потенциальное использование пленочного тантала в виде пористого покрытия, полученного в виде сплава с последующим удалением второго металла, определило интерес к возможному получению твердых растворов в системе тантал-кадмий и их структуре. Особенностью этой системы является отсутствие растворимости кадмия в тантале при обычных условиях и высокое давление пара кадмия при относительно низких температурах, что делает возможным перевод его из растворов в паровую фазу при относительно низких температурах [9] с сохранением пор в матрице тантала.

В этой связи выполнено исследование, имеющее целью получение покрытий системы тантал-кадмий, исследование их структуры и фазового состава.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Материал для исследования - пленки системы тантал-кадмий, полученные соосаждением ультрадисперсных частиц металлов, полученных ион-но-плазменным распылением, на холодные подложки из поликристаллического кремния.

В экспериментах использованы тантал с содержанием 99.96 мас. % основного элемента и кадмий (99.99 мас. %) в виде мишеней диаметром 40 и толщиной 4 мм. При магнетронном распылении в качестве плазмообразующего газа использован аргон, подвергшийся очистке с помощью геттера - распыленного титана.

Методика формирования образцов покрытий заключалась в ионно-плазменном распылении тантала и кадмия и их совместном осаждении на

перемещающиеся относительно потоков плазмы подложки в виде короткопериодных (с малым числом периодов кристаллической решетки) субслоев до суммарной толщины пленки 0.7—3.1 мкм. Скорость перемещения — 5 х 10-2 м с-1. Напыление осуществляли одновременно с двух оппозитно расположенных магнетронов, пространство между которыми разделено устройством для перемещения подложек.

Составом покрытия управляли изменением соотношения мощностей, подаваемых на распыляющие тантал и кадмий магнетроны. Соотношение осажденных металлов контролировали весовым методом по количеству распыленного и осажденного каждого из металлов во время формирования покрытия. Суть метода заключается в следующем. При распылении металла и фиксированном положении подложки относительно потока металлсодержащей плазмы на нее осаждается достаточно точное в долевом отношении количество распыленных металлов, определяемое предварительно. Поэтому зная массу каждого из распыленных металлов, определенную взвешиванием мишеней до и после распыления, и осажденную на подложку массовую долю каждого металла концентрация компонентов в покрытии определена как соотношение массовых долей осажденных металлов.

Толщину пленки определяли методом резерфор-довского обратного рассеяния протонов на тандем-ном 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 графитовым

В

о £

о о я <ч

о Я

В

Я

И

£ в

о

13

о о я <ч Я о Я

в

я

И

20 30 40 50 60 70 80 90 Угол 29, град

Рис. 1. Дифрактограммы покрытий из Р-Та с содержанием кадмия, ат. %:

1 - 13.9; 2 - 17.0; 3 - 38.0; ▼ - Р-Та; О - 81 (подложка)

с ориентацией [100] (спектр 1) и [111] (спектры 2 и 3).

монохроматором. Значение параметров решетки вычислено как среднее при использовании всех дифракционных линий от идентифицируемой фазы.

Электронно-микроскопические исследование (РЭМ) выполнены на электронно-зондовом микроанализаторе JSM-8230 ^ЕОЦ).

Высокотемпературные отжиги проведены в вакуумной высокотемпературной печи, изготовленной на базе установки УРВТ-2500.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Приготовлены образцы пленок системы тантал-кадмий с концентрацией от 0.7 до 87.6 ат. % Сё. Состав покрытий, выраженный через концентрацию кадмия (остальное тантал), толщина покрытий и субслоев металлов при формировании образцов, а также обнаруженные рентгеновской дифрактометрией фазы приведены в табл. 1.

При анализе фазового состава установлено, что с ростом содержания кадмия в покрытиях Та-Сё система делится на четыре концентрационных интервала: до 44.4 ат. % Сё присутствует фаза Р-Та; от 48.8 до 56.6 ат. % Сё - сосуществуют фазы Р-Та и а-Та; от 59.6 до 66.2 ат. % Сё - только а-Та; от 74.4

20 30 40 50 60 70 80 90 Угол 29, град

Рис. 2. Дифрактограммы покрытий системы Та-Сё с

содержанием кадмия, ат. %:

1 - 44.0; 2 - 48.8; 3 - 56.6; 4 - 61.3; ▼ - Р-Та; • - а-Та;

О - 81 (подложка) с ориентацией [100].

до 100 ат. % Сё присутствют фазы кадмия и аморфного тантала.

На рис. 1 представлены некоторые дифракто-граммы покрытий системы тантал-кадмий первого концентрационного интервала (до 44.4 ат. % Сё). Видно (рис. 1, спектр 1), что до концентрации кадмия 13.9 ат. % образующие покрытие кристаллиты сильно текстурированы в направлении [100]. Начиная с концентрации кадмия 17.0 ат. % (рис. 1, спектр 2), текстурированность покрытий уменьшается и при концентрации Сё 38.0 ат. % структура покрытий из Р-Та приближается к изотропной (рис. 1, спектр 3). Это свидетельствует о том, что кадмий встраивается в решетку Р-Та, подобно тому, как это имело место в [6].

При достижении содержания Сё 44.4 ат. % (рис. 2, спектр 1) в покрытии часть тантала амор-физируется, причем, по месту расположения гал-ло от аморфного тантала (показано пунктиром на спектре 1) можно предположить близость концентрационной границы начала кристаллизации Р-Та в ОЦК

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»