Элементный состав и распределение компонентов по глубине в структурах Pd/Fe, полученных метом динамического атомного перемешивания

ТРУДЫ БГТУ. 2012. № 6. Физико-математические науки и информатика. С. 81-84

81

УДК 539.1.06:539.23.234

В. В. Тульев, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ);

И. С. Ташлыков, доктор физико-математических наук, профессор (БГПУ);

Д. А. Литвинов, студент

ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ПО ГЛУБИНЕ В СТРУКТУРАХ Pd/Fe, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО АТОМНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

С помощью резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием был проведен анализ элементного состава структур Pd/Fe, полученных осаждением атомов палладия на подложку из железа методом динамического атомного перемешивания. В качестве ассистирующих ионов использовались ионы аргона с энергией 6 кэВ. Плотность ионного тока составляла -9-20 мкА/см2, интегральный поток ионов аргона был (0,71,6) • 1016 ион/см2. Проведенное исследование позволило установить, что создаваемые структуры помимо атомов железа содержат -30-47 ат. % атомов палладия и -0,5-1,2 ат. % атомов аргона. При этом наблюдается проникновение атомов железа в пленку палладия вследствие атомного перемешивания, проникновение атомов палладия в железо вследствие радиационно-стимулиро-ванной диффузии, а также распыление пленки палладия.

Rutherford backscattering and RUMP simulation programme have been applied to investigate composition of Pd/Fe system prepared using dynamic atomic deposition process when deposition of Pd thin film on Fe substrate was assisted with 6 keV Ar+ ions irradiation. It is estimated that thin (-40 nm) surface layer consists of -30-47 at. % Pd, -0,5-1,2 at. % Ar and the remaining is Fe. Dynamic deposition of Pd on Fe substrate is accompanied with radiation enhanced diffusion of Pd, Ar atoms in substrate and out diffusion of Fe atoms in deposited Pd coating

Введение. Методы ионно-лучевого модифицирования широко применяются для изменения поверхностных свойств материалов [1-4]. Их используют, например, для модификации физико-механических и электрохимических свойств поверхности металлов. При ионно-лучевом модифицировании поверхности материалов желаемый эффект изменения его поверхностных свойств может быть достигнут в результате действия нескольких факторов. Например, за счет введения легирующих компонентов в состав приповерхностного слоя мишени или в результате изменения структурного состояния поверхности, образования соединений химических элементов и др.

Одним из методов ионно-лучевого модифицирования поверхности материалов является метод динамического атомного перемешивания (ДАП). В этом методе процесс осаждения покрытий сопровождается одновременным облучением ионами инертных газов поверхности подложки. Применение этого метода обеспечивает хорошее сцепление наносимого покрытия с подложкой, при этом размеры по толщине и состав наносимых слоев не ограничиваются [5].

Для объяснения явления перемешивания атомов на границе раздела пленка - подложка при облучении ускоренными ионами используют несколько механизмов: внедрение атомов отдачи, перемешивание в каскаде атомных столкновений, радиационно-стимулированная диффузия. Интерес также представляет взаимопроникновение компонентов на границе раздела при облучении ускоренными ионами и влияние распыления на формируемую структуру [6, 7].

Основная часть. В качестве подложки использовалось железо чистотой 99,5%, на которую наносилось палладиевое покрытие методом динамического атомного перемешивания. Скорость осаждения покрытия составляла (0,150 ± 0,005) нм/с, время осаждения покрытия -(130 ± 2) с. Толщина палладиевого покрытия, осаждаемого на подложку без ионного ассистирования, составляла (19,7 ± 1,1) нм. В качестве ассистирующих ионов использовались ионы аргона с энергией 6 кэВ. Интегральный поток (Ф) ассистирующих ионов аргона изменялся от 0,7 • 10 до 1,6 • 10 ион/см . Плотность ионного тока при осаждении покрытия менялась от 9 до 20 мкА/см2, параметр I / A (отношение числа I ассистирующих ионов к числу A атомов осаждаемого покрытия) - в интервале от 0,06 до 0,13. Осаждение покрытия происходило при вакууме в мишенной камере ~2 • 10-6 торр. Элементный состав приповерхностных слоев сформированных структур изучался методом резер-фордовского обратного рассеяния ионов (РОР) гелия в сочетании с компьютерным моделированием. Энергия ионов гелия составляла 2 МэВ, угол влета 0°, угол вылета 15°, угол рассеяния 165°. Энергетическое разрешение анализирующей системы составляло 13 кэВ, что обеспечивало разрешение по глубине -11 нм. Относительная погрешность измерений при определении слоевых концентраций компонентов составляла -5%. Моделирование экспериментальных спектров резерфордовского обратного рассеяния происходило с использованием программы RUMP [8].

Экспериментальный спектр РОР от структуры Pd/Fe, сформированной при интегральном потоке ассистирующих ионов 1,6 • 1016 ион/см2, показан на рис. 1. На спектре РОР от сформированной структуры мы наблюдаем сигналы от атомов подложки железа, атомов осаждаемого покрытия палладия, атомов аргона.

Номер канала Рис. 1. Спектр РОР ионов гелия от структуры Pd/Fe, полученной при интегральном потоке ассистирующих ионов Ф = 1,6 • 1016 ион/см2

Отличительной особенностью формирования структуры Pd/Fe методом ДАП является отсутствие в приповерхностных слоях образцов примеси кислорода, которая наблюдалась при формировании структуры Cu/Al этим же методом [9].

На рис. 2 представлены участки спектров РОР от структур Pd/Fe, полученных при различных потоках ассистирующих ионов аргона, которые соответствуют сигналам от атомов подложки (Fe) и атомов покрытия (Pd).

С ростом интегрального потока ассистирующих ионов происходит уменьшение интегрального выхода обратного рассеяния ионов гелия от атомов палладия и сигнал от атомов железа сдвигается в сторону больших номеров каналов. Эти два факта отражают эффект распыления поверхности в процессе формирования структуры. С возрастанием интегрального потока ассистирующих ионов процессы распыления поверхности становятся более интенсивными. При достижении интегрального потока ионов аргона 1,6 • 1016 ион/см2 процессы распыления, как это видно из спектров РОР (рис. 2), играют существенную роль (распыляется ~30% атомов палладия). Эффективность распыления покрытия из палладия можно оценить средним коэффициентом распыления, который показывает количество атомов палладия, эмитированных с поверхности при падении на нее одного иона аргона. Экспериментально рассчитанный коэффициент распыления палладия составляет ~6, что близко к теоретически рассчитанному с помощью программы SRIM коэффициенту распыления атомов палладия [10].

Номер канала

Рис. 2. Спектр РОР ионов гелия от структуры Pd/Fe, полученной при различных Ф: 1 - 0,7 • 1016 ион/см2; 2 - 1,0 • 1016 ион/см2; 3 - 1,4 • 1016 ион/см2; 4 - 1,6 • 1016 ион/см2

Используя компьютерное моделирование [8], были построены концентрационные профили компонентов структуры Pd/Fe (рис. 3).

Глубина, нм а

0 10 20 30 40

Глубина, нм

б

Рис. 3. Распределение компонентов по глубине в структуре Fe/Pd, полученной при интегральном потоке ассистирующих ионов аргона: а - 0,7 • 1016 ион/см2; б - 1,6 • 1016 ион/см2

Элементный состав и распределение компонентов по глубине в структурах Pd/Fe

83

При облучении структур Р^е ионами Аг+ наблюдается проникновение атомов Pd в подложку из железа на глубину ~40-50 нм при всех используемых интегральных потоках. Проективный пробег ионов Аг+ в Бе с учетом страгг-линга пробега оценивается в ~(4,2 ± 2,4) нм. Следовательно, проникновение атомов палладия в железо превышает теоретически оцениваемое. Поэтому с учетом экспериментально определенной глубины распределения атомов палладия в сформированной структуре Pd/Fe можно сделать вывод о том, что, кроме механизма перемешивания атомов палладия и железа в каскаде атомных столкновений, важную роль играет механизм радиационно-сти-мулированной диффузии атомов покрытия (Pd) в подложку.

На основе данных РОР были рассчитаны слоевые концентрации компонентов структуры Pd/Fe. Расчеты производились для слоя толщиной ~40 нм. Данные расчетов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Слоевая концентрация (ат/см2) компонентов в структуре Fe/Pd, рассчитанная по данным РОР

На основе рассчитанных слоевых концентраций компонентов (табл. 1) была определена относительная концентрация компонентов в слое ~40 нм Pd/Fe-структуры. Данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Относительная концентрация (ат. %) компонентов в структуре Fe/Pd

Из экспериментальных данных видно, что сформированные структуры Pd/Fe содержат

~30-47 ат. % палладия, ~53-68 ат. % железа и ~0,5-1,2 ат. % аргона.

Заключение. Методом резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием установлено, что при осаждении палладиевого покрытия на железо методом динамического атомного перемешивания, в котором в качестве ассистирующих ионов использовались ионы Аг+ с энергией 6 кэВ и интегральными потоками (0,7-1,6) • 1016 ион/см2, формируется Pd/Fe-структура толщиной ~40 нм. Pd/Fe-структура содержит ~30-47 ат. % палладия, ~53-68 ат. % железа и ~0,5-1,2 ат. % аргона. При динамическом атомном перемешивании Pd/Fe-струк-туры наблюдается проникновение атомов железа в пленку палладия вследствие атомного перемешивания, проникновение атомов палладия в железо вследствие радиационно-стиму-лированной диффузии, а также распыление формируемой структуры. Установлено, что при интегральных потоках больше 1,6 • 1016 ион/см2 доминируют процессы распыления формируемых структур.

Литература

1. Элементный и фазовый состав системы цирконий/сталь, перемешанной воздействием компрессионных плазменных потоков /

B. В. Углов [и др.] // ФХОМ. - 2007. - № 1. -

C.40-45.

2. Тульев, В. В. Коррозионно-электрохи-мические свойства покрытий, полученных на сталях ионно-ассистированным осаждением Ti и Ti + Si в условиях саморадиации /

B. В. Тульев, В. В. Поплавский, И. С. Ташлы-ков // Взаимодействие излучения с твердым телом: материалы VI Междунар. конф., Минск, 3-5 окт. 2001 г. / Белорус. гос. ун-т. - Минск, 2001.- С. 312-314.

3. Соболь, О. В. Влияние условий получения на фазовый состав, структуру, механические характеристики вакуумно-дуговых покрытий системы Zr - Ti - Si - N / О. В. Соболь, А. Д. Погребняк, В. М. Береснев // Физика металлов и металловедение. - 2011. - Т. 112, № 2. -

C.199-206.

4. Элементный и фазовый анализ поверхности эластомера, модифицированного ионно-ассистированным нанесением Zr покрытий / О. Г. Бобрович [и др.] // ФХОМ. - 2011. - № 2. -С.46-50.

5. Gailliard, J. P. Recoil implantation and mixing / J. P. Gailliard // Surface Engineering. Surface Modification of Materials / ed. R. Kos-sowski, S. C. Singhal; Westinghouse R&D Center Materials Science Division. - Pittsburg, 1984. -Р. 32-47.

Ф, ион/см2 Fe Pd Ar

0,7 • 1016 2,0 • 1017 1,8 • 1017 2,0 • 1015

1,0 • 1016 2,2 • 1017 1,8 • 1017 2,3 • 1015

1,4 • 1016 2,3 • 1017 1,7 • 1017 2,8 • 1015

1,6 • 1016 2,7 • 1017 1,2 • 1017 4,6 • 1015

Ф, ион/см2 Fe Pd Ar

0,7 • 1016 52,5 47,0 0,5

1,0 • 1016 54,4 45,0 0,6

1,4 • 1016 56,8 42,5 0,7

1,6 • 1016 68,5 30,3 1,2

6. Тульев, В. В. Процессы атомного перемешивания и распыления при облучении структур Al-Cu ионами Ar+, Kr+, Xe+ /

B. В. Тульев, И. С. Ташлыков // Взаимодействие излучения с твердым телом: материалы III Междунар. конф., Минск, 6-8 окт. 1999 г.: в 2 ч. / Белорус. гос. ун-т. - Минск, 1999. - Ч. 2. -

C.160-162.

7. Тульев, В. В. Состав и распределение компонентов по глубине в Cu-Al структурах, формируемых методом ионного перемешивания / В. В. Тульев, И. С. Ташлыков // ФХОМ. -2000. - № 3. - С. 14-17.

8. Doolittle, L. R. A semiautomatic algorithm for rutherford backscattering analysis / L. R. Doo-

little // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. - 1986. -Vol. B15. - P. 227-234.

9. Тульев, В. В. Элементный состав структуры Cu/Al, сформированной динамическим атомным перемешиванием / В. В. Тульев, И. С. Таш-лыков // Взаимодействие излучения с твердым телом: материалы IX Междунар. конф., Минск, 20-22 сент. 2011 г. / Белорус. гос. ун-т. -Минск, 2011. - С. 327-329.

10. Ziegler, J. F. SRIM - The stopping and range of ions in matter / J. F. Ziegler, M. D. Ziegler, J. P. Biersack // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. -2010. - Vol. B268. - P. 1818-1823.

Поступила 27.02.2012