Модифицирование поверхности стали низкоэнергетическим ионным облучением перед нанесением углеродного покрытия

• Автор: Ковалева, Марина Геннадьевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Глава 1. Физические процессы модифицирования поверхности низкоэнергетическим ионным облучением перед нанесением тонких пленок. Основные теории и модели
1.1. Процессы модифицирования поверхности ионной бомбардировкой и нанесением покрытий. Методы повышения адгезии тонких пленок к подложкам

1.2. Основные физические процессы, происходящие при ионной бомбардировке

1.3. Основные физические модели процессов ионного распыления и имплантации. Методы компьютерного моделирования взаимодействия ион - твердое тело

Выводы к главе

Глава 2. Моделирование и экспериментальное исследование зависимостей коэффициента распыления поверхности стали ионами аргона, азота, воздуха, титана и алюминия от энергии ионов

2.1. Образование переходного слоя на границе покрытие - подложка

2.2. Оценочные расчеты коэффициентов распыления в зависимости от энергии ионов, основанные на основных положениях теории распыления Зигмунда
2.3. Компьютерное моделирование процессов распыления и образования радиационных дефектов в результате ионной бомбардировки
2.4. Зависимость коэффициента распыления поверхности стали 12Х18Н10Т ионами титана, алюминия, аргона и азота от энергии ионов и дозы ионного облучения, полученная экспериментальным путем

Приложение 2 Приложение
_ Л
Выводы к главе
Глава 3. Экспериментальное,исследование состава дефектного слоя
на поверхности стальной подложки и глубины внедрения ионов титана и алюминия при ионном облучении с помощью Оже-спектроскопии
Выводы к главе 3
Глава 4. Моделирование радиационно-стимулированной диффузии,
учитывающей влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением, на коэффициенты диффузии
Выводы к главе 4
Глава 5. Экспериментальное исследование износостойкости угле
родного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
5.1. Результаты экспериментальных исследований износостойкости 112 углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
5.2. Кинетическая модель изнашивания, учитывающая микромеха- 118 нику разрушения материалов, термоактивируемые кинетические процессы и процессы образования радиационных дефектов при ионном облучении
1 о?
Выводы к главе
1 О'У
Заключение
12^
Использованная литература Приложение

Актуальность темы. Технология нанесения тонких пленок в вакууме используется в электронике, в точном машиностроении для повышения срока службы деталей путем модифицирования поверхности, в медицине для повышения биологической совместимости имплантатов, а также в нанотехнологии. Углеродные покрытия, получаемые импульсным вакуумно-дуговым методом наиболее перспективны для применения в этих областях, так как обладают наибольшей твердостью, низким коэффициентом трения и химической инертностью. Однако эффективность применения углеродных покрытий в качестве твердых защитных покрытий в первую очередь определяется адгезионной прочностью их связи с подложкой. Поэтому вопросам повышения прочности адгезионной связи углеродных покрытий с подложкой, на которую они наносятся, посвящено большое количество исследований.
Для обеспечения достаточной прочности адгезии при нанесении углеродного покрытия химических методов очистки поверхности недостаточно, так как твердые пленки обладают высоким уровнем внутренних напряжений сжатия, приводящих к отслаиванию покрытия при достижении определенной толщины. Перспективным методом повышения прочности адгезионной связи покрытий с подложкой является облучение поверхности подложки ионными пучками. Эта операция применятся в технологии электронной промышленности, но как это ни парадоксально, анализ научной литературы показывает, что полного понимания физических процессов, происходящих на подложке и приводящих к повышению адгезионной прочности, пока нет. В частности, в научной литературе нет данных о влиянии дозы ионного облучения, применяемого перед нанесением углеродного покрытия на трибологические характеристики покрытия. Доза или флюенс определяет энергию, приносимую на подложку ионами, которая расходуется на ее нагрев, распыление поверхностного слоя, внедрение ионов в глубину материала, образование радиационных дефектов. Все перечисленные физические эффекты, в конечном итоге, и обуславливают процесс очистки по50 ’
1-200 кэВ). Хотя с увеличением энергии общее количество смещенных атомов возрастает, вероятность выхода атомов будет продолжать падать. В результате наступит момент, когда число эмитированных атомов при увеличении энергии ионов начнет уменьшаться. [53].
В работе [53, с. 100] указано, что коэффициент распыления зависит от массы атомов мишени М2 и атомного номера Zs мишени, а также от энергии связи поверхностных атомов Up, которая обычно полагается равной энергии сублимации. Так как энергия сублимации периодически изменяется с атомным номером Z2, то зависимость Yр [Z^ ) также имеет периодический характер.
Минимальные значения Yp имеют мишени с незаполненными наружными
электронными оболочками ( С, Ti, V, Zr} Mo, Nb, Ta, W ). Максимальными коэффициентами распыления обладают ионы с заполненной d - оболочкой и ионы инертных газов, у которых имеется заполненная р - оболочка с шестью электронами (Cu,Ag,Au) [53, с. 100]. Еще больше коэффициенты распыления у цинка и кадмия. Можно считать, что степень заполнения d - оболочки атома электронами определяет распыляемость материалов. Этим же параметром определяется энергия связи U0 атомов в материале [99]. КР пропорционально уменьшается с увеличением U0. Кроме того, важна структура мишени (аморфная, поликристаллическая, текстурированно-поликристаллическая, монокри-сталлическая). Так же коэффициенты распыления изменяются значительно сильнее в зависимости от природы ионов, чем в зависимости от природы атомов мишени [100, с.279, 257].
По мнению авторов работ [20,95], шероховатость поверхности материала тоже заметно влияет на коэффициент распыления даже при падении ионов по нормали к поверхности [53]. Шероховатые поверхности имеют меньший КР, чем гладкие. Это связано с частичным'улавливанием распыленных атомов соседними микронеровностями. Однако по мере удаления поверхностного слоя КР для поверхностей с различной чистотой обработки выравнивается (у глад-