автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Исследование и инженерия поверхности сорбентов (угли, геттеры, криослои), трековых мембран и пленок



На правах рукописи

Зилова Ольга Сергеевна

]

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ СОРБЕНТОВ (УГЛИ, ГЕТТЕРЫ, КРИОСЛОИ), ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН И ПЛЕНОК

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2003

ч

Работа выполнена на кафедре низких температур Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- доктор технических наук профессор Нестеров Сергей Борисович

- доктор технических наук профессор

Слепцов Владимир Владимирович

- кандидат технических наук Кряковкин Вячеслав Петрович

Ведущая организация

- Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Защита состоится « 17 » декабря 2003 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, в Малом актовом зале.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « /4 » 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук доцент

Мика В. И.

2ооЗ-(\

Ч5

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В таких системах, как установки управляемого термоядерного синтеза, имитаторы космоса, установки физики твердого тела, системы микроэлектроники, ускорительно-накопительные комплексы, для создания и поддержания сверхвысокого безмасляного вакуума используются криосорбенты. Свойства сорбентов будут определять откачные характеристики криовакуумной системы. обеспечивающей проведение технологического процесса.

В установках управляемого термоядерного синтеза применяются три основных вида сорбентов: активированные угли, геттеры и криос-лои легкоконденсируемых газов.

Активированный уголь считается одним из лучших сорбентов. Он используется в системе первичной откачки ИТЭР. В процессе эксплуатации на слой криосорбента действуют различные деструктивные факторы, такие, например, как циклическое термомеханическое воздействие в режимах откачка - регенерация (типичное для криосорбционных насосов), возможно также существование специфического деструктивного влияния Т2, которое связано с (3-облучением сорбента и накоплением в нем радиогенного ъНе. В связи с жесткими требованиями к ресурсу криосорбционнных панелей и стабильности - их вакуумно-физических характеристик, большое значение имеет изучение влияния этих воздействий на свойства криосорбентов из активированного угля, в том числе на структуру его поверхности. Помимо активированного угля в вакуумной системе ИТЭР используются также нераспыляемые геттеры для откачки Н2.

Альтернативным видом сорбентов в области термоядерного синтеза являются криослои десублимированных газов. Сорбпионные характеристики криослоев в значительной мере зависят от условий формирования. Таким образом, для получения сорбентов, обладающих наилучшими сорбционными характеристиками, необходимо уметь предсказывать форму поверхности и изменение ее в зависимости от условий осаждения криослоев.

Сорбенты являются объектами со сложной структурой поверхности, данные о которой приходится получать по косвенным данным - из экспериментов по сорбции. Однако проведение таких экспериментов сложная, энергоемкая и дорогостоящая задача. В связи с чем, в определенных случаях (например, для оценки действия эксплуатационных факторов) возможным путем упрощения решения задачи является изучение свойств сорбентов по состоянию внешней поверхности, данные о которой можно получать методами микроскопии. Эта шолие щи»!?: ;

етвАЛЬНАЯ |

БИБЛИОТЕКА | С.Петербург,. , | 09

нимо для твердых сорбентов, таких как активированный уголь и нерас-пыляемые геттеры, однако не подходит для криослоев, поскольку низкая температура (около 4 К) криоповерхности, совместно с малой толщиной и хрупкостью криослоя, делает подобную задачу крайне сложной в реализации. В связи с чем, актуальным является проведение моделирования возможной структуры криослоев с помощью метода пробной частицы Монте-Карло для анализа влияния на криослой различных условий осаждения, таких как тип источника, структура подложки и т.д.

Определение влияния на вид поверхности условий осаждения требуется не только при анализе структуры криослоев. Схожие задачи существуют также в области вакуумного нанесения покрытий. При этом изучение структуры поверхности необходимо при решении самых различных проблем, таких, например, как улучшение рабочих характеристик полимерных трековых мембран, создание наноуглеродных пленок на полимерных подложках, обладающих заданными свойствами (электрофизическими и бактерицидными), диагностика работы серийно выпускаемого оборудования по нанесению тонкопленочных покрытий. При этом помимо определения вида поверхности, требуется количественная ее характеристика. Параметров для описания топографии поверхности имеется достаточно много, проводить сопоставление различных поверхностей по всем ним неудобно.

Цель работы. С учетом вышеперечисленных проблем, требующих решения и характеризующих актуальность работы, можно определить ее цели:

1. проведение анализа микроструктуры поверхности материалов криогенной и вакуумной техники (криосорбентов, тонкопленочных покрытий, трековых мембран) для ее описания и определения влияния на микрорельеф факторов различного рода, таких как:

- условия формирования поверхности (криослои Аг и N2, нераспы-ляемые геттеры, полимерные трековые мембраны, наноуглеродные пленки на полимерных подложках, покрытия Al и 7ï, полученные на установках УВН-4М и УВН-4ЭД);

- воздействие эксплуатационных факторов (активированный уголь);

2. выработка на примере криосорбентов (криослои Аг и М, активированный уголь типа Chemviron, нераспыляемые геттеры на основе 77), полимерных трековых мембран (толщиной 23 мкм и 3 мкм и исходным размером пор 0,2 и 1,8 мкм, модифицированных покрытиями Al и Si), углеродных пленок (толщиной от 100 до 1200 Â, нанесенных

, .„.■■. на полиэтилентерефталат и тетрафторэтилен) и покрытий Al и Ti на

< î г

!

(V V )' • ** fil.'.

стекле (полученных на установках УВН-4М и УВН-4ЭД) подходов к сопоставлению поверхностей материалов криогенной и вакуумной техники в случае их модификации, а также выработка рекомендаций (и методик) по определению отдельных их характеристик (для криослоев).

Научная новизна. На основе фрактального анализа поверхностей, различающихся по различным параметрам (марке, материалу, методу и режиму создания рельефа поверхности, воздействию в процессе эксплуатации), была показана применимость фрактальной размерности для диагностики изменений, произошедших в структуре поверхности в результате инженерии (модификации с целью придания ей заданных свойств) или же в процессе эксплуатации.

На основе комплексного анализа топографии поверхности образцов активированного угля, подвергнутого различным воздействиям (экспозиции в Т2, £>2, термоциклированию, прогреванию при откачке), проведенного в диапазоне размеров от 80 нм до 100 мкм, было показано, что данным методом влияние деструктивных факторов на активированный уголь не обнаружено.

Впервые была проанализирована применимость 7 основных уравнений изотерм адсорбции к процессу сорбции 4Яе на криослоях А г и N2 и обоснован выбор уравнений Дубинина-Радушкевича-Каганера и теории объемного заполнения микропор при и=1, как наилучших для данных сорбентов.

Разработан алгоритм на базе метода статистических испытаний пробной частицы, позволяющий моделировать структуру криослоев и определять характер изменения их основных характеристик (плотности, удельной поверхности, размеров кристаллитов) в зависимости от толщины криослоя для разных условий осаждения.

Для полимерных трековых мембран на основе данных микроскопического исследования образцов с размерами пор 0,2 и 1,8 мкм и толщиной 23 и 3 мкм соответственно, была показана возможность инженерии поверхности нанесением тонкопленочных покрытий на основе Л и А1.

На основе микроскопического анализа поверхности углеродных пленок (толщиной от 100 до 1200 А), нанесенных на полиэтилентереф-талат и политетрафторэтилен, а также исходных подложек, подвергнутых различной обработке, была показана возможность наноструктури-рования поверхности и получения полимеров с заданными рельефными характеристиками поверхности.

Исследование поверхности тонкопленочных покрытий, полученных с помощью установок УВН-4М и УВН-4ЭД, показало возможность применения методов сканирующей зондовой микроскопии для диагностики режимов работы промышленного оборудования.

Практическая ценность. Изучение структуры поверхности активированного угля, подвергнутого экспозиции в Т2, проводилось рамках международной программы НИОКР в поддержку проекта ИТЭР. Полученные выводы об отсутствии значительных изменений в микроструктуре поверхности активированных углей после экспозиции вГ2и тер-моциклирования являются положительным результатом с точки зрения использования данного рода сорбентов.

Результаты работы по анализу топографии поверхности полимерных трековых мембран после их модификации тонкопленочными покрытиями предполагается использовать для улучшения характеристик трековых мембран, производимых ЛЯР им. Г.Н. Флерова (ОИЯИ).

Данные о характере микрорельефа поверхности углеродных пленок на полимерных подложках, полученных при различных условиях, предполагается использовать при разработке материалов, обладающих заданными электрофизическими свойствами и бактерицидностью, и создании на их основе изделий с улучшенными характеристиками для использования в технологиях РЭС и медико-биологических областях.

Рекомендации по применению уравнения Дубинина-Радушкевича-Каганера для случая адсорбции *Яе на криослоях Аг и И2 могут быть полезны инженерам-проектировщикам криосорбционных насосов.

Полученные в работе результаты используются в учебном процессе в Московском энергетическом институте (техническом университете) в курсах «Криовакуумная техника», «Расчет сложных вакуумных систем», «Основы нанотехнологии».

Автор защищает

- Результаты микроскопического исследования (в диапазоне от 0,1 мкм до 100 мкм) поверхности: активированного угля после различного рода воздействия (экспозиции в Тъ £>2, термоциклирования, прогревания при откачке); трековых мембран, подвергнутых модификации тонкопленочными покрытиями; углеродных пленок на полимерных подложках, полученных при различных условиях;

- Применимость фрактальной размерности для диагностики изменений, произошедших в структуре поверхности в результате инженерии или же в процессе эксплуатации;

- Для сорбции 4#е на криослоях аргона и азота в диапазоне температур и давлений наилучшим для использован™ является уравнение Дубинина-Радушкевича-Каганера.

- Компьютерную модель роста фрактальных структур, применительно к криослоям, для определения характера изменения основных параметров криослоев в зависимости от толщины покрытия.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств, апробированных методик измерения и расчетов, хорошей повторяемостью полученных результатов сканирования поверхности материалов и сравнением с данными, полученными разными методами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на VI, VII, VIII, IX научно-технических конференциях. «Вакуумная наука и техника» (Гурзуф, 1999 г. и Судак 2000, 2001, 2002, 2003 г.г.), VIII и IX Международных студенческих школах-семинарах. «Новые информационные технологии» (Судак, 1999 и 2000 г.г.), VII, VIII и IX Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001, 2002, 2003 г.г.), 20-м и 23-м заседаниях научног технического семинара «Электровакуумная техника и технология» (Москва, 2002 и 2003 г.г.), 7-й Международной конференции" по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С.-Петербург, 2002), XXVII и XXIX Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, 2001 и 2003 г.г.), 5-й Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2003 г.), V и VI Международных симпозиумах «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2002 и 2003 г.г.), Международном научно-практическом симпозиуме «Функциональные покрытия на стеклах» (Харьков, 2003 г.), XI Международной научно-техническ&й конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2003 г.г).

Публикации. По теме диссертации имеется 32 печатных работы, в том числе 15 статей и материалов в трудах конференций, 17 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения и имеет объем 244 стр., включая 118 рисунков и 43 таблицы. Библиография включает 141 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

!

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цели и поставлены задачи. Показана научная новизна и практическая значимость работы. Сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются современные методы определения микроструктуры поверхности твердого тела и дальнейшего ее опи-

сания. В настоящее время насчитываются десятки методов микроскопического исследования поверхности твердых тел. Поскольку необходимым является количественное описание структуры поверхности объектов, то подробно рассмотрены сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют получать трехмерные изображения поверхности. Для описания топографии поверхности, на данный момент, используются более 20 параметров (по ISO 4287/1, ANSI5.46.1, DINAHS и т.д.). Подробно рассмотрены метрические параметры (амплитудные, функциональные и пространственные), а также методы определения фрактальной размерности. Исходя из целей исследования, были выбраны методы исследования:

- сканирующая зондовая микроскопия;

- фрактальный анализ;

- обработка экспериментальных данных и метод Монте-Карло для моделирования структуры криослоев (рассматриваются в главе 3).

Во второй главе описываются сканирующие зондовые микроскопы (АСМ и СТМ), примененные для определения микроструктуры поверхности материалов криогенной и вакуумной техники (активированных углей, геттеров, трековых мембран и тонких пленок):

7MY-2100 «Ассигех» (пр. компании «TopoMetrix», США);

- СММ-2000 (пр. ЗАО «КПД», г. Зеленоград);

- «ФемтоСкан» (пр. «Центр перспективных технологий», МГУ);

- нанотехнологическая установка «Луч-2» (институт нанотехно-логий Международного фонда конверсии).

Данные микроскопы позволяют проводить исследования топографии поверхности в диапазоне размеров от 100 до 0,05 мкм с разрешением от 200 до 1000 точек (по X и Y). Достоверность результатов сканирования обеспечивается применением стандартных зондов, наличием сертификатов соответствия на микроскопы, тестированием на стандартных образцах, хорошей повторяемостью рельефа поверхности при сканировании, а также сравнением с данными, получаемыми на различном оборудовании (например, с помощью СЗМ и РЭМ).

В третьей главе на основе экспериментальных данных и с помощью методов моделирования рассматривается структура криослоев Аг и N2, применяемых для откачки 4Не, 2Не. Основной метод получения информации о структуре поверхности всех пористых сорбентов - обработка экспериментальных данных по сорбции. По ним, с помощью уравнений изотерм сорбции, оценивают сорбционные характеристики сорбентов. Уравнения изотерм сорбции используют также для оценки максимального количества газа, которое может поглотить данный сор-

бент в тех или иных условиях. Теорий сорбции существует много, и каждая из них содержит свои допущения и потому справедлива только для определенных веществ и в определенной области изменения параметров, из-за чего при выборе уравнения сорбции возникает вопрос об обоснованности его применения.

В связи с этим, для большого набора экспериментальных данных по криосорбции АНе на криослоях Аг и И2, полученных на кафедре НТ МЭИ, проводился анализ основных применяемых уравнений изотерм сорбции для определения уравнения, наилучшего для использования. Рассматривались уравнения: Генри, Фрейндлиха, Ленгмюра, полимолекулярной адсорбции БЭТ, теория Поляни, теория объемного заполнения микропор (ТОЗМ), уравнение Дубйнина-Радушкевича-Каганера (ДРК). Области изменения параметров в использованных экспериментах по криосорбции 4#е на Аг следующие: 00,1-7-9,04 % (определялось как отношение числа частиц адсорбата к числу частиц адсорбента); /?=8,87-10"ич-0,12 Па; Т=2,857*4,2 К,' 6=6-102Чз,75-1023 частиц/м2; для адсорбции на С=0,025*2,5 %; р=3-Ю:10ч-4 Па; Г=2,5+4,2 К,

0=1,125-102Чб-1024 частиц/м2. В результате обработки экспериментальных данных находились константы анализируемых уравнений, оценивалась погрешность аппроксимации.

Проведенный анализ показал, что применение для расчетов уравнений Ленгмюра, БЭТ, а также теории Поляни будет давать большую погрешность (более 30 %), поскольку первые два дают вид изотерм, качественно отличающийся от экспериментального, а теория Поляни не дает изменения наклона изотерм при изменении Температуры, которое наблюдается в эксперименте. Что касается уравнения Фрейндлиха, то оно неплохо описывает экспериментальные данные (погрешность аппроксимации от 3,9 до 30 % максимум для N2 и от 1,6 до 48,7 % максимум для Аг, для большинства изотерм погрешность около 10%). Погрешность аппроксимации здесь в основном обусловлена округлением константы п до целого числа. Самая большая погрешность соответствует случаям, когда п=2*4. Для всех изотерм п>\, что говорит о неприменимости уравнения Генри в данной области изменения параметров, т.к. уравнение Фрейндлиха переходит в уравнение Генри при и=1.

Уравнение ДРК по сравнению с уравнением Фрейндлиха лучше описывает экспериментальные данные (погрешность аппроксимации колеблется для от 2,7 до 10,5 % и для А г от 1,4 до 30,2 % максимум, а в основном она составляет 5-10 %). Кроме того, данное уравнение позволяет определить емкость монослоя а0, зная которую можно оценить удельную площадь поверхности сорбента ^ [м2/г] и размеры кри-

сталлитов 5. Полученные размеры кристаллитов и значения удельной площади поверхности в зависимости от толщины покрытия приведены на рис. 1. Как можно видеть, с увеличением толщины криослоя размер кристаллитов увеличивается, а удельная поверхность уменьшается, т. е. сорбционные характеристики ухудшаются.

„ 1000 •

С 100 • -

5

6

а ш 3

1.Е+21

1000

100

10

1

у = 8Е+15х"°,вз Я2 = 0,8448 Га азот I "аргон

ч.

■ » у = ЗЕ+10хадю9 Я2 = 0,9456

1.Е+21

1.Е+23

1.Е+26

Толщина криослоя, частиц/м

Толщина криослоя, частиц/м Рис. 1. Характеристики криоелоев аргона и азота различной толщины

По сравнению с уравнением ДРК, ТОЗМ при и=1 дает улучшение максимум на 4 %, т.е. незначительное, а в некоторых случаях она даже хуже. Константы уравнения (предельная адсорбционная способность а0 и характеристическая энергия Е) с увеличением толщины покрытия уменьшаются. Увеличение константы Е при уменьшении толщины криослоя говорит об уменьшении размеров пор, так как между размером пор и характеристической энергией Е существует строгая зависимость: чем мельче поры в адсорбенте, тем больше значение Е.

Поскольку экспериментальное изучение адсорбционных кривых позволяет определять средние характеристики криослоя, с помощью которых можно сравнивать различные сорбенты, но не позволяет получить внутреннюю структуру криослоя, то в связи с этим проводилось моделирование роста криослоя на основе метода пробной частицы Монте-Карло, по аналогии с методами построения фрактальных кластеров. Стандартный алгоритм построения фрактальных кластеров следующий: задается область построения, в этой области вводится затравка, после чего случайным образом задаются условия вылета частиц, при попадании частиц на растущий кластер и выполнении условий прилипания частицы фиксируются. При применении данного алгоритма конкретно к криослоям необходимо введение в общий алгоритм модификаций и дополнений, учитывающих особенности рассматриваемой задачи (условий формирования криослоя в эксперименте и необходимости определения характеристик, аналогичных находимым из изотерм

сорбции). Исходя из всего этого, был выработан алгоритм моделирования внутренней структуры криослоя, позволяющий определять характер изменения параметров криослоя (таких как размер кристаллита, относительная плотность и удельная площадь поверхности) в зависимости от его толщины и изучать влияние на вид и характеристики криослоя таких факторов, как:

- тип источника (рассматривался точечный и плоский, на расстоянии до подложки Н=20^-60 масштабных единиц (м.е.));

, - структура подложки (бралась гладкая, с отражающей стенкой,

высотой /г0=0тЮ м.е., и шероховатая, получаемая оцифровкой данных сканирования на СЗМ поверхности образцов меди марки М1, а также » других материалов, рассматриваемых в работе);

- условия прилипания на подложке (для гладкой поверхности рассматривался рост на зародышах, при этом на зародышах а„рил=1, а на остальной поверхности - апрШ1=0, и для шероховатой поверхности рассматривались случаи, когда на поверхности и апрИл=уаг);

Задача решалась в трехмерной постановке. Размер области построения криослоя составлял 240x240x240 ячеек или 10x10x10 м.е.3; траектории осаждаемых частиц брались прямые; коэффициент прилипания април на поверхности криослоя брался равным 1; считалось также, что при вылете из источника и при отражении от подложки молекулы подчиняются диффузному закону распределения.

На рис. 2-6 приведены некоторые результаты, полученные с помощью моделирования, в частности, сечения криослоя, полученные в процессе моделирования для различных случаев и зависимости характеристик от толщины криослоя. На основе результатов моделирования было показано, что приближение источника вылета частиц к поверхности приводит к увеличению рыхлости образующейся структуры. Изменение расстояния от поверхности до источника может служить способом изменения закона распределения для частиц при «влете» в область ^ построения криослоя. Сравнение формы криослоя, получаемой при

росте на затравках на гладкой поверхности и росте на шероховатой поверхности без ввода затравок, показывает, что при достижении определенной толщины покрытие имеет схожую структуру поверхности. При коэффициенте прилипания на поверхности равном 1, удельная площадь поверхности криослоя различается незначительно для различных поверхностей (при одинаковой толщине покрытия), т.е. степень шероховатости влияет мало.

Рис. 2. Центральное сечение криослоя (плоский источник) 4т

Рис. 4.. Центральное сечение криослоя (поверхность - медь, скан 5,5x5,5 мкм1), Ц,р=1 1,Е+07 •

И

ВТ «

X

&

§ 6.Е+06

X

а о

2.Е+06 • 1,Е+18

6 -5

\ ч! 2 ""1

2 млн. частиц

Рис. 3. Центральное сечение криослоя (точечный источник) 4т

N2

X

Рис. 5. Центральное сечение криослоя (подложка - покрытие &'02) скан 1,2x1,2 мкм2), а^р=уаг 0,4-

0,2

0,0

• > / / /4

•5 Г у ¿¿Г 2 1

1.Е+19 1.Е+20 1,Е+21

Толщина криослоя, частиц/м

1.Е+18 1.Е+19 1,Е+20 1.Е+21 ' Толщина криослоя, частиц/м2

1 - Си, плоский источник, Н~60 м е; 4 - /10=5 м е., зародыш в центре и на высоте

2 - Ь0=0 м е., точечный источник, Н=60 м е; 2 м.е, плоский источник, Н=60 м.е.;

3 -Л0=0 м е., плоский источник, Н=60 м е.; 5 - /!0=о м е,, плоский источник, №=20 м е;

6 -покр|ытие й/Ог, а„р«л=уаг, плоский

источник, Н=60 м е

Рис. 6. Характеристики криослоев, полученные при различных параметрах моделирования

Уменьшение коэффициента прилипания на поверхности ведет к тому, что сращивание отдельных «кустов» происходит медленнее. Удельная площадь поверхности, полученная по результатам моделирования, с увеличением толщины криослоя уменьшается, как и при рассмотрении экспериментальных данных. Разница между зависимостями удельной площади поверхности от толщины криослоя, полученными при различных условиях, на начальном этапе невелика (удельная площадь поверхности уменьшается примерно с одинаковой скоростью для . всех кривых), затем различие увеличивается (разница доходит до 48 %).

Наибольшая удельная площадь поверхности получается при использовании плоского источника вылета частиц. • Четвертая глава работы посвящена рассмотрению топографии по-

верхности таких традиционных для криовакуумной техники сорбентов, как активированные угли типа Скетуггоп и нераспыляемые геттеры на основе 7г, используемые в системе первичной откачки ИТЭР. Для них, как и для криослоев важным является состояние поверхности сорбента. Однако, в отличие от криослоев, структуру внешней поверхности данных сорбентов вполне можно получить с помощью методов микроскопического исследования. Ее вид может содержать важные диагностические данные о влиянии на сорбент различных факторов.

В работе исследовалось 5 образцов активированного угля, подвергнутых различному воздействию, которое в процессе эксплуатации может вызывать деструкцию поверхности сорбента и привести к ухудшению его сорбционной емкости (в частности рассматривался вопрос о влиянии Т2 на поверхность активированного угля). Для сравнения использовался образец без обработки. Оценивалась возможность диагностировать изменения в структуре поверхности сорбентов по состоянию его внешней поверхности. Изучаемые образцы предоставлялись Иссле-" довательским центром в Карлсруэ, выполняющим разработку системы

первичной откачки ИТЭР. Основным оборудованием при проведении ^ исследования являлся микроскоп ТМХ-2100 «Лссигех». В качестве

вспомогательного оборудования, для получения изображения поверхности на масштабах менее 2 мкм использовались микроскопы «Фемто-Скан», СММ-2000 и нанотехнологическая установка «Луч-2». Для каждого образца получали от 1 до 5 сканов поверхности с размерами от 100x100 мкм до 2x2 мкм. Сканирование поверхности на максимальных размерах сканов позволяло получить обзорные изображения для получения общей информации о структуре рельефа (для этих целей использовался также оптический микроскоп АхюуеН 25 СА). Для выделения особенностей топографии поверхности уменьшали поле сканирования.

На основе каждого изображения проводился комплексный анализ > топографии поверхности, который включал в себя анализ профиля линии, взятого в некотором направлении, измерение пиков и впадин, определение шероховатости и площади поверхности, оценку радиуса, характерного для данного рельефа поверхности, построение кривой покрытия и функции плотности спектра, а также фрактальный анализ и ■. анализ «зерен». В результате, был получен комплекс характеристик поверхности для шести образцов активированных углей в зависимости • от масштаба измерений в диапазоне размеров от 2 до 100 мкм. Средне-квадратическое отклонение Яс/ и угол характерных особенностей в зависимости от размера скана показаны на рис. 7. Фрактальная размер- -ность поверхности образцов приведена в таблице 1. •

Таблица 1. Фрактальная размерность поверхности образцов активированного угля__

Образец Описание образца о.

25 Экспозиция в £>2 при давлении 150торр в течение 15 суток; рх*=2,Ы010 Па с, Г=298 К 2,0220

26 , Обезгаживание, экспозиция в Тг: />хг=б-106 Па-с, определение остаточного трития при Г=423 К 2,0354

27 Экспозиция в £>2 при давлении 150торр в течение 15 суток;рхт=2,Ы0'° Па-с, Т=298 К 2,0454

29 Экспозиция в Т2 при давлении 600 Па в течение 200 суток при температуре жидкого азота; термоциклирование 2,0341

32 Прогревание при откачке в течение 7,0 часов: /МО'1 торр, Г=423 К 2,0236

78 Без обработки 2,0158

2 '

X

2

5-«1

А ■

1 А А 1

1 №25 №27 №32 =В-ш Я № 2£ 1 №29 1 №7!

25 50 75 Размер скана, мкм

00 0 25 50 75 100 Размер скана, мкм

Рис. 7. Характеристики топографии поверхности образцов

активированного угля

Анализ характеристик топографии поверхности показал, что максимальное различие по топографическим характеристикам между образцами составляет 60 % при разбросе значений в рамках образца до

±30 %, при этом для образца № 78, высотные характеристики особенностей («зерен») меньше, чем для других образцов; для образца № 26 шероховатость, фрактальная размерность, а также угол и высота характерных особенностей больше, чем для образца № 29; образец № 32 по своим характеристикам наиболее близок к образцу № 29; образец № 27 обладает наиболее развитой поверхностью.

Поскольку различие между образцами (активированный уголь, подвергнутый экспозиции в 02 и экспозиции в Т2) находится в пределах погрешности, то можно сделать вывод, что данными методами деструктивное воздействие Г2 на активированный уголь не обнаружено.

В данной главе также рассматривалась структура поверхности не-распыляемых геттеров различных марок (4Т63, 5Т55, Т41, Т44). Фрактальный анализ поверхности данных геттеров показал, что степень разветвленное™ рельефа поверхности у них примерно одинакова, поскольку значения фрактальной размерности близки (Аг=2,023+2,090), в связи с чем, для сопоставления с сорбционными характеристиками требуются также другие данные о поверхности. Исходными данными при исследовании фрактальных свойств поверхностей нераспыляемых геттеров являлись трехмерные массивы точек, Полученные с помощью туннельного микроскопа СММ-2000.

В пятой главе рассматривается использование методов сканирующей зондовой микроскопии и фрактального анализа, примененных при исследовании поверхностей твердых сорбентов, для решения других задач, существующих в области вакуумной техники, схожих по своим целям с теми, что существуют для рассмотренных криосорбентов (определение вида поверхности и количественное ее описание для изучения влияния на структуру поверхности различных факторов). Рассматривалось три практических задачи: определение изменений микрорельефа поверхности трековых мембран при нанесении на них тонкопленочных покрытий, исследование структуры поверхности наноуглерод-ных пленок на полимерных подложках и изучение качества тонкопленочных покрытий на стекле, полученных на установках магнетронного и вакуумного плазменно-дугового осаждения. При этом на данных примерах проверялась возможность применения фрактальной размерности в качестве обобщенной характеристики при сравнении поверхностей и оценке степени влияния на получаемую структуру различных факторов, таких как состояние исходной поверхности и методы и режимы нанесения покрытий.

' Изучение влияния на структуру поверхности условий формирования для наноуглеродных пленок на полимерных подложках необходи-

мо для корреляции получаемого микрорельефа с электрофизическими и бактерицидными свойствами данных пленок и создания на основе этих пленок изделий с улучшенными характеристиками (для использования в технологиях РЭС и медико-биологических областях).

Исследование с помощью атомно-силового микроскопа «Фемто-Скан» различных образцов углеродных пленок (толщиной от 100 до 1200 А), нанесенных на полиэтилентерефталат (ПЭТФ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ), а также исходных подложек, подвергнутых различной обработке показало, что нанесение покрытия, в первый момент времени, приводит к сглаживанию микронеровностей поверхности (шероховатость уменьшается), а далее, с ростом толщины пленки, вы" сота неровностей начинает увеличиваться, причем диаметр конгломератов почти не изменяется, однако, при достижении некоторой толщины размер зерна увеличивается. Предварительная обработка поверхности подложки с помощью СР.4 приводит к различному действию: уменьшению шероховатости исходной поверхности для ПЭТФ и увеличению шероховатости для ПТФЭ. При этом при достаточно длительной обработке поверхность после нанесения покрытия имеет большую ' шероховатость, чем без предварительной обработки. Увеличение длительности предварительной обработки увеличивает шероховатость поверхности, получаемой после осаждения покрытия. Предварительное нанесение на подложку слоя А1203 позволяет получать поверхность с сильно развитым рельефом. Шероховатость поверхности при этом увеличивается почти в 100 раз по сравнению с пленкой, наносимой непосредственно на поверхность. Все эти изменения в структуре поверхности вызывают однозначное изменение фрактальной размерности.' При чем показатель а=Пр-2 показывает, насколько поверхность сглаживается или наоборот разрыхляется в процессе воздействия. При осаждении углеродного слоя (до 700 А) показатель а=В^-2 по сравнению с исходной поверхностью без обработки увеличивается в 11,6 раза; при предварительной обработке в СЬ\ показатель а для исходной подложки увеличивается в 2,7-6,1 раза (в зависимости от времени обработай), совместное действие осаждения и обработки приводит к увеличению показателя а до 17,2 раза (при толщине углеродного слоя в 700 А и времени обработки - 10 мин), предварительное осаждение слоя Л1203 увеличивает значение а более чем в 300 раз (при толщине углеродного слоя в 700 А). Таким образом, несмотря на то, что абсолютное значение а невелико, его удобно использовать для сопоставления вида поверхности до и после проведенной модификации. А сочетание фрактальной размерности со среднеквадратичным отклонением, дающим характер-

нуто высоту деталей на поверхности, позволяет достаточно полно представить происходящие изменения.

Вторая рассмотренная задача связана с проблемой уменьшения размера пор трековых мембран нанесением на их поверхность тонкопленочных покрытий для увеличения селективности разделения, решение которой также требует изучения изменений структуры поверхности, происходящих при модификации. Проведенное с помощью микроскопа «ФемтоСкан» исследование поверхности трековых мембран, модифицированных покрытиями на основе Яг и А1, показало уменьшение размеров пор от 1.5 раз и до полного их заращивания (для различных образцов), что доказывает возможность инженерии поверхности нанесением тонкопленочных покрытий. Рассмотрение непосредственно структуры поверхности покрытий, показало, что покрытие из А1 имеет меньшую фрактальную размерность (показатель а=£)^-2 в 1,4-7,4 раза меньше), нежели покрытие на основе что свидетельствует о большей гладкости покрытия из А1 (при этом уровень шероховатости у сравниваемых поверхностей примерно одинаков). Кроме того, размер зерна для А1 больше, нежели для 5? (в 1,2-2,9 раза при одинаковой толщине покрытий). Если сравнивать с исходной поверхностью, то осаждение на поверхности исходной мембраны покрытия увеличивает разветвлен-ность поверхности (т. е. увеличивает удельную площадь поверхности), о чем свидетельствует рост фрактальной размерности (показатель а=Ор-2 после осаждения покрытия увеличивается в 1,9-5,3 раза, если сравнивать стороны с покрытием и без покрытия модифицированной пленки, и в 51-69 раз, если сравнивать с исходной трековой мембраной). Таким образом, в данном случае а также можно использовать для сопоставления вида поверхности до и после модификации.

Еще одной группой объектов исследования являлись покрытия из А1 и 77 на стекле, полученные на серийно выпускаемых в ОАО «Ваку-уммаш» (г. Казань) установках УВН-4М и УВН-4ЭД. Необходимость определения топографии поверхности в данном случае связано с высокими требованиями, предъявляемыми к качеству готовых изделий, косвенным критерием которого является структура покрытия. Исследование с помощью микроскопа «ФемтоСкан» топографии поверхности покрытий .4/ и ТУ на стекле, полученных на оборудовании магнетронно-го распыления УВН-4М с протяженным источником ионов, показало ухудшение качества покрытия по мере удаления поверхности подложки от источника подачи рабочего газа (Аг). Сопоставление структуры поверхности покрытий, полученных при разных режимах, показало, что увеличение времени напыления дает увеличение высоты зерен в 1,3-2

раза, горизонтальные размеры изменяются незначительно; зернистость покрытия из AI значительно больше, нежели у покрытия из Ti, при этом шероховатость покрытия из Ti в 4-6 раз меньше шероховатости покрытия из А1. Сравнение покрытий, полученных на установках УВН-4М и УВН-4ЭД, показало структурную разницу покрытий, при этом покрытия, наносимые с помощью установки УВН-4ЭД отличаются значительно более высоким уровнем шероховатости (значения шероховатости выше более чем 40 раз) из-за наличия в структуре покрытий атомарной капельной составляющей продуктов эрозии дугового испарителя. Размеры капель (горизонтальные) при этом составляли от 100 нм до 1-2 мкм, а максимальная высота микронеровностей - 290 нм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Применение СЗМ (АСМ и СТМ) и фрактального анализа к образцам криосорбентов (таких как активированный уголь типа Chemviron, нераспыляемые геттеры на основе Ti), трековых мембран (толщиной 23 мкм и 3 мкм и исходным размером пор 0,2 и 1,8 мкм соответственно, модифицированных покрытиями А1 и Si), углеродных пленок (толщиной от 100 до 1200 А нанесенных на ПЭТФ и ПТФЭ) и покрытий А1 и Ti на стекле показало, что сочетание этих методов позволяет проводить 1 ' количественный экспресс-анализ состояния поверхности и изменений в рельефе поверхности, происходящих после воздействия на нее.

С помощью метода статистических испытаний пробной частицы, модифицированного для случая криослоев, получены вид возможной внутренней структуры криослоя и зависимости основных характеристик криослоев (плотности, удельной площади поверхности) от толщины покрытия для разных условий осаждения (тип источника, вид поверхности осаждения, коэффициент прилипания на поверхности). По' казано уменьшение удельной площади поверхности при увеличении толщины криослоя, различие в удельной площади по разным моделям составляет максимум 48 %.

Показано, что для криосорбции 4Не на криослоях Аг и N2 уравнение ДРК является наилучшим для использования (погрешность менее 10 %), хорошо описывает экспериментальные данные также уравнение ТОЗМ при степени п-1 и уравнение Фрейндлиха.

Изучение внешней поверхности активированного угля (проведенное на масштабах от 80 нм до 100 мкм) показало отсутствие значительных изменений в ее структуре (максимальное различие по топографическим характеристикам между образцами составляет 60 % при

разбросе значений до ±30 %) после экспозиции в Тъ термоциклирова-ния и действия других деструктивных факторов, возможных при эксплуатации (по крайней мере, в течение 200 суток).

Применение СЗМ в сочетании с фрактальным анализом показало возможность использования тонкопленочных покрытий для инженерии поверхности в случае полимерных трековых мембран (с исходными размерами пор 0,2 и 1,8 мкм и толщиной 23 и 3 мкм, при этом уменьшение размеров пор происходит от 1,5 раз до полного заращивания для разных образцов) и углеродных пленок на полимерных подложках (развитость рельефа поверхности при нанесении покрытия, а также проведении предварительной обработки подложки и нанесении вспомогательного покрытия, может увеличиваться от 2 до 50 раз).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Об уравнении изотерм сорбции гелия на криослоях азота и аргона. // Материалы Седьмой научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. - 2000. - С. 128-134.

2. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Изотермы сорбции гелия-4 на криослоях азота и аргона. Сборник докладов 5-ой Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (ICVTE-5). -Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст». - 2002. - С. 35-42.

3. Нестеров С.Б., Зилова О. С., Андросов A.B. Моделирование роста криослоев. // Сборник докладов 6-ой Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (ICVTE-6). - Харьков: ННЦ ХФТИ, «Констаната». - 2003. - С.26-29.

4. Хомутов A.B., Андросов A.B., Зилова О. С., Нестеров С.Б. Анализ роста криослоев. // Материалы X научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. - 2003. - Т. 1. -С. 161-164.

5. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Определение фрактальной размерности поверхностей сорбентов. // Материалы VIII Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. - 2001. - С. 30-36.

6. Нестеров С. Б., Кеменов В. Н., Зилова О. С., Ануфриева И. В. Изучение топографии поверхности сорбентов с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии. // Сборник докладов 5-ой Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (ICVTE-5). - Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст». - 2002. - С. 29-34.

0.ООЗ -ft

ït^R

20

P17 5 1 t

7. Нестеров С. Б., Зилова О. С., Елинсон В. М. Исследование метрологических характеристик поверхности тонкопленочных покрытий , методом АСМ. // Доклады 5-й Международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - М: ИПРЖР. - 2003. - Т. 2. - С. 489-491.

8. Елинсон В.М., Нестеров С.Б., Цибенко С.С., Драчев А.И., Зилова О. С. Электрофизические свойства и топография поверхностных углерод-полимерных наноструктур. // Материалы IX научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. - 2002. - С. 384-389.

9. Елинсон В.М., Кузнецов Р.И., Нестеров С.Б., Зилова О. С. Исследо- 1 вание рельефа поверхности полиэтилентерефталата и политетраф- | торэтилена при различных условиях предварительной обработки » поверхности и различной толщине пленки углерода. // Материалы

X научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. - 2003. - Т. 1. - С. 236-242.

10. Кеменов В.Н., Нестеров С.Б., Капустин Е.Н., Зилова О. С. Исследование структуры поверхности тонкопленочных покрытий методом сканирующей зондовой микроскопии. // Материалы IX научно- [ технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ.-2002.-С. 153-158.

11. Кеменов В.Н., Нестеров С.Б., Зилова О. С., Капустин Е.Н. Исследование качества тонкопленочных покрытий, полученных на уста- ' новках магнетронного и вакуумного плазменно-дугового осаждения, с использованием метода СЗМ. // Сборник докладов Международного научно-практического симпозиума «Функциональные покрытия на стеклах» (FCG-1). - Харьков: ННЦ ХФТИ, «Констана-

та».-2003.-С.113-117.

12. Зилова О. С., Кеменов В.Н., Нестеров С. Б. Применение методов сканирующей зондовой микроскопии и фрактального анализа для изучения и описания поверхности материалов криогенной и ваку- '' умной техники. // Материалы IX Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России». - М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш». - 2003. - Т. 2. - С. ' 199-204.

13. Зилова О. С., Кеменов В.Н., Нестеров С. Б. Подходы к изучению и описанию поверхности материалов, применяемых в вакуумной технике. // Материалы X Научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». - М.: МГИЭМ. - 2003. - Т. 1. - С. 152156.

Подписано в печать Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы.

Цель работы.

Научная новизна.

Практическая ценность.

Автор защищает.

Достоверность полученных результатов.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем работы.

1. Современное состояние вопроса по исследованию и описанию микроструктуры поверхности твердого тела.

1.1. Современные методы исследования микроструктуры поверхности.

1.1.1. Сканирующая туннельная микроскопия .:.

1.1.2. Сканирующая туннельная спектроскопия.

1.1.3.Атомно-силовая микроскопия.

1.2. Современная система характеристик для описания поверхности твердого тела.41'

1.2.1. Амплитудные параметры.

1.2.2. Функциональные параметры.

1.2.3.Пространственные параметры.

1.2.4. Фрактальные параметры.

Практически любое изделие, аппарат, система имеют набор поверхностей. В одних случаях достаточно знать макрохарактеристики поверхностей системы, в других необходимо иметь информацию еще и об их микроструктуре. Рельеф поверхности может оказывать значительное влияние на характеристики систем и процессов.

На данный момент инженерия поверхности [1] является одним из наиболее перспективных и бурно развивающихся направлений современного материаловедения, обслуживающим различные области науки и отрасли народного хозяйства - физику, химию, биологию, медицину, микроэлектронику, машиностроение, металлургию и т.д. Инженерия поверхности, как отдельное научно-техническое направление, включает в себя:

1. комплекс оборудования и методов, обеспечивающих эффективное воздействие на поверхность материала с целью придания ей необходимых свойств;

2. комплекс оборудования и методов, обеспечивающих нанесение многофункциональных покрытий: плазменных, ионно-плазменных, электронно-лучевых, ионно-лучевых, лазерных, гальванических, химических, химико-термических и газофазных;

3. различные методы диагностики и прогнозирования как собственно модифицированного поверхностного слоя, так и объемных характеристик материала по состоянию его поверхности.

Если рассматривать задачи, связанные с диагностикой поверхности, то здесь можно выделить несколько важных направлений:

1. Изучение влияния на микроструктуру поверхности методов и режимов создания и модификации поверхности. При этом в результате исследования необходимо сделать выводы об оптимальности выбранных условий создания поверхности или воздействия на нее, а также при необходимости дать рекомендации по дальнейшему направлению работ по модификации поверхности для получения структур с заданными свойствами.

2. Изучение влияния на микроструктуру поверхности различного рода факторов, связанных с эксплуатацией (а также хранением) изделий, систем, установок, которые могут приводить к ухудшению их характеристик. При этом в результате исследования необходимо сделать выводы о влиянии этих факторов на структуру поверхности.

3. Изучение влияния уже самой микроструктуры поверхности на различные характеристики систем и процессов. При этом целью исследования является установление корреляции с другими характеристиками поверхности или целиком системы (например, с интегральным коэффициентом прилипания и проводимостью системы, с электрофизическими свойствами поверхности и т.д.) или просто определение микрорельефа для учета его при определении параметров системы или процессов.

При этом решение подобных задач требует:

1. Экспериментального изучения образцов с помощью методов микроскопического исследования. В этом случае возникает необходимость выбора метода микроскопического исследования, наиболее адекватного поставленной задаче.

2. Описания полученной топографии поверхности с помощью определенного набора характеристик. При этом встает проблема формирования системы характеристик, используемой для описания поверхности, ее задания и сравнения с другими поверхностями.

3. Моделирования микроструктуры поверхности для изучения влияния ее на характеристики рассматриваемой системы, в случае, если прямое экспериментальное исследование по каким-либо причинам затруднено или невозможно, а также, если необходимо упрощенное задание поверхности. Тогда встает задача выбора метода моделирования для создания методики, учитывающей особенности конкретной задачи.

Актуальность проблемы

Для создания и поддержания сверхвысокого безмасляного вакуума в таких системах, как экспериментальные установки термоядерного синтеза, имитаторы космоса, установки физики твердого тела, системы микроэлектроники, ускорительно-накопительные комплексы и т.д., используются сорбенты. Свойства сорбентов будут определять откачные характеристики вакуумной системы, обеспечивающей проведение технологического процесса. В процессе эксплуатации на сорбенты воздействуют различные факторы, которые могут приводить к ухудше9 нию сорбционных характеристик, уменьшению, вследствие этого, сроков эксплуатации вакуумного оборудования или даже к выходу из строя всей системы целиком. В связи с этим, на этапе проектирования систем необходимо знать исходные свойства и характеристики сорбентов, влияние на эти характеристики условий получения сорбентов, а также возможное ухудшение свойств сорбентов в процессе эксплуатации. Химическая природа и структура поверхности будут определять сорбционные характеристики сорбента. Таким образом, одним из важных направлений исследований в данной области является анализ структуры поверхности сорбентов, ее количественное описание для выявления тенденций изменения ее характеристик в зависимости от различных факторов.

В экспериментальных установках термоядерного синтеза применяются три основных вида сорбентов: активированные угли, геттеры и криослои легкокон-денсируемых газов.

Активированный уголь на данный момент считается одним из лучших сорбентов. Он используется в качестве криосорбента в системе первичной откачки ИТЭР. В процессе эксплуатации слой криосорбента, наряду с типичным для крио-сорбционных насосов фактором циклического термомеханического воздействия в режимах откачка - регенерация, испытывает также специфическое деструктивное влияние трития, которое связано с бэта-облучением сорбента и накоплением в нем радиогенного гелия-3. Эти обстоятельства особо существенны ввиду жестких требований к ресурсу криосорбционнных панелей и стабильности их вакуумнофизических характеристик. В связи с этим большое значение имеет изучение

10 влияния различного рода воздействий на свойства криосорбентов из активированного угля, в том числе на структуру его поверхности. В вакуумной системе ИТЭР используются также нераспыляемые геттеры для откачки Н2.

Альтернативным видом сорбентов в области термоядерного синтеза являются криослои десублимированных газов. Преимуществами данного рода сорбентов перед другими являются простота формирования и регенерации, отсутствие пыли. Адсорбция на криослоях легкоконденсируемых газов является одним из перспективных методов откачки трудноконденсируемых газов (таких как 3Не, 4Не). Криослои в качестве сорбентов используются, например, в экспериментальной установке JET (Англия). Сорбционные характеристики криослоев в значительной мере зависят от условий формирования. Таким образом, для получения сорбентов, обладающих наилучшими сорбционными характеристиками, необходимо уметь предсказывать форму поверхности и изменение ее в зависимости от условий осаждения криослоев.

Сорбенты являются объектами со сложной структурой поверхности, данные о которой приходится получать по косвенным данным — из экспериментов по сорбции. Однако проведение таких экспериментов сложная, энергоемкая и дорогостоящая задача. В связи с чем, в определенных случаях возможным путем упрощения решения задачи является изучение свойств сорбентов по состоянию внешней поверхности. Метод сканирующей зондовой микроскопии, появившийся сравнительно недавно, позволяет помимо изображения поверхности получать количественные характеристики для дальнейшего сравнения степени воздействия на

11 поверхность изучаемых факторов и определения различий в структуре поверхности сорбентов различных марок.

Криослои имеют крайне сложную структуру сорбирующей поверхности. Непосредственное наблюдение этой поверхности с помощью методов микроскопии затруднено из-за малой толщины и хрупкости криослоя, а также низкой температуры (около 4 К) криоповерхности. В связи с этим актуальным является проведение моделирования возможной структуры криослоев с помощью метода пробной частицы Монте-Карло по аналогии с методами построения фрактальных кластеров для выявления тенденций изменения характеристик криослоев при увеличении толщины покрытия и определения влияния на форму поверхности условий осаждения, таких как структура подложки, тип источника и т.д.

Определение влияния на вид поверхности условий осаждения требуется также при решении задач, связанных с нанесением покрытий. При этом нанесение покрытий может использоваться для самых различных целей: улучшение рабочих характеристик полимерных трековых мембран, создание наноуглеродных пленок на полимерных подложках, обладающих заданными свойствами (электрофизическими и бактерицидными), диагностика работы серийно выпускаемого оборудования по нанесению тонкопленочных покрытий и выбор наилучшего режима осаждения.

Трековые мембраны, изготавливаемые в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова облучением полимерных пленочных материалов ускоренными на циклотроне У-400 тяжелыми ионами и их последующей физико-химической

12 обработкой, имеют большое прикладное значение. Они широко применяются в процессах тонкой очистки воздуха, газообразных и жидких технологических сред для производства интегральных микросхем и полупроводниковых приборов других типов, в процессах разделения и анализа компонентов газовых смесей. В криогенной технике трековые мембраны используются при изготовлении экрано-вакуумной теплоизоляции. Перспективным направлением исследований является изучение возможности уменьшения размера пор трековых мембран нанесением на их поверхность различного рода покрытий для увеличения селективности разделения. При решении данной задачи возникает необходимость в фиксации и изучении изменения структуры поверхности при различных условиях.

Помимо этого, покрытия используются при решении других задач. Так, одним из важных и интересных направлений исследований, имеющихся в данной области в настоящее время, является изучение влияния микрорельефа поверхности на биоактивность и электрофизические свойства углерод-полимерных наноструктур с целью создания на их основе изделий с улучшенными характеристиками для использования в технологиях РЭС и медико-биологических областях. Углерод-полимерные наноструктуры получают нанесением ионно-плазменными методами углеродных пленок на полимерные подложки, такие, например, как поли-этилентерефталат и политетрафторэтилен. Для решения данной задачи требуется изучение топографии поверхности углеродных пленок разной толщины, полученных при различных условиях (с использованием и без предварительной обработки поверхности подложки, нанесения вспомогательного покрытия).

Покрытия требуются также при производстве зеркал. На сегодняшний день функциональные и декоративные покрытия на стекло требуются в самых различных областях. Спрос существует как на зеркальные и тонирующие покрытия, так и на различные многослойные системы, например, на многослойные антибликовые покрытия для автомобильных зеркал. При этом высокое качество покрытия является непременным требованием к готовым изделиям. Структура поверхности является косвенным критерием, позволяющим получить информацию о качестве рассматриваемого покрытия и диагностировать процесс нанесения. В связи с этим, для выбора наилучших режимов работы оборудования по нанесению покрытий, такого, например, как серийно выпускаемые установки УВН-4М и УВН-4ЭД можно использовать результаты топографических исследований поверхности.

Таким образом, для решения целого ряда важных научно-технических задач необходимо исследование топографии поверхности материалов и количественный ее анализ. Однако параметров, используемых для описания поверхности достаточно много, что создает определенные неудобства в случае, если необходимо сравнить несколько поверхностей между собой.

Цель работы

С учетом вышеперечисленных проблем, характеризующих актуальность работы, можно определить ее цели:

1. Проведение анализа известных методов изучения и описания поверхности твердого тела, определение возможности применимости фрактальной размерности в качестве характеристики для сравнения поверхностей, различающихся по различным параметрам (по марке, материалу, методу и режиму создания рельефа поверхности, воздействию в процессе эксплуатации).

2. Проведение комплексного исследования поверхности материалов криогенной и вакуумной техники (сорбентов, тонкопленочных покрытий, трековых мембран) для определения влияния на нее различных факторов, таких как:

- марка сорбента (для нераспыляемых геттеров);

- воздействие эксплуатационных факторов (для активированного угля);

- материал покрытия, параметры режима осаждения и вид исходной поверхности (для полимерных трековых мембран, подвергнутых модификации покрытиями);

- параметры режима осаждения, структура исходной поверхности и ее обработка (для наноуглеродных пленок на полимерных подложках);

- методы и режимы осаждения покрытий (для покрытий, полученных на установках магнетронного и плазменно-дугового осаждения в вакууме).

3. Построение модели формирования криослоев с использованием методов фрактальной геометрии для определения тенденции изменения их характеристик;

4. Анализ применимости различных теорий, используемых для описания процессов адсорбции, на основе экспериментальных данных по криосорбции гелия-4 на криослоях азота и аргона.

Научная новизна

1. На основе фрактального анализа поверхностей, различающихся по различным параметрам (по марке, материалу, методу и режиму создания рельефа поверхности, воздействию в процессе эксплуатации), была показана применимость фрактальной размерности для диагностики изменений, произошедших в структуре поверхности в результате инженерии (модификации с целью придания ей заданных свойств) или же в процессе эксплуатации.

2. На основе комплексного анализа топографии поверхности образцов активированного угля, подвергнутых различного рода воздействию (экспозиции в тритии, дейтерии, термоциклированию, прогреванию при откачке), проведенного в диапазоне размеров от 80 нм до 100 мкм, было показано, что данными методами влияние деструктивных факторов на активированные угли не обнаружено.

3. Впервые была проанализирована применимость 7 основных уравнений изотерм адсорбции к процессу сорбции гелия-4 на криослоях аргона и азота и обоснован выбор уравнений ДРК и теории объемного заполнения микропор при и=1, как наилучших для данных сорбентов.

4. Разработан алгоритм на базе метода статистических испытаний пробной частицы, позволяющий моделировать структуру криослоев и определять характер изменения их основных характеристик (плотности, удельной поверхности, размеров кристаллитов) в зависимости от толщины криослоя.

5. Для полимерных трековых мембран на основе данных микроскопического исследования образцов с размерами пор 0,2 и 1,8 мкм и толщиной 23 и 3 мкм соответственно, была показана возможность инженерии поверхности нанесением тонкопленочных покрытий из алюминия и на основе кремния.

6. На основе микроскопического анализа поверхности углеродных пленок (толщиной от 100 до 1200 А), нанесенных на полиэтилентерефталат и политетрафторэтилен, а также исходных подложек, подвергнутых различной обработке, была показана возможность наноструктурирования поверхности и получения полимеров с заданными рельефными характеристиками поверхности.

7. Исследование поверхности тонкопленочных покрытий, полученных с помощью установок магнетронного и плазменно-дугового осаждения в вакууме, показало возможность применения методов сканирующей зондовой микроскопии для диагностики режимов работы промышленного оборудования.

Практическая ценность

1. Изучение структуры поверхности активированного угля, подвергнутого экспозиции в тритии, проводилось в рамках международной программы НИОКР в поддержку проекта ИТЭР. Полученные выводы об отсутствии значительных изменений в микроструктуре поверхности активированных углей после экспозиции в тритии и термоциклирования являются положительным результатом с точки зрения использования данного рода сорбентов.

2. Результаты работы по анализу топографии поверхности полимерных трековых мембран после их модификации тонкопленочными покрытиями предполагается использовать для улучшения характеристик трековых мембран, производимых Лабораторией ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (ОИЯИ).

3. Данные о характере микрорельефа поверхности углеродных пленок на полимерных подложках, полученных при различных условиях, предполагается использовать при разработке материалов, обладающих заданными электрофизическими свойствами и бактерицидностью, и создании на их основе изделий с улучшенными характеристиками для использования в технологиях РЭС и медико-биологических областях.

4. Рекомендации по применению уравнения Дубинина-Радушкевича-Каганера для случая адсорбции гелия-4 на криослоях азота и аргона могут быть полезны инженерам-проектировщикам криосорбционных насосов.

5. Диагностика поверхности тонкопленочных покрытий из титана и алюминия, полученных с помощью серийно выпускаемых установок УВН-4М и УВН-4ЭД (ОАО «Вакууммаш», г. Казань), показало ухудшение качества покрытий при удалении от центра подложки для установки УВН-4М.

Полученные в работе результаты используются в учебном процессе в Московском энергетическом институте (техническом университете) в курсах «Крио-вакуумная техника», «Расчет сложных вакуумных систем», «Основы нанотехно-логии».

Автор защищает

- Результаты микроскопического исследования (в диапазоне 0,1-4-100 мкм) поверхности: активированного угля после различного рода воздействия (экспозиции в тритии, дейтерии, термоциклирования, прогревания при откачке); трековых мембран, подвергнутых модификации тонкопленочными покрытиями; углеродных пленок на полимерных подложках, полученных при различных условиях;

- Применимость фрактальной размерности для диагностики изменений, произошедших в структуре поверхности в результате инженерии (модификации с целью придания ей заданных свойств) или же в процессе эксплуатации;

- Для сорбции гелия-4 на криослоях аргона и азота в диапазоне температур и давлений наилучшим для использования является уравнение Дубинина-Радушкевича-Каганера.

- Компьютерную модель роста фрактальных структур, применительно к криос-лоям, для определения характера изменения основных характеристик криосло-ев в зависимости от их толщины.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств, апробированных методик измерения и расчетов, хорошей повторяемостью полученных результатов сканирования поверхности материалов и сравнением с данными, полученными разными методами.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены на VI, VII, VIII, IX, X научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Гурзуф, 1999 г. и Судак 2000, 2001, 2002, 2003 г.г.), VIII и IX Международных студенческих школах-семинарах «Новые информационные технологии» (Судак, 1999 и 2000 г.г.), VII, VIII и IX Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001, 2002, 2003 г.г.), 20-м и 23-м заседаниях научно-технического семинара «Электровакуумная техника и технология» (Москва, 2002 и 2003 г.г.), 7-й Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С.-Петербург, 2002), XXVII и XXIX Международных молодежных научных конференциях «Га-гаринские чтения» (Москва, 2001 и 2003 г.г.), 5-й Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2003 г.), V и VI Международных симпозиумах «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2002 и 2003 г.г.), Международном научно-практическом симпозиуме «Функциональные покрытия на стеклах» (Харьков, 2003 г.), XI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2003 г.г).

Публикации

По теме диссертации имеется 32 печатных работы, в том числе 15 статей и материалов в трудах конференций, 17 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения и имеет объем 244 стр., включая 118 рисунков и 43 таблицы. Библиография включает 141 наименование.

5.4. Выводы по главе 5

1. На основе микроскопического анализа поверхности углеродных пленок (толщиной от 100 до 1200 А), нанесенных на полиэтилентерефталат и политетрафторэтилен, а также исходных подложек, подвергнутых различной обработке, была показана возможность наноструктурирования поверхности и получения полимеров с заданными рельефными характеристиками поверхности.

2. Нанесение покрытия, в первый момент времени, приводит к сглаживанию микронеровностей поверхности (шероховатость уменьшается), при дальнейшем росте толщины пленки высота неровностей увеличивается, при этом диаметр конгломератов остается примерно одинаков, однако при достижении некоторой толщины размер зерна увеличивается.

3. Предварительная обработка поверхности подложки с помощью CF4 приводит к различному действию: уменьшению шероховатости исходной поверхности для полиэтилентерефталата и увеличению шероховатости для политетрафторэтилена. При этом при достаточно длительной обработке поверхность после нанесения покрытия имеет большую шероховатость, чем без предварительной обработки. Увеличение длительности предварительной обработки увеличивает шероховатость поверхности, получаемой после осаждения покрытия.

4. Предварительное нанесение на подложку слоя AI2O3 позволяет получать поверхность с сильно развитым рельефом. Шероховатость поверхности при этом увеличивается почти в 100 раз по сравнению с пленкой, наносимой непосредственно на поверхность.

5. Исследование поверхности тонкопленочных покрытий, полученных с помощью установок магнетронного и плазменно-дугового осаждения в вакууме, показало возможность применения методов сканирующей зондовой микроскопии для диагностики режимов работы промышленного оборудования.

6. Сравнение покрытий, полученных на установках УВН-4М и УВН-4ЭД, показало структурную разницу покрытий, при этом покрытия, наносимые с помощью установки УВН-4ЭД отличаются значительно большим уровнем шероховатости (значения шероховатости отличаются более чем 40 раз), зернистость покрытия из алюминия значительно больше, нежели у покрытия из титана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощь методов СЗМ проведен комплексный анализ поверхностей материалов криогенной и вакуумной техники (сорбентов, тонкопленочных покрытий, трековых мембран) для определения влияния на их структуру различного рода факторов и получены следующие результаты:

1. На основе фрактального анализа поверхностей, различающихся по различным параметрам (по марке, материалу, методу и режиму создания рельефа поверхности, воздействию в процессе эксплуатации), была показана применимость фрактальной размерности для диагностики изменений, произошедших в структуре поверхности в результате инженерии (модификации с целью придания ей заданных свойств) или же в процессе эксплуатации.

2. В связи с тем, что для разных марок сорбентов значения фрактальной размерности близки, т.е. степень разветвленности рельефа поверхности примерно одинакова, то для сопоставления с сорбционными характеристиками требуютс ся также другие данные о поверхности.

3. На основе комплексного анализа топографии поверхности образцов активированного угля, подвергнутых различного рода воздействию (экспозиции в тритии, дейтерии, термоциклированию, прогреванию при откачке), проведенного в диапазоне размеров от 80 нм до 100 мкм, было показано, что данными методами влияние деструктивных факторов на активированные угли не обнаружено.

4. На основе систематических экспериментальных результатов был осуществлен подбор уравнения для криосорбции 4Не на криослоях. Показано, что уравнение Дубинина-Радушкевича-Каганера является наилучшим для использования, хорошо описывает экспериментальные данные также уравнение теории объемного заполнения микропор при степени п= 1, кроме того, для описания изотерм адсорбции можно применять эмпирическое уравнение Фрейндлиха.

5. Разработан алгоритм на базе метода статистических испытаний пробной частицы, позволяющий моделировать структуру криослоев и определять характер изменения их основных характеристик (плотности, удельной поверхности, размеров кристаллитов) в зависимости от толщины криослоя. Показано уменьшение удельной сорбционной емкости при увеличении толщины покрытия, что совпадает с данными, полученными из экспериментов.

6. Для полимерных трековых мембран на основе данных микроскопического исследования образцов с размерами пор 0,2 и 1,8 мкм и толщиной 23 и 3 мкм соответственно, показана возможность инженерии поверхности нанесением тонкопленочных покрытий из алюминия и на основе кремния. Уменьшение размеров пор происходит от 1,5 раз до полного заращивания (для разных образцов).

7. На основе микроскопического анализа поверхности углеродных пленок (толщиной от 100 до 1200 А), нанесенных на полиэтилентерефталат и политетрафторэтилен, а также исходных подложек, подвергнутых различной обработке, была показана возможность наноструктурирования поверхности и получения полимеров с заданными рельефными характеристиками поверхности. Опреде

229 лено, что развитость рельефа поверхности при нанесении покрытия, а также проведении предварительной обработки подложки и нанесения вспомогательного покрытия, может увеличиваться при этом от 2 и до 50 раз. 8. Исследование поверхности тонкопленочных покрытий, полученных с помощью установок магнетронного и плазменно-дугового осаждения в вакууме, показало возможность применения методов сканирующей зондовой микроскопии для диагностики режимов работы промышленного оборудования. Качества покрытия, полученных на установке УВН-4М, может значительно ухудшаться по мере удаления от центра подложки. Сравнение покрытий показало структурную разницу покрытий, при этом покрытия, наносимые с помощью установки УВН-4ЭД отличаются значительно большим уровнем шероховатости (значения шероховатости отличаются более чем 40 раз), зернистость покрытия из алюминия значительно больше, нежели у покрытия из титана.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Нестерову С.Б. за постановку задачи и постоянную помощь в работе, научному консультанту д.т.н. Кеменову В.Н. и д.т.н. Саксаганскому Г.Л. за постоянный интерес к работе и консультации, к.т.н. Андросову А.В. и к.т.н. Васильеву Ю.К. за помощь в проведении вычислений, к.т.н. Качалину Г.В. и Тер-Арутюнову Б.Г. за помощь в проведении исследований на оптическом микроскопе Axiovert 25 СА, д.т.н. Алексенко А.Г., к.т.н. Патрикееву JI.H., Кузькину В. И. за помощь в проведении исследований на установке «Луч-2», к.т.н. Филатову Д. О. и Гущиной Ю. Ю. за помощь в проведении исследований на микроскопе ТМХ-2100 «Ассигех».

1. Новые материалы. / Колл. авторов. Под ред. Ю.С. Карабасова. - М.:МИСИС. -2002.-736 с.

2. Захарьевский А.Н. Интерферометры. М., 1952.

3. Франсон М. Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы. Пер. с франц.-М., 1960.

4. Люминесцентный анализ. / Сб. статей под редакцией М.А. Константиновой-Шлезингер. — М., 1961.

5. Мюллер Э. Автоионная микроскопия. // Успехи физических наук. -1967. -Т. 92.-Вып. 2.-С. 293.

6. Изюмов Ю.А., Озеров Р.П. Магнитная нейтронография. М., 1966.

7. Липеон Г., Кокрен В. Определение структуры кристаллов. Пер. с англ. М., 1961.

8. Бокий Г.Б., Порай-Кошиц М.А. Рентгеноструктурный анализ. М., 1964.

9. Гинье А. Рентгенография кристаллов. Пер. с франц. М., 1961.

10. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. М., 1969.

11. Ровинский Б.М., Лютцау В.Г., Ханонкин А.А. Рентгенографические методы исследования структурных несовершенств и дефектов решетки в кристаллических материалах. // Аппаратура и методы рентгеновского анализа. 1971. -Вып. 9.-С. 3-35.

12. Гущо Ю.П. Фазовая рентгенография. М., 1974.

13. Лютцау В.Г. Рентгеновская теневая микроскопия включений, неоднородности состава зерен и примесей по их границам. // Заводская лаборатория. -1959.-Т. 25.-С. 3.

14. Вайнштейн Б.К. Структурная электронография. М., 1956.

15. Ведринский Р.В. Как исследуют расположение атомов в поверхностных слоях твердых тел. // Соросовский образовательный журнал. 1997. - №7. - С. 103-108.

16. Ведринский Р.В. EXAFS-спектроскопия новый метод структурного анализа. // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - №5. -С. 80-84.

17. Солдатов А.В. От спектроскопии EXAFS к спектроскопии XANES: новые возможности исследования материи. // Соросовский образовательный журнал.- 1998.-№12.-С. 101-104.

18. Цирельсон В.Г. Прецизионный рентгеноструктурный анализ кристаллов. // Соросовский образовательный журнал. 2000. - Т. 6. - №6. - С. 98-104.

19. Афанасьев В.П. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел. // Соросовский образовательный журнал. 1999. — №2. - С. 110-116.

20. Неудачин В.Г., Попов Ю.В., Смирнов Ю.Ф. Электронная импульсная спектроскопия атомов, молекул и тонких пленок. // Успехи физических наук. -1999. Т. 169. -№10. — С. 1112-1139.

21. Еловиков С.С. Оже-электронная спектроскопия. // Соросовский образовательный журнал. 2001. - Т. 7. - №2. - С. 82-88.

22. Черепанов В.И. Резонансные методы исследования вещества. // Соросовский образовательный журнал. 1997. - №9. - С. 86-90.

23. Воронов В.К. Ядерный магнитный резонанс. // Соросовский образовательный журнал. 1996.-№10.-С. 70-75.

24. Акциперов О.А. Нелинейная оптика поверхности металлов и полупроводников. // Соросовский образовательный журнал. 2000. — Т. 6. - №12. - С.71-78.

25. Валянский С. И. Микроскоп на поверхностных плазмонах. //Соросовский образовательный журнал. 1999. - № 8. - С. 76-82.

26. Биннинг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия — от рождения к юности — Нобелевские лекции по физике 1996. УФН, т. 154 (1988), вып.2, с. 261-278

27. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Сканирующая зондовая микроскопия (обзор). // «Вестник МЭИ». -М.: МЭИ. 2003 (принято к публикации).

28. Суслов А.А., Чижик С.А. Сканирующие зондовые микроскопы. // Материалы, технологии, инструменты. 1997. - № 3. - С. 78- 89.

29. Галлямов М. О., Яминский И. В. Сканирующая зондовая микроскопия: основные принципы, анализ искажающих эффектов.

30. Арутюнов П. А., Толстихина A. JL Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов микро- и наноэлектроники. Часть I. // Микроэлектроника. 1999 - Т. 28. - № 6. - С. 405-414.

31. Арутюнов П. А., Толстихина A. JI. Атомно-силовой микроскоп — универсальное средство измерения физических величин в мезоскопическом диапазоне длин. // Датчики и Системы. ИКА.- 2000 -№ 4. С. 39-48.

32. Филатов Д. О., Круглов А. В., Гущина Ю. Ю. Методы сканирующей зондо-вой микроскопии: Учеб. пособие. Н. Новгород: Изд. ННГУ, 2001 - 33 с.

33. Бухараев А. А., Овчинников Д. В., Бухараева А. А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор). // Заводская лаборатория. 1997. - № 5. - С. 10-27.

34. Бухараев А. А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии (обзор). // Заводская лаборатория. 1994. - Т. 60. — № 10. -С. 15-25.

35. Балагуров Д. Б., Ключник А. В., Лозовик Ю. Е. Теория сканирующей емкостной микроскопии. // Физика твердого тела. 2000. - Т. 42, вып. 2. - С. 361366.

36. Дедков Г. В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели. // Успехи физических наук. Июнь 2000. - Т. 170. - № 6. - С. 585618.

37. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. / Под ред. И.В. Ямин-ского. М.: Научный мир, 1997. - 87 с.

38. Howland R., Benatar L. A practical guide to scanning probe microscopy. // Park Scientific Instruments. 1996.

39. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Описание лабораторной работы. / Сост. Д. О. Филатов, А. В. Круглов. Н. Новгород: НОЦ СЗМ Нижегородского государственного университета, 2001. - 22 с.

40. Трубецков Д. И. Вакуумная микроэлектроника. // Соросовский образовательный журнал. 1997. - № 4. - С. 58-64.

41. Лифшиц В. Г. Современные приложения сканирующей туннельной микроскопии для анализа и модификации поверхности. // Соросовский образовательный журнал.-2001.-Т. 7. — № 5.-С. 110-116.

42. Лабораторная работа № 2. Освоение методики работы на сканирующем туннельном микроскопе (СТМ). // Институт нанотехнологий Международного Фонда Конверсии. 2001. - 18 с.

43. Бахтизин Р. 3. Сканирующая туннельная микроскопия новый метод изучения поверхности твердых тел. // Соросовский образовательный журнал. -2000. - Т. 6. - № 11. - С. 83-89.

44. Столяров В. В., Зилова О. С., Кузькин В. И. Особенности спектроскопических измерений в сканирующей туннельной микроскопии. // Научная сессия МИФИ-2002 / Сборник научных трудов. М.: МИФИ. - 2002. - Т. 4. -С. 184-185.

45. Hamers R.J., Tromp R.M., Demuth J.E. Surface electronic structure of Si(lll) -(7x7) resolved in real space. // Phys. Rev. Lett. 1986. - V.56. - P. 1972.

46. Исследование топографии поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме. Описание лабораторной работы. / Сост. Д. О. Филатов, А. В. Круглов, Ю. Ю. Гущина. Н. Новгород: Изд. ННГУ, 2001.-22 с.

47. Арутюнов П. А., Толстихина A. JI. Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов микро- и наноэлектроники. Часть И. // Микроэлектроника. 2000 - Т. 29. - № 1. - С. 13-22.

48. Арутюнов П. А., Толстихина A. JI. Конструктивные и электрофизические характеристики датчиков силы в атомно-силовой микроскопии. // Микроэлектроника. 1998 - Т. 27. - № 4. с. 304-316.

49. NT-MDT Co. Catalog-2001. Zelenograd Research Institute of Physical Problem, Moscow, Russia. - 31 p.

50. Дедков Г. В., Кясов А. А. Электромагнитные флуктуационно-диссипативные силы между нанозондом и поверхностью. // Физика твердого тела. 2001. -Т.43, вып. 3. - С. 536-542.

51. Демидов В. Н., Арутюнов П. А. Нормативная документация в области метрологических характеристик поверхности твердого тела при измерениях в сканирующей зондовой микроскопии. // Автоматизация и современные технологии. 2002. -№ 7. - С. 27-34.

52. Арутюнов П. А., Толстихина А. Л., Демидов В. Н. Система параметров для анализа шероховатости и микрорельефа поверхности материалов в сканирующей зондовой микроскопии. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов 1999. - Т. 65. - № 9. - С. 27-35.

53. Олемской А. И., Флат А. Я. Использование концепции фрактала в физике конденсированной среды. // Успехи физ. наук. 1993. - Т. 163. - №12. - С. 150.

54. Морозов А.Д. Введение в теорию фракталов. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. - 160 с.

55. Федер Е. Фракталы.- М.: Мир, 1991.

56. Пайтген Х.-О., Рихтер П. X. Красота фракталов. Образы комплексных динамических систем. Пер. с англ.-М.: Мир, 1993.

57. Фракталы в прикладной физике./ Под. общ. ред. А. Е. Дубинова.- Арзамас: ВНИИЭФ, 1995.

58. Hobson J.P. Theoretical isotherms for physical adsorption at pressures below Ю"10 torn- J. Vac. Sci. Technol., vol. 3, №5, pp.281-284.

59. Hobson J.P. Analysis of ultrahigh vacuum isotherm data with the Brunauer-Emmett- Teller equation. J. Vac. Sci. Technol. A, voll4, no. 3, May/Jun 1996, pp 1277-1280.

60. Hobson J.P. Calculated physical adsorption isotherm of neon and radon on a heterogeneous surface J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 15, no. 3, May/Jun 1997, pp 728-730.

61. Hobson J.P. Physical adsorption isotherm extending from ultrahigh vacuum to vapor pressure., J. Phys. Chem. 73, 2720 (1969).

62. Wallen E. Adsorption isotherms of H2 and mixtures of H2, CH4, CO, and C02 on copper plated stainless steel at 4.2 K- J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 14, no. 5, Sep/Oct 1996, pp 2916-2929.

63. Каганер M. Г. Новый метод определения удельной поверхности адсорбентов и других мелкодисперсных веществ. // Ж. физ. Химии. 1959. - Т. 33. - №10. -С. 2202-2210.

64. Нестеров С.Б. Криосорбция изотопов гелия. Физические особенности и практические приложения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, МЭИ, 2000,420 с.

65. Нестеров С.Б., Крюков А.П. Откачка гелия и водорода слоями сконденсированных газов. // Вакуумная техника и технология. 1994. - Т.4. - №4. - С. 323.

66. Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулин Е. И. Криогенные системы: Основы теории и расчета. М.: Машиностроение, 1988.

67. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники.-М.: Химия, 1984.

68. Серпионова Е. Н. Промышленная адсорбция газов и паров М.: Высш. Школа, 1969.

69. Хэфер Р. Криовакуумная техника. Пер. с нем.-М.: Энергоатомиздат, 1983.

70. Дубинин М.М. Адсорбция и пористость. (Учебное пособие) М.: Изд. ВАХЗ, 1972.

71. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Об уравнении изотерм сорбции гелия на криос-лоях азота и аргона. // Материалы Седьмой научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». -М.: МГИЭМ. 2000. - С. 128-134.

72. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Уравнения изотерм сорбции гелия на криослоях азота и аргона. // Тезисы докладов VIII Международной студенческой школы- семинара «Новые информационные технологии». М.: МГИЭМ. — 2000. -С. 158.

73. Зилова О. С. Исследование процесса сорбции в условиях низких температур и высокого вакуума. // Тезисы докладов XXVII Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения». М.: МАТИ. - 2001. — Т. 6. -С. 63.

74. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Изотермы сорбции гелия-4 на криослоях азота иаргона. // Proceedings of 5th International Conference "Vacuum Technologies and237

75. Equipment". Kharkov: NSC "Kharkov Institute of Physics and Technology".2002. P. 35-42.

76. Нестеров С.Б., Зилова О. С., Андросов А.В. Моделирование роста криослоев. // Proceedings of 6th International Conference "Vacuum Technologies and Equipment". Kharkov: NSC "Kharkov Institute of Physics and Technology". - 2003. -P. 26-29.

77. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Фрактальный рост криослоев. // Тезисы докладов IX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: МЭИ.2003.-С. 26.

78. Хомутов А.В., Андросов А.В., Зилова О. С., Нестеров С.Б. Анализ роста криослоев. // Материалы X научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника».-М.:МГИЭМ.-2003.-Т. 1.-С. 161-164.

79. Третьяков Ю. Д. Дендриты, фракталы и материалы. // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. - № 11с. 96-102.

80. Золотухин И.В., Калинин Ю.А., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: Учебное пособие. — Воронеж: Изд. ВГУ, 2000. -360 с.

81. Шапник М.С. Металлокластеры. // Соросовский образовательный журнал. -1999.-№5.-С. 54-59.

82. Османов О.М. Наглядное моделирование фрактальных структур. // Успехи физических наук.-1995.-Т. 165.-№9. -С. 1095-1097.

83. Марголин А.Д. Медленный электрический пробой вдоль поверхности полимерных диэлектриков. // Соросовский Образовательный Журнал. — 1997. -№4.-С. 79-82.

84. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1991.

85. Witten Т.А., Sander L.M. Diffusion-Limited Aggregation, a Kinetic Critical Phenomenon. // Phys. Rev. Lett. 1981. - V. 47. - P. 1400-1403.

86. Void M.J. // J. Colloid and Interface Sci. 1959 - V. 14. - P. 168.

87. Void M.J. // J. Colloid and Interface Sci. 1963 - V. 18. - P. 684.

88. Sutherland D.N.// J. Colloid and Interface Sci. 1966 - V. 22. - P. 300.

89. Белко A.B., Никитин A.B. Анализ генерации фрактальных структур, полученных методом Виттена-Сандера.

90. Botet R., Jullien R., Kolb M. Gelation in Kinetic growth models. // Phys. Rev. -1984, Ser. A. V. 30. - P. 2150-2152.

91. Jullien R., Kolb M. // J. Phys. 1984, Ser. A. - V. 17. - P. L639.

92. Brown W.D., Ball R.C.//J. Phys.- 1985, Ser. A.-V. 18.-P.L517.

93. Richter R. et al. // Bull. Am. Phys. 1983. - V. 28. - P. 261.

94. Sander L .M., С heng Z .M., R ichter R. D iffusion-limited a ggregation in three d i-mensions. // Phys. Rev. 1983, Ser. В. - V. 28. - P. 6394-6396.

95. Garik P. Anisotropic growth of diffusion-limited aggregates. // Phys. Rev. 1985, Ser. A. - V. 32. - P. 1275-1278.

96. Jullien R., Kolb M., Botet R. // J. Phys. (Paris). 1984. - V. 45. - P. L211.

97. Jullien R., Kolb M. Unified Description of Static and Dynamic Scaling for Kinetic Cluster Formation. // Phys. Rev. Lett. 1984. - V. 53. - P. 1653-1656.

98. Kim S.G., Brock J.R. Growth of Ferromagnetic Particles from Cation Reduction by Borohydride Ions. // J. Colloid and Interface Sci. 1986 - V. 116. - P. 431-443.

99. Влияние формы и агрегации частиц серебра на усиление спектров комбинационного рассеяния и второй гармоники. /Акимов И.А., Баранов А.В., Дубнов В.М., Петров В.И., Сулабе Е.А. // Оптика и спектроскопия. 1987. - Т. 63.-Вып. 6.-С. 1276-1279.

100. Meakin P. The effects of rotational diffusion on the fractal dimensionality of structures formed by cluster-cluster aggregation. // J. Chem. Phys. 1984. - V. 81. - P. 4637-4639.

101. Meakin P. Effects of cluster trajectories on cluster- cluster aggregation: A com-parision of linear and Brownian trajectories in two-and three dimensional simulation. // Phys. Rev. - 1984, Ser. A. - V. 29. - P. 997.

102. Miyasima M., Meakin P., Family F. Aggregation of oriented anisotropic particles. //Phys. Rev. 1987, Ser. A.-V.36.-P. 1421-1427.

103. Family F. // Computer Simulation Studies in Condensed Matter Physics / Ed. By D.R. Landau, K.K. Mon, H.B. Schuttler. Berlin.: Springer-Verlag, 1988. - P. 65.

104. Family F., Meakin P. Scaling of the Droplet-Size Distribution in Vapor-Deposited Thin Films. // Phys. Rev. Lett. 1988. - V. 61. - P. 428-431.

105. Helgesen G., Skjeltorp A.T., Mors P.M. et al. Aggregation of Magnetic Microspheres: Experiments and Simulations. // Phys. Rev. Lett. 1988. — V. 61. — P. 1736-1739.

106. Eriksson A.B., Johnson M. Scaling law for aggregates of magnetic particles. // Phys. Rev. Lett. 1989. - V. 62. - P. 1698.

107. Meakin P., Jullien R. The effects of restructuring on the geometry of clusters formed by diffusion-limited, ballistic, and reaction-limited cluster-cluster aggregation. // J. Chem. Phys. 1988. - V. 89. - P. 246-250.

108. Meakin P. The effects of random bond breaking on diffusion limited cluster-cluster aggregation. // J. Chem. Phys. 1985. - V. 83. - P. 3645-3649.

109. Meakin P. Diffusion-controlled deposition on fibers and surfaces. // Phys. Rev. -1983, Ser. A. -V. 27. P. 2616-2623.

110. Weitz D.A. et al. Dynamics of Diffusion-Limited Kinetic Aggregation. // Phys. Rev. Lett. 1984.-V. 53.-P. 1657-1660.

111. Meakin P. Diffusion-controlled deposition on surfaces/ Cluster-size distribution, interface exponents, and other properties. // Phys. Rev. 1984, Ser. В. - V. 30. -P. 4207-4214.

112. Devillard P., Stanley H.E. First-order branching in diffusion-limited aggregation. // Phys. Rev. 1987, Ser. A. - V. 36. - P. 5359-5364.

113. Kolb M., Herrmann H.J. Surface fractals in irreversible aggregation. // Phys. Rev. Lett. 1987. - V. 59. - P. 454-457.

114. Meakin P. Diffusion-limited surface deposition in the limit of large anisotropy. // Phys. Rev. 1986, Ser. A. - V. 33. - P. 1984-1989.

115. Нестеров С. Б., Васильев Ю. К., Андросов А. В., Расчет сложных вакуумных систем. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 180 с.

116. Столяров В. В., Зилова О. С., Гущина Ю. Ю., Филатов Д. О. Исследование влияния атмосферы трития на поверхность активированного угля. // Научная сессия МИФИ-2002. / Сборник научных трудов. М.: МИФИ. - 2002. - Т. 4. -С. 183.

117. МАГАТЭ. Workshop On Tritium Experience In Large Tokomak. Application to ITER, Princeton, March 1998, P. 16-18.

118. Веденеев А.И., Глаголев M.B., Саксаганский Г.Л. и др. Research Into Tritium Effect On Cryosorption Panel Models Under Condition Simulating The Operation Of Fusion Reactors High Vacuum Pumps. Book of abstract. Madrid, 2000, P. 91.

119. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Определение фрактальной размерности поверхностей сорбентов. // Материалы VIII Научно-технической конференции сучастием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». -М.: МГИЭМ. 2001. - С. 30-36.

120. Нестеров С. Б., Зилова О. С. Определение фрактальной размерности различных поверхностей. // Тезисы докладов IX Международной студенческой школы- семинара «Новые информационные технологии». М.: МГИЭМ. -2001.-С. 153.

121. Зилова О. С., Нестеров С. Б. Исследование структуры поверхности поли-имидной пленки методами сканирующей зондовой микроскопии. // Тезисы докладов XXIX Международной молодежной научной конференции «Гага-ринские чтения». М.: МАТИ. - 2003. - С. 50.

122. Зилова О. С., Кеменов В.Н., Нестеров С. Б. Подходы к изучению и описанию поверхности материалов, применяемых в вакуумной технике. // Материалы X Научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». -М.: МГИЭМ.-2003.- Т. 1.-С. 152-156.

123. Флеров Г.Н., Барашенков B.C. Практические применения пучков тяжелых ионов.//Успехи физич. наук. 1974, т. 114, с. 351-373.

124. Акапьев Г.Н., Барашенков B.C., Самойлова Л.И., Третьякова С.П., Щего-лев В.А. К методике изготовления ядерных фильтров. // Деп. публ. ОИЯИ № Б1-14-8214. Дубна, 1974.

125. Зварова Т.С., Гвоздев Б.А., Звара И.И. К вопросу об изготовлении ядерных фильтров. // Деп. публ. ОИЯИ № БЗ-14-8291. Дубна, 1974.

126. Третьякова С.П., Акапьев Г.Н., Барашенков B.C., Самойлова Л.И., Щего-лев В.А. Применение ионов аргона для изготовления ядерных фильтров. // Атомн. энергия. 1977, т. 42, с. 395-397.