автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Массообмен между потоками ионов средних энергий и поверхностями твердых тел сложного состава

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

МАССООБМЕН МЕЖДУ ПОТОКАМИ ИОНОВ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ И ПОВЕРХНОСТЯМИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ СЛОЖНОГО СОСТАВА

05.14.05-ТЕОРЕТИЧЕСКНЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 533.9.01

КАЛМЫКОВ Борис Михайлович

Москва-1996

Работа выполнена в Московском иисппуте/Техническом университете/.

Государственном авиационном

Научный руководитель: кандидат технических наук,доцент

Шкарбан И.И.

Официальные опоненты : доктор технических наук .профессор

Латышев Л.А.

кандидат технических наук, с.н.с. Плешив цев Н.В.

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр им.М.В.Келдыша/НИИ ТП/

»

Защита состоится 11 ноября 1996 г. в 13 час. в 201 ауд. 2 корп. на заседании диссертационного совета ССК 053.04.01 в Московском Государственном авиационном институте по адресу: 125871 Москва, Волоколамское шоссе, д.4, тел.: 158-41-03,158-58-62.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре , заверенный печатью организации.

Автореферат диссертации разослан 8 октября 1996г

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент У/ у . Т.В.Михайлова

Актуальность темы. Исследование взаимодействия частиц средних энергий с телами сложного со столп стимулируется п настоящее время поз-можностью эффективного использования композитных материалов в различных технических устройствах с повышенными требованиями к ресурсу, надежности и другим параметрам, связанным с эрозионной стойкостью элементов конструкции,. . , • .

Ионно-плазменное воздействие, в течение длительного' времени на оптическую и электродную систему в электроразрядных двигателях приводит к уносу поверхности, искажению формы конструкции и, следовательно, изменению характеристик работы, двигателя в целом. Воздействие частиц открытого космоса иг в частности, солнечной плазмы на поверхность летательного аппарата и, особенно, солнечных батарей, терморегулирутощих устройств и оптических-поверхностей укорачивает срок службы этих устройств и аппаратов в целом . Особый интерес к взаимодействию ионов с твердым телом сложного состава обусловлен определением энергетического баланса высокотемпературной плазмы" в реакторах УТС. Уменьшение распыления элементов первой стенки реактора УТС является важной актуальной задачей. Бурное развитие технологии легирования материалов, создание уникальных метастабильных твердых растворов разнообразных материалов, получение микросхем, методы анализа поверхностей материалов, создание и -развитие целого ряда новых приборов на основе использования. материалов с модифицированными поверхностными свойствами требуют знания распылительных характеристик тел сложного состава. В настоящее время достаточно хорошо изучено распыление одноэлементных веществ, но. перспективы по созданию новой техники предполагают использование, в основном, сложных материалов, по своим свойствам превосходящих простые вещества. Несмотря на научную практическую значимость проблемы распыления сложных тел имеются лить отрывочные экспериментальные и теоретические ре-

зультаты, не создающие ясной и целостной картины о механизмах этого процесса. Особенно недостаточно сведений о влиянии примесей на эрозионную стойкость материалов.

Цель работы заключается в экспериментально-теоретическом исследовании закономерностей влияния параметров, таких как объемный состав элементов, составляющих сложное тело, их массы и соотношения масс при различных энергиях ионов Хе+, на распыляемость; выяснения механизма, определяющего особенности распыления сложных веществ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1 .Экспериментальное изучение распыления последовательных одноэлементных слоев чередующихся материалов и, таким образом, исследование процесса распыления веществ с изменяющимся в процессе облу-

I.

чения составом;

2.Экспериментальное изучение распыления сложных веществ с предварительно введенными примесями в широком спектре концентраций. 3. Моделирование процесса на ЭВМ для выявления механизма, определяющего особенности распыления сложных теп. Научная иовюна работы определена тем, что:

1.Выявлены условия, определяющие отличие распыляемости сложных теп от правила линейной суперпозиции. - >

2.Предложен механизм, объясняющий -особенности взаимодействия

¡V ^

ионов с многокомпонентным твердым телом- и влияющий на сравнительные характеристики распыления сложных веществ.

Практическая 1Ю»шость работы опредястся тем, что:

»

¡.Изученная возможность уменьшения коэффициента - распыления материалов путем введения легких примесей • создает физическую основу для разработки методов создания материалов повышенной эрозионной стойкости.

2.6бнаружение и обоснование способов уменьшения коэффициента распыления может обеспечить длительный ресурс работа многих технических устройств и, в частности, электроракетных двигателей,

>

деталей первой сгснки реактора УТС, оптимизировать условия работы ионно-плазменных приборов.

3.Измерснные глубины проникновения внедренных через слой атомов позволяют оценить время эффективной работы защитных покрытий.

4.Выявленный механизм, определяющий особенности распыления сложных веществ, позволяет более качественно проводить анализ поверхности твердых тел ионными пучками.

Основные положения ч вьтоснмьле на защиту:

1.Экспериментально полученные аномально низкие коэффициенты распыления твердых тея при внесении в них легких примесей. 2.Экспериментально определенное возрастание коэффициента распыления твердых тел при внесении в них тяжелых примесей. З.Механизм процесса, объясняющий отклонение распыляемости сложных тел от правила линейной суперпозиции.

-^Экспериментально измеренные глубины воздействия атомов покрытия на матричный материал при распылении.

Апробация работы .Основные материалы диссертации докладывались на 8-й Международной конференции по явлениям в ионизированных газах (Вена, 1967г.); 14-й Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 11-17 мая 1970г.); 2-м Всесоюзном симпозиуме "Взаимодействие'атомных частиц с твердым телом "(Москва , 9-11 октября 1972г.); Всесоюзном совещании-семинаре "Диагностика поверхности ионными пучками",'(26-3Г октября 1990г., Одесса.); Х-й Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва-Звенигород, 1991г.); XII Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва-Зпенигород, 1995г.). Публикации По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, заключения и списка использованной литературы, содержащего 217 наименований. Диссертация содержит 223 страницы, включая 73 рисунка, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Актуальность темы диссертации определена проблемами, связанными с распылением сложных материалов, использующихся и являющихся перспективными для многих технических устройств.

Во введении показаны область присутствия процессов распыления и практическая значимость возможности уменьшения распыляемости конструкционных материалов. "' - . .

В обзоре литературных источников представлены экспериментальные данные по распылению сложных ыатериалов ионами средних энергий. Отмечено, что. полные коэффициенты распыления,5, интересующие конструкторов и проектировщиков технических устройств, исследованы в основном фрагментарно и особенно мало исследовано влияние на коэффициент распыления значений и отношения масс элементов, составляющих сложное ■кnoi и их концентрация. Для оценки коэффициента распыления однофазного гомогенного вещества часто используют аддитивную модель распыления сложного (бинарного) тела, предполагающую, что полный коэффициент распыления изменяется пропорционально концентрации элементов от значения коэффициента распыления одного "чистого" элемента к другому (правило линейной суперпозиции):

= • О)

Имеются экспериментальные данные, говорящие об отклонении от этого правила. Среди причин, объясняющих эффект отклонения, авторы называют следующие:

-изменение энергии поверхностной связи может вызвать изменение 5 на несколько десятков процентов;

-изменение , фазового состояния; например, в области предвыдеяения фазы б . может измениться в несколько раз;

-преимущественное распыление и се1регация приводят к развитому микрорельефу, что также может значительно изменить 5 .

Более полно изучено соотношение распыленных компонент, составляющих сложное тело, что ин тересно исследователям, занимающимся изучением поверхности, ее состава и структуры, легированием. Каких-то целостных закономерностей, определяющих особенности распыления сложных тел, выявлено не было. Теоретические исследования, проводимые, как обычно, и в аналитическом направлении и методами моделирования с использованием ЭВМ, имеют больше успехов, особенно, в вычислительном эксперименте. Расчетов полных коэффициентов распыления для интересующих нас случаев в литературе не обнаружено. Дальнейшее развитие и, следовательно, лучшее согласие с экспериментом, сдерживает отсутствие данных по термодинамическим свойствам (в основном, энергиям связи и энергии поверхностной связи ) сложных веществ и характера изменения параметров и свойств приповерхностных слоев в процессе облучения.

В первом разделе, представленном как обзор современного состояния исследуемого вопроса, показано, что в общем случае коэффициент .распыления одноэлементных материалов зависит от следующих факторов:

5«{(М<,М4.Еа,'Ев121,Н11Д1К;Е.,*.Т; УЭ,...) = £(Р) > (2) где М^М^З., -атомные массы и атомные номера иона и атома

мишени; Е^ ,Е5 -энергия связи и энергия поверхностной связи; А -структура материала мишени; Н, -микрошероховатость поверхности; Е0 ,</.,Т -условия, задаваемые экспериментатором: энергия ионов, угол бомбардировки и температура мишени; УЭ -условия эксперимента (давление и состав окружающей среды) и т.д.

Бомбардировка сложных тел сопровождается рядом особенностей. В приповерхностном слое, отвечающем за-распыление, со временем устанавливается некоторая равновесная, в общем случае отличная от объемной, концентрация атомов, которая обеспечивает состав распыляемой компоненты .аналогичный составу материала в объеме мишени. Кроме этого, процентное соотношение атомов мишени и плотность

псЩсства от поверхности вглубь материала изменяются, и при этом, не всегда монотонно. В настоящее вр<5мя известно, по крайней мерс, пять различных механизмов изменения состава приповерхностного слоя в процессе распыления: прснмуществеиноераслыление; -имплантация атомами- отдачи и каскадное перемешивание; радиационно-сгимули- • рованная диффузия; адсорбция Гиббсз и радиационно-стимулиро-ванная сегрегация.

Поэ7Х)му, при бомбардаропке дБухкоыпонентных тея коэффициент распыления, даже при установлении равновесного режима, зависит еще от ряда факторов:'

где М = Итлжу/млйРК - отношение масс элементов, составляющих тело; Е^ Да -энергия связи и энерпшповерхносггной связи , которые могут изменяться в процессе облучения; Рт -коэффициенты

термической и радиацлошю-стимулированной - диффузии; поверхностно (с5) -объемная (су) концентрация-компонент,-при этом С5 может изменятьсяа процессе облучения; -структура материала, возникшая - в результате-' бомбардировки;Ь! -микрошдюхозатость-поверхности, облученной ионами; -пс -способность- элементов- к сегрегации;гуопособность сложного ттаквыделению^азгидр::--Таким образом, в результате проведенного анализа- €ьша сформулк-' рована цель -работы: экспериментально-теоретическим- пугсьг опреде- -яить влияние-на распьшяемость сложных тел-факторов, не изменяющихся в процессе-облучения, и таких как: массы и соотношение касс элементов ( М), сосгавляющих сложное телообъемная концентрация этих элементов,Су, и энергия ионов, Е0.

Второй раздел посвящен описанию экспериментального оборудования и методике проведения экспериментов.-Задача работы заключалась в сравнении распылясыости - чистых'1 (одноэлементных)-материалов и сложных тел из этих же -материалов.: Й качестве мишени использовались многослойные пленки -одно- и многокомпонентных

материалов. Экспериментальный стенд состоял из трех автономных вакуумных установок, две из которых использовались для получения пленок-мишеней термическим методом или методом катодного напыления, а третья для их исследочания па распылясмосп,. Пленки напылялись на поверхность кварцевого резонатора, который являлся датчиком, контролирующим скорость и массу осаждаемого йеЩества, с чувствительностью ~10-9г/Гц. Этот же кварцевый резонатор использовался затем и в процессе бомбардировки мишени ионным пучком длзг измерения уносимой массы/ Полученные мишени переносились . на .. третью экспериментальную установку для исследования.. распыля-емости. Вакуумные условия на всех трех установках были примерно одинаковые ( Р0с.т~1(ИПа) с использованием азотных вымораживающих ловушек. Рабочий участок дня исследования распыляемосги материала мишени состоял из следующих узлов: газоразрядный источник ионов (Хе+), ионно-оптическая система, магнитный масс-сепаратор, блок сканирования, мишень в виде пленки на поверхности кварца. Бомбардировка проводилась по нормали к поверхности. Энергия однозарядных ионов варьировалась, от 2 до 6 кэВ, плотность ионного потока составляла (0.5*2)мА/см2 при диаметре- ионного пучка с!=0,8мм, диаметр рабочей поверхности мишени ¿-бми, что позволяло без развакуумирования- до 7 раз исследовать одну мишеньг перемещая ее-координатником. Подогрева мишени не проводилось, в результате ■ облучения материал мишени прогревался (согласно расчетам) до температур, не превышающих 50°С. В процессе эксперимента измерялись, с записью на ЦПУ, частота возбуждения кварцевого резонатора и полный ионный ток.

Третий раздел описывает методику обработай экспериментальных данных и полученные результаты. Первая серия экспериментов проводилась на мишенях, полученных термическим методом и представляющих собой чередующиеся слои из одноэлементных материалов:

Cu-C-Cu-C...; Ag-C-Ag-C-...; Ag-AI-Ag-Al-.... Толщина слоев варьировалась от 200 до 2000А. Первый слой "чистого" материала в процессе бомбардировки ионами Хе* определял значение коэффициента распыления, по которому затем сравнивался коэффициент распыления третьего слоя. Третий слой, изначально состоящий из одинакового с первым слоем материала, л процессе облучения пополнялся внедренными атомами из второго слоя и, таким образом, третий слой в процессе его распыления представлял собой сложное тело с изменяющимся по глубине и по времени процентным составом элементов. Распыляемость третьего слоя вначале изменялась, но по мере распыления внедренных примесей, если толщина этого слоя была достаточной, стабилизировалась. Таким -образом, в начале облучалось сложное тело, а затем "чистое" одноэлементное вещество.

Исходя из свойства кварцевого резонатора изменять частоту возбуждения при изменении массы пластины, получено выражение для сравнения распыляемости первого и третьего слоя мишени:

Л - s = Гз ^1

" ¿f^^ ' ' (4)

где дР -уход частоты возбуждения в процессе приготовления слоя . гшенки, что определяет толщину слоя; Z -время распыления слоя; 3 -ионный ток.

В результате обработки проведенных исследований получены • зависимости S от толщины третьего слоя §¿ , рис.1 (б^здесь слой материала' с внедренными примесями, т.е. Cu+C, Ag+C; Ag+Al).. Из приведенных зависимостей .видно, .. что коэффициент распыления третьего слоя увеличивается . с ростом толщины этого слоя и приближается к значению, соответствующему "чистому".металлу (S -1). Также приведенные зависимости свидетельствуют о заметном влиянии внедренных атомов на коэффициент распыления, и для объяснения наблюдаемого в эксперименте уменьшения коэффициента распыления третьего слоя необходимо предположить наличие в нем примесей в

u

чрезвычайно больших количествах. Дсйсгеителыю, из литературных и наших экспериментальных данных отношения коэффициентов распыления при облучении ионами Хе+ "чистых" материален следующие : при Ев=4кэВ для Cu-C S~6,7; дня Ag-C S-9,7; для Ag-Al 5~2,7. Для пары

_ о

материалов Ag-AI экспериментальные данные 5 при толщинах 8j<300A больше, чем 5 для чистых материалов. Для других пар материалов, также при малых толщинах пленок, исходя из правила линейной суперпозиции, концентрация легких элементов должна быть более 50% по всей толщине пленки, что нереально. Из этого следует вывод, что столь большое влияние примесей легких атомов на коэффициент распыления полученного соединения не может быть объяснено аддитивной моделью распыления.

Анализируя зависимости S=£(S3), рис.1, можно отметать, что каждая кривая представляет собой две пересекающиеся, экспоненты. Левая экспонента аппроксимирует зависимость 3) в случае

распыления материала третьего слоя с внедренными примесями нз вго-рого слоя. Вторая экспонента аппроксимирует зависимость 5.=|(53)в случае распыления третьего слоя такой толщины, которая охватывает.и переходный слой, с внедренными примесями и слой "чистого" материала, когда внедренные примеси за счет распыления покинули матричный материал. Обработка зависимостей S = {(53) позволила построить графики глубины внедренных примесей от энергии ионов Хе+, рис.2, для разных пар примесь-матричное вещество. Для сравнения на этом же рисунке приведены длины пробегов примесных атомов, получивших импульс от ионов Хе+, в матричном материале, рассчитанные как средняя проективная длина пробега по теории Л1ПШ. Аппроксимация экспериментальных зависимостей показала

некую общую закономерность для исследуемых пар примесныи атом- . материал мишени. Аппроксимирующие зависимости, представленные

^HM5,85RE0"e,e , mi к-; (5)

г ь

А

к4

• - 6 кэб

X - .4« В

500

и»

308

С:

5:

Ке* Ес '

• г бкэВ

* - А кэ! о -гУкэ?

I»

'Ад* С,'

5*9 М ч

12. <0 г

5

• - 6 «В

* -

о - 2,5к>8

Г

в 30В """ *""

Рис.1 Зависимость отношения коэффициента распыления "чистого" вещеспза к коэффициенту распыления вещества с внедренными примесями от толщины изготовленного третьего слоя пленки

600

505

Рис,2 Зависимость пгубины внедренных атомов покрытия в материал подложки от энергии бомбардирующих ионрв Хе+

гдеК-средняя проективная длина пробега по ЛШШ,^энергия ионов Хе+ в кэВ, показаны на рис.2 в виде сплошных линий и сравнение их с экспериментальными кривыми (пунктирные линии) показывают удовлетворительное согласие. Этот результат показывает, что внедрение атомов "через слой" происходит на глубины, значительно превосходящие средний проективный пробег этих атомов, и что для стабилизации коэффициента распыления необходимые дозы облучения составляют 9 ~10!7-й01гсм-2.

Для выяснения зависимости коэффициента распыления .от концентрации элементов, составляющих сложное тело, были проведены эксперименты по облучению ионами Хе* с энергией 2+6 кэВ по нормали к поверхности материалов Cu-AI, Mo-AI, W-A1. В качестве мишеней использовались многослойные тонкие пленки, полученные осаждением на • поверхность кварцевой пластины компоненты, распыленной с поверхностей особо приготовленных образцов. В процессе облучения ионами Хе+ слои полученных пленок распылялись в такой последовательности: Cu-Cu+At-Cu, Mo-Mo+Al-Cu, W-W+Al-Cu для исследования влияния легких примесей (Al) на распыляеыостъ материала (Cu-Al, Mo-AI, W-Á1) или Ai-Cu-f Al-Cu, А1-Мо+Al-Cu,. AI-W+Al-Cu для-• исследования-влияния тяжелых примесей (Cu,Mo,W) на распьшяемосп. материала (Cu-AL,Mo-Ai,W-Al). Относительная -концентрация элементов в сложном материале могла варьироваться, в процессе изготовления пленок от О до 100%. Слой меди, присутствующий во всех мишенях, напылялся-на поверхность кварцевой пласшны для лучше» адгезии.

Коэффициент распыления первого слоя, состоящего из -"чистого" материала, принимался контрольным, по которому сравнивался коэффициент распыления, второго слоя, представляющего собой сложное тело. В данном случае для определения распыляемости сложного тела использовалась методика, основанная на - сравнениии темпов ухода, частоты возбуждения кварцевого резонатора при распылении первого и

второго слоев. На примере бомбардировки системы ,(Л''^+А1-Си отношение коэффициентов распыления выглядит так:

- (#).У».:|Уаг («)

' ' (ёи з- м-

Полученные таким образом значения коэффициентов распыления бинарного соединения затем нормировались коэффициентом распыления, рассчитанным по аддитивной модели распыления, формула 1. При этом значения коэффициентов распыления "чистых"злсментоп определялись в ходе того же эксперимента при распылении контрольного (первого) слоя. Так получались значения:

5« . (7)

при определенной концентрации А1 или

Полученные зависимости Б = ( (Сд[) представлены на рис.3. Можно сделать вывод, что присутствие в основном материале атомов легкой массы снижает коэффициент распыления бинарного соединения относительно коэффициента распыления; рассчитанного по аддитивной модели распыления. Причем максимальный эффект достигается при небольших (-10-30 ат%) концентрациях*легкой примеси. Коэффициент распыления соединения в этом случае может оказаться к меньше коэффициента распыления, любого "чистого" элемента, входящего, в

состав сложного тела. Прослеживается также тенденция, . рис.3, л

уменьшения 5 с ростом энергии ионов Хе+.

В случае присутствия в соединениях небольших (до ~25 атУо) концентраций тяжелых примесей коэффициент распыления сложного тела может (для Mo-Al.W-.Al) и возрасти относительно правила линейной суперпозиций.

В четвертом разделе рассматривается расчетная модель взаимодействия атомарных частиц средних энергий с твердым телом сложного состава и результаты расчета сравниваются с экспериментальными данными. .....

Тю у*

т СмЯ

т с ас, %

Рис.3 Экспериментальные (сплошные линии ) и расчетные (пунктирные линии) значения коэффициентов распьшения соединении, отнесенные к коэффициентам распыления по аддитивной модели, в зависимости от относительных концентраций А1 при различных энергиях потока Хе+: 1-Ео-2кэВ; 2-Ео=4кэВ; 3-Ео=6кэВ; пушшфная линия - Ео=ЗкэВ

.,.< -ч —■ • 17

Налетающая частица, имеющая энергию ~103 эВ, проникает в твердое тело и порождает каскад столкновений. Для получения статистачёлки достоверных результатов расчета необходимо проследить за многими налетающими частицами (в нашем случае. >500) и сдвинутыми со своих положений атомами твердого тела путем моделирования (в при-лижении парных столкновений) их траекторий.

Мишень представляет собой неупорядоченное (бесструктурное) твердое тело, поэтому положение рассеивающего центра для каждого следующего столкновения определяется случайным числом, а параметры столкновения определяются выбором трех переменных: расстояния между последовательными столкновениями ; прицельным параметром соударения и азимутальным углом рассеивания. В наших расчетах значения Л , р и «С задавались как независимые случайные величины со следующими плотностями распределения:

ДО» -I_e*p(-N (\?<£Л) Л0-(Нб)"

0 о i,

é2- 0*р*р„,ед 3 (8) Pipía ^

Каждое из парных взаимодействий описывается потенциалом

Томаса-Ферми-Фирсова: ^

Щг)-^ (9)

Параметры взаимодействия рассчитываются, по законам классической механики и таким образом определяются угол рассеяния и угол разлета частиц, энергия первичной и вторичной частиц. После каждого столкновения с использованием углов Эйлера происходит" преобразование координат, и задача следующего столкновения: решается как в предыдущем столкновении.В этой постановке задачи определяющими Параметрами являются: £0,^о.МцМг.Ы , А , , где Е„ и - начальные

зпсргия и угол бомбардировки мишени , £КР-энергия, определяющая остановку расчета траектории в теле.

Исупругие потери энергии движущейся часлицы рассчитывались как нелокальные (модель ЛШШ).

Особенности модели взаимодействия ионов со сложным телом заключались в следующем: вероятность столкновения движущейся частицы с атомом определенного сорта пропорциональна его концентрации ; сложное тело представлялось как твердый раствор замещения, поэтому числовая плотность сложного материала соответствовала плотности одного из элементов, относительная концентрация которого превыщала 50%.

Энергия Ек„ в разных случаях определялась'. Е^энергией связи; Е*-энергией поверхностной связи, опрецеляющейпороговую энергию потенциального барьера.

Разработанная программа позволяла получать интегральные и дифференциальные характеристики взаимодействия ионного потока с твердым телом сложного состава с концентрацией элементов в широком диапазоне, а также с твердым телом, имеющим тонкопленочное покрытие. Программа позволяла проводить оценку влияния на характеристики взаимодействия таких параметров, как энергия связи и энергия поверхностной связи « т.п. Проведены расчеты взаимодействия ионов Хе+ с энергией Ео^ЗкэВ с материалами Си-С,Си-А1;Мо-А1,^-А1, при облучении по нормали к поверхности.

В процессе расчета можно было выделить парциальные коэффициенты распыления компонент и это показало, что происходит преимущественное распыление легкого элемента С,А1 для всех пар материалов и во всем диапазоне концентраций, т.е. обогащение поверхности тяжелой компонентой, что подтверждается большинством экспериментальных данных разных авторов.

Результаты, представленные на рис.3 пунктирными линиями, показали уменьшение коэффициента распыления при небольших концентрациях легкой компоненты, а при малой концентрации тяжелой компоненты (Mo-Al,W-Al) возрастание коэффициента распыления относительно коэффициента распыления, рассчитанного по аддитивной модели распыления. Результаты расчета также показали, тго уменьшение коэффициента распыления относительно аддитивной модели распыления происходит за счет уменьшения коэффициента распыления тяжелой компоненты, а возрастание за счет увеличения коэффициента распыления легкой компоненты.Махсимальный эффект уменьшения коэффициента распыления находится в области ~20+30 ат%

л

концентрации легких элементов и с ростом М сдвигается в область меньших концетгграций.Расчег показал, что. с увеличением энергии поверхностной связи коэффициент распыления уменьшается.

В целом можно отметить качественное совпадайте экспериментальных и расчетных зависимостей, рис.3, показывающих отклонение от правила линейной. суперпозиции.Это.позволяет сдашь., вывод :.учто основным механизмом .определяющим: особенности распыления , сложных тел, является неравномерная передача энергии . и цепочках каскадных столкновений между атомами разной массы,приводящая ,.по сути деда, к квазинеупругой диссипации энергии. Действительно,максимальная энергия,переяаваеыая в цепочке между двумя одинаковыми атомами, но через находящийся между ними примесный атом, может быть рассчитана по формуле:

(е„еР)млл=АгЕ » (Ю)

Для пары Cu-Al А1 =0.70, для Мо-А1 / =0.47, для W-A1 Л* =0.20. Из этого следует, чтоэнергияв таких столкновениях быстро теряется, поэтому число атомов в цепочке каскадных сшлкнсзешш становится- мега-ше, и это должно привести к уменьшению вероятности выхода импульса

движения из глубины тела к поверхности и уменьшению коэффициента распыления.

Возрастание Б, при внесении в материал небольших количеств тяжелой примеси, можно объяснить тем, что наличие в цепочке столкновений одного-двух тяжелых атомов резко разворачивает импульс движения и возрастает вероятность быстрого выхода импульса к поверхности из глубины.

Количественное несовпадение. экспериментальных, и расчетных коэффициентов распыления может быть вызвано несколькими причинами, накладывающимися на основной механизм распыления сложных тел.Это:

-изменение энергии, связи и, особенно, энергии поверхностной связи;. -диффузия и сегрегация, приводящие к изменению, фазового .состояния., и особенностям развития микрорельефа; .

-изменение процентного состава и плотности в приповерхностном слое.

Несмотря на относительно небольшой статистический материал,, можно сделать некоторые выводы о факторах, определяющих условия проявления предложенного механизма и, соответственно, эффекта., отклонения коэффициента распыления, от аддитивной модели распыления., сложных тел.К таким факторам, помимо значений масс и отношения масс элементов, составляющих сложное тело, относится энергия и масса, бомбардирующего поверхность иона.Энергия ионов определяет глубину зоны развития каскадов столкновений и длину, цепочек, укорачивание которых сказывается на результатах распыления. Значение массы иона сказывается на механизме распыления следующим образом: при малых массах значительный вклад, в распыление вносит режим первичного прямого выбивания, а при. средних и, особенно, тяжелых наибольший вклад. вносит режим линейных , каскадов. Поэтому, предложенный механизм наиболе« эффективно проявляет себя при бомбардировке средними и тяжелыми ионами средних (10* -ИОЬВ)

энергий сложных тел, состоящих из элементов значительно (в 2 раза и более) различающихся масс.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. 1.Разработана экспериментальная методика исследования распыляемости ионными потоками однокомпонектных материалов с внедряемыми примесями и двухкомпонентных материалов с отоносительной концентрацией элементов от 0 до 1.

2.Экспериментально-теоретическим путем обнаружено отклонение распыляемости сложных тел , состоящих из элементов, различающихся (не менее чем в 2 раза) масс, от аддитивной модели распыления при бомбардировке по нормали к поверхности ионами Хе^средннх энергий: -установлено, что распыляеыосгп» уменьшается при введении легких примесей и может увеличиваться в случае присутствия тяжелых примесей в основном материале;

-определено, что основным механизмом, объясняющим особенности распыления сложных тел, является процесс неравномерной передачи энергии между атомами разных масс в цепочках каскадных столкновений;

-выявлено; чТо сгепшь н характсрг влгогшш предложенного механизма на сравнитет>ные характеристики распыления зависят от энергия- -и кассы иона, массы и отношения масс элементов, составляющих сложное тело.

3.Экспериментально обнаружено, что при бомбардировке ионным потоком,-внедрение легких атомов покрытия в подложку уменьшает рас-пыляемость основного материала.Измеренная глубина- внедренные "через слой"примесей превышает (иногда более чем на порядок) длину среднего проекгавного пробега по теории ЛШШ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ К ГТШДУТОЩИХ РАБОТАХ:

1.Рыжов Ю.А.,КалыыковБ.М.Изменение рельефа поверхности под действием ионного облучения //ПМТФ; 1967.- №2.- С. 132-134.

2.Кошкин U.K.,Рыжов Ю.Л.,Шкарбан И.И..Калмыков 1>.М. Ion • •' Bombárdmcrit Modification of Súrfaces//8 Intern. Conf. on Phenomena in

Ionized Gases, ¡967- Contributed Papers,- P.4I.

3.Стриженоа Д.С.,Рыжов Ю.А.,Калмыкоп Б,М. Исследование взаимо-.,;■• действия - ■ иоЛов с поверхностью поликристаллов методом

■статистических испытаний' 7/Изв.АН СССР,сер.физ.,1971,-т.35,№2-- . С.398-401.

4.Калмыков Б.М.,Рыжов Ю.А.,Стриженов Д.С,,Шкарбан И.И Моделирование tía ЭВМ рассеяния ионов поверхностью поликристаллов при энергиях ионов 103 + 10* эВ.//Взаимодействие атомных частиц с твердым телом ,-М.:изд-во ОНТИ ИАЭ, 1972,-С.84-86.

5.Рыжов Ю.А.,Калмыков Б.М.,Михеев С.Ю.,Шкарбан И.И.Распыление металлов при одновременном облучении атомарными потоками различных масс.//Исследованис теплообмена в летательных аппаратах . Тем.сб.научнлр.-М.:МАИ,1982.-С.30-34

6. Калмыков Б.М.,Михеев С.Ю.,Абгарян В.К. Влияние адсорбированных пленок остаточного газа на массообмен между ионозированными потоками частиц средних энергий и. поверхностью конструкционных материалов .//Оэдельные задачи тепло и массообмена между потоками и поверхностями. Тем,сб.научн.тр.-М.:МАИ: 1986,-С.57-59.

7. Шкарбан И.И.,Калмыков Б.М., Влияние внедренных атомов N и С на характеристики массообмена. между потоками, ионов Хе+ и поверхностью .//Современные проблемы, тепло и массообмена в л.а..Теы.сб.научн.тр>М.:МАИ, 1987,-С.31-37.

8.Калмыков Б.М.,Михеев С.Ю.,Шкарбан И.И.Влияние внедренных атомов углерода на массообмен между ионизированным потоком и по-верхностями.//Гепло и массообмен в элементах конструкции авиационных энергоустановок. Тем.сб.научн.тр.-М.:МАИ. 1988-С.51-55.

9. Калмыков Б.М.,Круглов И.КХИэменение ыикрошероховатости при распылении многослойных покрытий И Тепло и массообмен в элементах конструкции л.а..Тем.сб.научн.тр.-М.:МАИ,1989,-С.36-39. Ю.Калмыков Б.М.,Стриженов С.Д.ДИспяков A.A. Массовый состав потока, десорбирующегося с поверхности// Тепло и массообмен в элементах конструкции двигателей л.а.Тем,сб.научнлр.М.:МАИ,1990,-С.44-47.

1 ¡.Калмыков Б.М.,Михеев С.Ю.,Шкарбан И.И, Особенности распыления Ag и Си при наличии примесных атомов AI и С //Диагностика поверхности ионными пучками.- Тезисы докладов Всесоюзного совещания -семинара 26-31 окт. 1990,Одесса -М.:МАИ, 1990,С.48-49.

12.Калмыков Б.М.ДСругяов И.Ю. Расчегг распыления многослойных материалов под действием ионной бомбардировки// Тепло и массообмен в двигателях л.а.Тем.сб.научн.трудов-М.:МАИ, 1991 ,-С;28-31.

13. Калмыков Б.М., Михеев С.Ю., Соловьев О.Б., Шкарбан И.И. Влияние атомов AI на распыление Mo,W,Си ионамиХе+//Материалы X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью".' Тезисы докладов.-М.:МИФИ,1991,-С. 100-102.

14.Калмыков Б.М., Михеев С.Ю. Оссобенносги распыления Ag и Си при наличие примесных атомов AI и СУЛсгого и массообмен в элементах конструкции авиационных двигателей.-М.:МАИ,1992,-С.бЗ-68.

15.KaImykov В.М., Mikheev S.Yu;,Soloviev O.B.,Skarbaa I.I. Influence-of AI atoms oa sputtering-of Mo, W and Gu by Xe+ tons// Vacuum, i993.-Vol.44, N29.-P.947-948.

16.Шкарбан И.И.,Михеев С.Ю.,Калмыков Б.М. Влияние матерала подложки на распыляемосп» тонкопленочных покрытий ионами средних энергий// Взаимодействие ионов с поверхностью. Материалы XII1 международной конференции,т.1 .-М.: МП.Информполиграф, 1995,- С.75-77.