Ближний порядок в системе Fe-B-N при последовательной имплантации бора и азота в пленки железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

О Л

^ ¿ СЕН 1398

УДК 539Л2.04

Федотова Юлия Александровна

БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК В СИСТЕМЕ Ре-В-Ы ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ БОРА И АЗОТА В ПЛЕНКИ ЖЕЛЕЗА

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск. 1998

Работа выполнена в Белорусском государственном университете

Научные руководители - Доктор физико-математических наук,

профессор Станек Я. Кандидат физико-математических наук, доцент Углов В.В.

Официальные оппоненты: Доктор физико - математических наук,

профессор Борисенко В.Е. Доктор технических наук, доцент Холмецкий A.JI.

Оппонирующая организация - Физико - технический институт HAH РБ

Защита состоится октября 1998 года на заседании Совета по защите диссертаций Д 02.01.16 при Белорусском государственном университете по адресу 20080, г. Минск, пр. Ф.Скорины, 4; тел. 220-79-65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан "8" октября 1998 г.

Ученый секретарь Совета по защите диссертаций кандидат физ. - мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации обусловлена двумя основными проблемами: 1. Недостаточной изученностью корреляции композиционного ближнего порядка в ионно-имплантированной аморфной системе Fe-B и системе Fe-B-N с параметрами имплантации (внедренная концентрация металлоидов, дозы, плотности тока и энергии имплантации); 2. Возможностью синтеза сверхтвердых соединений типа кубического нитрида бора (c-BN) в системе Fe-B-N, полученной методом ионной имплантации. Исследованием структуры ближнего порядка в аморфной фазе Fe-B, полученной методом ионной имплантацией, занимаются как зарубежные, так и отечественные исследователи. Изучение возможности синтеза c-BN методом последовательной имплантации бора и азота в сплавы на основе железа проводятся в основном зарубежными исследователями. Следует отметить результаты, полученные в следующих научных центрах: Институт ядерной физики, Лион, Франция; Институт технологии электронных материалов, Варшава, Польша; Университет Дж.Хопкинса, Балтимор, США; Университет Гейдельберга, Германия; Корпорация по исследованию ионной инженерии Ion Engeneering Research Institute Corporation, Осака, Япония. Ими было установлено, что переход в аморфное состояние, а также трансформация ближнего порядка в аморфной фазе Fe-B носит пороговый характер; существует корелляция ближнего порядка аморфной фазы Fe-B и кристаллических фаз в системе Fe-B при одинаковой концентрации бора; радиационные дефекты могут приводить к заметным различиям ближнего порядка и его параметров в аморфной фазе Fe-B, полученной методом ионной имплантации и методом быстрой закалки из расплава; формирование связи B-N, характерной для с-BN, может осуществляться в результате радиационно - стимулированного распада связей Fe-B в стабильных боридах железа при высокоинтенсивной последующей имплантации азота в области относительных концентраций как бора, так и азота не менее 20-25 ат. %.

Необходимость проведения дальнейших исследований связана с исследованием зависимости композиционного и структурного ближнего порядка в системах Fe-B и Fc-B-N при ионной имплантации от параметров имплантации (внедренной концентрации металлоидов, дозы, плотности тока и энергии имплантации), а также с изучением возможности эффективного формирования связей B-N при существенно меньших концентрациях металлоидов.

Связь с научными программами. Работа проводилась в рамках следующих научных программ и проектов:

"Синтез упрочняющих структур при полиэлементной ионной имплантации", Фонда Фундаментальных исследований Республики Беларусь (проект N 295/05П), 1995-1998.

"Исследование закономерностей формирования устойчивых фазовых структур при многокомпонентном ионном облучении", Министерства Образования Республики Беларусь (N 863/05), 1995-1997. "Модификация материалов с помощью ионной обработки для промышленного применения", Международная научно-исследовательская программа (NF2.30.14, МАГАТЭ), 1996-1998.

Целью исследований являлось выявление закономерностей изменения фазового состава, ближнего порядка в формирующихся фазах в системах Fe-B и Fe-B-N и возможности формирования связей B-N в системе Fe-B-N, полученной методом последовательной ионной имплантации бора и азота при различных сочетаниях их внедренных концентраций и энергий.

В процессе исследований решались следующие задачи:

(а) Формирование аморфной системы Fe-B путем имплантации бора в тонкие пленки железа; определение композиционного ближнего порядка (числа ближайших соседних атомов железа) и типа магнитной структуры в системе Fe-B путем сравнительного анализа распределений сверхтонких магнитных полей на ядрах железа в данной системе и кристаллических фазах близкого состава.

(б) Выявление изменений ближнего порядка в системе Fe-B при последующей имплантации азота.

(в) Определение изменений ближнего порядка в системах Fe-B и Fe-B-N при отжиге.

(г) Определение типа химических связей, формируемых бором и азотом в системе Fe-B-N в зависимости от внедренных концентраций бора и азота.

Объектом исследования являлись системы Fe-B и Fe-B-N, полученные последовательной имплантацией бора и азота в пленки железа в широком интервале доз (6-1016 - 4.4-1017 ион/см2) и энергий (20-72 кэВ).

Предметом исследования являлись ближний порядок в указанных системах и его трансформация в зависимости от внедренных концентраций

и энергий имплантации, а также температуры отжига.

Исследование возможности образования химической связи В-Ы в системе Ре-В-И проводилось на основе следующих научных предположений:

(а) Низкоинтенсивная имплантация бора в пленки железа (при плотностях тока менее 1 мкА/см2) приводит к преимущественному формированию метастабильной системы Бе-В, а не стабильных боридов железа. Это обусловлено отсутствием термически активированных процессов диффузии и рекомбинации радиационных дефектов, в результате которых образуются кристаллические фазы боридов железа.

(б) Ближний порядок в аморфной фазе Бе-В, полученной имплантацией бора, а также критические концентрации его изменения в силу высокой концентрации радиационных дефектов может обладать рядом особенностей, по сравнению с быстрозакаленными сплавами Ре-В.

(в) Распад аморфной системы Бе-В, стимулированный последующим облучением ионами азота, может сопровождаться более интенсивным образованием связей типа В-Ы, по сравнению с их формированием при распаде стабильных боридов железа.

Методы исследования. Изучение кинетики фазовых превращений в аморфной системе Ре-В при имплантации азота предполагает исследование изменений ее ближнего порядка. Это требует использования комплекса локальных методов исследования, взаимно дополняющих друг друга. Для изучения ближнего порядка в данной работе использовался метод конверсионной электронной мессбауэровской спектроскопии (КЭМС). Указанный метод позволяет на основе резонансного поглощения образцом у-квантов исследовать магнитную и кристаллографическую структуру микрообластей размерами несколько межатомных расстояний. Исследование проводится путем анализа сверхтонких магнитных характеристик ядер железа, обусловленных присутствием вблизи них градиентов магнитных и электрических полей. Для определения внедренных концентраций бора и азота в системах Ре-В и Бе-В-М, а также распределения элементов по глубине пленки был использован метод Оже-электронной спектроскопии (ОЭС). Идентификация формирующихся химических связей в системе Ре-ВН осуществлялась с использованием метода Оже электронной спектроскопии в дифференциальном режиме и метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).

Научная новизна и значимость проведенных исследований состоит в следующем:

(а) Впервые исследована кинетика изменения ближнего порядка в системах Ре-В и Ре-В-Ы в зависимости от концентраций бора и азота, энергий их имплантации, а также температуры отжига.

(б) Установлены и объяснены различия композиционного ближнего порядка в аморфной системе Ре-В, полученной методами ионной имплантации и быстрой закалки из расплава.

(в) Экспериментально определены пороговые концентрации металлоидов, при которых возможны переходы магнитная фаза -парамагнитная фаза в системах Ре-В и Ре-В-Ы под воздействием ионного пучка. Определена пороговая концентрация бора, при которой начинается распад аморфной системы Ре-В в результате имплантации азота.

(г) Предложены механизмы изменения ближнего порядка в системах Ре-В и Ре-В-Ы в процессе последовательной имплантации и отжига.

(д) Показано, что образование связей В-Ы в системе Ре-В-Ы возможно уже при относительных концентрациях бора и азота 12-18 ат. %.

Практическая значимость результатов, полученных при изучении фазовых превращений в модельной системе Ре-В-Ы, состоит в следующем. Образование связей типа В-Ы может быть использовано для формирования поверхностных либо захороненных слоев, содержащих с-ВЫ в конструкционных сплавах на основе железа. Практическое применение таких модифицированных сплавов обусловлено целым рядом исключительных свойств, характерных для с-ВЫ. Помимо высоких прочностных характеристик, это соединение демонстрирует высокотемпературную проводимость и химическую инертность даже при высоких температурах. Вследствие этого, создание в железе и его сплавах слоев, содержащих мелкодисперсные преципитаты с-ВЫ, позволяет повысить прочностные и защитные характеристики материалов, а также открывает новые перспективы для создания низкоразмерных многослойных структур с интересными проводящими свойствами. Использование метода последовательной имплантации для синтеза с-ВЫ позволяет избежать проблемы адгезии и увеличения геометрических размеров инструментов, прочностные и защитные свойства которых следует модифицировать. Использование широкого диапазона и различного сочетания энергий имплантации бора и азота позволяет обеспечить необходимую толщину и глубину залегания модифицированных слоев, содержащих с-ВЫ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Комплекс результатов исследований, на основе которого установлены: образование аморфных магнитных (Ре-В)м, Ре-(ВД)М и парамагнитных (Ре-В)п, Ре-(В,Ы)„ фаз; корелляция композиционного ближнего порядка в фазах а-Ре3В и (Ре-В)м при концентрации бора в интервале 18-28 ат.%; образование стабильного до температуры 500 °С ближнего порядка в фазе Гс-(В,К)м вследствие статистического распределения азота в (Ре-В)м.

2. Установленная закономерность формирования в системах Ре-В и Ре-В-Ы, полученных последовательной имплантацией бора и азота в железо, парамагнитных фаз (Ре-В)ш Ре-(В,Т\Т)П, состоящая в том, что их зарождение внутри магнитных фаз (Ре-В)м, Ре-(В5>Г)М, полученных при более низких дозах облучения, происходит при достижении пороговой суммарной концентрации бора и азота - 28-30 ат.%.

3. Комплекс результатов исследований методами дифференциальной Оже спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, позволивший установить формирование химической связи В-Ы при концентрациях бора и азота 12-18 ат.% в результате их последовательной имплантации в пленки железа.

Личный вклад соискателя. Соискателем были непосредственно проведены измерения и интерпретация спектров КЭМС, анализ ближнего порядка в системах Ре-В и Ре-В-М; идентификация и анализ спектров ОЭС и РФЭС. Исследованные образцы были получены при непосредственном участии соискателя. Профессором Я.Станеком (Ягеллонский университет, Краков, Польша) оказано содействие в организации экспериментов КЭМС и интерпретации полученных результатов. Научная идея исследования и задачи были сформулированы канд. физ.-мат. наук, доцентом В.В.Угловым (БГУ). Измерения спектров ОЭС и РФЭС были проведены Ивановым В.А. (ПО "Интеграл") и проф. Я.Ягельским (Институт технологии электронных материалов, Варшава, Польша).

Апробация результатов и публикации. Результаты, выполненных в диссертации исследований были опубликованы в 12 печатных работах.

Материалы работы докладывались на следующих конференциях: Международная конференция "Наномитинг'97", Минск, 1996; Международная конференция "Ионная имплантация в науке и технологии", Люблин, 1997; Белорусско-германская конференция "Передовые технологии в производстве материалов и восстановлении изношенных поверхностей", Минск, 1997; Республиканская конференция

"Новые материалы и технологии", Минск, 1998; XXVIII и XXIX Международные конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1997, 1998.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 работ. Среди них - б статей в журналах, 3 статьи в материалах конференции и 3 тезисов докладов конференций.

Общее количество опубликованных страниц составляет 34.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 115 страницах, содержит 30 рисунков, представленный на 25 страницах, 17 таблиц, представленных на 10 страницах, 101 наименования цитируемой литературы и состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав и заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы.

В общей характеристике работы сформулированы цель, научная новизна и задачи работы, практическая значимость полученных результатов, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен литературный обзор по влиянию моноэлементной и последовательной имплантации ионов бора и азота на структурно - фазовые превращения в железе и сталях. Рассмотрены вопросы, связанные с отличием фазового состава сплавов на основе железа после их моноэлементного облучения ионами бора и азота и при последовательной имплантации указанных элементов. Представлены данные по исследованию термической стабильности формирующихся структур. Экспериментально подтверждено, что в определенном интервале концентраций бора (13-33 ат.%) в ионно - имплантированной системе Fe-В формируется аморфная фаза Fe-B, которая может характеризоваться как присутствием магнитного упорядочения, так и проявлять парамагнитные свойства. При этом существует пороговая концентрация бора, при которой начинается формирование в системе Fe-B парамагнитных аморфных областей. В системе Fe-B-N, полученной при последовательной имплантации бора и азота в железо и его сплавы обнаружено

формирование аморфной фазы типа Fe-(B,N), которая характеризуется наличием магнитного упорядочения.

В силу аморфной структуры фаз Fe-B и Fe-(B,N), особое внимание уделено результатам исследований характерного для них ближнего порядка. Представлены, также имеющиеся на данный момент основные теоретические подходы к описанию перехода твердых тел из кристаллического в аморфное состояние, а также модели структуры аморфных твердых тел при ионной имплантации. Среди моделей аморфизации твердых тел в процессе ионного облучения описаны следующие: модель, основанная на сверхбыстром охлаждении "термических пиков"; модель, основанная на достижении пороговой концентрации дефектов (топологического беспорядка) и стабилизации этого беспорядка имплантируемой примесью; модель, основанная на флуктуационном появлении локальных аморфных областей в результате статистически редких каскадов столкновений, параметры которых значительно отличаются от среднестатистических.

Среди моделей структуры аморфной фазы рассмотрены модели "микрокристалличности" и "однородного беспорядка". В модели "однородного беспорядка" различают два подхода к описанию структуры ближнего порядка в аморфных твердых телах: случайная плотная упаковка твердых сфер и случайная упаковка более сложных образований, например, тригональных призм типа структур Fe3C и a-Fe3B.

Во второй главе описаны условия осаждения и имплантации пленок железа (80-250 нм), предназначенных для получения систем Fe-B и Fe-B-N и последующего изучения зависимости характерного для них ближнего порядка от концентрации бора и азота, условий имплантации и при отжиге.

Описан также комплекс методов, включающий в себя Оже электронную спектроскопию, конверсионную мессбауэровскую электронную спектроскопию и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, применявшийся в работе для определения относительных концентраций элементов, структуры и композиционного ближнего порядка, а также формирующихся химических связей в системах Fe-B и Fe-B-N.

Третья глава посвящена исследованию распределений элементов в пленках железа в результате последовательной имплантации бора и азота в моноэнергетическом и полиэнергетическом режимах. Исследовано перераспределение имплантированных элементов в системе Fe-B-N в результате отжига при температурах 200,350 и 500 °С.

В результате моноэнегетической имплантации бора его распределение по глубине в системе Fe-B имеет форму, близкую к гауссовой. При этом, относительная концентрация бора достигает 33 ат.%. Имплантация бора сопровождается осаждением поверхностного углеродного слоя толщиной до 18 нм и увеличением концентрации кислорода в приповерхностной области (5-10 нм) до 9 ат.%. Показано, что численно рассчитанные с использованием программы TRIM параметры распределения бора не могут описать экспериментально наблюдаемые распределения имплантированного бора в системе Fe-B при постоянно растущем на ее поверхности углеродном слое.

В результате последующей имплантации азота в систему Fe-B наблюдается перераспределение бора, проявляющееся в появлении дополнительного максимума распределения бора вблизи границы раздела углеродный слой - пленка железа. Типичный профиль распределения азота в системе Fe-B-N также характеризуется двумя максимумами, один из которых, также, как и в случае бора расположен вблизи границы раздела углеродный слой - пленка железа. Наблюдаемая радиационно -стимулированная диффузия бора и азота к поверхности раздела обусловлена тем, что указанная поверхность является сама по себе областью высокой концентрации дефектов, увеличивающейся в результате ионной имплантации.

Основным отличием распределений бора и азота при последовательной имплантации в полиэнергетическом режиме от моноэнергетической имплантации является формирование в системах Fe-B и Fe-B-N области толщиной 50-60 нм с близким к равномерному распределением бора и азота. Полиэнергетическая имплантация бора, как и его моноэнергетическая имплантация, сопровождается осаждением поверхностного углеродного слоя толщиной до 30 нм и увеличением концентрации кислорода в приповерхностной области = 10 нм до 12 ат.%. Последующая имплантация азота приводит к практически полному распылению поверхностного углеродного слоя.

Исследование перераспределения последовательно имплантированного бора и азота в системе Fe-B-N после отжига при температурах 200, 350 и 500 °С показало большую термическую стабильность профиля распределения бора в системе Fe-B-N, по сравнению с распределением азота. Это, очевидно, обусловлено более высокими значениями коэффициента диффузии азота при отжиге в указанном температурном интервале. Диффузия азота происходит по вакансионному механизму и

представляет собой, с одной стороны, его испарение через поверхность образца, с другой - перераспределение вглубь образца.

Обнаружено повышение температурной стабильности профилей распределения азота (до 500 °С) и бора (как минимум до 500 °С) в системе Fe-B-N, по сравнению с термической стабильностью указанных профилей в системах Fe-B ( до 350 °С) и Fe-N (до 200 °С). Увеличение температуры отжига, необходимой для начала диффузии азота и бора в системе Fe-B-N, связано с образованием сложных соединений типа Fe-(B,N).

Четвертая глава посвящена исследованию процесса аморфизации в системе Fe-B при ионной имплантации бора, а также изучению ближнего порядка, характерного для систем Fe-B и Fe-B-N.

В результате имплантации бора в пленках железа формируется частично аморфизированная система Fe-B, в которой образуются фазы, характеризующиеся различным типом магнитного упорядочения и различным композиционным ближним порядком. В области концентраций бора менее 28 ат.% в системе Fe-B возникает аморфная фаза (Fe-B)M, характеризующаяся наличием магнитного упорядочения. При достижении пороговой концентрации бора 28 ат.% наблюдается дополнительное образование фазы (Fe-B)n, которая проявляет парамагнитные свойства. Подобное изменение типа магнитного упорядочения в результате постепенного накопления примеси бора в системе Fe-B может быть объяснено на основе следующей качественной модели. Железо является ферромагнетиком при комнатных температурах, то есть при температуре облучения. При внедрении атомов бора в пленку железа формируются сильно разупорядоченные (аморфные) области с обычным (ферро)магнитным порядком. Однако поскольку атомы бора внедряются в междоузлия решетки железа, происходит увеличение расстояния между атомами железа и уменьшение спин-спинового взаимодействия, обусловливающего ферромагнитное упорядочение. Это и означает возникновение слабомагнитных областей типа (Fe-B)M в кристаллической матрице a-Fe. С накоплением дозы в областях наибольшей концентрации бора внутри магнитной фазы (Fe-B)M ферромагнитное взаимодействие может исчезнуть. Однако наличие нескомпенсированного спина на d-электронных оболочках атомов железа будет приводить к существованию парамагнетизма. Естественно предположить, что зарождение такой парамагнитной фазы (при достижении пороговой концентрации) наиболее вероятно именно внутри магнитной фазы (Fe-B)M, где концентрация бора уже достаточно высока.

Размер микрообластей в аморфной фазе (1;е-В)ч, которые могут быть обнаружены методом конверсионной мессбауэровской электронной спектроскопии (КМЭС), составляет величину порядка нескольких межатомных расстояний. Однако, увеличение с ростом дозы имплантации относительного вклада подобных аморфных микрообластей в спектры КМЭС указывает на то, что увеличение объемной доли (Ре-В)м и, очевидно, сопровождающий его процесс аморфизации железа, может происходить как в результате возрастания количества подобных микрообластей, так и увеличения их размеров в результате коалесценции нескольких соседствующих микрообластей. Очевидно, что зарождение парамагнитной фазы (Ре-В)п должно происходить внутри фазы (Ре-В)„, большего размера, возникших в результате коалесценции микрообластей (Ре-В)«.

Кинетика изменения типа магнитного упорядочения в системе Ре-В, полученной методом ионной имплантации, по сравнению с методом быстрой закалки, обладает двумя основными отличиями. Первое из них состоит в одновременном присутствии фаз (Ре-В)м и (Ре-В)„ в системе Ре-В, полученной методом ионной имплантации, тогда как бысгрозакаленные сплавы в зависимости от концентрации бора характеризуются присутствием лишь одной из указанных фаз. Это обусловлено неравномерным, по сравнению с быстрозакаленными сплавами, распределением по глубине имплантируемой примеси бора. Второе отличие состоит в снижении пороговой концентрации формирования фазы (Ре-В)п с = 38 ат.% при использовании метода быстрой закалки до а 28 ат.% при использовании метода ионной имплантации Указанное снижение является следствием уменьшения локальной концентрации атомов железа в аморфной фазе (Ре-В)м, обусловленное дополнительным увеличением концентрации вакансий в результате ионной бомбардировки. Одновременно вклад в снижение пороговой концентрации может вносить поликристаллический характер облучаемых пленок. Наличие границ зерен в структуре исходных пленок железа может приводить к дополнительному увеличению концентрации вакансий, чего не наблюдается в аморфной системе Ре-В, полученной методом быстрой закалки.

Сравнительный анализ сверхтонких магнитных полей на ядрах атомов железа (<Н3фф>), проведенный для исследуемой аморфной фазы (Ре-В)м, аморфной фазы Ре-В, полученной методом быстрой закалки из расплава и кристаллических фаз в системе Ре-В при их близком составе,

п

указал на корелляцию характерного для них ближнего порядка в области концентраций бора менее 28 ат.%. При концентрациях бора больших либо равных 28 ат.% наблюдаются заметные изменения в структуре ближнего порядка фазы (Ре-В)м, полученной методом ионной имплантации, по сравнению с ближним порядком, характерным для быстрозакаленного сплава Бе-В, а также кристаллических фаз близкого стехиометрического состава.

Для описания ближнего порядка в аморфной фазе (Ре-В)м были применены две известные модели структуры аморфного твердого тела: "квазикристаллическая" модель и модель "однородного беспорядка". С использованием первой модели, основанной на том, что структурное разупорядочение в аморфной фазе, по сравнению с кристаллической фазой близкого стехиометрического состава, находятся в пределах 10 %, описать структуру ближнего порядка в (Ре-В)м не удалось. Это означает, что структурная и композиционная составляющие ближнего порядка в аморфной фазе (Ре-В)м в области концентраций бора до 33 ат.% и кристаллических фаз близкого стехиометрического состава не совпадают.

Был описан композиционный ближний порядок в фазе (Ре-В)м с использованием основного положения модели "однородного беспорядка". Согласно ему, структура аморфного твердого тела предполагается состоящей из плотноупакованных твердых сфер, распределенных статистическим образом. С учетом вероятностного расположения атомов бора в аморфной фазе вероятность обнаружения п атомов железа в ближайшем окружении некоторого атома железа в фазе (Ре-В)м описывалась на основе биномиальной функции распределения. Согласно такому подходу, указанная вероятность описывалась следующей формулой:

Р{п)

_121_ п\(\2-п)\

100

£* 100

гдеп= 1,2,.......,12

Сд - концентрация бора в системе Ре- В, в ат.%.

С использованием данного подхода была определена взаимосвязь между количеством атомов железа п вокруг некоторого атома железа, взятого за начало отсчета, и <НЭфф>, характерного для данной аморфной микрообласти. Указанная взаимосвязь определялась на основе двух

предположений: (а) Вид биномиальной функции распределения Р(п) близок к форме распределения сверхтонких магнитных полей на ядрах железа Р(Нэфф); (б) Значение <НЭфф> имеет аддитивный характер, то есть прибавление одного атома железа идентично увеличению <НЭфф> некоторой микрообласти на величину около 2.5 Тл.

Таким образом, в предположении, что максимальное координационное число атомов железа в аморфных сплавах составляет 12, были определены наиболее вероятные значения п и соответствующие им наиболее вероятные значения <НЭфф>. Сравнение рассчитанных и экспериментально зафиксированных значений <Нэфф> указывает на то, что наиболее вероятное число атомов железа, характеризующее композиционный ближний порядок в фазе (Ре-В)м во всем интервале концентраций бора (до 33 ат.%), меньше рассчитанного по формуле биномиального распределения и, а также числа атомов железа, характерного для ближнего порядка в быстрозакаленном сплаве Ре-В. С учетом "аддитивного" характера <Нэфф> данное различие можно объяснить более высокой локальной концентрацией вакансий в ионно-имплантированной системе Ре-В (вследствие их дополнительного формирования в процессе имплантации, а также наличия границ зерен в структуре исходных пленок железа). Расчет показал, что композиционный ближний порядок фазы (Гс-В)м в области концентраций бора 18-28 ат.% вероятнее всего характеризуется восьмью - десятью атомами железа. Это совпадает с числом атомов в первой координационной сфере подрешетки железа фазы с-РезВ, которое равно девяти. В структуре системы Ре-В с концентрацией бора равной 33 ат.% с разной степенью вероятности могут присутствовать микрообласти, число атомов железа в которых совпадает с числом атомов, соответствующих первой координационной сфере подрешетки железа фаз Ре3В, сг-Ре3В, Гс2В и РеВ.

В системе Ре-В-Ы, полученной последовательной имплантацией бора и азота в пленки железа, в интервале относительных концентраций бора (до 33 ат.%) и азота (до 20 ат.%) формируются магнитная и парамагнитная фазы тройного состава Ре-(В,Ы)М и Ре-(ВДТ)!Ъ соответственно. Структура указанных фаз является аморфной и формируются в результате статистического распределения атомов азота в аморфной структуре фаз (Ре-В)м и (Рс-В)Г1.

Образование парамагнитной фазы Ре-(В,Н)Я, согласно предложенной нами модели, наблюдается при достижении в некоторых областях системы Ре-В-Ы пороговой концентрации металлоида. Очевидно, что зарождение

фазы Ре-(В,>1)п в системе Ре-В-М с концентрацией бора менее 28 ат.% определяется достижением суммарной пороговой концентрации бора и азота (= 30 ат.%). Увеличение концентрации вакансий с ростом имплантируемой дозы, как и в случае магнитного перехода (Ре-В)м -> (Ре-В)„, также может снижать значение пороговой концентрации перехода Ре-(В,Ы)м-> Ре-(В,Ы),,.

Характер ближнего порядка в фазе Ре-(В,Н)М системе Ре-В-И определяется концентрацией предварительно внедренного бора. В области внедренных концентраций бора и азота менее 28 ат.% композиционный ближний порядок фаз Ре-(В,М)м и (Ре-В)м практически не различается. Однако объемная доля занимаемая первой заметно больше и ее структура значительно более разупорядочена. В системе Ре-ВчМ с концентрацией бора большей либо равной 28 ат.% наблюдается тенденция к уменьшению концентрации атомов бора и азота в ближайшем окружении атомов железа с ростом дозы имплантации азота. Подобное уменьшение связано с уходом части атомов бора и азота в фазу Ре-(В,Ы)П, содержание которой с ростом дозы имплантации азота увеличивается. В системе Ре-В-Ы с максимальной концентрацией бора (33 ат.%) уменьшение числа атомов металлоидов в ближайшем окружении атомов железа сопровождается снижением содержания фазы Ре-(В,М)„ и ростом объемной доли фазы кристаллического а-железа. Все указанные изменения свидетельствуют о начале процесса распада фазы Рс-(В,М)Ч при достижении внедренной концентрации бора в системе Ре-В-Ы 28 ат.% и частичной кристаллизации указанной системы при достижении концентрации бора 33 ат.%. Процесс распада аморфной фазы Рс-(В,М)м может быть обусловлен релаксацией напряжений, создаваемых внедренными имплантированными атомами и другими радиационными дефектами в системе Ре-В-М.

Показано, что в системе Ре-В-Ы, полученной при полиэнергетической последовательной имплантации бора и азота в интервале относительных концентраций бора и азота менее 20 ат.%, как и в случае моноэнергетической имплантации, наблюдается формирование фаз Ре-(В,К)М и Ре-(ВД|П. При относительной концентрации азота около 20 ат.% в системе Ре-В-Ы, полученной имплантацией в полиэнергетическом режиме, наблюдается образование фазы РегИ. При близких концентрациях металлоидов в системе Ре-В-!\т, полученной моно и полиэнергетической имплантацией, объемная доля аморфной фазы тройного состава в последнем случае больше на величину около 30 %. Это означает, что присутствие кристаллического а-железа в системе Ре-В-Ы

при моноэнергетической последовательной имплантации, вероятнее всего, обусловлено неимллантированными подслоями в пленках железа.

Аморфная фаза Ре-(В,Ы)М проявляет повышенную, по сравнению с (Ре-В)м, термическую стабильность (до температуры 500 °С). При температуре 500 ^С наблюдается эвтектическая кристаллизация системы Ре-В-И с образованием соединений Ре2В и у'-Рс4Ы.

В пятой главе исследуется возможность формирования химической связи типа В-К в системе Ре-В-К. Установлено, что в системе Рс-В-М, полученной при последовательной имплантации пленок железа, образование связи В-Ы возможно уже при относительных концентрациях бора и азота 12-18 ат.%. Указанные значения концентраций заметно ниже тех (20-30 ат.%), при которых была зафиксирована связь В-К в исследованиях других авторов. Формирующиеся связи В-Ы являются термически стабильными до температуры 500 °С.

Формирование связи типа В-Ы не означает присутствия в системе Ре-В-Ы боронитридных фаз и, в частности, модификации с-В№ Вместе с тем, связи типа В-К, присутствие которых нами достоверно доказано, могут являться зародышами кристаллической фазы с-ВК

ВЫВОДЫ

1. На основе исследований ближнего порядка в системах Ре-В и Ре-В-Ы, полученных последовательной имплантацией бора и азота в пленки железа обнаружено, что аморфные фазы Ре-В и Ре-В-Ы либо характеризуются магнитным упорядочением либо являются парамагнитными. При этом, впервые показано, что возникновение парамагнитной фазы в процессе имплантации имеет пороговый характер. Пороговые концентрации бора и азота, необходимые для формирования парамагнитных фаз (Ре-В)п и Ре-(В,Ы)П составляют = 28 ат. % бора и 2 30 ат % бора и азота в сумме соответственно. Процесс зарождения и формирования парамагнитной фазы обусловлен накоплением имплантируемой примеси металлоида, приводящим к ослаблению и исчезновению спин-спинового взаимодействия в магнитных аморфных фазах (Ре-В)м и Ре-(ВД)М [1-3].

2. Установлено, что композиционный ближний порядок в аморфной фазе (Fe-B)M при концентрации бора в интервале 18-28 ат.% характеризуется 8-10 атомами железа, что наиболее близко к числу атомов, приходящихся на первую координационную сферу подрешетки железа фазы ст-БезВ. Композиционный ближний порядок в аморфной фазе (Fe-B)M при концентрации бора равной 33 ат.% с разной степенью вероятности может характеризоваться числом атомов железа, приходящихся на первую координационную сферу подрешетки железа в кристаллических фазах Fe3B, a-FejB, Fe2B и FeB [1,2].

3. Впервые установлено, что в результате имплантации азота в систему Fe-B с концентрацией бора в интервале 28-33 ат. % происходит распад магнитной аморфной фазы Fe-(B,N)M, обусловленный релаксацией напряжений в структуре Fe- (B,N)M [2,3].

4. Впервые показано, что аморфная фаза Fe-(B,N)M проявляет повышенную, по сравнению с (Fe-B)M, термическую стабильность (до температуры 500 °С). При температуре 500 °С наблюдается эвтектическая кристаллизация системы Fe-B-N с образованием соединений Fe2B и Y'-Fe4N [4].

5. Высокая степень дефектности иопно-имплантированных систем Fe-B и Fe-B-N (из-за высокой плотности границ зерен и радиационных дефектов) снижает пороговую концентрацию зарождения парамагнитной фазы по сравнению с таковой в быстро-закаленных аморфных сплавах с = 38 ат.% до = 28 ат. % [4,5].

6. В системе Fe-B-N, полученной последовательной имплантацией бора и азота в пленки железа, обнаружено образование химической связи B-N, которая может являться зародышем сверхтвердой фазы c-BN, уже при внедренных концентрациях бора и азота 12-18 ат.%. Формирующиеся связи B-N являются термически стабильными до температуры 500 °С [6,7].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Uglov V.V., Fedotova J.A., Khodasevich V.V. Phase formation in iron

nanolayers during successive boron and nitrogen high-dose implantation //

"Nanomeeting' 97": Conference Proceedings.-Minsk, 1996. - P. -262-265.

2. Углов B.B, Федотова Ю.А., Ходасевич B.B. Последовательная

имплантация бора и азота в тонкие пленки железа // Вестник БГУ. Сер. 1.

Физ., Хим., Mex.-1997.-N З.-С. 12-16.

3. Углов В.В, Федотова Ю.А., Ходасевич В.В. Мессбауэровские исследования фазового состава пленок железа, последовательно имплантированных ионами бора и азота // Вестник БГУ. Сер. 1. Физ., Хим., Мех, - 1998.-N 1,-С. 24-28.

4. Углов В.В, Федотова Ю.А., Кулешов А.К., Ходасевич В.В. Фазовый состав поверхностных слоев железа при полиэлементной имплантации // Перспективные материалы. - 1998. — N 1. - С. 24-27.

5. J. Stanek, В. Rajchel, J. Fedotova, P. Fornal, H. Binczycka. Interactions of iron with TiN and DLC coatings // Hyperfme interactions. - 1998. - Vol. 112. -P. 55-58.

6. Uglov V.V., Fedotova J.A., Khodasevich V.V. Phase transformation in partially amorphised Fe films during subsequent high-dose nitrogen implantation // Ion Implantation in Science and Technology: Conference Proceedings. - Lublin, 1997. - P. 130-133.

7. Углов B.B, Федотова Ю.А., Ходасевич В.В. Фазовые превращения в тонких пленках железа при последовательной имплантации бора и азота // Передовые технологии в производстве материалов и восстановлении изношенных поверхностей: Материалы конференции. - Минск, 1998. - С. 90-94.

8. В. Rajchel, J. Stanek, Е. Wantuch, Т. Burakowski, J. Fedotova and A. Sellmann. TiN coatings formed by dual Beam IBAD technique. // Materials Science Forum. - 1998. - Vols. 248-249. - P. 217-220.

9. Uglov V.V., Fedotova J.A., Khodasevich V.V. Phase transformation in partially amorphised Fe films during subsequent high-dose nitrogen implantation // Ion Implantation in Science and Technology: Abstracts. - Lublin,

1997.-P. 16.

10. ; B. Rajchel, J. Stanek, E. Wantuch, T. Burakowski, J. Fedotova and A. Sellmann. Creation of the DLC layer by the dual beam IBAD technique // Materials Science Forum. -1997. - Vols. 248-249. - P. 221 - 224.

11. Uglov V.V., Fedotova J.A., Khodasevich V.V. Enhanced nitrogen diffusion on Fe/Si interface during successive boron and nitrogen implantation // Physics and technology of thin films: Abstracts. - Ivano-Frankovsk, 1997. -P. 47.

12.- Углов В.В, Федотова Ю.А., Ходасевич В.В. Синтез кубического нитрида бора в пленках железа при последовательной имплантации бора и азота // Новые материалы и технологии: Тез. докл. науч. конф. - Минск,

1998.-С. 14.

РЭЗЮМЭ

Фядотава КМя Аляксандрауна. Влпю парадак у астэме Ре-В-И пры паслядоунай ¡мплаптацьп бору 1 азоту у плёню жалеза.

Ключавыя словы: юнная ¡мплаитацыя, амарф1зацыя, б.гпзю парадак, мёсбауэрауская спектраскашя.

Метадам1 мёсбауэраускай электроннай канверс!йнай епектраскапи, Ажэ-электроннай спектраскагш 1 рэнгенаускай электроннай спектраскапп даследавана юнэтыка змянення фазавага складу 1 бл!зкага парадку у Ыстэмах Ре-В 1 Ре-В-1М, атрыманьтх метадам паслядоунай ¡оннай ¡мплантацьй бору \ азоту, у залежнасщ ад канцэнтрадый бору 1 азоту, энэргш ¡X )мплантацьт], а таксама тэмпературы адпалу. Вызначаны 1 растлумачаны адрозненш кампазщыйнага бл1зкага парадку у аморфнай астэмс Ре-В, атрыманай метадам1 юннай ¡мплантацьп i хуткай загартоую з расплаву. Эксперыментальна вызначаны парогавыя канцэнтрацьн метажлдау, пры яйх магчымы пераходы магштная фаза-парамагттная фаза у Ыстэмах Ре-В I Ре-В-Ы у працэсе паслядоунай имплантант,й 1 адпалу. Прапанаваны мехашзмы змянення блпкага парадку у астэмах Ре-В i Ре-В-N у працэсе паслядоунай ¡мплантацьп 1 адпалу. Паказана, што утварэнне сувязей В-И у с1стэме Ре-В-М магчыма ужо пры канцэнтрацыях бору I азоту 12-18 ат.%.

РЕЗЮМЕ

Федотова Юлия Александровна. Ближний порядок в системе Ре-В-И при последовательной имплантации бора и азота в пленки железа.

Ключевые слова: ионная имплантация, аморфизация, ближний порядок, мессбауэровская спектроскопия.

Методами мессбауэровской электронной конверсионной спектроскопии, Оже-электронной спектроскопии и рентгеновской электронной спектроскопии исследована кинетика изменения фазового состава и ближнего порядка в системах Ре-В и Ре-В-Ы, полученных методом последовательной ионной имплантации бора и азота, в зависимости от концентраций бора и азота, энергий их имплантации, а также температуры отжига. Определены и объяснены различия композиционного ближнего порядка в аморфной системе Ре-В,

полученной методами ионной имплантации и быстрой закалки из расплава. Экспериментально определены пороговые концентрации металлоидов, при которых возможны переходы магнитная фаза -парамагнитная фаза в системах Fe-B и Fe-B-N. Предложены механизмы изменения ближнего порядка в системах Fe-B и Fe-B-N в процессе последовательной имплантации и отжига. Показано, что образование связей B-N в системе Fe-B-N возможно уже при концентрациях бора и азота 12-18 ат.%.

SUMMARY

Fedotova Julia Alexandrovna. Short-range order in Fe-B-N system during successive implantation of boron and nitrogen into iron films. - Key words: ion implantation, amorphization, short-range order, Mossbayer spectroscopy.

5 • By means of conversion electron Mossbayer spectroscopy, Auger electron spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy transformation of phase composition and short-range order in Fe-B and Fe-B-N systems, received by method of successive ion implantation of boron and nitrogen as a function of boron and nitrogen concentration, implantation energy and annealing temperature have been investigated. Difference between compositional short-range order in amorphous Fe-B system, received by ion implantation and liquid-quenched methods has been determined and explained. Threshold metalloid concentrations of magnetic - to paramagnetic phase transformation in Fe-B and Fe-B-N systems have been experimentally determined. Mechanisms of short-range order transformation in Fe-B and Fe-B-N systems during successive implantation and annealing have been proposed. It has been shown that formation of B-N bounding is possible in Fe-B-N system with boron and nitrogen concentrations of 12-18 at.%.