Динамические процессы и состояние облучаемых твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ ИМ. А.А.БАЙКОВА

2

^ Г В ОД На правах рукописи

Для служебного пользования

Ь Экз. N 7

ч

м

о УДК 539.124.128.04;54.0.53;621.317.75.714

" ЗАВ0Л0ТНЫЙ ВЛАДИМИР ТИХОНОВИЧ

1

о

2 ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СОСТОЯНИЕ

ОБЛУЧАЕМЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Институте металлургии им.А.А.Бажова РАН.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Б.А.КАЛИН, доктор физико-математических наук, профессор В.В.КИРСАНОВ, доктор физико-математических наук В.Ф.ШАМРАЙ

Ведущая организация; Московский институт электроники и математики (технический университет)

Защита состоится "£0" О^УЛ^рЯ 19 г. в час

на заседании специализированного совета Д 003.15.03 при Институт металлургии им.А.А.Вайкова РАН по адресу: 117334, Москва Ленинский проспект, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан 19 г.

Ученый секретарь специализированного совета ——

доктор технических наук / В.М.БЛИНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. При радиационном воздействии на твердые тела выделяется группа явлений, приводящих к значительным изменениям структуры, фазового состава и, г» силу этого, свойств материалов. К важнейшим из этих явлений можно отнести образование объемных и поверхностных дефектов, атермический и термический перенос массы. Понимание процессов, контролирующих эти явления, создает основу для прогнозирования работоспособности различных конструкционных и функциональных материалов в радиационных полях, а также для направленной модификации структуры и свойств твердых тел посредством радиационной обработки. Эта информация необходима при разработке материалов ядерной, в частности, термоядерной, космической, ускорительной и электро-вакуумной техники, для более обоснованного выбора режимов ионно-лучевой технологии, широко используемой в микроэлектронике, оптике и других наукоемких направлениях промышленности.

Несмотря на почти вековую историю исследований радиационных эффектов в твердых телах, до сих пор остается дискуссионным вопрос об относительной величине вкладов в изменение структурно-фазового состояния динамических и термоактивируемых процессов. Так, например, одним из наиболее типичных режимов торможения выбитых атомов является каскад атомных столкновений, пристально исследовавшийся экспериментально и теоретически. Тем не менее, выяснение вопроса о том, что в большей степени определяет пространственное разделение вакансий и междоузельных атомов, параметры каскадной дефектной конфигурации, физическое распыление поверхности и атермическое перемешивание в объеме - стадия развития каскада атомных столкновений или стадия релаксации каскадной области, требовало дополнительных фактов. Если принять

доминирующим термоактивируемый массолеренос на стадии релаксации, то радиационное воздействие будет лишь разновидностью теплового -локальная сверхбыстрая закалка. В этой связи вопрос о вклад; стадии столкновений имеет принципиальный характер: обладает Л1 радиационное воздействие качественным отличием от термического, ] можно ли с его помощью преодолевать термодинамические ограничена на смешение компонентов. Понятно, что решение этого вопрос; представляет не только академический, но и весьма определенны практический интерес.

В диссертационной работе развивается новое научно направление: динамические процессы и состояние облучаемых тверды тел. Актуальность данного направления следует из потребносте интенсивно развивающихся радиационного материаловедения и ионно лучевой технологии.

Цель и задачи работы. Целью работы было исследование основны закономерностей динамических процессов в облучаемых твердь телах, выявления вклада этих процессов в изменения структуры свойств, разработка на этой основе физических принципов ионног перемешивания и ионно-атомного осаждения покрытий и создан} методов направленной модификации поверхности материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Развитие экспериментальных методов исследован! первичных радиационных повреждений и атермического атомно1 перемешивания, в том числе, с атомарной разрешающей способность»

2. Исследование образования атомных смещений в каскада; пространственной сегрегации разноименных точечных дефектов 1 формирования каскадных дефектных конфигураций в металлическ материалах.

3. Выявление связи пространственного распределения дефектов

каскадах с разупорядочением, распылением, внутрикаскадным отжигом дефектов и атермическим атомным перемешиванием в чистых металлах.

4. Исследование структурных изменений при атермическом атомном перемешивании межфазных границ в системах с различной равновесной растворимостью и сопоставление этих изменений с контролируемыми радиационно-усиленной диффузией.

5. Формулирование физических основ ионного перемешивания и ионно-атомного осаждения для создания высокоадгезионных покрытий из материалов, термодинамически несмешиваемых с подложками, а также определение эксплуатационных свойств таких композиций.

Общая методика исследований была направлена на получение информации о динамических процессах, протекающих при торможении выбитых атомов с начальной энергией порядка 0,1 - 1000 кэВ и при скоростях ввода атомных смещений порядка 10~9 - 101 сна/с в чистых металлах, сплавах и бинарных слоистых композициях. Для ввода радиационных повреждений использовались различные ускорители заряженных частиц, а для анализа структуры облученных материалов автоионная микроскопия и атомное зондирование, просвечивающая электронная микроскопия, оже - электронная и рентгеновская электронная спектроскопия, обратное резерфордовское рассеяние. Для анализа структуры покрытий, полученных методом ионно-атомного осаждения, применялись сканирующая электронная и сканирующая туннельная микроскопия, а также стандартные методы контроля термической стабильности, стойкости к механическому и химическому воздействию. Комплекс экспериментальных методов обеспечивал взаимопроверяемость эмпирических данных и, тем самым, их достоверность. Экспериментальные исследования проводились на ускорителях заряженных частиц, ионно-лучевых установках и аналитических приборах ИМЕТ РАН, ИТЭФ, МИРЭА, МИФИ и ИФХ РАН.

б -

Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые рассмотрены и решены следующие вопросы:

1. Экспериментально изучены формирование каскадных дефектных конфигураций и сопровождающий его массоперенос в твердом теле, предложен простой способ количественной оценки основных параметров этих процессов.

В частности:

- исследованы условия образования атомных смещений в широком диапазоне начальной энергии каскада и пространственного разделения компонент пар Френкеля в широком диапазоне температур;

- выявлены закономерности формирования пространственного распределения дефектов в каскадах, его связи с внутрикаскадной аннигиляцией пар Френкеля при повышенных температурах облучения, физическим распылением поверхности, переносом массы за счет смещающих и замещающих столкновений.

2. Экспериментально исследованы и разработаны механизмы атермического атомного перемешивания и его влияния на состояние облучаемого твердого тела.

В частности:

- изучено межфазное перемешивание компонентов с различной равновесной растворимостью, обнаружено образование пересыщенных твердых растворов на границе термодинамически несмешиваемых веществ;

- выявлена связь атермического переноса массы и энергии атомов отдачи, свидетельствующая о динамическом характере этого процесса;

- оценены диапазоны параметров облучения, при которых происходит образование твердого раствора за счет динамического или распад системы за счет термоактивируемого массопереноса.

3. Обоснован и разработан метод ионно-атомного осаждения высокоадгезионных покрытий из термодинамически несмешиваемых с подложкой материалов.

В частности:

- определены режимы ионно-атомного осаждения, позволяющие преодолеть термодинамические ограничения на смешение и нанести покрытие в условиях доминирования динамического массопереноса;

- показана высокая стойкость получаемых таким образом композиций к внешнему термическому, механическому и химическому воздействию;

- показана возможность использования динамически напыленных покрытий в электро-вакуумной и аэро-космической технике, оптике, микроэлектронике, точном машиностроении и приборостроении.

Практическая ценность работы определяется возможностью использования полученных результатов для оптимизации условий ионного перемешивания и ионно-атомного осаждения покрытий, проводимых с целью модификации поверхности конструкционных и функциональных материалов. Проведенные исследования составляют физическую основу для придания поверхности необходимых структуры и свойств посредством радиационной обработки, а также для увеличения представительности имитационных экспериментов, позволяющих прогнозировать поведение материалов в радиационных полях ядерных и термоядерных реакторов, электро-физических установок и космического пространства. Ряд результатов нашел практическое применение в совместных работах с другими научно-исследовательскими центрами.

Создание высокоадгезионных коммутирующих слоев для термоэлектрических преобразователей проводилось в сотрудничестве с НПО "Красная Звезда".

Разработка способов диффузионной сварки герметических шво: через динамически напыленные подслои из легкоплавких металло: для изделий электронной промышленности осуществлялось совместно I ШРЭА.

Поиск способов снижения тепловой аккомодации поверхносте летательных аппаратов в набегающих аэродинамических гиперзвуковы потоках проводился в рамках совместной программы исследований ЦАГИ и ВИАМ.

Разработка новых экспериментальных методов исследовани вклада динамических процессов в структурно-фазовое состояни облучаемых твердых тел осуществлялась в тесном сотрудничестве ИТЭ1> и МИЭМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные закономерности дефектообразования каскадах атомных столкновений и их интерпретация в рамкг представлений о динамических процессах.

2. Экспериментальные закономерности атермического атомно] перемешивания и механизм динамического массопереноса в каскад; атомных столкновений.

3. Обнаружение образования пересыщенных твердых растворов п] доминировании динамического массопереноса и определение гран: такого доминирования при изменении скорости образования выбит: атомов и их энергии, обоснование способов направленн модификации поверхности посредством ионного перемешивания.

4. Экспериментальные закономерности динамического напылен покрытий и обоснование методов создания высокоадгезионн покрытий из термодинамически несмешиваемых с подложкой элементе

5. Экспериментальное подтверждение стабильности состояну достигаемого системой при доминировании динамического перенс

массы, возможности эксплуатации материалов в данном состоянии при внешнем термическом, механическом и химическом воздействии.

б. Разработка перспектив использования динамически напыленных покрытий в различных областях техники, а также ряд конкретных технологических решений.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались в следующих научно-исследовательских институтах и вузах: ИАЭ, ХФТЙ Укр.АН, ИМАШ РАН, ИЯФ Каз.АН, МГУ, МИФИ.

Результаты работы докладывались на 1,2 и 4 Международных конференциях по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза (Звенигород-1979, Дубна-1981, Дубна-1990), Советско-американской рабочей группе по материалам термоядерных реакторов (Москва-1980), 1,2,3 и 5 Всезоюзных совещаниях по автоионной микроскопии и автоэмиссии (Харьков-1975, Звенигород-1978, Свердловск-1982, Харьков-1989), Совещаниях по физике радиационных повреждений твердого тела и радиационному материаловедению (Харьков-1980, 1982, 1984, 1985), Международной конференции по радиационному материаловедению (Алушта-1990), 23 Международном семинаре по автоэмиссии (Альбукерк, США-1990), И Всесоюзной конференции "Динамика разреженных газов" (Ленинград-1991), 2 Всесоюзном семинаре "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов" (Псков-1987), 2 Всесоюзном совещании "Физико-химия взаимодействия ионного и фотонного излучения с поверхностью твердых тел" (Звенигород-1988).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 45-ти печатных работах, принципиальные новшества завдщены двумя авторскими свидетельствами.

Структура диссертации. Диссертация состоит иэ введения, 6-ти глав, заключения и списка литературы. Полный объем - 286 стр., в том числе, 148 стр. текста, 95 рис., 16 табл., список литературы содержит 203 работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава посвящена изучению вклада динамических процессов в образование элементарных радиационных дефектов в твердых телах. Методом автоионной микроскопии были исследованы области атомных смещений, произведенные единичными каскадами столкновений с энергией до 100 кэВ в вольфраме, облученном при 300 К электронами с энергией 21 МэВ, ионами водорода с энергией 140 кэВ, ионами вольфрама с энергией 50 кэВ и ионами железа с энергией 50 и 100 кэВ. Для более однозначной интерпретации получаемых изображений первичных повреждений были разработаны модели автоионных контрастов от точечных дефектов. Облучение проволок из вольфрама диаметром 50 мкм электронами с энергией 21 МэВ и автоионных острий ионами водорода с энергией 140 кэВ, приводящее к образованию атомов отдачи с близким спектром, не выявило каких-либо существенных различий в параметрах наблюдаемых обедненных зон. Тем самым, было показано, что роль поверхностных эффектов в формировании каскадных зон повреждения не является определяющей. Все это позволило повысить достоверность полученных результатов.

По данным автоионной микроскопии были оценены максимальный и средний размеры обедненных зон, средние число и концентрация вакансий в зоне для диапазона начальных энергий каскадов от 0,1 до 100 кэВ. Сопоставление этих данных с энергией, затрачиваемой на упругие соударения позволило сделать вывод о механизмах, определяющих образование элементарных дефектов.

Результаты автоионной микроскопии показали, что увеличение

энергии, затрачиваемой каскадом на упругое взаимодействие с 0,4 цо 49 кэВ, сопровождается ростом среднего числа вакансий в единичной обедненной зоне от 4 - 5 до 490. Такая линейная связь предполагается известной модифицированной моделью каскадной повреждаемости Кинчина-Пиза. Средняя энергия, расходуемая каскадом на единичное атомное смещение, составляет 100 эВ, что, согласно упомянутой модели, соответствует пороговой энергии смещения в вольфраме 40 эВ. Полученные результаты свидетельствуют о том, что аннигиляция точечных дефектов на стадии релаксации каскадной области не вносит ощутимых изменений в их исходное количество.

При энергии первичных выбитых атомов в вольфраме не выше нескольких кэВ обедненные зоны каскадов формируются в виде компактных вакалсионных кластеров - поливакансий или микропор. На первый взгляд, образование таких повреждений можно приписать эффектам высокой плотности выделяемой энергии - пикам смещений или тепловым пикам. Однако кратность поливакансий также соответствует модифицированной каскадной модели Кинчина-Пиза, и не обнаруживается существенной аннигиляции дефектов, предполагаемой моделями энергетических пиков. Этот результат наталкивает на мысль, что наличие компактных вакансионных кластеров есть следствие приближения свободного пробега выбитых атомов с энергией порядка 1 кэВ и ниже к межатомному расстоянию.

Проведенная оценка сечения образования единичных атомных смещений показала, что в исследованном диапазоне энергий ионов и первичных выбитых атомов упругие тормозные потери весьма близки к рассчитанным с использованием потенциала взаимодействия Томаса-Ферми-Мольера. При энергии выбитого атома около 100 эВ его сечение, парного столкновения достигает максимального значения при

движении в случайном направлении. Это позволяет объяснив прекращение размножения атомных смещений в вольфраме при энергш выбитых атомов, равной 100 эВ, следующим образом. Атом - тверда! сфера с таким сечением может осуществлять дальнейшее движение только вдоль плотно упакованного направления, генерируя цепочкз замещающих столкновений. Наличие таких цепочек, в свою очередь, объясняет высокую выживаемость образовавшихся точечных дефектов.

Полученные результаты позволяют считать, что главную роль I образовании элементарных радиационных дефектов играю1] динамические процессы - каскады атомных столкновений. На практике они могут быть использованы для прогнозирования одного иг основных параметров радиационной повреждаемости - скорости вводе атомных смещений при различных типах облучения.

Во второй главе представлены результаты, подтверждающие справедливость предположения о наличии протяженных цепоче? замещающих столкновений. Из автоионномикроскопических наблюдений было установлено, что при 300 К дефекты междоузельного типа I вольфраме располагаются в виде ореола вокруг обедненных зон. Ш среднее удаление составляет 2,5 нм. Для подтверждения того, чтс причиной такого удаления является динамический процесс - цепочга замещений, методами обратного резерфордовского рассеяния у. атомного зонда было исследовано перемешивание покрытий из меди яг вольфраме при 300-1100 К ионами, образующими низкоэнергетические каскады столкновений (30 кэВ-Аг) или единичные точечные дефекть (2 кэВ-Не). Отсутствие ощутимой равновесной растворимости меди с вольфрамом не позволяло интерпретировать обнаруженное ионное перемешивание как результат термических эффектов.

Из данных по ионному перемешиванию было установлено, что при температуре облучения, близкой к комнатной, каждому единичному

атомному смещению соответствует перескок атома на расстояние, практически совпадающее со средним удалением междоузельных атомов от обедненных зон, наблюдавшимся посредством автоионной микроскопиии. Увеличение температуры облучения от 300 до 1100 К сопровождается снижением длины такого перескока. При этом длина меняется приблизительно обратно пропорционально температуре. Все это позволяет интерпретировать сегрегацию разноименных точечных дефектов и динамический перенос нерастворимых примесей как следствие распространения цепочек замещений, а их сокращение с ростом температуры - как результат дефокусировки замещающих столкновений из-за тепловых колебаний решетки.

В рамках настоящей работы была предпринята корректировка модели цепочек фокусированных столкновений Нельсона-Томпсона: замена потенциала Борна-Майера на более соответствующий эксперименту потенциал Томаса-Ферми-Мольера. Для этого потенциала энергия простой фокусировки в вольфраме близка к 100 эВ. Это также свидетельствует в пользу предположения о том, что причиной прекращения размножения атомных смещений в каскаде является попадание выбитых атомов с энергией около 100 эВ в условие фокусировки и образование ими цепочек замещений. Тем самым было достигнуто согласие модели, как с собственными экспериментальными результатами, так и с литературными данными по влиянию цепочек замещений на разупорядочение фаз Курнакова, деградации доменных границ в магнитных материалах, гомогенизации модулированных структур, переводу примесей внедрения в замещающее положение при облучении. Это позволило существенно расширить возможности прогнозирования разнообразных структурно-фазовых изменений, имеющих место при радиационном воздействии.

В третьей главе описаны исследования продольного

распределения точечных дефектов при ионном воздействии. В вид: того, что в последнее время весьма интенсивно развиваете: технология модификации поверхности материалов ионами низки: энергий, главное внимание было /делено исследованию профиле: дефектов от именно тагах частиц. Малая глубина (1-10 нм) облает, повреждений вынудила прибегнуть к разработке новых методически: приемов определения профилей дефектов с помощью автоионно. микроскопии и атомного зонда, обладающих разрешением по глубит около 0,3 нм.

Исследование методами автоионной и просвечивающей электронно: микроскопии продольных распределений дефектов в вольфраме произведенных ионами вольфрама с энергией до 700 кэВ и ионам: железа с энергией до 100 кэВ позволило выявить энергетически зависимости максимальной глубины залегания дефектов и установит: их близость с энергетическими зависимостями средних проективны: пробегов ионов, рассчитанными по известным моделям. Дании: результат свидетельствует о том, что формирование профил: дефектов происходит в основном на динамической стадии торможени: ионов, и нет никаких указаний на сколько-нибудь ощутимо< перераспределение дефектов на большую глубину за счет миграции тепловых пиках.

Получение энергетические зависимости для первых двух моменто профилей дефектов существенно отличались от предсказанных модель: Винтербона-Зигмунда-Сандерса. В этой связи была предпринят, попытка разработки модели, с большей точностью огшсывающе торможение низкоэнергетических тяжелых ионов. В настоящей работ для описания геометрических параметров каскадов атомных смещени впервые был использован формализм геометрии фракталов.

Потенциал взаимодействия аппроксимировался набором степенны

функций, а фрактальная размерность принималась равной половине показателя степени. Соударяющиеся частицы предполагались упругими сферами, радиус которых связан с кинетической энергией в соответствии с избранным потенциалом взаимодействия. Энергия, передаваемая в каждом соударении полагалась равной половине от максимально возможной для данного столкновения энергии отдачи. Свободный пробег между соударениями выбирался обратно пропорциональным произведению соответствующего сечения упругой сферы на атомную плотность. Угол рассеяния налетающей частицы в лабораторной системе координат был одинаковым для всех столкновений, и тангенс этого угла равнялся отношению масс атома мишени и налетающей частицы. В данной модели значения моментов распределения получаются из решений весьма простых геометрических прогрессий. Несмотря на простоту, предложенный способ позволил достичь лучшего согласия с экспериментом для профилей дефектов, производимых тяжелыми ионами низких и средних энергий. Это, в свою очередь, способствовало расширению возможностей прогноза глубины воздействия при модификации материалов ионными пучками.

На экспериментальных профилях не было обнаружено никаких аномалий, которые можно было бы интерпретировать как следствие снижения пороговой энергии смещения в приповерхностной области. Из этого следовало, что энергия, затрачиваемая на смещение в объеме и на поверхности твердого тела достаточно близки.

Сопоставление количества поверхностных атомных смещений, производимых единичным ионом, с литературными экспериментальными данными по коэффициенту распыления выявили тесную корреляцию этих параметров. Например, было установлено практическое совпадение энергетических зависимостей данных величин для ионов вольфрама в исследованном методом автоионной микроскопии диапазоне - от 0,1

до 50 кэВ. Таким образом, распыление поверхности каскадами атомных смещений даже с плотностью энергии в обедненной зоне, достигающей 100 эВ/атом, можно объяснить динамическими процессами, не прибегая к концепции тепловых пиков. На основании экспериментальных данных была проведена перенормировка известной теории распыления Зигмунда, что позволило повысить точность расчета распьшения тяжелыми низкоэнергетическими ионами.

Из экспериментов по образованию элементарных дефектов следовало, что энергия, затрачиваемая на одно смещение в каскаде, соответствует максимальному сечению столкновения. Поскольку такая же энергия расходуется на распыление атома, то было выдвинуто предположение о соответствии пороговой энергии распыления максимальному сечению парного взаимодействия. Выполненные таким образом расчеты привели к приемлимоыу согласию с массивом литературных экспериментальных данных по порогу распьшения.

Полученные результаты расширяют возможности осознанного выбора условий обработки материалов ионными пучками с целью изменения структуры и свойств в приповерхностной области, травления, полировки, а также при нанесении покрытий.

Четвертая глава посвящена исследованию основных закономерностей формирования пространственного распределения дефектов в единичных каскадах атомных столкновений. Для этого методами автоионной и просвечивающей электронной микроскопии были определены размеры обедненных зон в вольфраме, ванадии и станиде ниобия в диапазоне энергий первичных выбитых атомов 0,1-1000 кэВ. Было установлено, что зависимости указанных параметров от энергии не обладают подобием, предсказанным рядом известных каскадных моделей, в частности, Винтербона-Зигмунда-Сандерса. В этой связи была предпринята попытка интерпретации полученных результатов с

- 17 -

позиций фрактальной геометрии.

В отличие от даже более поздних моделей, описывающих каскад смещений подобным образом, фрактальная размерность ствола и ветвей (траектории первичной частицы и выбитых ею атомов) принималась различной. Для ствола она соответствовала начальной энергии каскада, а для ветвей - медианной энергии для первого поколения выбитых атомов. Такой подход позволил с достаточной точностью описать область атомных смещений или обедненную зону как цилиндр, высота которого равна проективному пробегу первичной частицы, а радиус - проективному пробегу выбитых атомов с медианной энергией отдачи. Использование этой модели для расчета усредненных параметров отдельных ветвей каскадов приводит к удовлетворительному согласию с данными автоионной и просвечивающей электронной микроскопии по фрагментации вакансионных скоплений в пределах единичной обедненной зоны. Следует отметить, что предложенная простая аналитическая модель не уступает по точности известным компьютерным программам TRIM и MARLOWE.

Полученные результаты позволяют прогнозировать долю объема твердого тела, заполненного каскадными дефектными конфигурациями при определенном флюенсе частиц. Поскольку такая доля линейно связана со свойствами твердого тела, то это дает возможность прогнозировать дозовые зависимости физических свойств при различных типах облучения. В рамках настоящей работы были проведены исследования изменения температуры сверхпроводимости тонких пленок станида ниобия с флюенсом ионов водорода и гелия с энергией порядка 100 кэВ, которые показали достоверность такого прогноза. Удовлетворительное согласие получено и с данными других авторов для реакторного облучения этого материала. • Тем самым

создается возможность для достаточно точного прогнозирования деградации свойств твердых тел под облучением.

На основании экспериментальных наблюдений каскадных дефектных областей было сделано предположение о том, что при температурах, обеспечивающих термическую миграцию одного или обоих типов точечных дефектов, доля этих дефектов, выживающих после внутрикаскадной рекомбинации, или каскадная эффективность, определяется различием исходных пространственных распределений вакансий и междоузельных атомов. Количественно каскадная эффективность предполагалась близкой к относительной разности объема, включающего обедненную зону и ореол междоузельных атомов, и объема только одной обедненной зоной. Такое предположение приводит к количественному согласию с данными по числу дефектов, наблюдаемых с помощью автоионной микроскопии. Совпадение имеет место и при сопоставлении расчетов с экспериментальными результатами других авторов. Поскольку дефекты, выживающие после внутрикаскадной рекомбинации, определяют протекание рах-"щионно-стимулированных диффузионных процессов, то полученные результаты позволяют прогнозировать относительную скорость указанных процессов и вызванных ими структурно-фазовых изменений при различных типах облучения, управлять этой скоростью при ионной модификации материалов.

В пятой главе излагаются результаты экспериментов, направленных на выявление относительного вклада динамического и термического массопереноса в каскадах атомных столкновений. Как показал автоионномикроскопический анализ каскадных дефектных областей, среднеквадратичный перескок выбитых атомов из объема на границу обедненных зон соответствует среднеквадратичному векторному пробегу смещенных атомов в единичном каскаде,

рассчитанному по предложенной фрактальной модели. Поскольку пробеги выбитых атомов возрастают с начальной энергией каскада, то величина массопереноса на одно атомное смещение или эффективность перемешивания также увеличивается. 3 то же время плотность выделяемой в обеднэной зоне энергии снижается по мере повышения энергии первичной частицы. Если бы массоперенос определялся диффузией в тепловом пике, то эффективность перемешивания должна была бы возрастать с плотностью энергии. Однако эксперимент дал абсолютно противоположный результат. Это свидетельствует о доминирующей роли динамического переноса массы в каскадах столкновений. Поэтому была предложена следующая оценка величины атомного перемешивания: В результате образования единичного атомного смещения является два неекоррелированных атомных перескока - на длину векторного пробега и длину цепочки замещений. Частота таких перескоков раЕна скорости ввода атомных смещений.

Результаты оценки атомного перемешивания по распределению дефектов в каскадах столкновений экспериментально проверялись путем измерения массопереноса через межфазные границу в композициях покрытие-подложка, облученных ионами при комнатной температуре. Для выявления контролирующих параметров проводилось варьирование сорта и энергии ионов, сорта и толщины покрытий, использовались композиции из термодинамически смешиваемых (платина-кремний, титан-кремний, хром-титан) и несмешиваемых элементов (вольфрам-медь). С целью повышения достоверности результатов использовались обратное резерфордовское рассеяние, рентгеновская электронная спектроскопия и оже-электронная спектроскопия. Во всех случаях было получено удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений перемешивания.

Подобное согласие наблюдалось и при сопоставлении расчетов с массивом литературных экспериментальных данных.

Концентрационные профили примесей, реализуемые на межфазных границах при динамическом ионном перемешивании, соответствовали распределению компонентов для непрерывного ряда твердых растворов в системах, как с отрицательной, так и положительной энергией смешения. Причина преодоления термодинамических ограничений заключается в том, что перенос массы производится выбитыми атомами, энергия которых превосходит любые потенциальные барьеры в твердом теле. Отсутствие распада пересыщенных твердых растворов свидетельствует о незначительном вкладе термической миграции на стадии релаксации каскада столкновений.

Методом обратного резерфордовского рассеяния были определены условия ионного облучения, при которых на границе покрытия из платины и подложки из кремния образуются метастабильные твердые растворы или силициды. Было установлено, что неограниченная растворимость платины в кремнии обеспечивается при превышении коэффициента динамического массопереноса над коэффициентом радиационно-усиленной диффузии. Поскольку оба эти коэффициента по разному зависят от энергии выбитых атомов, скорости образования атомных смещений и температуры мишени, то, подбирая названные условия облучения, можно добиться доминирования того или иного процесса массопереноса и, тем самым, управлять ходом структурно-фазовых изменений в облучаемом объеме.

Методом просвечивающей электронной микроскопии было показано, что облучение заранее утоненных образцов из стали 1Х18Н9Т ионами бора, фосфора и хрома с энергией 175 кэВ и ионами железа с энергией 200 кэВ при скоростях ввода атомных смещений от 10~4 до Ю-1 сна/с подавляет коалесценцию вакансий в поры вплоть до 873 К

даже при дозах облучения до 102 сна. В то же время литературные данные свидетельствуют, что при облучении электронами с энергией 1 МэВ при близкой скорости ввода смещений поры обнаруживаются уже при 693 К. Это сопоставление показывает, что наблюдаемое подавление порообразования определяется высокой энергией выбитых атомов при ионном облучении, то есть динамическим процессом.

Полученные результаты дают возможность выбирать условия облучения таким образом, чтобы структурно-фазовые изменения протекали в интересующем нас направлении. На ряде примеров показано применение результатов для различных видов ионно-лучевой обработки поверхности, проведения имитационных экспериментов, оценки перераспределения компонентов при анализе состава по глубине с использованием ионного профилирования.

Шестая глава посвящена разработке физических основ ионно-атомного осаждения покрытий из термодинамически несмешиваемых с подложками элементов, исследованию качеств таких композиций и поиску областей их практического применения. Метод ионно-атомного осаждения - напыления покрытий при одновременном ионном облучении, обладает рядом преимуществ перед другими способами ионно-лучевой обработки. Энергия ионов может составлять всего лишь несколько кэВ, что обеспечивает радиационную безопасность, не требует сложных ускорительных устройств и снижает материальные затраты. При этом модифицированный слой не ограничивается пробегом ионов, а распространяется на всю толщину наносимого покрытия, определяемую только скоростью и временем осаждения.

На базе данных о динамических процессах, изложенных в предыдущих главах, определены и подтверждены экспериментально условия ионно-атомного осаждения (скорость роста напыляемого покрытия, сорт, энергия и плотность потока ионов, температура

подложки), обеспечивающие надежную адгезию композиции материалов с положительной энергией смешения. Применимость полученных представлений продемонстрирована на композициях тантал-медь, вольфрам-медь, молибден-медь, золото-вольфрам, золото-кремний.

Посредством изохронного отжига полученных композиций при различных температурах с последующим испытанием их адгезии скрайбированием установлено, что адгезия сохраняется до тех пор, пока термическая диффузия не приведет к распаду пограничного слоя пересыщенных твердых растворов. Регулируя толщину перемешанного слоя, можно задавать необходимые времена сохранения адгезии при реальной рабочей температуре композиции. Это позволяет применять такие покрытия для проведения пайки мягкими припоями, диффузионной сварки тугоплавких материалов, создания теплоотводов от распыляемых мишеней и мощных интегральных схем.

Наряду с достаточной термической стабильностью композиции показали высокую стойкость к механической деформации. Испытания на поперечный изгиб показали, что шелушение покрытий отсутствует при деформации, по крайней мере, в несколько десятков процентов. Усталостные испытания также свидетельствовали о стабильности динамически напыленных покрытий. При испытаниях на разрыв отслаивания покрытий не наблюдается даже в шейке разрыва. Такук стойкость к деформации можно объяснить подавлением образования микропор в растущем покрытии при доминировании динамического перемешивания и, тем самым, снижением плотности концентраторог напряжений.

Низкая пористость покрытий подтверждается и результатам! измерений анодного тока растворения покрытий из коррозионно-стойких по сравнению с подложкой материалов. По сравнению с термически осажденными покрытиями дефектность динамичесга

напыленных пленок оказывается меньше приблизительно в 103 раз. В совокупности с данными механических испытаний этот результат показывает, что такие покрытия могут служить надежной защитой упругих элементов (мембран насосов и манометров), работающих в агрессивных средах.

Исследование поверхности покрытий, осажденных термически и динамически, проведенное методом сканирующей туннельной микроскопии, показало, что последние обладают гораздо меньшей микрошероховатостью и более сглаженным микрорельефом. Причиной этого является наличие распыления и перемешивания при ионно-атомном осаждении. Такие качества поверхности могут быть использованы для достижения повышенных оптических или аэродинамических характеристик изделий. Например, такие покрытия позволили снизить до 30^ тепловой поток на поверхность, находящуюся в гиперзвуковом аэродинамическом потоке (скорость молекул от 8 до 12 км/с при 473-673 К).

Полученные результаты показывают, что возможность существенного расширения набора элементов покрытий и подложек за счет преодоления термодинамических ограничений на растворение позволяет, в свою очередь, расширить и набор эксплуатационных качеств, придаваемых поверхности различных изделий. Это открывает возможность разнообразного применения результатов данной работы в различных наукоемких отраслях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Выявлены основные изменения структурно-фазового состояния облучаемых твердых тел при развитиии динамических процессов, сопровождающих торможение выбитых атомов, - каскадов атомных столкновений. Исследованы основные закономерности каскадного дефектообразования и перемешивания в широком диапазоне энергий

выбитых атомов, скоростей ввода атомных смещений и температуры облучения в чистых металлах, сплавах и бинарных слоистых композициях.

2. Экспериментальные исследования атомной структуры каскадных дефектных областей показали, что энергетические зависимости среднего числа атомных смещений и их сечения образования свидетельствуют об определяющем вкладе динамических процессов в формирование элементарных дефектов. Не обнаружено сколько-нибудь ощутимого влияния теплового пика на количество образующихся смещенных атомов. Полученные результаты можно использовать для оценки скорости ввода атомных смещений при различных типах облучения.

3. Экспериментально показано, что причиной пространственного разделения компонент пар Френкеля является динамический массоперенос. Впервые подучена температурная зависимость величины такого массопереноса, позволяющего интерпретировать его природу как цепочки фокусированных замещений. Полученные результаты молшо использовать для количественной оценки перехода равновесного раствора внедрения в метастабильный раствор замещения и других структурных изменений, связанных с образованием замещающих столкновений.

4. Экспериментальные исследования продольного распределения дефектов при облучении ионами низких и средних энергий показали, что оно не содержит никаких аномалий, которые можно было бы связать с вкладом эффектов высокой плотности выделяемой энергии, и формируруется преимущественно за счет динамических процессов. Впервые предложен способ оценки моментов распределения смещений, использующий основные положения фрактальной геометрии и позволяющий достичь удовлетворительного согласия с наблюдаемыми

величинами. Полученные результаты позволяют оценить глубину зоны структурных изменений при ионной модификации материалов.

5. Впервые экспериментально показано, что число атомных смещений, производимых единичным каскадом столкновений в первом приповерхностном моноатомном слое, практически совпадает с литературными данными для коэффициента распыления даже при весьма высоких плотностях выделяемой энергии. Это свидетельствует о преимущественно динамической природе распыления и при облучении низкоэнергетическими тяжелыми ионами. Полученные результаты можно использовать для оценки поверхностной эрозии при ионных очистке, полировке, травлении и профилировании материалов.

6. На основании экспериментальных исследований каскадных дефектных областей впервые выявлена обобщенная зависимость их размеров от начальной энергии и показано, что объемное распределение дефектов соответствует области протекания динамических процессов. Впервые установлено, что даже при наличии подвижности одного или обоих типов точечных дефектов каскадная эффективность повреждаемости определяется различием объемных распределений вакансий и междоузельных атомов, формируемых на динамической стадии. Полученные результаты можно использовать при прогнозировании дозовых зависимостей физических свойств и оценке относительных скоростей радиационно-стимулированных структурно-фазовых изменений при различных типах облучения.

7. Впервые экспериментально установлено, что атермическое атомное перемешивание определяется динамическими параметрами -векторными пробегами выбитых атомов и длиной цепочек замещений. На основании этих данных предложено выражение для коэффициента атомного перемешивания, приводящее к удовлетворительному согласию с массивом собственных и литературных экспериментальных данных.

Показано, что это выражение дает более правдоподобную зависимость эффективности атомного перемешивания от энергии выбитых атомов по сравнению с ранее предложенными динамической и термической моделями.

8. Экспериментальные исследования ионного перемешивания бинарных слоистых композиций из элементов с отрицательной и положительной энергией смешения показали, что в условиях доминирования динамического массопереноса в облученной зоне, независимо от величины равновесной растворимости, образуются твердые растворы, тогда как при доминировании радиационно-усиленной диффузии происходит термический распад системы. На базе этих данных впервые предложен способ направленного изменения структурно-фазового состояния облучаемого объема посредством варьирования энергии выбитых атомов, скорости ввода смещений I температуры облучения. Полученные результаты позволяют существенно расширить возможности ионной модификации поверхност! материалов, повысить представительность имитационны; экспериментов.

9. Экспериментально подтверждена применимость получении: представлений о динамическом массопереноее для оптимизаци; условий ионно-атомного осаждения покрытий и получения эти методом высокоадгезионных композиций из термодинамическ несмешиваемых элементов. Показана стойкость таких композиций термическому и механическому воздействиям. Тем самым создан благоприятная перспектива для использования сравнительно простог и экологически чистого метода ионно-атомного осаждения покрыти при решении широкого круга практических задач.

10. Впервые показано, что покрытия, полученные в условия доминирования динамического массопереноса, обладают комплексе

эксплуатационных качеств, позволяющих использовать их для юздания неразъемных соединений, обеспечения коррозионной защиты, улучшения азротермодинамических характеристик, регулировки штических параметров. Это свидетельствует о применимости юлученных в настоящей работе представлений для создания целого ia6opa принципиально новых технологических процессов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бобков А.Ф., Заболотный В.Т., Иванов Л.И., Кукавадзе Г.М., Мельников В.Н. Цельнометаллический автоионный микроскоп для ^следования радиационных дефектов во время облучения// Приборы и техника эксперимента, 1976, N 6, с.176-179.

2. Бабаев В.П., Бобков А.Ф., Заболотный В.Т., Иванов Л.И., ¿ахлин H.A., Суворов А.Л. Каскады атомных смещений в металлах. Л.: Препринт ИТЭФ-110, 1982, 40 с.

3. АбовЮ.Г., Иванов Л.И., Заболотный В.Т., Суворов А.Л. Динамические процессы при облучении твердых тел (результаты научно-технического сотрудничества ИТЭФ и ИМЕТ АН СССР). М.: препринт ИТЭФ-81, 1985, 52 с.

4. Заболотный В.Т., Гуров К.П., Бабаев В.П. Динамический период каскада атомных столкновений // Физика и химия обраб. материалов, 1987, N 2, с.8-12.

5. Бабаев В.П., Заболотный В.Т., Комиссаров А.П., Махлин H.A. Радиационное перемешивание нерастворимых элементов // Физика и химия обраб. материалов, 1987, N 2, с.3-7.

6. Суворов А.Л., Заболотный В.Т., Бобков А.Ф., Лазарев Н.Е., Бабаев В.П. 0 механизме низкоэнергетического атомного перемешивания // Физика и химия обраб. материалов, 1992, N 6, с.19-22.

7. Суворов А.Л., Иванов Л.И., Бондаренко Г.Г., Заболотный

В.Т., Лазарев Н.Е., Кучерявый С.И., Бабаев В.П. Автореко< свидетельство (СССР) N 1360491. 15.08.87. Приоритет от 27.02.86 Способ автоионномикроскопического анализа материалов (ДСП).

8. Заболотный В.Т., Лазоренко В.М. Каскады, субкаскады и пига смещений в вольфраме после облучения собственными ионами А Физика и химия обраб. материалов, 1993, N 3, с.17-22.

9. Бабаев В.П., Заболотный В.Т. Оценка среднего угл; рассеяния и первых моментов распределения пробегов и упруги; потерь энергии ионов в твердых телах // Физика и химия обраб. материалов, 1986, N 3, с.5-7.

10. Бабаев В.П., Заболотный В.Т., Мельников В.Н. Измерении коэффициентов распыления по распределению имплантировании} примесей и радиационных дефектов // Физика и химия обраб. материалов, 1989, N 5, с.34-37.

11. Заболотный В.Т., Суворов А.Л., Бабаев В.П. Автоионно-микроскопические исследования массопереноса в каскадах атомных столкновений // 'Физика и химия обраб. материалов, 1990, N 3, с.17-19.

12. Заболотный В.Т., Мельников В.Н., Леонов А.И. Дозовые зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние и каскады столкновений в ИЬэЗп // Физика и химия обраб. материалов. 1988, N 3, с.5-7.

13. Заболотный В.Т., Иванов Л.И. Атомное перемешивание металлов // В сб. Радиационное материаловедение (Труды Международной конференции по радиационному материаловедению, Алушта, 22-25 мая 1990 г.), Харьков, 1990, т.5, с.129-133.

14. Заболотный В.Т., Вальднер В.О. Энергетическая зависимость ионного перемешивания // Физика и химия обраб. материалов, 1993. N 1, с.5-7.