Фотостимулированные изменения состояния поверхностных слоев и микротвердости фольг сплава Cu-Ni

Колотов, Андрей Александрович

Фотостимулированные изменения состояния поверхностных слоев и микротвердости фольг сплава Cu-Ni тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Колотов, Андрей Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ижевск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Фотостимулированные изменения состояния поверхностных слоев и микротвердости фольг сплава Cu-Ni»

Автореферат диссертации на тему "Фотостимулированные изменения состояния поверхностных слоев и микротвердости фольг сплава Cu-Ni"

На правах рукописи

КОЛОТОВ Андрей Александрович

ФОТОСТИМУЛИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ И МИКРОТВЕРДОСТИ ФОЛЬГ СПЛАВА Си-№

Специальность 01.04.07. - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск 2006

Работа выполнена в лаборатории электронной структуры поверхности Физико-технического института Уральского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор технических наук, профессор В Л. Баянкин, доктор технических наук, профессор В .А. Трапезников,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Д.И. Тетельбжум; кандидат физико-математических наук, доцент ГЬН. Крылов.

Ведущая организация: Институт химии твердого тела УрО РАН,

г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 3 2006 г. В 14й часов на

заседании диссертационного совета Д 004.025.01 при Физико-техническом институте УрО РАН по адресу: 426001, г. Ижевск, ул. Кирова, 132

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института УрО РАН.

/ ^ •

Автореферат разослан Л ^¿Л/л с'Я 2008IV-с

Ученый секретарь диссертационного совета Д 004.025.01 ФТИ УрО РАН

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник / Д.Б. Титоров

И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Исследования в области взаимодействия излучения с твердыми телами интенсивно ведутся на протяжении последних лет. В результате было установлено, что в процессе облучения, в первую очередь, изменяется дислокационная структура в слое, подверженном непосредственному воздействию того или иного вида излучения, что затем отражается и на характеристиках материала в целом. При таком слабом воздействии, каким является облучение световыми пучками (включая импульсное лазерное излучение) с энергией возбуждения ниже порогового (для ударных смещений), изменения дефектной структуры могут распространяться, даже при комнатной температуре на достаточно большие глубины, вызывая изменение структуры материала в микронных и субмикронных толщинах.

Первые работы, посвященные исследованию воздействия потока фотонов на физико-механические свойства твердых тел, проводились Ю.А. Осипьяном на полупроводниковых кристаллах. Им было открыто явление, названное фотопластическим эффектом. Он заключается в том, что при освещении светом фотопроводника в процессе пластического деформирования в нем возникают скачки прочности и пластичности. Механизм этого явления связан с локальным торможением движущихся дислокаций, перезаряжающимися под действием света центрами. Впоследствии проявление данного эффекта было отмечено не только в полупроводниковых материалах. Исследованию фотомеханического эффекта, т.е. изменению микротвердости материала под действием света, посвящен целый цикл работ. В частности, эксперименты, проведенные на висмуте и сурьме, выявили наличие фотомеханического эффекта. Изменение механических свойств сурьмы при освещении, происходит вследствие изменения подвижности дислокаций благодаря перебросам электронов в высшие энергетические состояния. Наблюдаемое проявление фотомеханического эффекта в металлах (Си, Ре, Т1, V, Сг, Мо и ^ при освещении белым светом объясняется существованием связывающих и антисвязывающих зон, между которыми возможен квантовый переход электронов. Индуцированные светом переходы электронов могут приводить к уменьшению энергии связи и, как следствие, понижению микротвердости. Полученные к настоящему моменту результаты, несомненр^. (являютея ценными как с

библиотека I

. о."»/!

^»11 ■ ! Ц.Щ

фундаментальной, так и практической точки зрения, но они не дают уверенного объяснения наблюдаемых процессов.

Можно отметить, что в отличие от облучения поверхности пучками больших энергий, например, ионными, когда создается высокая концентрация дефектов, слабое фотонное облучение взаимодействует лишь с исходными дефектами, в частности, с дислокациями и примесно-дефектными кластерами, что накладывает ограничение на выбор материалов для исследований, позволяющее в явном виде проследить поведение фотостимулированных процессов. С этой точки зрения, наиболее удобным является использование прокатанных фолы с высокой * концентрацией дефектов в исходном состоянии (плотность дислокаций в данных материалах может достигать значений 109 * Ю10 см"2). Исследования фотомеханического эффекта, проведенные на подобных металлических прокатанных фольгах, выявили ряд особенностей наблюдаемых процессов - релаксация системы к исходному состоянию, насыщение эффекта, проявление эффекта на противоположной облучению стороне и др.

Обобщая вышесказанное, можно утверждать, что в основе фотомеханического эффекта лежит возбуждение светом электронной подсистемы в облучаемом материале, а её дальнейшая эволюция и взаимодействие с дефектами определяет наблюдаемые эффекты.

В связи с вышеизложенным цель работы состояла в следующем: Исследование влияния оптического излучения на физико-механические свойства и состояние поверхностных слоев фольг сплава Си-Ж В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияние оптического излучения на микротвердость фольг Си-№;

2. Выявление роли структурного состояния на фотостимулированные процессы;

3. Изучение особенностей формирования состава поверхностных слоев фольг Си-№ при облучении светом;

4. Изучение эволюции строения внутренних уровней атомов поверхностных слоев фольг Си-№ до и после воздействия света;

5. Интерпретация полученных экспериментальных результатов с целью выявления процессов, определяющих формирование состава поверхностных слоев и структурные изменения поверхностных слоев фольг Си-№.

В качестве объектов исследования выбраны фольги сплава 60%Си-40%№.

Для проведения исследования в качестве базовых использовались методы измерения микротвердости, рентгенофотоэлектронная спектроскопия, вторично-ионная спектрометрия. В качестве дополнительного применялся метод рентгеновской дифракции.

Научная новизна работы.

1. Показано влияние светового излучения галогенной лампы на микротвердость исходных прокатанных фольг Си-№, отсутствующее на фольгах после изотермического отжига.

2. Впервые выявлено перераспределение компонентов в поверхностных слоях фольги Си-№, заключающееся в обогащении поверхностных слоев атомами никеля в поверхностном слое толщиной 3 -5 нм. Перераспределение компонентов отмечено как на облучаемой стороне, так и на стороне обратной облучению.

3. Впервые обнаружено изменение рентгенофотоэлектронных спектров внутренних уровней Сч2р3/2 и №2рзд при облучении фольг Си-№ световым потоком галогенных ламп, связанное с образованием в поверхностных слоях сложных оксидов металлов.

4. Выявлена релаксация к исходному состоянию микротвердости и состава после облучения. Изучена зависимость релаксации от времени выдержки после засветки.

5. Предложены механизмы формирования состава поверхностных слоев фольги Си-№, в основе которых лежит предположение об образовании в поверхностных слоях метастабильных оксидов при участии адсорбированных атомов кислорода.

Научная и практическая значимость работы.

Работа посвящена актуальному вопросу физики поверхности, как с точки зрения фундаментальных исследований, так и практических задач - влиянию энергетического воздействия на материал. Проблемы заключаются в сложности исследования сопутствующих процессов при облучении материалов, в изучении их поведения в условиях эксплуатации, разработке новых методов модификации физико-химических свойств.

Основные положения, выносимые на защиту.

• На примере сплава 60%Cu-40%Ni показано, что световое облучение исследуемых фольг сопровождается изменением физико-химических свойств образцов. Установлено, что уменьшение микротвердости поверхностных слоев как на облучаемой, так и на обратной облучению сторонам немонотонно зависит от дозы и плотности потока светового облучения.

• Сравнительный анализ исходных фольг в состоянии прокатки и фольг, отожженных в вакуумной печи, выявил определяющее влияние дефектности структуры в процессах взаимодействия света с изучаемым материалом.

• Облучение светом приводит к перераспределению компонентов в поверхностных слоях и обогащению поверхности никелем, что не свойственно для сплавов данного типа в равновесных условиях.

• Показано, что световое облучение приводит к фотосгимулированным химическим реакциям на поверхностях с образованием метастабильных соединений, распадающихся после облучения.

• Показано, что все фотостимулированные эффекты обратимы, релаксация системы носит термоактивируемый характер.

• Показано, чт о наличие оксидного слоя на поверхности металла не является достаточным условием наблюдаемых фотоиндуцированных эффектов, необходим слой адсорбированных атомов (в частности атомов кислорода).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: IX и X Всероссийских научньи- конференциях студентов-физиков и молодых ученых, Красноярск (2003), Москва (2003); УП, VIII Международных конференциях "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий", Обнинск (2003, 2005); Конференции молодых ученых ФТИ УрО РАН, Ижевск (2003, 2004, 2005); Ш Международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов", Черноголовка (2004); УП Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Н. Новгород (2004); 6-ом Международном Уральском семинаре "Радиационная физика металлов и сплавов", Снежинск (2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных рабсп, из них 2 статьи в рецензируемых журналах.

Работа выполнена в лаборатории электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН в рамках темы НИР ФТИ УрО РАН "Исследование сегрегационных процессов в поверхностных слоях сплавов на основе ЗА металлов после внешних (термических, механических, ионно-лучевых) воздействий" (№ Гос. регистрации 01.2.003.08515), проекта РФФИ № 02-02-16670 "Исследование сегрегационных процессов поверхностных слоях металлических систем при ионной имплантации", гранта Федерального агентства по образованию № А04-2.9-1153 "Исследование влияния низкоэнергетических облучений на состав и свойства металлических материалов".

Личный вклад автора. Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором, а также полученные в соавторстве. Автор диссертации принимал личное участие в экспериментах по измерению микротвердости, рентгеноэлектронных исследованиях, вторично-ионной масс спектрометрии. Автором был проведен качественный и количественный анализы результатов исследований состава и структуры поверхностных слоев облучаемых фольг. В работе использовались результаты, полученные Быстровым С.Г. (атомно-силовая микроскопия), Коныгиным Г.Н. (рентгеновская дифракция), Кирилловой М.М. (эллипсометрия). Общая и конкретные задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы совместно с научным руководителем — Баянкиным В.Я. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводилась совместно с научным руководителем, научным консультантом и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 122 страницах машинописного текста, включая 75 рисунков, 4 таблицы и библиографический список, содержащий 131 название.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность.

Первая глава является обзором литературных данных, посвященных исследованиям по изучению воздействий света на свойства полупроводниковых и металлических материалов. Рассмотрены вопросы изменения прочностных характеристик полупроводниковых кристаллов при облучении светом (фотопластический эффект) в зависимости интенсивности, дозы и спектрального состава падающего излучения, температуры, а также целого ряда других параметров. Показано, что фотопластический эффект связан с объемными межзонными возбуждениями кристалла, что приводит к изменению подвижности дислокаций, т.е. скорости деформационного течения. Аналогичные эффекты были обнаружены и в экспериментах по облучению металлов. Сравнительный анализ данных по исследованию изменения свойств полупроводников и металлов под действием света показывает ряд качественных совпадений наблюдаемых явлений, что позволяет предполагать их единую физическую природу. Из проведенного анализа литературы видно, что для получения более детальной картины фотоиндуцированных эффектов, независимо от исследуемого материала, необходимы данные о процессах, протекающих при облучении, локализованных в тонких поверхностных слоях.

Во второй главе описаны особенности формирования состава поверхностных слоев в сплавах системы Сих№].х, а также условия формирования оксидных слоев на поверхности рассматриваемых сплавов. Показано, что, несмотря на высокое содержание никеля в объеме сплава, поверхностный слой при умеренных температурах обогащается медью, при этом степень обогащения зависит от средней концентрации компонентов. Толщина обогащенного слоя составляет порядка 3-5 атомных слоев.

В третьей главе описываются методы исследования, которые применялись в рамках данной работы: метод измерения микротвердости, рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), вторично-ионной спектрометрии (ВИМС), рентгеновской дифракции (РД). Излагаются физические основы методов, возможности методов и их реализация в данной работе. Описана методика приготовления образцов.

Четвертая глава посвящена результатам исследований фотостимулированных изменений структуры и состава поверхностных слоев.

Показано, что облучение светом прокатанных фольг сплава Си-№ приводит к уменьшению микротвердости (рис. 1). Облучение проводилось галогенными лампами на воздухе, при фиксированном расстоянии от источника света до образца, которое составляло 70 мм. Для увеличения тегаюотвода и предотвращения нагрева образца во время облучения, образец закреплялся на массивной металлической пластине. Как показал расчет, для используемых ламп, нагрев поверхности при облучении не превышал 20 градусов. Аналогичные результаты были получены при измерении температуры на поверхности фольги во время облучения - нагрев не превышал 15-20 градусов.

Изменения микротвердости при облучении существенно превосходят погрешности измерения и носят не монотонный характер. На ранних стадиях засветки микротвердость падает и при определенных значениях достигает минимума, после чего отмечается небольшое плато на графиках зависимостей. При увеличении экспозиции значения микротвердости увеличиваются вплоть до исходных значений

Рис. 1. Зависимость микротвердости от времени облучения фольг №-Си при использовании ламп различной мощности: а) \У=100 Вт, б) W - 200 Вт.

Дальнейшее облучение не приводит к фиксируемым изменениям микротвердости. Таким образом, можно констатировать, что для данного сплава, в исследуемых интервалах доз облучения, существует два пороговых значения времени экспозиции. Следует отметить, что изменения микротвердости

Н, кгс/мм

к- в!

и*«, сек.

Рнс. 2. Зависимость микрогвердостн от времени облучения фольг №-Си при использовании ламп различной мощности на обратной облучению стороне фольги.

были выявлены не только на облучаемой стороне, но и на обратной (рис. 2). Несмотря на то, что закономерности подобного характера были отмечены в работах других исследователей [1], до сих пор нет единой интерпретации данного факта - передается ли воздействие через весь объем образца или распространяется по поверхности.

Следующей характерной особенностью эффектов, наблюдаемых при облучении фольг Си-№ светом, является релаксация структуры к исходному состоянию. Она выражается в восстановлении значений микротвердости к исходным величинам. На рис. 3 представлены данные по исследованию зависимости величины микротвердости фольги от времени выдержки образца после засветки. Можно отметить, что характер релаксационных кривых, снятых в одинаковых условиях, не зависит от режимов засветки поверхности. Как видно из рисунка, релаксация системы к равновесному состоянию носит термоактивируемый характер.

На основе анализа результатов рентгеновской дифракции было выявлено, что изменений структурно-фазового состава при облучении фольг не происходит. По изменению формы и полуширины линии (220) было рассчитано изменение уровня

микроискажений еКак видно из поведения величины микроискажений

(рис. 4) на первом этапе облучения, характеризуемого падением микротвердости, наблюдается уменьшение микронапряжений, что можно трактовать как структурную

релаксацию. При этом размер "> и. «<*«.' т.«,« т...,» зерна остается практически

неизменным. Однако с ростом микротвердости увеличивается и уровень микроискажений и при больших дозах облучения изменение микроискажений не фиксируется и соответствует исходному необлученному

образцу.

7 7.5 • и « «1 Н Ш И Ш IX

Рис. 3. Зависимость величины мякротвердости от времени после облучения фолы лампой мощностью 100 Вт при различных температурах выдержки обртзцов после засветки.

С целью выявления роли структурного состояния по аналогичной методике были исследованы отожженные образцы фольг Cu-Ni. Отжиг образцов производился в вакуумной печи при температурах отжига 650° и 850°С в 1 течении 30 минут с последующим

остыванием вместе с печью. Отжиг j фольг привел к уменьшению

микротвердости, по сравнению с исходными фольгами, на 30%. Исследование зависимости микротвердости от доз и интенсивности падающего излучения в широком интервале не выявили особенностей в характере поведения микротвердости. Основываясь на полученных результатах можно предположить решающую роль упруго-напряженного состояния, полученного вследствие прокатки образцов, для наблюдаемых эффектов.

Исследования элементного состава поверхности, проведенные методами ВИМС и РФЭС, показали, что световое облучение приводит к существенным перераспределениям компонентов сплава в поверхностных слоях. На рис. 5,6 приведены данные ВИМС при облучении фольг Cu-Ni (расчетная скорость травления поверхности ~3 нм/мин). Как видно, облучение приводит к изменению равновесных концентраций элементов и их перераспределению в поверхностных слоях. Поверхность обогатилась атомами никеля до 60 - 70 % ат. на глубину 2-3 нм, при равновесном значении концентрации в том же слое ~30 % ат. Исследование дозовой зависимости (табл. 1) показало изменение соотношения Cu/Ni в сторону увеличения доли никеля на поверхности во всем исследуемом диапазоне доз. Наблюдаемое ' обогащение приповерхностных слоев атомами Никеля является нетипичным для

сплавов данного состава. Обогащение поверхностных слоев атомами никеля можно \ связать с образованием дополнительных оксидных состояний атомов никеля (и меди)

с адсорбированным на поверхности кислородом. Поскольку никель имеет большее сродство к кислороду (- ДНсио ~ 157 кДж/моль, - ДН№о = 238 кДж/моль [2]), образование оксидов никеля происходит более активно.

Рис. 4. Изменение величины микроискажений ори облучении фольг Cu-Ni лампой мощностью 100 Вт в зависимости от времени облучения.

Рис. 5. Изменение соотношения компонентов (Cu/Ni) в поверхностных слоях при облучении фолы- Cu-Ni (too. = 3 сек.). Кривые 1, 2, 3 сошчещтуют различным временам выдержки образца после засветки.

Рис. 6 Изменение соотношения компонентов (Cu/Ni) в поверхностных слоях при облучении фольг Cu-Ni (toe,. = 5 сек.). Кривые 1, 2, 3, 4 соответствуют различным временам выдержки образца после засветки.

Таблица I

Содержание никеля в поверхностном слое, толщиной ~3 нм при облучении светом различными дозами (без учета кислорода).

Время облучения, сек. C(Nl), % ат.

0 -30

1 -30

3 -60-65

5 -60-70

10 -40

Поскольку подобное распределение компонентов не является равновесным -система релаксирует к исходному состоянию после прекращения облучения. Восстановление исходных соотношений концентраций элементов происходит за время, характерное для релаксации микротвердости ~103 сек., что может служить основанием считать, что природа наблюдаемых явлений взаимосвязана.

С(0)х100ат.%

исходи

Измерение концентрационных -•- время облучение - s «к. соотношений на стороне, противоположной облучению, показали, что она также обогащается никелем. Однако эти изменения локализованы в менее глубоких слоях ~1 + 2 нм.

Интересными, с точки зрения подтверждения предположения об образовании оксидов, являются данные о перераспределении кислорода в поверхностных слоях под действием света. Как видно из приведенного на рис. 7 графика, в результате облучения увеличивается миграция атомов кислорода вглубь материала. Одновременно с этим, на спектрах внутренних уровней отмечается ряд отличий, свидетельствующих об изменении характера межатомного взаимодействия элементов, которые входят в состав исследуемого сплава. В спектрах Ois (рис. 8) наблюдаются две линии ~530 эВ и 532 эВ. Энергетическое положение первой линии соответствует кислороду, химически связанному с металлом (Си20 -530.3 эВ, СиО - 529.7 эВ, NiO - 529.8 эВ [3]).

Ряс. 7. Концентрация кислорода в поверхностных слоях фольга Cu-Ni после облучения

Исходны*

IU4SMI.

Ois

» »и я» mi ш »» до ш »м *я мл м ttt m t» >м m »»

Рис. 8. Реттеноэлектронные спектры OU фольги Cu-Ni до и после облучения.

Вторая линия обусловлена наличием кислорода, адсорбированного на поверхности и по границам зерен. Из представленных на рис. 8 спектров видно, что происходит изменение относительной интенсивности этих пиков. Это указывает на вхождении части адсорбированных атомов в оксидные соединения. В табл. 2 приведена дозовая зависимость относительной интенсивности пиков при облучении.

ЧЧЧЧч> О,»-

н az SM ¡ 4S. ïlt

Рис. 9. Рентгеноэлектронные спектры Ois после травления ионами аргона

Таблица 2

Отношение цлтенсивностей пиков адсорбированной компоненты спектра Ois и оксидной части спектра при различных временах облучения

W).eeK. Исходное 15 20 25

^0(адсср), 5.2±0.2 4.910.3 4.5±0.2 4.4±0.2

Отдельное внимание было уделено исследованию влияния оксидного слоя на наблюдаемые эффекты. В работе [4] было показано, что удаление оксидного слоя путем травления приводит к исчезновению эффекта, однако выдержка образцов на воздухе в течение времени, достаточном для гарантированного образования оксидной пленки, восстанавливает исходную картину эффекта. В наших исследованиях часть образцов была исследована с удалением оксидной пленки. Удаление оксида производилось двумя способами: нагрев образца в вакуумной камере до температуры 200 - 250°С и травление поверхности ионами аргона. В обоих случаях удаление оксидной пленки приводит к исчезновению эффекта. Однако, используя метод травления поверхности ионами, было показано, что распыление

поверхности на глубину до 1 нм уже приводит к тому, что изменений в спектрах при облучении не фиксируется, хотя, как это видно из рис. 9, подобное травление не приводит к стравливанию, а удаляет лишь адсорбированные атомы. Это

I, нА

t, се*.

Рж 10. Появление фототока в образцах Cu-Ni ори облучении.

позволяет предположить немаловажную роль слоя адсорбированных атомов в фотостимулированных процессах на исследуемых объектах.

Таким образом, фотостимулированные процессы связаны с увеличением миграции атомов кислорода с поверхности в объем материала, что подтверждается также результатами работы [5], где было показано, что наблюдаемые эффекты обуславливаются наличием, видимо, расположенных в дефектных местах поверхности кислородно-водородных комплексов и специфике их поведения в поверхностных слоях вещества. В частности, именно повышением адсорбционной способности материала и образованием химических соединений можно объяснить падение микротвердости поверхностных слоев, как с прямой, так и с обратной облучению стороны. Предполагается, что падающий свет приводит к межзонным переходам в оксидном слое, который в нашем случае является полупроводником р-типа с шириной запрещенной зоны ~3 эВ, и появлению фототока (рис. 10), что изменяет зарядовое состояние поверхности и влияет на дислокационную структуру.

Рис. 11. Реятгеноэлекгронные спектры Си2рэд- Линия А - исходное состояние; В, С, И, Е, И - соответствуют различным ломы облучения.

*м

Сигрм

м»

Изменение дислокационной

структуры поверхностных слоев в результате светового облучения способствует структурной реорганизации (об этом свидетельствуют результаты РД) и, как следствие, приводит к миграции кислорода вглубь материала. Обращает на себя внимание тот факт, что кислород, а так же другие адсорбированные атомы, находящиеся в поверхностных слоях материала, могут быть заряженными, даже если в объеме материала они нейтральны и более того, могут перезаряжаться за счет электронного обмена с полупроводниковым оксидным

слоем. Таким образом, освещая образец можно изменять зарядовое состояние поверхности, а, следовательно, и концентрацию заряженных частиц в приповерхностных слоях. В рамках теории Ребиядера [5, 6] можно предположить, что мигрировавшие адатомы способны понизить микротвердость поверхностных слоев за счет изменения поверхностной энергии.

Одновременно с этим, мигрировавшие в поверхностные слои атомы кислорода,

вступают в химическую связь с атомами матрицы. Это подтверждается результатами

РФЭС. На рисунках 11 и 12 представлены рентгеноэлектронные спектры внутренних

уровней Си2р3/2 и №2р3д. Исходный спектр Си2р3/2 (рис. И) исследуемого образца

(линия А) имеет один ярко выраженный пик, по форме и энергии связи близкий к

состоянию Си+ (Е„ = 932,4 ± 0.2 эВ [7]) в оксиде Си20. Асимметрия основного пика,

позволяет сделать вывод о наличие второй компоненты, связанной с наличием

небольшого количества меди в состоянии Си2+ в оксиде СиО (Есв = 933,2 ± 0.2 эВ [7]).

Облучение образцов в вакуумной камере энергоанализатора непосредственно перед

сканированием спектров привело к изменению формы и положению линий. На

рис. 11 показано изменение исходных спектров внутренних уровней меди после

облучения для различных доз

облучения. Линии В, С, О, Е, Р

показывают изменение исходной

электронной структуры при

облучении. Основной отличительной

особенностью представленных

спектров является наличие

дополнительного максимума со

Рис. 12. Реиттеноэлегтронные спектры №2ри при стороны больших Энергий СВЯЗИ различных дозах, облучения.

относительно главного максимума. Интенсивность появляющегося пика увеличивается с увеличением дозы облучения (в исследуемом интервале доз). Поскольку положение пиков в рентгенофотоэлекгронных спектрах зависит от химического состояния атомов, то изменение спектров свидетельствует об изменении характера межатомного взаимодействия при облучении. Можно предположить, что появление новой компоненты обусловлено вхождением части атомов меди в химическое соединение

Исходи.

* оба "20 сек.

*обл.= 25 сек. -»- Ь

Есв..эВ

854 Мб 858 860

другого состава. В рентгенофотоэлектронкых спектрах, никеля можно отметить уменьшение интенсивности пика, находящегося в районе 854 эВ относительно пика на 858 эВ (рис. 12). Последний факт можно трактовать как доокисление никеля - на поверхности активируются окислительно-восстановительные процессы, адсорбированный кислород, с одной стороны, участвует в окислении адсорбированных углеводородов, а с другой стороны, диффундирует в объем металла с образованием сначала оксидоподобных слоев нестехиометрического состава, а затем и фазы №0.

Отличительной особенностью наблюдаемых явлений при облучении светом, является релаксация системы после облучения к исходному состоянию. На рис. 13 представлены спектры Си2р3/2. В процессе выдержки облученных образцов, образовавшееся плечо уменьшается вплоть до исходной величины. Релаксация системы к исходному состоянию, как правило, становиться существенной спустя примерно 1 час, что коррелирует с ранее полученными нами результатами. Подобное поведение системы вызывает как минимум два вопроса, связанных с природой наблюдаемых явлений. Во-первых, принимая во внимание низкую энергию падающих фотонов, сложно объяснить образование новых устойчивых соединений

Время выдержки ■мяговдечемм

1«шн. 20 мни-Лап кии.

«гаодяв*

т и

"7/

7/ -7

/Л4,

си ар*

(^«21 («к.

Гчу

ч .

л \

X \4 \ \ ч- \ V

б)

Время выдержки

(10С. м обл^мш

1 Л.

' 1 л. х

Си2р„

\ V

$ мин.

30 тт.

60 тин.

ПШДМС

метойш

•ц \ч

/¡а

///К

/<' А

-У

Е<..»в

Рис. 13. Ренттеяоэлеюронные спектры Си2р}д> релаксация электронной структуры после облучения фольги Си-№ а) I (<л) 20 сек., а) I (о6л) = 25 сек.

(стабильных в течение времени сек.) на поверхности. Во-вторых, образование новых соединений, как правило, приводит к понижению энергетики системы и переводу системы в более стабильное состояние, и их распад, вообще говоря, с точки зрения термодинамики не оправдан. И уж тем более не удается объяснить эти эффекты, рассматривая их как отклик электронов на фоне неподвижной решетки ионов.

Таким образом, рентгенофотоэлектронные спектры свидетельствуют, что световое облучение приводит к изменению электронновалентного состояния атомов никеля и меди, входящих в состав сплава Cu-Ni, что сопровождается появлением ярко выраженного плеча на спектрах Си2рзд на расстоянии ~2 эВ от основного ronca. Не исключено, что дополнительное плечо относится к образующемуся Си(ОН)2, однако, анализ данных РФЭС позволяет предположить, что происхождение нового пика связано с образованием оксидных растворов Cu[.xNijO. Вероятность формирования соединений такого сложного состава обуславливается тем, что наблюдаемый сдвиг в спектрах меди указывает на появление дополнительной связи, которая становиться доминирующей при увеличении дозы облучения (в исследуемом интервале). Уменьшение интенсивности пика в спектрах никеля в районе 854 эВ, свидетельствующее об увеличении степени окисления атомов никеля, так же указывает, что возможно образование комплексных соединений типа Cui_xNixO. Таким образом, наши исследования выявили значительные сдвиги на спектрах Си2рзд и №2рзд, что однозначно указывает на их химическое взаимодействие, которое интерпретируется нами как образование оксидных растворов Cu,_xNi],0. Вопрос об устойчивости данного соединения остается открытым и требует дополнительного изучения. Однако, как показывают результаты наших исследований, после облучения отмечается восстановление исходных характеристик (микротвердости, компонентного состава поверхности, формы спектров), что может указывать на распад образующихся в процессе облучения соединений.

Дополнительные исследования на фольгах меди, проведенные по аналогичной методике выявили, что изменений микротвердости при облучении при тех же параметрах не фиксируется. Однако, как показывает анализ результатов рентгенофотоэлектронной спектроскопии, на спектрах внутренних уровней меди (рис. 14), на расстоянии ~2 эВ от основного пика, четко наблюдается плечо, которое

• Т

«1 «32 СМ 9М «К

Е^.ЧВ

В... »в

Рис. 14. Рентгеиоэлектрокные спектры Си2ри, релаксация электронной структуры после облучения фольги Си

Рис. 15. Рентгенофотоэлеггронные спектры валентной полосы после облучения фольги Си (1л.-20 сек.)

уменьшается в процессе релаксации системы. Образование дополнительного плеча в данном случае так же можно связать с образованием дополнительных оксидных состояний (например, Си2Оз). На валентной полосе Си20 также отмечается рост компоненты со стороны более высоких энергий относительно пика соответствующего СиЗё (рис. 15), что может свидетельствовать о трансформации электронной структуры поверхностных слоев при облучении. В данном случае, эффект проявляется на порядок слабее, чем при облучении фольг сплава Си-№, что подтверждает наше предположение об образовании комплексных оксидов.

Основные результаты и выводы: В работе представлены результаты комплексного исследования состояния поверхностных слоев и микротвердости прокатанных фольг сплава Си-М в условиях светового воздействия (облучения галогенными лампами мощностью 100 и 200 Вт). На основании полученных экспериментальных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Облучение фольг сплава Си-№ белым светом, приводит к уменьшению микротвердости на 15-20% относительно исходных значений. Уменьшение

микротвердости отмечается в ограниченном интервале доз облучения, при увеличении дозы облучения эффект не фиксируется.

2. Уменьшение микротвердости сопровождается уменьшением внутренних микронапряжений, что может говорить о частичной релаксации внутренних напряжений.

3. Облучение светом приводит к перераспределению компонентов в поверхностных слоях и обогащению поверхности никелем до 60-70 % ат., при равновесном значении ~30 % ат. Подобное соотношение компонентов является не свойственным для сплавов данного типа в равновесных условиях. Поскольку атомы меди и никеля характеризуются различным сродством к кислороду, то подобное перераспределение компонентов может свидетельствовать о протекании окислительных реакций, приводящих к образованию дополнительных оксидных состояний атомов никеля и меди.

4. Уменьшение микротвердости и перераспределение компонентов сплава при облучении, на стороне противоположной облучению, предположительно, может быть объяснено двумя причинами:

■ изменением зарядового состояния поверхности;

■ эффектом дальнодействия.

5. Все фотостимулированные эффекты носят обратимый характер. Система релаксирует после облучения. Характерное время полной релаксации составляет ~105 сек. Релаксация носит термоактивируемый характер.

6. Сравнительный анализ фольг, находящихся в различных исходных состояниях перед облучением, выявил, что фотостимулированные процессы на поверхности исследуемых металлических фольг зависят от выполнения ряда условий:

■ Достаточная концентрация дефектов в материале;

" Наличие оксидного слоя на поверхности металла;

■ Нали чие адсорбированных атомов кислорода на поверхности.

7. Определены механизмы наблюдаемых эффектов, в основе которых лежит гипотеза о миграции адсорбированных на поверхности атомов кислорода вглубь материала (оксидного слоя), что сопровождается эффектом адсорбционного понижения твердости, и последующее образование

комплексных метастабнльных оксидных соединений, существующих в условиях возбуждения системы.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. О влиянии потока фотонов на свойства фольги Cu-Ni. //Письма в ЖТФ, 2004, т. 30, вып. 16, с. 7-12.

2. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Влияние света на электронную структуру и состав поверхностных слоев металлических фолы. //ФизХОМ, 2005, (принята в печать).

3. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З. Исследование воздействия энергетического потока фотонов на свойства фольги Cu-Ni. //Тез. Девятой Всероссийской науч. конф. студ.-физиков и мол. ученых (ВНКСФ-9). Красноярск, 2003, с. 171.

4. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Влияние воздействия потока фотонов на свойства фольги Cu-Ni. //Тез. Межд. конф. студентов, аспирантов и мол.ученых по фундаментальным наукам. Москва, 2003, с. 248.

5. Колотое A.A. Воздействие энергетического потока фотонов на свойства фольги Cu-Ni. //Тез. VII Межд. конф. "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий". Обнинск, 2003 с. 143.

6. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Исследование воздействия энергетического потока фотонов на свойства фольги Cu-Ni. //Тез. конф. молодых ученых ФТИ УрО РАН. Ижевск, 2003, с. 21.

7. Колотое A.A., Баянкин В.Я. Проявление "эффекта дальнодействия" при фотонном облучении фольг Cu-Ni. //Тез. 10-ой Всероссийской науч. конф. студ.-физиков и мол. ученых (ВНКСФ-10). Москва, 2004, с. 340.

8. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Исследование воздействия потока фотонов на свойства фольг Cu-Ni. //Тез. Ш Межд. конф. "Фазовые превращения и прочность кристаллов". Черноголовка, 2004, с. 57.

9. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В Л. О влиянии светового облучения на состав поверхностных слоев фольги Cu-Ni. //Гез.УП Всероссийского семинара "Физические и физико-химические основы ионной имплантации". Н.Новгород, 2004, с. 119.

10. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Исследование воздействия света на свойства фольги Cu-Ni. //Тез. конф. мол. ученых ФТИ УрО РАН. Ижевск, 2004, с. 23.

11. Колотое A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В .Я. Влияние потока фотонов на свойства фольги Cu-Ni. //Тез. 6-го Межд. Уральский семинар "Радиационная физика металлов и сплавов". Снежинск, 2005, с. 34.

12.Колотов A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я., Коныпш Г.Н. Особенности процессов при облучении фольги Cu-Ni светом. //Тез. VII Межд. конф."Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий". Обнинск, 2005, с. 143.

13.Колотов A.A., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Особенности формирования химического состава поверхности при облучении светом фольг Cu-Ni. //Тез. Школы-семинара "Наноматериалы и нанотехнологии". Ижевск, 2005, с. 33.

Цитируемая литература

1. Тетельбаум Д.И., Курильчик Е.В., Азов А.Ю., Менделеева Ю.А., Смирнова Т.П. Фоточувствительность механических свойств металлов как проявление эффекта дальнодействия. //Вестник Нижегородского унив., сер. ФТТ, вып. 1(6), 2003, с. 194-204.

2. Самсонов Г.В., Борисова АЛ., Жидкова Т.Г. и др. Физико-химические свойства окислов. Справочник. - М.: Металлургия, 1978,472 с.

3. Нефедов В.И. Ренттеноэлектронная спектроскопия химических соединений. Справочник. - М.: Химия, 1984,256 с.

4. Тетельбаум Д.И., Азов А.Ю., Голяков П.И. Влияние облучения светом на механические свойства металлов. //Письма в ЖЭТФ, т. 29, вып. 2,2003, с.35-41.

5. Новиков H.H. Относительно возможной природы электромеханического, фотомеханического и концентрационного эффектов. //Украинский физический журнал, т. 17, № 5,1972, с. 724-733.

6. Лихтман В.И, Щукин Е.Д, Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1962,306 с.

7. J. Chijsen, L.H. Tjeng at al. Election structure of Cu20 and CuO. Phys. Rev. B, 1988, 38 (16), p. 11322-11330.

¿c¿>¿A

P-2 924

Подписано в печать 01.02.06. Формат 60x84^

Уев. печ. л. 1,40. Уч. изд. л. 1,32. Бумага офсепш №1. Тираж 100 экз. Заказ №777 НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика" 426034, г. Ижевск, ул. Университете«*, 1.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Колотов, Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Влияние света на свойства материалов

1.1. Фотопластический эффект в полупроводниках

1.2. Механизмы фотопластического эффекта в полупроводниках

1.3. Влияние фотонов на свойства металлов 28 Заключение

ГЛАВА 2. Физико-химические характеристики сплавов CuxNii.x

2.1. Система CuxNi i.x

2.2. Особенности формирования состава поверхностных слоев сплава CuxNii.x

Введение диссертация по физике, на тему "Фотостимулированные изменения состояния поверхностных слоев и микротвердости фольг сплава Cu-Ni"

Актуальность темы. Исследования в области взаимодействия излучения с твердыми телами интенсивно ведутся на протяжении последних лет. В результате было установлено, что в процессе облучения, в первую очередь, изменяется дислокационная структура в слое, подверженном непосредственному воздействию того или иного вида излучения, что затем отражается и на характеристиках материала в целом. При таком слабом воздействии, каким является облучение световыми пучками (включая импульсное лазерное излучение) с энергией возбуждения ниже порогового (для ударных смещений), изменения дефектной структуры могут распространяться, даже при комнатной температуре на достаточно большие глубины, вызывая изменение структуры материала в микронных и субмикронных толщинах.

Первые работы, посвященные исследованию воздействия потока фотонов на физико-механические свойства твердых тел, проводились Ю.А. Осипьяном па полупроводниковых кристаллах. Им было открыто явление, названное фотопластическим эффектом. Он заключается в том, что при освещении светом фотопроводника в процессе пластического деформирования в нем возникают скачки прочности и пластичности. Механизм этого явления связан с локальным торможением движущихся дислокаций, перезаряжающимися под действием света центрами [1]. В последствие проявление данного эффекта было отмечено не только в полупроводниковых материалах. Исследованию фотомеханического эффекта, т.е. изменению микротвердости материала под действием света, посвящен целый цикл работ [2-6]. В частности, эксперименты, проведенные на висмуте и сурьме [2], выявили наличие фотомеханического эффекта. Изменение механических свойств сурьмы при освещении, происходит вследствие изменения подвижности дислокаций благодаря перебросам электронов в высшие энергетические состояния. Наблюдаемое проявление фотомеханического эффекта в металлах (Си, Fe, Ti, V, Cr, Mo и W) при освещении белым светом объясняется существованием связывающих и антисвязывающих зон, между которыми возможен квантовый переход электронов. Индуцированные светом переходы электронов могут приводить к уменьшению энергии связи и, как следствие, к понижению микротвердости. Полученные к настоящему моменту результаты, несомненно, являются ценными как с фундаментальной, так и практической точки зрения, но они не дают уверенного объяснения наблюдаемых процессов.

Можно отметить, что в отличие от облучения поверхности пучками больших энергий, например, ионными, когда создается высокая концентрация дефектов, слабое фотонное облучение взаимодействует лишь с исходными дефектами, в частности, с дислокациями и примесно-дефектными кластерами, что накладывает ограничение на выбор материалов для исследований, позволяющее в явном виде проследить поведение фотостимулированных процессов. С этой точки зрения, наиболее удобным является использование прокатанных фольг с высокой концентрацией дефектов в исходном состоянии (плотность дислокаций в данных материалах может достигать значении 109 -i- Ю10 см"). Исследования фотомеханического эффекта, проведенные на подобных металлических прокатанных фольгах, выявили ряд особенностей наблюдаемых процессов - релаксация системы к исходному состоянию, насыщение эффекта, проявление эффекта на противоположной облучению стороне и др. [4-7].

Цель и задачи исследования. Исходя из сказанного целыо работы является исследование влияния оптического излучения на физико-механические свойства и состояние поверхностных слоев фольг сплава Cu-Ni. В соответствии с поставленной целыо в работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияние оптического излучения на микротвердость фольг Cu-Ni;

2. Выявление роли структурного состояния на фотостимулированные процессы;

3. Изучение особенностей формирования состава поверхностных слоев фольг Cu-Ni при облучении светом;

4. Изучение эволюции строения внутренних уровней атомов поверхностных слоев фольг Cu-Ni до и после воздействия света;

В качестве объектов исследования выбраны фольги сплава 60%Cu-40%Ni. Для проведения исследования в качестве базовых, использовались методы измерения микротвердости, рентгенофотоэлектронная спектроскопия, вторично-ионная спектрометрия. В качестве дополнительного, применялся метод рентгеновской дифракции.

Работа выполнена в лаборатории электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН в рамках темы НИР ФТИ УрО РАН "Исследование сегрегационных процессов в поверхностных слоях сплавов на основе 3d металлов после внешних (термических, механических, ионно-лучевых) воздействий" (№ Гос. регистрации 01.2.003.08515), проекта РФФИ № 02-02-16670 "Исследование сегрегационных процессов поверхностных слоях металлических систем при ионной имплантации", гранта Федерального агентства по образованию № А04-2.9-1153 "Исследование влияния низкоэнергетических облучений на состав и свойства металлических материалов". Научная новизна работы.

1. Показано влияние светового излучения галогенной лампы на микротвердость исходных прокатанных фольг Cu-Ni, отсутствующее на фольгах после изотермического отжига.

2. Впервые выявлено перераспределение компонентов в поверхностных слоях фольги Cu-Ni, заключающееся в обогащении поверхностных слоев атомами никеля в поверхностном слое толщиной 3-5 нм. Перераспределение компонентов отмечено как на облучаемой стороне, так и на стороне обратной облучению.

3. Впервые обнаружено изменение рентгенофотоэлектронных спектров внутренних уровней Си2рз/г и №2рз/г при облучении фольг Cu-Ni световым потоком галогенных ламп, связанное с образованием в поверхностных слоях сложных оксидов металлов.

5. Предложены механизмы формирования состава поверхностных слоев фольги Cu-Ni, в основе которых лежит предположение об образовании в поверхностных слоях метастабильных оксидов при участии адсорбированных атомов кислорода. Научная и практическая значимость работы.

• Показано, что световое облучение приводит к фотостимулированным химическим реакциям на поверхностях с образованием метастабильных соединений, распадающихся после облучения.

• Показано, что наличие оксидного слоя на поверхности металла не является достаточным условием наблюдаемых фотоиндуцированных эффектов, необходим слой адсорбированных атомов (в частности атомов кислорода).

Апробация работы и публикации: Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:

• Девятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, 28.03-03.04.2003, Красноярск, Россия.

• Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам, 16-20.2003, Москва, Россия.

• VII международная конференция «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», 16-19.06.2003, Обнинск, Россия.

• Конференция молодых ученых ФТИ УрО РАН, 2003, Ижевск, Россия.

• Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, 01-07.04.2004, Москва, Россия.

• III Международная Конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», 20-24.09.2004, Черноголовка, Россия.

• VII Всероссийский семинар «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», 26-29.10.2004, Н. Новгород, Россия.

• Конференция молодых ученых ФТИ УрО РАН, 8-10.12.2004, Ижевск, Россия.

• 6-й Международный Уральский семинар «Радиационная физика металлов и сплавов», 20-26.02.2005, Снежинск. Россия.

• VIII международная конференция «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий», 14-18.06.2005, Обнинск, Россия.

• Школа-семинар КоМУ-2005 "Нанотехнологии и наноматериалы" ФТИ УрО РАН&УдГУ, 5-8.12.2005, Ижевск, Россия.

Основное содержание диссертации изложено в 2 статьях (ссылки [99, 100] в списке литературы).

Личный вклад автора. Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором, а также полученные в соавторстве. Автор диссертации принимал личное участие в экспериментах по измерению микротвердости, рентгеноэлектронных исследованиях, вторично-ионной масс спектрометрии. Автором был проведен качественный и количественный анализы результатов исследований состава и структуры поверхностных слоев облучаемых фольг. В работе использовались результаты, полученные Быстровым С.Г. (атомно силовая микроскопия), Копыгиным Г.Н. (рентгеновская дифракция), Кирилловой М.М. (эллипсометрия). Общая и конкретные задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы совместно с научным руководителем — Баянкиным В.Я. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводилась совместно с научным руководителем, научным консультантом и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

ВЫВОДЫ

Облучение фольг сплава Cu-Ni белым светом, приводит к уменьшению микротвердости на 15-20% относительно исходных значений. Уменьшение микротвердости отмечается в ограниченном интервале доз облучения, при увеличении дозы облучения эффект не фиксируется.

Уменьшение микротвердости сопровождается уменьшением внутренних микронапряжений, что может говорить о частичной релаксации внутренних напряжений.

Облучение светом приводит к перераспределению компонентов в поверхностных слоях и обогащению поверхности никелем до 60-70 % ат., при равновесном значении ~30 % ат. Подобное соотношение компонентов является не свойственным для сплавов данного типа в равновесных условиях. Поскольку атомы меди и никеля характеризуются различным сродством к кислороду, то подобное перераспределение компонентов может свидетельствовать о протекании окислительных реакций, приводящих к образованию дополнительных оксидных состояний атомов никеля и меди.

Уменьшение микротвердости и перераспределение компонентов сплава при облучении, на стороне противоположной облучению, предположительно, может быть объяснено двумя причинами: изменением зарядового состояния поверхности; эффектом дальнодействия.

Все фотостимулированные эффекты носят обратимый характер. Система релаксирует после облучения. Характерное время полной релаксации составляет ~105сек. Релаксация носит термоактивируемый характер.

Достаточная концентрация дефектов в материале;

Наличие оксидного слоя на поверхности металла;

Наличие адсорбированных атомов кислорода на поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе методами рентгенофотоэлектронной спектроскопии, вторично-ионной масс-спектрометрии и методом измерения микротвердости выполнено исследование фотостимулированных изменений состояния поверхностных слоев.

Выявлено, что процесс фотостимулированных реакций на поверхности металлических фольг можно разделить на несколько этапов. На первом этапе падающие фотоны индуцируют межзонные переходы в оксидном слое, что приводит к увеличению подвижности дислокаций в оксидном слое. Этот этап сопровождается уменьшением микротвердости на 15-20% относительно исходных значений. Поскольку глубина погружения индентора в поверхность в наших исследованиях составляет 2 - 2,5 мкм, а глубина проникновения света не более 0,1 мкм, то можно предположить, что изменения, происходящие в тонких поверхностных слоях, приводят к изменению структуры на гораздо больших глубинах. Это подтверждается результатами анализа методом рентгеновской дифракции. На втором этапе значения микротвердости принимают постоянные значения, которые сохраняются на протяжении определенного интервала доз облучения. После превышения пороговых доз, система возвращается вновь к исходному состоянию, что отражается в установлении значений микротвердости на уровне исходных.

Изучено влияние дефектности структуры на фотостимулированные процессы на поверхности. Результаты исследований фольг отожженных в вакуумной печи показал, что эффекты, характерные для исходных неотожженных фольг, не проявляются. Это позволяет сделать вывод о решающей роли дефектной структуры в фотостимулированных процессах.

Изменения структуры поверхностных слоев, как правило, отражаются и на их составе. Было показано, что в поверхностном слое, изначально обогащенном медью (до 70 ат %), происходит обогащение атомами никеля (до 60-70 % ат., при равновесном значении ~ 30 % ат.). Такие изменения можно объяснить образованием оксидов никеля, с адсорбированным на поверхности кислородом. Образование оксидных фаз было так же подтверждено и методом рентгенофотоэлектронной спектроскопии. Установлено, что на поверхности происходит не просто доокисление до соответствующих стабильных оксидов, а образование нестехиометрических метастабильных оксидных состояний. Отдельным вопросом исследования ставился вопрос о влиянии оксидного слоя. Было показано, что наличие оксида на поверхности играет основную роль, однако, процессы не происходят или происходят крайне быстро, если на поверхности отсутствует слой адсорбированных атомов, в частности атомов кислорода.

Фотостимулированные реакции на поверхности обусловлены возбуждением электронной подсистемы, и благодаря этому, увеличением подвижности дислокаций, позволяющим увеличить скорость диффузионных процессов на поверхности. Естественно было предполагать, что могут наблюдаться и обратные процессы после облучения. Наличие релаксации было показано всеми методами исследования. Релаксация интенсивно протекает в первые ~ 103 сек., замедляя постепенно скорость. Характерное время полной релаксации отмечается за время ~105 сек. Одновременно, с этим было показано, что релаксация протекает быстрее при повышении температуры.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Колотов, Андрей Александрович, Ижевск

1. Судзуки Т., Ёсинага X., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность. М.: Мир, 1989,296 с.

2. Осипьян Ю.А. Савченко И.Б. Экспериментальное наблюдение влияние света на пластическую деформацию сульфида кадмия. //Письма в ЖЭТФ, 1967, с.130-134.

3. Мдиванян Б., Осипьян Ю.А., Шихсаидов М.Ш. О корреляции фотопластического и фотовольтаического эффектов в монокристаллах ZnS и ZnSe. //ФТТ, 1988, т.ЗО, № 5, с. 1311-1318.

4. Осипьян Ю.А., Петренко В.Ф. Исследование процесса деформации после воздействия светом на сульфид кадмия. //ЖЭТФ, 1975, т. 69, с. 1362-1368.

5. Осипьян Ю.А., Шахсаидов М.Ш. Фотопластическиий эффект и резкое упрочнение кадмия. //ФТТ, 1981, т. 23, с. 3711-3715.

6. Осипьян Ю.А., Петренко В.Ф., Савченко И.Б. Инфракрасное гашение фотопластического эффекта в сульфиде кадмия. //Письма в ЖЭТФ, 1971, т. 13, с. 622624.

7. Шихсаидов М.Ш. Влияние света на пластические свойства сульфида и селенида кадмия. //ФТТ, 1981, т. 23, № 6, с. 1662-1667.

8. Takeuchi S., Maeda К., Nacagava К. Defects in Semiconductors, ed. Mahajan Corbett J.W. North-Holland, New York, 1983, p. 461-467.

9. Kuczynsri G.C., Hochman R.F. Light-Induced Plasticity in Semiconductors. // Phis. Rev., v. 108, №4,1957, p. 946-948.

10. Трунов М.Л. Прямое наблюдение эволюции пластических свойств стеклообразных полупроводников при облучении светом. //Письма в ЖЭТФ, 2004, т. 30, вып. 20, с. 4954.

11. Белин В.М., Векилов Ю.Х. К вопросу о влиянии внутреннего фотоэффекта на микротвердость. //ФТТ,1963, т. 5, с. 2372-2374.

12. Герасимов А.Б., Чирадзе Г.Д., Кутивадзе Н.Г. Исследование физической природы фотомеханического эффекта. //Физика и техника полупроводников, 2001, т. 35, вып. 1, с. 70-74.

13. Варданян Р. А., Кравченко В.Я., Осипьян Ю.А. К вопросу о механизме фотопластического эффекта. //Письма в ЖЭТФ, 1984, т. 40, вып. 6, с. 248-250.

14. Варданян Р.А., Кравченко В.Я., Осипьян Ю.А. К вопросу о механизме фотопластического эффекта. //Письма в ЖЭТФ,1984, т. 40, вып. 6, с. 248-250.

15. Дыкман И.М., Пекар С.И. Световые волны в кристаллах в области экситонного поглощения и примесный фотоэффект. //ЖЭТФ, 1959, т. 37, вып. 2 (8), с. 510-521.

16. Пекар С.И. Отождествление экситонов со световыми волнами в кристалле и макроскопическая теория экситонов с учетом и без учета запаздывания. //ЖЭТФ, т.38, 1960, вып. 6, с. 1786-1797.

17. Осипьян Ю.А., Петренко В.Ф. Исследование механизма движения заряженных дислокаций в ZnSe. //ЖЭТФ, 1978, т. 75, вып. 1(7), с. 296-305.

18. Кириченко Л.Г., Петренко В.Ф., Уймин Г.В. О природе дислокационного заряда в ZnSe. //ЖЭТФ, 1978, т. 74, вып. 2, с. 742-752.

19. Бредихин С.И., Шмурак С.З. Стимулированное деформационное свечение кристаллов ZnS. //Письма в ЖЭТФ, 1974, т. 19, вып. 12, с. 709-713.

20. Осипьян Ю.А., Петренко В.Ф. Экспериментальное наблюдение влияние электрического поля на пластическую деформацию кристаллов ZnSe. //Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 17, с. 555-557.

21. Зарецкий А.В., Петренко В.Ф. //ФТТ, 1978, т. 20, с. 3-9.

22. Calderon A., Alvaredo-Gil J.J., Gurevich Yu.G. Photothermal Characterization of Electrochemical Etching Processed «-Type Porous Silicon. //Phis. Rev. Let, v.79, № 25, 1997, p.5022-5025.

23. BucTko S., Feng H.H., et al. Persisten photoconductivity in insulating and supercoducting УВагСазОх thin films: Temperature and spectral dependence. //Phis. Rev., v. 48, № 22, 1993-11, p. 16707-16-713.

24. Saliminina A., Galstian T.G., Villeneuve A. Optical Field-Induced Mass Transport in AS2S3 Chalcogenide Glasses. //Phis. Rev. Let, v. 85, № 19,2000, p. 4112-4115.

25. Zalar В., Lavrentovich O.D., at al. Deuteron NMR investigation of a photomechanical effect in a smectic-Л liquid crystal. // Phis. Rev.E, v.62, № 2,2000, p. 2252-2262.

26. Kastrission D.T., Papatheodorou G.N., Yanonopoulos S.N. Vibrational modes in the athermally photoinduced fluidity regime of glassy AS2S3. //Phis. Rev.B, v. 64, № 21, 2001, 214203(9).

27. Cox D.E., Radaelli P.G., Marezio M., Cheong S-W. Structural changes, clustering, and photoinduced phase segregation in РголСао.зМпОз. //Phis. Rev.B, v. 57, 1998-11, № 6, p. 3305-3314.

28. Guerevich V.L., Thellung A. Oscillation of photoinduced ballistic current in mesoscopic metal plates in a magnetic field. //Phis. Rev.B, v. 62, № 15, 2000-1, p. 10474-10479.

29. Ryzhii V. Microwave photoinductivity in two-dimensional electron systems due to photon-assisted interaction of electrons with leaky interface photon. //Phis. Rev.B, v.68, 2003, 193402, 4 pages.

30. Ермаков Г.А., Коровкин E.B., Осипьян Ю.А. Упрочнение монокристаллов ZnSe под действием освещения. //ФТТ, 1975, т.17, 2364-2371.

31. Герасимов А.Б., Кутелия Э.Р, и др. Влияние света на микротвердость металлов. //ФизХОМ, 2003, № 4, с. 5-8.

32. Кузьменко П.П., Новиков Н.Н., Горидько Н.Я. Фотомеханический эффект в сурьме. //ФТТ, 1962, т. 4., вып. 10„ с. 2656-2659.

33. Кузьменко П.П., Новиков Н.Н., Горидько Н.Я. Фотомеханический эффект в титане. //УФЖ, 1963, т. 8, № 1, с. 166-120.

34. Герасимов А.Б., Чирадзе Г.Д. Спектральная зависимость фотомеханического эффекта. //Сообщения АН Грузии, 1991, т. 142, № 1, с. 61-63.

35. Тетельбаум Д.И., Курильчик Е.В., Менделеева Ю.А. Дальнодействующее влияние облучения светом на микротвердость фольг молибдена, подвергнутых термическому отжигу. //ЖТФ, 2005, т. 75, вып. 11, с. 133-135.

36. Тетельбаум Д.И., Менделеева Ю.А., Азов А.Ю. Дальнодействующее влияние облучения светом на микротвердость металлов в слоисто-гетерогенных системах. //Письма в ЖЭТФ, 2004, т. 30, вып. 11, с. 59-65.

37. Тетельбаум Д.И., Азов А.Ю., Голяков П.И. Влияние облучения светом на механические свойства металлов. //Письма в ЖЭТФ, 2003, т. 29, вып. 2, с. 35-41.

38. Тетельбаум Д.И., Трофимов А.А., Азов А.Ю., Курильчик Е.В. и др. Дальнодействующее влияние слабого фотонного облучения (с длиной волны 0.95 мкм) на механические свойства металлов. //Письма в ЖЭТФ, 1998, т. 24, № 23, с. 9-13.

39. Новиков Н.Н. Относительно возможной природы электромеханического, фотомеханического и концентрационного эффектов. //Украинский физический журнал, 1972, т. 17, № 5, с. 724-733.

40. Тетельбаум Д.И., Курильчик Е.В., Азов АЛО., Менделеева Ю.А., Смирнова Т.П. Фоточувствительность механических свойств металлов как проявление эффекта дальнодействия. //Вестник Нижегородского унив, 2003, сер. ФТТ, вып. 1(6),с. 194-204.

41. Тетельбаум Д.И., Баянкин В.Я. Эффект дальнодействия.//Природа, 2005, № 4, с. 9-17.

42. Тетельбаум Д.И., Курильчик Е.В., Азов АЛО., и др. Дальнодействующее знакопеременное изменение микротвердости металлических фольг при ионном исветовом облучении. //Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2003, № 4, с. 67-69.

43. Семин Ю.А., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И Усиление генерируемых ионной бомбардировкой упругих волн при распространении в кристалле с кластерами дефектов. //Письма в ЖЭТФ, 1988, т. 14, вып. 3, с 273-276.

44. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990, 216 с.

45. Пучки заряженных частиц и твердое тело. /Под ред. Мартыненко Ю.В. т. 7, М.: ВИНИТИ, 1993,112 с.

46. Knotek M.L., Jones V.O., Rehn V. Photo-Stimulated Desorption of Ions. //Phis. Rev. Let, v.43, № 4, 1979, p.300-303.

47. Gurevich V.L., Thellung A. Theory of photoinduced ballistic bulk current in metals. //Phis. Rev.B, v.56, № 16,1997-11, p. R10013-R10015.

48. Zhu X.-Y., Vodrak Т., Wang H. Et al. Photo-induced electron transfer to molecular quantum structures on a metal surfase. //Surf.science, v.451, 2000, p.244-249.

49. Gurievich V.L., Laiho R. Photomagnetism of metals: Microscopic theory of photoinduced surface current. //Phys. Rev. B, v.48, № 11,1993-1, p.8307-8317.

50. Gurievich V.L., Thellung A. Photomagnetism of metals: Microscopic theory of photoinduced bulk current. // Phys. Rev., v.49, № 15,1994, p. 10081-10088.

51. Laiho R. Observation of photoinduced bulk current in metals. //Phis. Rev.B, v.52, № 21, 1995-1, p. 15054-15057.

52. Козьма А.А., Малых C.B, Соболь O.B., и др. Эффект дальнодействия при облучении поверхности. //ФММ, 1991, № 7, с. 168-175.

53. Палатник JI.C., Малыхин С.В., Козьма А.А., и др. Субструктурные и фазовые превращения в пленках а -титана при облучении вакуумным ультрафиолетом. //Докл. АН СССР, 1988,289, № 1, с 102-106.55