Теоретический анализ формирования концентрационных профилей ионов в металлических материалах при воздействии пучками вакуумно-дуговых источников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

оо

Мельникова Татьяна Сергеевна

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРОФИЛЕЙ ИОНОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОННЫМИ ПУЧКАМИ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ИСТОЧНИКОВ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

- 1 ЛЕН 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Омск-2011

005004465

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Вершинин Георгий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Яловец Александр Павлович

кандидат физико-математических наук, доцент Потемкин Гелий Валерьянович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭГИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Защита состоится «_20_» декабря 2011 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.179.02 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского» по адресу. 644077, г. Омск, пр. Мира, 55 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

Автореферат разослан " ноября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.179.04 кандидат физико-математических

наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Эффективным инструментом для улучшения физико-механических характеристик металлических материалов является высокодозовая ионная имплантация. При этом наряду с непрерывным и высокоинтенсивным импульсным воздействием широко применяется модификация в частотно-импульсном режиме пучками ионов вакуумно-дуговых источников. Ускорители с вакуумной дугой генерируют ионы с зарядом от 1 до 6+, процентное содержание компонент которых зависит от типа катода. Следовательно, облучение в этом случае производится полиэнергетическим пучком. При анализе экспериментальных результатов учитывается чаще всего только средняя энергия ионов. Так, например, в экспериментальных исследованиях, проведенных на ускорителях "Радуга-5" [1], "Диана" [2] и др. установлено, что в зависимости от комбинации "ион-мишень" концентрационные профили внедряемых частиц по глубине мишени имеют широкие максимумы и демонстрируют аномально глубокое проникновение налетающих частиц по сравнению с табличным значением проективного пробега. В рамках существующих теоретических моделей наблюдаемые эффекты объяснить не удается. Следовательно, актуальной остается проблема разработки теоретического подхода, учитывающего имплантацию при высоких (>1017 ион/см2) дозах полиэнергетическими пучками.

В последнее время внимание исследователей уделяется модификации ионными пучками мелкозернистых (со средним размером зерен < 15 мкм) и наноструктурированных материалов в связи с перспективой их широкого применения. Большинство экспериментальных работ, представленных в литературе, реализовывались, в основном, на крупнозернистых (> 15 мкм) образцах. В исследованиях [3, 4], проведенных при имплантации пучками ионов вакуумно-дугового источника "Диана-2", установлено, что формирование концентрационных профилей зависит от зеренной структуры мишени и сорта налетающих частиц. Поэтому анализ особенностей формирования профилей распределения имплантированных ионов в структурированных материалах также является актуальной задачей.

Разработка общего теоретического подхода для интерпретации массопереноса при высокодозовом ионном облучении позволит качественно прогнозировать свойства материалов при имплантации полиэнергетическими пучками в зависимости от режимов обработки и структурного состояния мишени.

Цель диссертационной работы заключается в теоретическом анализе формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах различного структурного состояния при высокодозовой ионной имплантации частотно-импульсными

полиэнергетическими пучками вакуумно-дуговых источников.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие

задачи:

1. Предложить физико-математическую модель формирования концентрационных профилей ионов в металлических материалах при воздействии высокодозовыми ионными пучками.

2. Разработать модель для описания формирования концентрационных профилей внедряемых ионов при воздействии полиэнергетическими частотно-импульсными пучками вакуумно-дуговых источников.

3. Исследовать влияние статистических процессов, термической и радиационно-стимулированной диффузии на формирование концентрационных профилей внедряемых ионов в зависимости от режимов имплантации и структурного состояния мишени при воздействии пучками источников "Радуга-5" и "Диана-2".

4. Провести теоретический анализ формирования концентрационных профилей при облучении материалов в ионно-плазменном режиме при непрерывном росте осаждаемой "газо-металлической" пленки на поверхности мишени в процессе имплантации.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Предложена физическая модель формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при высокодозовой ионной имплантации, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов на различных временных этапах облучения.

2. Развита модель для описания формирования концентрационных профилей при имплантации металлических материалов полиэнергетическими ионными пучками.

3. Продемонстрировано, что формирование широких глубинных максимумов концентрационных профилей в металлических материалах при облучении пучками вакуумно-дуговых источников ("Радуга-5", "Диана-2") обусловлено, преимущественно, статистическими процессами на первоначальных этапах имплантации полиэнергетическими ионами. Диффузионные процессы на заключительном этапе приводят к их дополнительному уширению.

4. Выявлено, что наблюдаемые максимумы концентрационных кривых ионов никеля у поверхности структурированных образцов титана при облучении пучком источника "Диана-2" обусловлены диффузионными процессами.

5. Установлено, что пространственные центральные моменты функции распределения внедряемых ионов по глубине мелкозернистых (со средним размером зерен <15 мкм) мишеней могут отличаться от известных табличных значений более чем на 25%.

6. В рамках предложенной модели показано, что в мелкозернистых образцах (со средним размером зерен 0,1 и 1,4 мкм) основным механизмом массопереноса на заключительном этапе имплантации является радиационно-сгимулированная (в том числе и зернограничная) диффузия внедряемой примеси, а в крупнозернистых (со средним размером зерен 15 и 38 мкм) -диффузия в объеме зерна.

7. Установлено, что в ионно-плазменном режиме облучения с осаждением "газо-металлической" пленки на поверхности мишени при относительно высоких температурах концентрационные профили внедряемых ионов алюминия формируются путем статистических и термодиффузионных процессов одновременно как в пленке, так и подложке. Имплантация атомов отдачи ответственна за неоднородное распределение примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

Научная и практическая значимость результатов работы. В диссертационной работе предложена обобщенная теоретическая модель для описания закономерностей формирования концентрационных профилей в металлических материалах в зависимости от набираемой дозы легируемых частиц при облучении частотно-импульсным полиэнергетическим ионным пучком, а также структурного состояния мишени. Выполненные на ее основе исследования способствуют углублению представлений о механизмах массопереноса в твердых телах (в т.ч. полупроводниковых материалах) при воздействии на шгх высокоинтенсивными потоками тяжелых частиц, а также стимулируют дополнительное развитие методов исследования состояния вещества в процессе имплантации.

Достоверность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью развитой модели массопереноса при высокодозовой ионной имплантации, ее внутренним единством и соответствием существующим представлениям о радиационно-стимулированных процессах в приповерхностных слоях твердых тел, непротиворечивостью полученных результатов и удовлетворительным согласием их с экспериментальными данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При интерпретации наблюдаемых закономерностей массопереноса в металлических системах при высокодозовой ионной имплантации рекомендуется учитывать, по крайней мере, две стадии во времени формирования концентрационных профилей внедряемой примеси по глубине мишени: статистическую на первоначальном этапе и диффузионную - на завершающем.

2. Наблюдаемые широкие глубинные максимумы концентрационных профилей ионов А1, И, N1, XV в металлических системах при высокодозовой имплантации полиэнергетическими пучками вакуумно-дуговых источников обусловлены, главным образом, статистическими процессами на первоначальном этапе внедрения и последующей радиационно-стимулированной диффузией.

3. При имплантации ионами алюминия источника "Радуга-5" через растущую "газо-металлическую" пленку, обусловленную осаждением на поверхность мишени алюминиевой плазмы в промежутках между импульсами пучка, концентрационные профили внедряемых ионов как в пленке, так и в подожке формируются одновременно путем статистических, термодиффузионных процессов и распределения атомов отдачи. Последние

ответственны за неоднородный характер поведения концентрационных профилей примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

4. В мелкозернистых образцах титана на этапе интенсивного диффузионного перераспределения примеси в формирование профилей внедряемых ионов по глубине существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия, в том числе и зернограничная, а в крупнозернистых - диффузия в объеме зерна.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Всероссийской научной молодежной конференции "Под знаком Сигма" (Омск, 29-31 мая 2007 г.); IV Международном технологическом конгрессе "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения" (Омск, 4-9 июня 2007 г.); Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс": MHCK-XLV (Новосибирск, 10-12 апреля 2007 г.), MHCK-XLVI (Новосибирск, 27-30 апреля 2008 г.), МНСК-XLVIII (Новосибирск, 10-14 апреля 2010 г.); Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-14 (Уфа, 15-21 апреля 2008 г.), ВНКСФ-15 (Томск-Кемерово, 19-25 апреля 2009 г.); VI Международной научной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск, 8-15 августа 2008 г.); V Международной конференции студентов и молодых ученых "Перспективы развития фундаментальных наук" (Томск, 20-23 мая 2008 г.); Ежегодной Региональной научно-практической студенческой конференция "Молодежь третьего тысячелетия" (Омск, 15-20 мая 2007 г.; 16-20 мая 2010 г.); XXXIX, XL, XLI Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 26-28 мая 2009 г.; 25-25 мая 2010 г.; 31 мая-2 июня 2011 г.); 9th and 10th International Conference Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 21-26 September 2008; 19-24 September 2010); I Международной научно-практической конференции молодых ученых (Таганрог, 30 января 2011 г.).

Личный вклад автора. Автором развита модель формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при высокодозовой имплантации полиэнергетическими пучками частиц вакуумно-дуговых источников, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов в зависимости от режимов облучения и структурного состояния мишени. Представлен анализ большого числа экспериментальных результатов. Лично автором разработаны алгоритмы и составлены вычислительные программы для проведения модельных расчетов.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 21 работа, 6 из которых в изданиях из перечня ВАК, и 15 в сборниках трудов региональных российских и международных конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 106 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 161 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткое обоснование актуальности исследования, формулируется цель и решаемые задачи, изложены новизна работы, её научная и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, приведены данные об апробации работы, указан личный вклад автора, описана структура диссертации.

Первая глава «Массоперенос при ионном облучении твердых тел и способы его описания» носит обзорный характер по анализу теорий и подходов, посвященных интерпретации массопереноса в металлических материалах при радиационном воздействии пучками заряженных частиц. Обсуждаются основные возможные механизмы формирования концентрационных профилей при ионной имплантации в зависимости от дозы внедряемых частиц и структуры исходных образцов. На основании литературного обзора сформулированы задачи исследования.

Во второй главе «Модель формирования концентрационных профилей при воздействии ионными пучками вакуумно-дуговых источников» предлагается физико-математическая модель для описания формирования концентрационных профилей при воздействии полиэнергетическими ионными пучками высокой дозы. Сущность модели заключается в следующем.

На первоначальном этапе имплантации, когда доза введенной в образец примеси ещё относительно мала и концентрация генерируемых ионным пучком дефектов структуры невысокая, профили формируются преимущественно статистическим образом, определяемым случайными процессами упругих и неупругих столкновений внедряемых ионов с атомами мишени. На втором этапе имплантации, с увеличением концентрации дефектов и при достижении дозы легируемой примеси > 5'1016 - 1017 ион/см2, перераспределение уже внедренных атомов и окончательное формирование концентрационных профилей происходит за счет различных диффузионных механизмов. Используя предположения о справедливости одномерного описания и об аддитивности процессов при высокодозовой ионной имплантации полиэнергетическим пучком, итоговый профиль представляется в виде суммы вкладов каждой энергетической компоненты пучка:

и(*) = 5>,«(*,£/). (1)

где

п(х, Е,) = п3(х, Е.) + п^х, £Д (2)

Функция п^х.Е,) описывает статистическое распределение, а учитывает

различные диффузионные процессы для пучка с энергетической компонентой £г. Доза Ф, внедряемых ионов с долей Р1 в составе ионного пучка, соответствующая энергии Е¡, через полную дозу Ф определяется выражением Ф,=Ф-Р¡. Профиль внедряемых ионов по глубине мишени за счет статистических процессов щ(х,Е,) для фиксированной энергии Е (далее индекс / опущен) описывается выражением [5]:

пЛх,Е)-

: м7 F(xE)

-JlxARp '

где Fp(x, Е) - функция Пирсона IV типа [5]:

FAx, Е) = К

1 +

■ехр

-v-arctg\

ш

(4)

В выражении (4) нормировочный множитель К и другие параметры (а, V) функции определяются через моменты Кр (пробег ионов), ДКр (страгглинг) и Бк (коэффициент асимметрии), соответствующие энергии Е) [5].

Распределение примеси по глубине мишени вследствие диффузионных процессов п/рс) для каждой энергетической компоненты учитывается в рамках радиационно-стимулированной диффузии имплантируемых частиц:

д и, (X, /) = _Э Щх) дп, (*, 0 + удп„ /) + /(хЛ (5)

9? дх дх дх

где х - расстояние от поверхности, распыляемой со скоростью РЦ^г/Л/о, 5 — коэффициент распыления; ] - плотность потока ионов; Ы0 - концентрация атомов мишени;/(х, I) - функция источника.

Уравнение (5) на полупрямой решается при следующих начальном и граничных условиях (полагается, что образцы достаточно толстые):

dnd(0J) дх

= 0, lim nd {х, i) = О,

(6)

где ¿(х) - профиль, сформированный на первоначальных этапах имплантации статистическим образом.

При больших временах легирования и коэффициенте распыления больше единицы диффузионное распределение ионов по глубине мишени может быть описано стационарным решением краевой задачи (5) - (6), которое имеет следующий вид [3]:

1 " 1 * (*) = 77 J/Су)& + у J / СУ) 1

-v\dzlD{z)

ф.

(7)

Коэффициент диффузии D(x) представляется в виде суммы термического û/x) и радиационно-стимулированного D (х) коэффициентов, причем D (х) пропорционален концентрации радиационных дефектов С(х). Выражение для концентрации дефектов С(х) выбрано в виде:

С(х) = exp^- • jfi, ch (к х) + В2 sh {кх)+~ J Л(£) sh [к (х - £)] dÇJ, (8)

которое является решением стационарного уравнения диффузии для дефектов. В выражении (8) введены обозначения:

' xV'

4D,

2 D

i /

Коэффициенты В/ и В2 находятся из соответствующих граничных условий. Параметр = -/©¿г,, — длина диффузии дефектов, зависит от свойств мишени и

является варьируемым параметром; Д/ - коэффициент диффузии дефектов.

При высокой температуре мишени формирование профилей сопровождается также термическим перераспределением, представляемым в

виде: = + (Ю)

О /„О

где п5(х) — профиль, сформированный на первом этапе имплантации статистическим образом, X — общее время имплантации, /0 - время начала термического перераспределения, - функция Грина для заданной краевой задачи.

При имплантации через растущую с постоянной скоростью пленку на поверхности мишени профиль распределения внедряемых частиц в такой слоистой системе представим в виде:

„(■^-/"•М лри 0 £ х 2 й(0; ^^

где П](х) и П2(х) - профили распределения примеси в пленке и в подложке, соответственно. Здесь 77 = /г(0 - (1 — / ) — координата, трансформирующая шкалу глубин при переходе во второй слой; /г(/) - толщина пленки в момент времени V, Кр/ — проективный пробег ионов в пленке; Кр2 — проективный пробег ионов в подложке. Постоянная р выбирается из условия нормировки общего профиля. Поскольку в различных режимах имплантации могут достигаться относительно высокие температуры образцов (-1000 К), то имеет место термическое перераспределение примеси. Поэтому в точке х{1) в момент времени / концентрационный профиль в пленке и подложке представляется в виде суммы трех слагаемых:

иД*, О = «,(*•') +"г (*>') +«г (*>'), «' = 1,2 (12)

где Пз(х, I) - определяет вклад статистических процессов; пг (х, /) - учитывает эффекты баллистического перемешивания внедряемых частиц с атомами подложки; п£х, I) — задает вклад термического перераспределения внедряемых частиц. Выражения для щ(х) и п2(х) получаются интегрированием формулы (12) по времени:

1

П,(х) = $ п,(х,т)ат. 1 = 1,2 (13)

о

Если коэффициент диффузии не зависит от концентрации дефектов и пространственных координат (является константой), то уравнение (5) примет вид:

д I Ох о х '

с теми же начальным и граничными условиями (6). Решение уравнения (14) с условиями (6) представимо в виде:

О 0 0

где < - общее время имплантации, функция - функция Грина для

заданной краевой задачи.

В третьей главе «Анализ массопереноса при высокодозовой имплантации металлических материалов пучком источника "Радуга-5"» анализируется перенос внедряемых ионов в результате облучения пучком источника "Радуга-5". В работах [6-8] приведены результаты исследования микроструктуры, элементного и фазового состава технически чистого поликристаллического никеля со средним размером зерен ~ 25 мкм, имплантированного пучком ионов титана и алюминия. Основные режимы имплантации представлены в таблице 1. Концентрационные профили титана (рис.1) характеризуются наличием широких

максимумов, положение и вид которых зависят от параметров ионного пучка. Профили алюминия (рис.

2) плавно спадают с поверхности. Ионный пучок вакуумно-дугового источника "Радуга-5" является полиэнергетическим, содержание компонент титана и алюминия при этом составляет [5]: 11% - Т11+, 76% - Т12+, 12% - П3+, 1% - Т14+; 38% - А11+, 51 % - А12+, 11% - А13+. Энергетический состав пучка при имплантации титаном представлен компонентами с энергиями 20, 40, 60, 80 кэВ (при ускоряющем напряжении 20 кВ), а при имплантации алюминием - 40, 80 и 120 кэВ (ускоряющее напряжение 40 кВ). Время имплантации для титана составило 120 мин, а для алюминия - 20 мин. Доля а,- вкладов статистического и диффузионного механизмов установлена путем моделирования и составляет для системы ТНЧк 1) статистические - 0,58 (режим 1); 0,50 (режим 2); 0,42 (режим 3, 4). 2) диффузионные - 0,42 (режим 1); 0,50 (режим 2); 0,58 (режим 3, 4); для системы А1-№. 1) статистические - 0,95 (режим 1); 0,15 (режим 2); 0,4 (режим 3). 2) диффузионные — 0,05 (режим 1); 0,85 (режим 2); 0,6 (режим 3).

Результаты моделирования в рамках представленного во второй главе алгоритма приведены на рис. 1 и рис. 2 для всех режимов облучения. Теоретические кривые относительно хорошо согласуются с экспериментальными данными. На рис. 1 г представлены теоретические расчеты с учетом только механизмов радиационно-стимулированной диффузии (кривая

3). Как видно, учет только диффузионных механизмов не позволяет описать распределение примеси вблизи поверхности. Путем моделирования установлено, что вклад диффузионных процессов в распределение

Таблица 1

Условия имплантации никелевых образцов

Система Режим Температура образцов, К Доза облучения Ф, 10ге ион/см2

Ti-Ni 1 850 0,3

2 $20 0,8

3 970 2,9

4 1000 2,9

Al-Ni 1 450 0,4

2 500 2,0

3 1600 10

имплантируемых частиц по глубине образцов увеличивается с ростом дозы и температуры мишени. При облучении никелевых образцов ионами титана с дозой ~1019 ион/см2 вклад диффузионных процессов несколько снижается, что может быть связано с протеканием интенсивных процессов распыления поверхности. Таким образом, модель позволяет описать наличие широких максимумов, глубокое проникновение примеси и достичь хорошего качественного и в отдельных случаях количественного согласия теории с экспериментом.

Параметры моделирования для никелевых образцов приведены в табл. 2. При расчетах использованы значения пространственных моментов из работы [5] для соответствующих значений энергии ионов. Коэффициент усиления диффузии за счет вакансий был выбран (/„= 100. Коэффициент распыления 5 рассчитывался по известной формуле Зигмунда для каждой компоненты энергии

Рис.1. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов титана в никеле для режимов: а - 1, 6-2; в-3, г-4.

Рис.2. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов алюминия в никеле для режимов: а-1,б-2;в-3.

ионов в пучке.

Экспериментальные результаты при имплантации титана марки ВТ1-0 ионами алюминия приведены в работах [1, 9]. Специфическая особенность режимов облучения в указанных экспериментах поверхность мишени в

связана с осаждением алюминиевой плазмы на

промежутках между воздействием частотно-импульсным пучком ускоренных ионов. Одновременно с этим атомы кислорода, углерода и азота из остаточной атмосферы вакуумной системы тоже осаждаются и перемешиваются в поверхностных слоях ионным пучком и вместе с частицами осажденного алюминия в виде атомов отдачи внедряются вглубь модифицируемого

материала. При таких условиях облучения содержание титана в пленке близко к нулю. Режимы имплантации представлены в таблице 3.

Таблица 2

Модельные параметры для описания концентрационных профилей титана и алюминия в никеле_

Параметры Система Режим Энергия ионов, кэВ

20 40 60 80 Г 120

Коэффициент распыления 5, атом/ион Ть№ 1-4 1,31 1,86 2,72 2,61

А1-№ 1,2 4,02 5,65 6,89

3 6,1 7,5 8,4

Диффузионная длина дефектов Ьй, мкм Т1-№ 1 3,7 4,75 8,85 9,16

2 4,63 5,31 " 6,87

3 7,55 8,38 8,85 10,31

4 9,84 ад* 9,91

" "А1-№ ' 1-3 0,8 1,2 1,4

Коэффициент термической диффузии Д, 1(ГЙ см/с2 1 0,85 о,У 1,0 1.3

2 1,25 1,3 1,35

3.4 6,9 7Д5 7,35 7,75

А1-№ { 0,3 0,5 0,6

2 0,4 0,6 0,7

3 1.2 1,6 1,7

Из анализа экспериментальных данных следует, что примерно через 8-10 минут облучения толщина пленки превышает проективный пробег ионов, соответствующий средней энергии (40 кэВ) частиц в пучке. При дальнейшем увеличении времени облучения (до 20 мин) ионы алюминия даже с максимальной энергией 60 кэВ в модели статистического распределения не

способны проникнуть в Табли аЗ

мишень через пленку.

п ,,„ '„„ „„„„„„„„ Условия имплантации ионами алюминия

Поэтому можно предположить, что глубинные концентрационные профили алюминия формируются в течение первых минут имплантации полиэнергетическим пучком. В это время на результирующий профиль оказывают

влияние, по-видимому, такие процессы, как распыление поверхности пленки, радиационно-стимулированная и термическая диффузия, а также другие эффекты с различной степенью интенсивности. Формирование концентрационных профилей в титановой матрице в этом случае осуществляется преимущественно за счет возникающих атомов отдачи между исходным образцом и растущей пленкой, а также термической диффузии.

образцов титана марки ВТ1-0

Режим Доза облучения Ф, 10" ион/см2 Толщина пленки, нм Время имплантации, мин

1 0,22 50 12

2 0,62 100 35

3 1,1 180 60

4 2,2 400 125

Энергетический состав пучка алюминия при ускоряющем напряжении 20 кВ соответствует энергиям 20, 40, 60 кэВ. Для анализа концентрационных профилей используем предложенную модель, которая учитывает имплантацию через растущую пленку на поверхности мишени. Профиль в такой системе определяется выражением (11). При теоретическом описании пред -полагалось, что пучок ионов падает перпендикулярно поверхности исходного образца вдоль оси х, а пленка равномерно растет в противоположном направлении. Вклад статистического распределения я/х, /) описывается функцией Пирсона - IV типа. Вклад атомов отдачи пг(х, /) в формирование профилей оценивается по алгоритму работы [10].

Доля а-, вкладов указанных механизмов установлена путем моделирования и представлена в таблице 4. Теоретические кривые сопоставляются с экспериментальными данными для всех режимов на рис. 3. Граница области "пленка-подложка" обозначена вертикальной пунктирной линией. В дели без учета растущей пленки удается воспроизвести концентрационные кривые только на больших глубинах, на поверхности и на границе раздела качественного согласия получить не удается.

Таблица 4

Вклады механизмов в формирование концен-

трациоппых профилей алюминия в титане

Слой Режим Механизмы

статистические (включая атомы отдачи) Диффузионные (включая атомы отдачи)

Пленка 1 0,20 0,80

2 0,15 0,85

3 0,10 0,90

4 0,08 0,92

Подложка 1 0,25 0,75

2 0,17 0,83

3 0,08 0,92

4 0,04 0,96

800 1600 х нм 0 1000 5000

Рис.3. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов алюминия для режимов облучения титана: а - 1, б — 2, в — 3, г - 4. Нормировочный множитель соответствует: а - 0,6; б-0,65, в-0,67, г-0,76.

Таким образом, теоретические расчеты позволяют утверждать, что глубинные концентрационные профили алюминия в титане, имплантированного импульсно-периодическим пучком источника "Радуга-5" через растущую "газометаллическую" пленку, формируются путем статистического распределения внедряемых ионов на первоначальном этапе (в течение -25 минут) и последующего термического перераспределения в оставшееся время. Варьируемым параметром при моделировании являлся коэффициент термической диффузии который подбирался из требования лучшего согласия теории с экспериментом. Моменты пространственных распределений представлены в таблице 5 для каждой компоненты энергии ионов алюминия. Для описания прохождения частиц в "газо-металлической" пленке моменты рассчитывались как для многокомпонентной среды.

В четвертой главе «Анализ формирования концентрационных профилей внедряемых ионов при имплантации пучком источника "Диана-2" металлических материалов с различным структурным состоянием» анализируются концентрационные профили алюминия и никеля при облучении титана марки ВТ 1-0 с различным структурным состоянием [4]. Содержание компонент никеля в пучке составляет: 30% - №1+, 64% - М2+, 6% - №3+ со значениями энергий ионов как никеля, так и алюминия 60, 120, 180 кэВ при ускоряющем напряжении 60 кВ. Температура образцов в процессе имплантации не превышала 450 К. Время имплантации составляло 80 минут. Характерная особенность мелкозернистых (со средним размером зерен < 15 мкм) и наноструктурированных материалов - большая протяженность внутренних поверхностей раздела. С уменьшением размеров зерен происходит облегченная диффузия легирующей примеси по границам зерен материала. Коэффициенты зернограничной диффузии в наноструктурированных металлах и сплавах на несколько порядков превышают соответствующие коэффициенты в крупнозернистых. Малый размер зерен, возможность перекрытия друг с другом диффузионных потоков атомов от соседних границ, релаксация и миграция границ зерен в ходе диффузионных отжигов и, сверх того, неоднородность

Таблица 5

Модельные параметры для описания концентрационных профилей алюминия в титане

Параметры Режим Энергия ионов алюминия, кэВ

20 40 60

Проективный пробег Кр в пленке, нм 1-4 11,32 22,37 33,46

Страгглинг АКр в пленке, нм 1-4 7,73 14,78 19,98

Коэффициент асимметрии Эк 1-4 0,23 0,11 -0,14

Коэффициент термической диффузии £>„ 10"13 см/с2 1 0,85 0,9 1,0

2 0,9 1,25 1,3

3 6,9 7,25 7,35

4 6,9 7,25 7,35

л, отн. ед.

структуры объема зерен значительно влияют на кинетику диффузионных процессов. Поэтому доминирующая роль состояния границ зерен данного класса материалов наблюдается при размерах зерен порядка 0,1 -2 мкм.

Сформулирован ная выше модель формирования концентрационных профилей при высокодозовой имплантации была

применена и в этом случае.

Поскольку при облучении температура образцов поддерживалась относительно невысокой, то при теоретическом анализе влияние термических эффектов не учитывалось.

Доля а,- вкладов механизмов установлена путем моделирования и составляет для системы А1-Тк 1) статистические - 0,44 (образцы 1-4); 2) диффузионные - 0,56 (образец 1-4); для системы N¡-11: 1) статистические - 0,44 (образцы 1-3); 0,63 (режим 4); 2) диффузионные - 0,56 (образцы 1-3); 0,37 (образец 4).

Для мелкозернистых образцов титана (с размером зерен 0,1 и 1,4 мкм) при облучении ионами алюминия вклад диффузионных процессов учитывали по

формуле (7). При описании концентрационных профилей никеля и алюминия в крупнозернистых образцах титана (со средним размером зерен > 15 мкм)

Рис.4. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов алюминия в титане в зависимости от размеров зерен с/: а — 0,1 мкм; б- 1,4 мкм; в- 15 мкм; г-38 мкм.

Рис.5. Экспериментальные (1) и теоретические (2) концентрационные профили ионов никеля в титане в зависимости от размеров зерен а*: а - 0,1 мкм; б- 1,4мкм; в- 15 мкм; г-38 мкм.

исходили из краевой задачи (15)-(16). Диффузия в объеме зерна для соответствующих образцов является одним из доминирующих механизмов.

Результирующие концентрационные профили с учетом вкладов статистических и диффузионных процессов представлены при имплантации алюминия на рис. 4 и никеля - на рис.5. Из сопоставления результатов следует, что качественно описать положение максимума на глубине для образцов никеля позволяет учет статистических процессов. Анализ экспериментальных данных при имплантации никеля показал, что положение глубинного максимума

Таблица 9

Модельные параметры для описания концентрационных профилей _алюминия и никеля в образцах титана_

Параметры Образец Энергия ионов алюминия, кэВ Энергия ионов никеля, кэВ

60 120 180 60 120 180

Проективный пробег Кр, нм 1 53,3 108,2 163,6 57,1 69,3 76,9

2 65,3

3 68,3

4 28,3 52,1

Страгглинг АКр, нм 1 26,1 44,4 59,3 7,1 9,7 31,6

2

3

4 13,3 22,7 36,1

Коэффициент асимметрии Бк 1 0,17 -0,23 -0,40 0,41 0,27 0,17

2

3 0 0,23 0,40

4

Диффузионная длина дефектов Ьс1, мкм 1 0,28 0, 28 0,28 0,57 0,69 0,77

2 0,125 0,125 0,125 0,78 0,92

Коэффициент распыления атом/ион 1 1,5 1,5 1,5 2,59 3,65 4,56

2

3 10,5 15 20

4

Коэффициент объемной диффузии Д 1015 см /с 3 1,5 1,7 1,9 2,7 2,8 2,9

4 2,9 3,0 3,1

Коэффициент термической диффузии £>„ 10 см /с 1 1,8 1,8 1,8 1,3 1,3 1,3

2 1,6 1,6 1,6 1,2 1,2 1,2

соответствует табличным [5] значениям пробегов для образца с размерами зерен 38 мкм. Для мелкозернистых образцов максимумы расположены на относительно большей глубине по сравнению с крупнозернистыми. По-видимому, это связано с тем, что проективные пробеги ионов и страгглинг зависят от зеренной структуры мишени. По результатам моделирования

установлено, что наилучшее согласие теории с экспериментом достигается при выборе модельных пробегов и страгглингов, отличающихся от табличных на 2530%. В образцах мелкозернистого титана в формирование профилей внедряемых ионов по глубине мишени на втоом этапе существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия (в том числе и зернограничная), а в крупнозернистых - диффузия в объеме зерна. В качестве варьируемых параметров, которые представлены в таблице 9, были выбраны коэффициент объемной диффузии и диффузионная длина дефектов. Коэффициент распыления 5 рассчитывался по формуле Зигмунда для каждой компоненты энергии ионов в пучке. Коэффициент усиления диффузии за счет вакансии й принят равным ^=40.

Предложенная модель была применена также для анализа наблюдаемых концентрационных профилей при имплантации крупнозернистых атериалов "тяжелыми" (порядковый номер которых > 60) элементами — ионами вольфрама [2]. Отмечено качественное согласие теоретических и экспериментальных кривых.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы, которые заключаются в следующем:

1. Предложена физико-математическая модель для описания формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при высоких дозах имплантации частотно-импульсными пучками вакуумно-дуговых источников, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов на различных временных этапах облучения.

2. Путем моделирования показано, что наблюдаемые широкие глубинные максимумы концентрационных профилей внедренных частиц при высокодозовой имплантации пучками вакуумно-дуговых источников, таких как "Радуга-5", "Диана-2", обусловлены преимущественно статистическим распределением в приповерхностном слое мишени ионов с разными начальными энергиями.

3. Различные диффузионные процессы, интенсивно проявляющиеся на заключительном этапе имплантации, приводят к дополнительному уширению глубинных максимумов у концентрационных профилей и в зависимости от комбинации мишень-ион к формированию дополнительного максимума у поверхности.

4. В результате моделирования установлено, что в мелкозернистых образцах титана на этапе интенсивного диффузионного перераспределения примеси в формирование профилей внедряемых ионов по глубине существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия, в том числе и зернограничная, а в крупнозернистых-диффузия в объеме зерна.

5. При имплантации через растущую "газо-металлическую" пленку, обусловленную осаждением на поверхность мишени алюминиевой плазмы в промежутках между импульсами пучка, концентрационные профили внедряемых ионов как в пленке, так и в подожке формируются путем статистических, термодиффузионных процессов и распределения атомов

отдачи. Последние ответственны за неоднородный характер поведения концентрационных профилей примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных

трудах:

Б рецензируемых научных журналах из перечня ВАК МОН РФ

1. Г.А. Вершинин, Г.И. Геринг, Т.С. Грекова*. К интерпретации массопереноса в металлических системах при высокодозной имплантации импульсно-периодическим пучком // Известия вузов. Физика. 2007. №10/3. С. 60-63.

2. Формирование концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации / Т.В. Вахний, Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, И.А. Божко, И.А. Курзина, Ю.П. Шаркеев // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. №4. С. 51-54.

3. Роль радиационно-стимулированных процессов в формировании концентрационных полей в металлах при воздействии ионным пучком источника "Радуга-5" / Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, Г.И. Геринг, С.Н. Поворознкж // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. № 3. С. 109-112.

4. Влияние размера зерен поликристаллического титана на формирование концентрационных профилей ионов алюминия, имплантированных полиэнергетическим пучком / Т. В. Вахний, Г.А. Вершинин, Ю.П. Шаркеев, И.А. Курзина, А.Ю. Ерошенко, Т.С. Грекова, Б.П. Гриценко И Известия вузов. Физика. 2009. №11/2. С. 232-237.

5. Роль размера зерен поликристаллического титана в формировании концентрационных профилей имплантируемых ионов алюминия / Т. В. Вахний, Г.А. Вершинин, Ю.П. Шаркеев, И.А. Курзина, А.Ю. Ерошенко, Т.С. Грекова, Б.П. Гриценко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 4. С. 94-99.

6. Формирование концентрационных профилей имплантируемых ионов в титане и никеле в зависимости от структуры образцов и режимов облучения. / Г. А. Вершинин, Ю. П. Шаркеев, Г.И. Геринг, Т.С. Грекова, И.А. Божко, И.А. Курзина//Известия вузов. Физика. 2011. т. 54.№ 1/2. С. 133-137.

В сборниках тезисов, семинаров и конференций

7. Формирование концентрационных полей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации / Т.В. Вахний, Г.А. Вершинин, И.А. Божко, И.А. Курзина, Ю.П. Шаркеев, Т.С. Грекова // Тезисы докладов XXXVII Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 29-31 мая 2007 г.). М.: Университетская книга, 2007. С. 151.

* Фамилия Грекова Т.С. — до замужества.

18

8. Грекова Т.С. Моделирование концентрационных полей при высокодозовой полиэнергетической ионной имплантации // «Молодежь третьего тысячелетия»: XXXI региональная научно-практическая студенческая конференция: тезисы докладов. Омск: Изд-во ОмГУ, 2007. С. 348-349.

9. Грекова Т.С., Вершинин Г.А. Интерпретация массопереноса в металлических системах при высокодозной ионной имплантации // «Под знаком Сигма»: тезисы докладов IV Всероссийской научной молодежной конференции (Омск, 29-31 мая 2007 г.). С. 57-58.

10. Грекова Т.С. Моделирование концентрационных полей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации // Материалы XLV Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика (Новосибирск, 10-12 апреля 2007 г.). Новосибирск: Новосиб. гос. унив, 2007. С. 276.

11. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Грекова Т.С. Интерпретация массопереноса при формировании наноразмерных интерметаллидов в металлах при высокоинтенсивной полиэнергетической имплантации // Труды IV Международного технологического прогресса (Омск, 4-9 июня 2007 г.). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. С. 320-324.

12. Роль радиационно-стимулированных процессов в формировании концентрационных полей в металлах под воздействием ионного пучка источника «Радуга-5» / Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, Г.И. Геринг, С.Н. Поворознюк // Тезисы докладов XXXVIII Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 27-29 мая 2008 г.). М.: Университетская книга, 2008. С. 160.

13. Грекова Т.С. Формирование концентрационных полей внедряемых ионов в металлических материалах при полиэнергетической имплантации // Материалы Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14, Уфа). Екатеринбург-Уфа: Изд-во АСФ России, 2008. С. 578-579.

14. Грекова Т.С. К интерпретации массопереноса в металлических системах при высокодозной имплантации импульсно-периодическим ионным пучком // Труды V Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 20-23 мая 2008 г.). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. С. 30-32.

15. Роль радиационно-термических процессов в формировании концентрационных полей в металлах при воздействии полиэнергетическими ионными пучками / Г.А. Вершинин, Г.И. Геринг, Т. С. Грекова, Ж.К. Мамытбеков, С.Н. Поворознюк. // Труды VI международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 8-15 августа 2008 г.). Томск: Изд-во ТПУ, 2008. С. 798-801.

16. Роль размера зерен поликристаллического титана в формировании концентрационных профилей имплантируемых ионов алюминия / Т. В. Вахний, Г.А. Вершинин, Т.С. Грекова, Б.П. Гриценко, И.А. Курзина, Ю.П. Шаркеев // Тезисы докладов XXXIX Международной конференции по физике

взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 26-28 мая 2009 г.). М.: Университетская книга, 2009. С. 149.

17. Грекова Т.С. Влияние размеров зерен мишени и энергетического состава ионного пучка на формирование концентрационных профилей имплантируемых атомов в частотно-импульсном режиме // Материалы XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика (Новосибирск, 10-14 апреля 2010 г.). Новосибирск: Новосиб. гос. унив., 2010. С. 276.

18. Грекова Т.С., Мельников Н.С. Интерпретация закономерностей массопереноса в металлах при воздействии ионными пучками частотно-импульсных источников // «Молодежь третьего тысячелетия»: XXXIV региональная научно-практическая студенческая конференция: тезисы докладов (Омск, 19 апреля - 21 мая 2010 г). Омск: Изд-во ОмГУ, 2010. С. 84-87.

19. Analysis of Mass Transfer in Metallic Materials under Irradiation by the Particle Beams of the Vacuum-Arc Ion Sources / G. A. Vershinin, T. S. Grekova, Yu. P. Sharkeev, I. A. Kurzina, I.A. Bozho // Proceedings of 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. P. 205-208.

20. Формирование концентрационных профилей имплантируемых ионов в титане и никеле в зависимости от структуры образцов и режимов облучения // Г.А. Вершинин, Ю.П. Шаркеев, Т.С. Грекова, И.А. Божко, И.А. Курзина // Тезисы докладов XL Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 25-27 мая 2010 г.). М.: Университетская книга, 2010. С. 141.

21. Грекова Т.С. Анализ массопереноса в поликристаллическом титане при имплантации пучком ионов алюминия вакуумно-дугового источника через осаждаемую пленку // I Международная научно-практическая конференция молодых ученых: тезисы докладов. Таганрог, 30 января 2011. С. 338-342.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Э.В. Козлов, И.А. Курзина, И.А. Божко, М.П. Калашников и др. Высокоинтенсивная имплантация ионов алюминия в титан // Металлофиз. Новейшие технологии, 2004. -Т. 26. -№ 12. - С. 1645-1659.

2. А.Д. Погребняк, Н.К. Ердыбаева, JI.B. Маликов, С.Н. Братушка, Н. Левинтант. Влияние высокодозной имплантации ионов металлов и газов на физико-механические свойства титановых сплавов // Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники, науки и техники, 2008. - Т. 1. - С. 81-92.

3. Yu.P. Sharkeev, I.A. Kurzina, I.A. Bozhko, and A.Yu. Eroshenko. Influence of the Target Grain Size on Structural-Phase State of Titanium Implanted with Aluminum Ion// Proceedings of 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010.-P. 705-708.

4. Role of Polycrystalline Titanium Grain Size in the Formation of the Concentration Profiles of implanted Aluminum Ions / T.V. Vahniy, G.A. Vershinin, Yu.P. Sharkeev, I.A. Kurzina, A. Yu. Eroshenko, T.S. Grekova, B.P. Gritsenko // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2010. Vol. 4, № 2. P. 353-358.

5. А.Ф. Буренков Ф.Ф. Комаров, M.A. Кумахов, M.M. Тёмкин. Пространственные распределения энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах. - Москва: Энергоатомиздат, 1985. - 248 с.

6. И.А. Курзина И.А.Божко, М.П. Калашников, Д.О. Сивин и др. Структурно -фазовое состояние поверхностных слоев никеля, имплантированных ионами титана// Труды 8-ого Международного семинара "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах". 12-16 сентября г. Сочи, 2005. - С. 212-214.

7. I.A. Kurzina I.A. Bozhko, М.Р. Kalashnikov, Yu.P. Sharkeev, E.V. Kozlov Formation of nanosized intermetallic phases in Ni-Ti syatem upon ion implantation. Приложение // Proceedings of 8th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2006. -№ 8.-C. 211-214.

8. E.V. Kozlov A.I. Ryabchikov, Yu.P. Sharkeev, I.B. Stepanov et. al. Formation of intermetallic layers at high intensity ion implantation // Surface and Coating Technology, 2002.- V. 158-159. -P.343-348.

9. Ю.П. Шаркеев A.M. Рябчиков, Э.В. Козлов, И.А. Кузина и др. Высокоинтенсивная ионная имплантация - метод формирования мелкодисперсионных интерметаллидов в поверхностных слоях металлов // Известия ВУЗов. Физика, 2004. -№ 9. - С. 45-47.

Подписано в печать 3,11.11. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 55.

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» 644050, г. Омск, пр. Мира, 34 тел. (3812)65-47-31.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

Массоперенос при ионном облучении твердых тел и способы его описания.

1.1. Физические процессы при взаимодействии ускоренных ионов с твердым телом.

1.1.1. Низкие дозы ионного легирования.

1.1.2. Высокие дозы ионного легирования.

1.2. Основные подходы при описании концентрационных профилей внедряемых ионов.

1.2.1. Метод статистических испытаний.

1.2.2. Метод моментов.

1.2.3. Метод прямого решения уравнения переноса частиц в пространстве энергий-углов.

1.2.4. Полиэнергетическая ионная имплантация.

1.2.5. Обобщенное уравнение массопереноса.

1.3. Постановка задач исследования.

ГЛАВА

Модель формирования концентрационных профилей при воздействии ионными пучками вакуумно-дуговых источников.

2.1. Модель формирования концентрационных профилей при высокодозовой ионной имплантации.

2.2. Влияние диффузионных процессов.

2.2.1. Массоперенос, обусловленный радиационно-стимулированной диффузией.

2.2.2. Массоперенос, обусловленный термической диффузией.

2.3. Модель формирования концентрационных профилей в режиме имплантации с растущим покрытием на поверхности мишени.

ГЛАВА

Анализ массопереноса при высокодозовой имплантации металлических материалов пучком источника «Радуга-5».

3.1. Характеристики вакуумно-дугового ионно-плазменного источника «Радуга-5».

3.2. Анализ формирования концентрационных профилей титана при облучении технически чистого никеля.

3.3. Особенности имплантации ионами алюминия.

3.3.1. Формирование профилей в технически чистом никеле и железе.

3.3.2. Формирование профилей в титане марки ВТ1-0 в режиме имплантации с растущим газо-металлическим покрытием.

3.3.2.1. Модель без учета влияния формирующейся пленки.

3.3.2.2. Модель, учитывающая рост пленки на поверхности мишени.

ГЛАВА

Анализ формирования концентрационных профилей внедряемых ионов при имплантации пучком источника «Диана-2» металлических материалов с различным структурным состоянием.

4.1. Характеристики вакуумно-дугового источника «Диана-2».

4.2. Анализ концентрационных профилей алюминия и никеля при имплантации титана марки ВТ 1-0 с различной зеренной структурой.

4.3. Анализ концентрационных профилей в металлических материалах при облучении "тяжелыми" элементами.

Одним из эффективных способов улучшения характеристик металлических материалов является радиационная обработка пучками заряженных частиц, в частности, ионная имплантация [1-10]. Выделяют ряд преимуществ данного метода: возможность образования в поверхностных слоях соединений, синтез которых невозможен в обычных условиях; отсутствие резкой границы модифицированного слоя и объемом мишени и др. Распределение имплантированных ионов в веществе зачастую определяет изменение физико-химических характеристик, износо- и корозионностойкость изделия [2, 5]. От параметров ионного пучка во многом зависит и комплекс возникающих явлений при прохождении ускоренных ионов в твердом теле. Имплантеры, генерирующие пучки средне-энергетических (10-1000

17 9 кэВ) ионов, позволяющие набирать дозы не выше 10 ион/см , как правило, обеспечивают легирование в непрерывном режиме полупроводниковых и, реже, металлических материалов. Разработанные теоретические модели формирования концентрационных профилей внедряемых частиц для таких условий имплантации достаточно хорошо описывают и позволяют предсказывать экспериментальные результаты [11].

С модернизацией и разработкой новых имплантеров, генерирующих высокие дозы (~ 1017-1019 ион/см2) средне-энергетических частиц, появилась возможность модификации слоев значительной толщины с содержанием твердых растворов высокой концентрации, наноразмерных фаз внедрения и интерметаллидных соединений [6, 7]. К ускорителям такого типа относят класс источников на основе вакуумной дуги, вследствие чего в зависимости от материала катода генерируется пучок ионов различной зарядности от 1+ до 6+ [12] в определенном процентном соотношении. Такой пучок является энергетически неоднородным, т.е. полиэнергетическим. К представителям вакуумно-дуговых источников, широко используемых для обработки конструкционных материалов, относят имплантеры: «Диана-2» [13], «МЕУУА» [14], шесть вариантов «Радуга» [15] и другие [16-18]. В большинстве случаев при теоретическом анализе экспериментальных результатов при высоких дозах легирования влияние полиэнергетического характера ионного пучка на формирование концентрационных профилей, как правило, не учитывается; в расчетах принимается во внимание только средняя энергия ионов. Данное обстоятельство приводит к несогласованности модельных кривых с экспериментальными. Поэтому является актуальной задача разработки теоретической модели для описания формирования концентрационных профилей, учитывающей влияние высоких доз внедряемых частиц и полиэнергетический характер пучка при имплантации.

В некоторых литературных источниках приводятся экспериментальные результаты по модифицированию материалов, в которых обнаружен усиленный массоперенос внедряемых ионов до глубин, значительно превышающих их предсказываемый проективный пробег. Так, например, в работах Шаркеева Ю.П., Козлова Э.В. и др. [17, 19-21] после воздействия пучком источника «Радуга-5» на поверхностные слои металлических материалов в зависимости от режима облучения (энергия, доза частиц, температура мишени и др.) внедряемые ионы распределяются до глубин 0,3-2,5 мкм, причем профили имеют сложную форму и характеризуются наличием широких максимумов, удаленных от поверхности. Классические теоретические подходы не позволяют однозначно интерпретировать наблюдаемые закономерности и предсказывать в дальнейшем возможное распределение частиц по глубине материала, что является актуальной задачей материаловедения. В самих экспериментальных работах также отсутствует теоретическая интерпретация наблюдаемых особенностей формирования концентрационных профилей.

К одному из перспективных направлений радиационной обработки материалов относят облучение в ионно-плазменном режиме [16, 22]. Комбинированный режим генерации плазмы с одновременным воздействием ионных потоков на материал подложки позволяет обеспечивать высокую скорость набора дозы , нагрев материала мишени до высоких температур и значительные модифицированные глубины -2,5 мкм [17, 20, 24]. В таком режиме имплантации на поверхности образца наблюдается рост покрытия со средней скоростью порядка нескольких нм/мин с содержанием примесных элементов (кислород, углерод, азот и др.). Формирование растущей пленки в процессе ионно-плазменного напыления во многом определяет распределение имплантируемых частиц по глубине мишени. Экспериментально наблюдаемые профили в этом случае имеют один максимум значительно удаленный от поверхности и немонотонное поведение вблизи нее.

Однако теоретического описания полученных закономерностей в литературе не приводится.

Использование мелкозернистых (со средним размером зерен <15 мкм) и наноструктурированных материалов все чаще привлекает внимание исследователей в связи с перспективой их широкого применения [25-28]. Особый интерес представляют исследования по модификации таких образцов ионными пучками [2931], поскольку ранее их использовали для модификации крупнозернистых образцов (с размерами зерен >15 мкм) [2, 3, 9, 32]. Проведенные экспериментальные исследования мелко- и наноструктурированных материалов [33-36] модифицированных ионными пучками, выявили улучшенные их физико-механические и др. свойства по сравнению с соответствующими крупнозернистыми

27]. Также были выявлены особенности распределения имплантируемой примеси в зависимости от зеренной структуры облучаемых образцов [33, 34]. Развитие теоретического подхода, способного учитывать как параметры ионной обработки, так и структуру материала мишени, является перспективным направлением с целью прогнозирования свойств материалов и применения оптимальных режимов облучения.

Использование готовых программных комплексов (TRIM [37], SRIM-2008

28], Géant [38] и др. [39]) для моделирования распределения внедряемых частиц по глубине мишени позволила успешно прогнозировать необходимые режимы имплантации при низких дозах облучения. Однако применение данных комплексов к условиям, реализуемых на современных имплантерах и структурированным материалам, не позволяет удовлетворительно интерпретировать наблюдаемые закономерности. В экспериментальных работах [39-43] посвященных изучению свойств образцов с предварительно нанесенной металлической пленкой на поверхность и без неё [44-48], подвергнутых ионному облучению в режиме высоких доз, приводятся результаты моделирования распределения внедренных частиц по готовым программным комплексам, основанным на методе Монте-Карло. Авторы отмечают несогласованность расчетных данных с полученными в экспериментах и отмечают необходимость разработки более универсального подхода, способного учитывать больший спектр протекающих процессов при ионной обработке, однако усовершенствованных теоретических моделей в работах не приводится.

Таким образом, в большинстве экспериментальных работ [4, 7, 9, 50-53] посвященных изучению процессов, происходящих в веществе при высокодозовой ионной имплантации, или отсутствует теоретическое обоснование наблюдаемых закономерностей, или же используются готовые программные продукты [37, 38], которые не всегда приводят к корректному описанию наблюдаемых результатов. Существующие на сегодняшний день стандартные методы моделирования ионной имплантации [1, 9, 50, 54, 55], сформулированы зачастую в приближении низких доз легирования, не учитывают полиэнергетичности ионного пучка и структурного состояния мишени. Применение ранее разработанных подходов [2, 3, 11, 41, 55-59] к современным материалам и усовершенствованным имплантерам уже не в состоянии удовлетворительно описать наблюдаемые особенности формирования концентрационных профилей в результате ионного воздействия. Возникает целый ряд явлений, требующий детального изучения [6, 60]. Поэтому является актуальной задача построения общей модели, позволяющей количественно и качественно описывать и прогнозировать распределение внедряемых ионов в зависимости от режимов имплантации и структурного состояния мишени.

Целью настоящей диссертационной работы является теоретический анализ формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах различного структурного состояния при высокодозовой ионной имплантации частотно-импульсными полиэнергетическими пучками вакуумно-дуговых источников.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Предложена физическая модель формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при высокодозовой ионной имплантации, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов на различных временных этапах облучения.

2. Развита модель для описания формирования концентрационных профилей при имплантации металлических материалов полиэнергетическими ионными пучками.

3. Продемонстрировано, что формирование широких глубинных максимумов концентрационных профилей в металлических материалах при облучении пучками вакуумно-дуговых источников («Радуга-5», «Диана-2») обусловлено, преимущественно, статистическими процессами на первоначальных этапах имплантации полиэнергетическими ионами. Диффузионные процессы на заключительном этапе приводят к их дополнительному уширению.

4. Выявлено, что наблюдаемые максимумы концентрационных кривых ионов никеля у поверхности структурированных образцов титана при облучении пучком источника «Диана-2» обусловлены диффузионными процессами.

5. Установлено, что пространственные центральные моменты функции распределения внедряемых ионов по глубине мелкозернистых (со средним размером зерен <15 мкм) мишеней могут отличаться от известных табличных значений более чем на 25%.

6. В рамках предложенной модели показано, что в мелкозернистых образцах (со средним размером зерен 0,1 и 1,4 мкм) основным механизмом массопереноса на заключительном этапе имплантации является радиационно-стимулированная (в том числе и зернограничная) диффузия внедряемой примеси, а в крупнозернистых (со средним размером зерен 15 и 38 мкм) - диффузия в объеме зерна.

7. Установлено, что в ионно-плазменном режиме облучения с осаждением газо-металлической пленки на поверхности мишени при относительно высоких температурах концентрационные профили внедряемых ионов алюминия формируются путем статистических и термодиффузионных процессов одновременно как в пленке, так и подложке. Имплантация атомов отдачи ответственна за неоднородное распределение примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

Научная и практическая значимость.

В диссертационной работе предложена обобщенная теоретическая модель для описания закономерностей формирования концентрационных профилей в металлических материалах в зависимости от набираемой дозы легируемых частиц при облучении частотно-импульсным полиэнергетическим ионным пучком, а также структурного состояния мишени. Выполненные на ее основе исследования способствуют углублению представлений о механизмах массопереноса в твердых телах (в т.ч. полупроводниковых материалах) при воздействии на них высокоинтенсивными потоками тяжелых частиц, а также стимулируют дополнительное развитие методов исследования состояния вещества в процессе имплантации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При интерпретации наблюдаемых закономерностей массопереноса в металлических системах при высокодозовой ионной имплантации рекомендуется учитывать, по крайней мере, две стадии во времени формирования концентрационных профилей внедряемой примеси по глубине мишени: статистическую на первоначальном этапе и диффузионную - на завершающем.

2. Наблюдаемые широкие глубинные максимумы концентрационных профилей ионов А1, Тл, №, в металлических системах при высокодозовой имплантации полиэнергетическими пучками вакуумно-дуговых источников обусловлены, главным образом, статистическими процессами на первоначальном этапе внедрения и последующей радиационно-стимулированной диффузией.

3. При имплантации ионами алюминия источника "Радуга-5" через растущую газо-металлическую пленку, обусловленную осаждением на поверхность мишени алюминиевой плазмы в промежутках между импульсами пучка, концентрационные профили внедряемых ионов как в пленке, так и в подожке формируются одновременно путем статистических, термодиффузионных процессов и распределения атомов отдачи. Последние ответственны за неоднородный характер поведения концентрационных профилей примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

4. В мелкозернистых образцах титана на этапе интенсивного диффузионного перераспределения примеси в формирование профилей внедряемых ионов по глубине существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия, в том числе и зернограничная, а в крупнозернистых - диффузия в объеме зерна.

Достоверность подтверждается физической обоснованностью развитой модели массопереноса при высокодозовой ионной имплантации, ее внутренним единством и соответствием существующим представлениям о радиационно-стимулированных процессах в приповерхностных слоях твердых тел, непротиворечивостью полученных результатов и удовлетворительным согласием их с экспериментальными данными.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Всероссийской научной молодежной конференции «Под знаком Сигма» (Омск, 29-31 мая 2007 г.); IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (Омск, 4-9 июня 2007 г.); Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: MHCK-XLV (Новосибирск, 10-12 апреля 2007 г.), MHCK-XLVI (Новосибирск, 27-30 апреля 2008 г.), MHCK-XLVIII (Новосибирск, 1014 апреля 2010 г.); Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-14 (Уфа, 15-21 апреля 2008), ВНКСФ-15 (Томск-Кемерово, 19-25 апреля 2009 г.); VI Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 8-15 августа 2008 г.); V Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 20-23 мая 2008 г.); Ежегодной Региональной научно-практической студенческой конференция «Молодежь третьего тысячелетия» (Омск, 15-20 мая 2007 г.; 16-20 мая 2010 гг.); XXXIX, XL, XLI Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 26-28 мая 2009 г.; 25-25 мая 2010 г.; 31 мая-2 июня 2011 г.); 9th - 10th International Conference Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 21-26 September 2008; 19-24 September 2010); I Международной научно-практическую конференции молодых ученых (Таганрог, 30 января 2011 г.).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 23 работы, 8 из которых в изданиях перечня ВАК, и 15 в сборниках трудов российских и международных конференций.

Построение и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 107 страницах текста, и включает 27 рисунков, 25 таблиц, 161 библиографических наименований.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена физико-математическая модель для описания формирования концентрационных профилей внедряемых ионов в металлических материалах при высоких дозах имплантации частотно-импульсными пучками вакуумно-дуговых источников, в которой учитывается вклад статистических и диффузионных процессов на различных временных этапах облучения.

2. Развита модель для описания формирования концентрационных профилей при имплантации металлических материалов полиэнергетическими ионными пучками.

3. Путем моделирования показано, что наблюдаемые широкие глубинные максимумы концентрационных профилей внедренных частиц при высокодозовой имплантации пучками вакуумно-дуговых источников, таких как "Радуга-5", "Диана-2", обусловлены преимущественно статистическим распределением в приповерхностном слое мишени ионов с разными начальными энергиями в пучке.

4. Различные диффузионные процессы, интенсивно проявляющиеся на заключительном этапе имплантации, приводят к дополнительному уширению глубинных максимумов у концентрационных профилей и в зависимости от комбинации ион-мишень к формированию дополнительного максимума у поверхности.

5. В результате моделирования установлено, что в мелкозернистых образцах титана на этапе интенсивного диффузионного перераспределения примеси в формирование профилей внедряемых ионов по глубине существенный вклад вносит радиационно-стимулированная диффузия, в том числе и зернограничная, а в крупнозернистых -диффузия в объеме зерна.

6. При имплантации через растущую газо-металлическую пленку, обусловленную осаждением на поверхность мишени алюминиевой плазмы в промежутках между импульсами пучка, концентрационные профили внедряемых ионов как в пленке, так и в подожке формируются путем статистических, термодиффузионных процессов и распределения атомов отдачи. Последние ответственны за неоднородный характер поведения концентрационных профилей примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой.

Развитая модель формирования концентрационных профилей в металлических материалах имплантированных ионов при высоких дозах носит достаточно общий характер, поскольку предсказывает также закономерности распределения примесных атомов при высокодозной имплантации полупроводниковых материалов.

В заключение выражаю благодарность д.ф.-м.н., профессору Шаркееву Ю.П. за проявленный интерес к работе, стимулирующие дискуссии и предоставленные экспериментальные результаты для анализа. Автор признателен профессору Козловскому В.В. (СПбГТУ), профессору Титову А.И. (СПбГТУ), профессору Александрову О.В. (СПБГЭТУ) и доценту Барченко В.Т (СПБГЭТУ) за полезные советы, замечания, рекомендации и проявленный интерес к работе. Автор благодарен преподавательскому коллективу кафедры прикладной и медицинской физики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского за обсуждение результатов моей работы на научных семинарах, за полезные дискуссии, за финансовую поддержку и предоставлявшуюся возможность участвовать в иногородних научных конференциях

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе рассмотрены механизмы формирования концентрационных профилей имплантируемых атомов в результате индуцированного массопереноса в металлических системах при воздействии частотно-импульсными ионными потоками высокой дозы вакуумно-дуговых источников «Радуга-5» и «Диана-2». Характерной чертой указанных ионных источников является то, что они генерируют полиэнергетические пучки частиц.

1. Хирвонен Дж.К. Ионная имплантация. Москва: Металлургия, 1985. - 392 с.

2. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. Москва: Высшая школа, 1984. - 320 с.

3. Вильяме Дж.С., Поут Дж.М. Ионная имплантация и лучевая технология. Киев: Наукова думка, 1988. - 360 с.

4. Грибков В. А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин B.JI. Перспективные радиационной-пучковые технологии обработки материалов. Москва: Круглый год, 2001.-528 с.

5. Быковский Ю.А., Неволин В.Н. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. Москва : Энергоатомиздат, 1991. - 240 с.

6. Диденко А.Н., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В., Рябчиков А.И. Эффекты дальнодействия в ионно имплантированных металлических материалах. - Томск: НТЛ, 2004. - 328 с.

7. Кадыржанов К.К., Комаров Ф.Ф., Погребняк А.Д., Русаков B.C., Туркебаев Т.Э. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов: Монография. -Москва : МГУ, 2005. 640 с.

8. Риссел X., Руге И. Ионная имплантация: Пер. с нем. В.В. Климова, В.Н. Пальянова / ред. Гусева М.И. Москва: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 360 с.

9. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. Москва: Металлургия, 1990. -216с.

10. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Тепломассоперенос в твердом теле под действием мощных пучков заряженных частиц. Новосибирск: Наука, 1999.- 176 с.

11. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Моделирование распределения примеси при ионой имплантации // Изв. ВУЗов. Физика, 1994, № 5. - С. 8-22.

12. Николаев А.Г., Оке Е.М., Юшков Г.Ю. Зарядовое распределение ионов в плазме вакуумного дугового разряда в сильном магнитном поле // ЖТФ, 1998. Т. 68. - № 5.-С. 39-43.

13. Аксёнов А.И., Бугаев С.П., Емельянов В.А. и др. Получение широкоапертурных пучков ионов металлов // ПТЭ, 1987. -№ 3. С.1 39-142.

14. Treglio J.R., Perry A.J., Stinner R.J. The economics of metal ion implantation // Surf, and. Coat. Techn., 1994.-T. 65.-C. 184-188.

15. Рябчиков А.И., Дектярев C.B., Степанов И.Б. Источники "Радуга" и методы импульснопериодической ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов // Известия вузов. Физика, 1998. № 4. - С. 193-207.

16. Аксенов А.И., Носков Д.А. Процессы лазерной и электронно-ионной технологии. Томск: Учебное пособие. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007. - 110 с.

17. Шаркеев Ю.П., Рябчиков А.И., Козлов Э.В., Кузина И. А. и др. Высокоинтенсивная ионная имплантация метод формирования мелкодисперсионных интерметаллидов в поверхностных слоях металлов // Известия ВУЗов , Физика, 2004. - № 9. - С. 45-47.

18. Бугаев С.П. Оке Е.М., Щанин П.М., Юшков Г.Ю. "Титан" источник газовых и металлических ионов на основе контрагированного разряда и вакуумной дуги// Известия вузов. Физика, 1994. — № 3. - С. 53-65.

19. Козлов Э.В., Курзина И.А., Божко И.А., Калашников М.П. и др. Высокоинтенсивная имплантация ионов алюминия в титан // Металлофиз. Новейшие технологии, 2004. Т. 26. - № 12. - С. 1645-1659.

20. Sharkeev Yu.P., Gritsenko В.Р., Fortuna S.V., Perry A.J. Modification of metallic materials and hard coatings using ion implantation // Vacuum, 1999. V. 52. - P. 247254.

21. Кривобоков В.П., Сочугов H.C., Соловьев A.A. Плазменные покрытия (свойства и применение): учебное пособие. Томск: Томский политехнический университет, 2011.- 137 с.

22. Божко И. А., Курзина И.А., Степанов И.Б., Шаркеев Ю.П. Модификация поверхностных слоев титана при высокоинтенсивной ионной имплантации алюминия // Физика и химия обработки материалов, 2005. № 4. - С. 58-62.

23. Погребняк А.Д., Толопа A.M. Применение ионно-плазменных потоков металлов для обработки конструкционных материалов// Аналитический обзор. 20-05.11.90. Харьков, 1990,- 34 с.

24. Потекаева А.И. Структура и свойства перспективных металлических материалов (коллективная монография). Томск: HTJI, 2007. - 580 с.

25. Горбунов C.B., Зацепин А.Ф., Пустоваров В.А., Чолах С.О., Яковлев В.Ю. Электронные возбуждения и дефекты в наноструктурном А1203 // ФТТ, 2005. Т. 47.-№4.-С. 708-712.

26. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. Москва: Логос, 2000. - 271 с.

27. Смирнов Б.И., Шпейзман В.В., Николаев В.И. Высокая прочность и пластичность нанокристаллических материалов // ФТТ, 2006. - Т. 47. - № 5. - С. 816-821.

28. Малыгин Г.А. Пластичность и прочность микрокристаллических и нанокристаллических материалов //ФТТ, 2007.- Т. 49. №6.- С. 961-982.

29. Шаркеев Ю. П., Данилов В. И., Ерошенко А. Ю. и др. Особенности структуры и деформационного поведения объемно-наноструктурного титана, полученного при интенсивной пластической деформации // Деформация и разрушение материалов, 2007.- №7,- С. 27-31.

30. Козлов Э.В., Иванов Ю.Ф., Игнатенко J1.H., Конева H.A. Функционально-механические свойства материалов и их компьютерное моделирование // Материалы 29-го Межре-спубликанского семинара «Актуальные проблемы прочности» (Псков, 15-18 июня 1993).-С. 90-99.

31. Вахний Т. В., Вершинин Г.А., Шаркеев Ю.П., Курзина И.А. и др. Роль размера зерен поликристаллического титана в формировании концентрационных профилей // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2010. № 4. - С. 94-99.

32. Шаркеев Ю. П., Курзина И.А., Ерошенко А.Ю., Божко И.А., Толмачев А.И. и др. Эволюция структуры и механических свойств ультрамелкозернистого титана / ред. Громов В.Е. Новокузнецк: Изд-во НПК, 2009. - 613 с.

33. Vasilyev A.D., Bekrenev A.N. Influence of free surface and interfaces on diffusion coefficients in Pd-Ag and Pd-Au polycrystalline thin films systems // Applied Surface Science, 2000.-V. 161.-P. 14-19.

34. Губарев A.A., Теплов C.B. Моделирование перемешивания слоистых систем при бомбардировке ионами средних энергий // Поверхность. Физика, химия, механика, 1995.-№ 5. -С. 31-39.

35. Киприч В.И., Корнич Г.В., Бажин А.И. Концентрационные профили при осаждении пленок из низкоэнергетического ионного пучка // Известия ВУЗов. Физика, 2007. С. 27-34.

36. Степанова М.Г. Исследование изменения состава и плотности вблизи поверхности двухкомпонентных систем при ионной бомбардеровке // Известия Российской Академии Наук. Серия физическая, 1992. Т. 56. - № 6. - С. 53-60.

37. Poker D.B.,Withrow S.P. Ion beam modification of materials '90. Book Review// Magnetic and Electrical Separation, 1992. V. 3. - P. 210-212.

38. Picraux S.T. Ion implantation in metals // Ann. Rev. Mater. Sci., 1984. № 14. - P. 335-372.

39. Rickards J. A discussion of the behavior of titanium under high energy ion implantation // Superficies у Vacio: Sociedad Mexicana de Ciencia de Superficies у de Vacio, 15-19 Diciembre 2001.-V. 13.-P. 589-601.

40. Brown M., Hafer M., Priest M. Ion Beam Processing (IBP) Technologies. Sector Study. FINAL REPORT : Prepared for the North American Technology and Industrial Base Organization (NATIBO). Prepared by BDM Federal, Inc., June 1996. P. 133.

41. Азаренков H.A., Береснев B.M., Погребняк А.Д. Структура и свойства защитных покрытий и модифицированных слоев материалов: Монография. — Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2007. 560 с.

42. Комаров А.Ф. Моделирование процесса двухпучковой высокодозной имплантации в твердотельные мишени // Журнал технической физики, 2007. Т. 71. -№ 11.-С. 119-123.

43. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Оптимальные режимы активации поверхности методом ионной имплантации // Поверхность. Физика, химия, механика. Краткие сообщения, 1989.-№7.-С. 148-149.

44. Pogrebnjak A.D., Bakharev O.G., Pogrebnjak N.A., Tsvintarnaya Yu.V., Shablja V.T. et. al. Certain features of high-dose and intensive implantation of A1 ions in iron // Physics Letters, A , 2000. V. 256. - P. 225-232.

45. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Аппроксимация унимодальных распределений функциями системы Пирсона // Математическое моделирование. Вычислительные методы и алгоритмы, 1996. Т. 8. - № 7. - С. 74-80.

46. Комаров Ф. Ф., Новиков А.П., Буренков А.Ф. Ионная имплантация / ред. Комаров Ф.Ф. Минск: Университетское, 1994. - 303 с.

47. Вальднер В.О., Квядрас В.П. и др. Влияние никоэнергетической имплантации на механические свойства сплавов титана и железа. // Физика и химия обработки материалов, 1987.-№ 2.-С. 18-24.

48. Смирнов Л.И. Перенос атомов внедрения в металлах упругой волной // Физика металлов и металловедение, 2000. Т. 89. - № 4. - С. 10-14.

49. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлах // Поверхность. Физика, химия, механика, 1982. -№ 4. С. 27-50.

50. Корнюшин Ю.В. К теории диффузионных процессов в кристаллах с дислокациями // Металлофизика, 1983. № 2. - С. 104-105.

51. Rosset S., Niklaus М., Dubbos P., Herbert R. Metal ion Implantation for the Fabrikation of Stretchable Electrodes on Elastomers // Adv. Funct. Mater., 2009. № 19. P. 470-478.

52. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов M.A., Тёмкин М.М. Пространственные распределения энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах. Москва: Энергоатомиздат, 1985. - 248 с.

53. Lindhard J., Nielsen V., Scharff M., Thomsen P. Integral equations governing radiation effects// Kgl. Danske Videnskab Selskab Mat-fys Medd., 1963. V. 33. - № 14.-P. 42-43.

54. Титов В.В. К вопросу о конструировании заданных профилей распределения примеси методом ионной имплантации // ЖТФ, 1978. Т. 48. - № 11. - С. 24072411.

55. Gibbons J.F., Mylroie S. Estimation of impurity profiles in ion implanted amorphous targets using joined-Gaussian distribution// Appl. Phys. Lett., 1973. V. 22. - P. 251258.

56. Кендалл M. Дж., Стюарт А. Теория распределений. Москва: Мир, 1966. -587 с.

57. Лариков JI.H., Исайчев В.И. Диффузия в металлах и сплавах. Справочник. -Киев: Наукова думка, 1987. 509 с.

58. Christel L.A., Gibbons J.F., Mylroie S. Recoil range distributions in multilayered targets // Nuclear Instruments and Methods. 15 April - 1 May 1981. - Part 1: Vol. 182-183.-P. 187-198.

59. Webb R.P., Harrison D.E. A computer simulation of high energy density cascades // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 1984. Issues 1-3. - V. 2. - P. 660-665.

60. Бериш P. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой, II: пер. с англ. -Москва: Мир, 1986. 484 с.

61. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин Е.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.

62. Павлов П.В., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И О роли механических напряжений и упругих волн в структурных превращениях в кристаллах при ионной бомбардировке и последующем отжиге // Физика и химия обработки материалов, 1987. № 6. -С. 19-24.

63. Титов В.В. Роль механических напряжений при легировании материалов с помощью ионных пучков// Препринт ИАЭ -3774/11.- Москва: Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова, 1983. 47 с.

64. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов. Москва: Атомиздат, 1979. - 296 с.

65. Шалаев A.M. Радиационно-стимулированная диффузия в металлах. Москва : Атомиздат, 1972. - 148 с.

66. Домкус М., Пранявичус JI. Механические напряжения в имплантированных твердых телах. Вильнюс: Мокслас, 1990. - 158 с.

67. Мартыненко Ю.В., Москвин П.Г. Механизмы изменения глубоких слоев твердого тела при ионной бомбардировке // Поверхность. Физика, химия, механика, 1991. -№ 4. -С. 44-50.

68. Wang L.M., Wang S.X., Ewing R.C. et. al. Irradiation indused nanostructures // Materials Science and Engineering, 2000. V. A286. - P. 72-80.

69. Смирнов Л.И., Гольцов B.A. Динамика систем металл-водород в континуальном приближении и некоторые водородоупругие эффекты // Физика металлов и металловедение, 1997. Т. 84. - № 6. - С. 47-56.

70. Мартыненко Ю.М., Москвин П.Г. Ускорение диффузии ионно имплантированной примеси при больших дозах // Журнал технической физики, 1991.-Т. 61.-№ 1.-С. 179-180.

71. Попов Л.Е., Конева Н.А., Терешко И.А. Деформационное упрочнение сплавов. Москва: Металлургия, 1979. - 255 с.

72. Singer I.L., Jeffers R.A., Hubler G.K.,Holland O.W., Clayton C.R., White C.W. Ion implantation and ion beam Processing of Materials. New York: North-Holland, 1984. -667 p.

73. Морозов Н.П., Тетельбаум Д.И. Глубокое проникновение радиационных дефектов из имплантированного слоя в объем полупроводников // Физика и техника полупроводников, 1983. Т. 17. - № 5. - С. 838-842.

74. Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. Москва : Государственное издательство физико-математической литературы, 1968.,-465 с.

75. Курганов А.Г., Фалько Г.Л., Федорченко A.M. Аналитический расчёт распределения радиационных дефектов и примеси при предельных дозах ионного легирования // ФММ, 1986. -№ 1. С. 16-20.

76. Бокштейн С.З. Диффузия и структура металлов. Москва: Металлургия, 1973. -206 с.

77. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. Диффузия в металлах и сплавах. Киев: Наукова думка, 1986.-520 с.

78. Левинсон И.Б., Маслов Д.Л. Квазигидродинамическое поведение каскадов атомных столкновений // Поверхность. Физика, химия, механика, 1987. № 4. -С. 5-7.

79. Ханнанов Ш.Х. Коллективный механизм массопереноса в поверхностных слоях облучаемых материалов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2001. № 12. - С. 73-76.

80. Бойко В.И., Валяев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц // Успехи физических наук, 1999.-Т. 169.-№ 11.-С. 1243-1271.

81. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах. Москва: Мир, 1971. -277 с.

82. Каур И., Густ В. диффузия по границам зерен и фаз. Москва: Машиностроение, 1991. -448 с.

83. Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые процессы на границах зерен и пластичность металлических поликристаллов. Новосибирск: Наука, 1998. - 184 с.

84. Погребняк А.Д., Ремнев Г.Е., Чистяков С.А., Лигачёв А.Е. Модификация свойств металлов под действием ионных пучков // Изв. ВУЗов. Физика, 1987. № 1. - С. 5265.

85. Костерин К.В. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: адатомные механизмы и возможная роль фононов // Физика и химия обработки материалов, 1995.-№3.-С. 43-48.

86. Васильева Е.В. Влияние имплантации ионов азота и углерода на стойкость подшипниковой стали // Физика и химия обработки материалов, 1989.- № 1. -С. 43-48.

87. Белый A.B., Догодейко В.Г., Макушок Е.М., Миневич А.Л. Прогрессивные методы изготовления металлорежущего инструмента. Минск: БЕЛНИИТИ, 1989. -56 с.

88. Бойко В.И., Кадлубович Б.Е., Шаманин И.В. Влияние дефектности структуры металлов на профиль расперделения внедренных ионов // Физика и химия обработки материалов, 1991. -№ 3. С. 56-61.

89. Metropolis N., Ulam S. The Monte Carlo Method // J. Amer, statistical assoc., 1949. у. 44. № 247. - P. 355-341.

90. Романов С.Н., Мелькер А.И. Атермическое образование вакансионных кластеров в каскадах атомных смещений // ЖТФ, 1981. № 6. - С. 1252-1257.

91. Ziegler. J.F. The Stopping of Energetic Light Ions in Elemental Matter// J. Appl. Phys / Rev. Appl. Phys., 1999. V. 85. - P. 1249-1272.

92. Билер И. Роль машинных экспериментов в исследовании материалов / ред. Д.Б. Позднеев. Москва: Мир, 1974. - 250 с.

93. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. Москва: Наука, 1973. - 312 с.

94. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Возможность получения имплантированных слоев большей толщины//Письма в ЖТФ, 1987.-Т. 13. -№21. -С. 1303-1306.

95. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Аппроксимация распределений ионной имплантации функциями системы Пирсона // Известия российской академии наук. Серия физическая, 1992. Т. 56. - № 6. - С. 6-11.

96. Абдрашитов В.Г., Рыжов В.В. Модель расчета высокодозовой ионной имплантации в металлы// Физика и химия обработки материалов, 1990. — № 6. -С. 14-18.

97. Iwaki M. In book: Proc. Int. Ion Engineering Congress ISIAT'83 & IPAT'83 (Kyoto), 1983.-P. 1793-1804.

98. Поллард. Дж. Справочник по вычислительным методам статистики: Пер. с англ. Москва: Финансы и статистика, 1982. - 344 с.

99. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск: БГУ, 1980. - 352 с.

100. Либов Р. Введение в теорию кинетических уравнений. Москва: Мир, 1974. -372 с.

101. Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П., Фортуна C.B., Курзина И.А. и др. Фазовый анализ поверхностных слоев никеля, имплантированного алюминием // Поверхность. Рентг., синхротр. и нейтр. Исследования, 2003. № 3. - С. 29-33.

102. Бабич А.П. Термодинамика необратимых процессов. Учебное пособие. -Днепропетровск: Днепропетровский государственный университет, 1981.-65 с.

103. Мартыненко Ю.В. Эффекты дальнодействия при ионной имплантации // Итоги науки и техники. Пучки заряженных частиц и твердое тело. Москва: ВИНИТИ, 1993.-Т. 7.-С. 82-112.

104. Макарец Н.В., Фалько Г.Л., Федорченко A.M. Распыление поверхности мишени и радиационно-стимулированная диффузия примеси// ФММ, 1984.- № 5. С. 2934.

105. Любов Б.Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах. -Москва: Наука, 1981.-296 с.

106. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. 2-е издание, перераб и допол. -Москва: Энергия, 1978.-480 с.

107. Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Ленинград: Наука, 1972.-384 с.

108. Полянин. А. Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. Москва: Физматлит, 2001. - 576 с.

109. Аксенов А.И., Пучкарева Л.Н., Толопа A.M. Ионно-плазменный синтез карбонитридных соединений // Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Харьков, ХФТИ, 1989. С. 255256.

110. Ryssel Н., Lorenz J., Hoffmann К. Models for implantation into multilayer targets // Appl. Phys., 1986. № 41/3. - P. 201-207.

111. Ryabchikov A.I., Arzubov N.M., Vasilyev N.A., Dektyarev S.V. The Raduga multipurpose ion/plasma source for surface modification of construction materials // Nuclear Instruments and Methods in Physics Reseaarch, 1991. V. B59-60. - P. 124-127.

112. Степанов. И.Б. Аксиально-симметричные фильтры жалюзийного типа для очистки плазмы вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции // Технология машиностроения, 2007. — № 5. С. 45-51.

113. Kozlov E.V., Ryabchikov A.I., Sharkeev Yu.P., Stepanov I.B. et. al. Formation of intermetallic layers at high intensity ion implantation // Surface and Coating Technology, 2002. -V. 158-159. P. 343-348.

114. Sigmund P. Theory of Sputtering. I. Sputtering Yield of Amorphous and Polycrystalline Targets // Physical Review, 1969. V. 184. - № 2. - P. 383-416.

115. Грекова Т.С., Мельников Н.С. Интерпретация закономерностей массопереноса в металлах при воздействии ионными пучками частотно-импульсных источников. ОмГУ, 2010.-С. 84-87.

116. Гринберг Б. А., Иванов М.А. Интерметаллиды Ni3Al и Ti Al: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург: УРО РАН, 2002. - 358 с.

117. Вахний Т.В. Моделирование массопереноса в металлических материалах при облучении ионными пучками. Дисс. Канд физ.-мат. Наук. Омск: Омский государственный университет, 2006. - 143 с.

118. Вершинин Г.А., Вахний Т.В. Влияние миграции границ зерен на формирование концентрационных профилей имплантированной примеси // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2003. № 5. - С. 18-21.

119. Пучкарева J1.H., Ерохин Г.Г., Ладыженский О.Б. Модификация поверхности металлов многокомпонентными пучками ионов // ФХОМ, 1995. № 6. - С. 12-17.

120. Рябчиков А.И., Насыров P.A. Получение высокой концентрации примесей при импульсно-периодической имплантации ионов // Поверхность, 1992. № 3. - С. 98103.

121. Калин Б.А., Волков Н.В., Егоров В.К. Распределение атомов AI, Ti, V, внедренных в поликристаллическую медь методом ионного перемешивания при облучении полиэнергетическим пучком ионов Ar // ФХОМ, 2000. № 1. - С. 13-16.

122. Пучкарева Л.Н., Чесноков С.М., Шулепов И.А. Имплантация ионов вольфрама в частотно-импульсном режиме // ФХОМ, 1998. -№3. С. 21-25.

123. Ерошенко А.Ю., Шаркеев Ю.П. и др. Структура и свойства наноструктурированных материалов после воздействия ионными пучками // Перспективные материалы, 2009. -№ 5. С. 59-63.

124. Курзина И.А., Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П. и др. Нанокристаллические интерметаллидные и нитридные структуры, формирующиеся при ионно-плазменном воздействии. Томск: НТЛ, 2008. - 324 с.

125. Конева H.A., Жданов А.Н., Козлов Э.В. Физические причины высокой прочности ультрамелкозернистых материалов // Изв. РАН. Серия физическая, 2006 -Т. 70,-№4.-С. 577-508.

126. Погребняк А.Д., Братушка С.Н., Маликов Л.В. и др. Влияние высоких доз ионов N"1", N^+Ni"1", Mo^+W4" на физико-механические свойства TiNi // ЖТФ, 2009. -Т. 79. -№ 5.-С. 65-72.

127. Suzuoka Т. Lattice and grain boundary diffusion in polycrystals // Trans. Jap. Inst. Metals, 1961.-V. 2.-№ l.-P. 25-32.

128. Yoshimura I., Nakahigashi J. Ultra-fine grain refinement, superplasticity and its application of titanium alloys obtained through protium treatment // Mat. Sci. Forum,2003. V. 426-432. - P. 673-680.

129. Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Мельникова E.H. Закономерности и механизмы высокотемпературной ползучести субмикрокристаллического титанового сплава Ti-6A1-4V // Материаловедение, 2007. № 4. - С. 41-46.

130. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P., Ratochka I.P., Kabanova E.R. et. al. Effect of grain-boundary diffusion fluxes of copper on the acceleration of creep in submicro-crystalline nickel // Annales de Chimie, 1996. № 11. - P. 483-492.

131. Gleiter H. Deformation of Polycrystals: Mechanisms and microstructures // Proc. of 2nd RISO Symposium on Metallurgy and Materials Science. Roskilde, 1981. V. 7. -P. 15-21.

132. Грабовецкая Г.П., Мишин И.П., Раточка И.В., Псахье С.Г., Колобов Ю.Р. Зернограничная диффузия никеля в субмикрокристаллическом молибдене, полученном интенсивной пластической деформацией // Письма в ЖТФ, 2008. Т. 33.-№4.-С. 7-14.

133. Дударев Е.Ф., Бакач Г.П., Грабовецкая Г.П. Структура, неупругие свойства и деформационное поведение ультрамелкозернистого титана // Изв. вузов. Физика,2004,-№9.-С. 33-41.

134. Поздняков В. А., Глезер A.M. Структурные механизмы пластической деформации нанокристаллических материалов // ФТТ, 2002. Т. 44. - № 4. -С. 705-710.

135. Gleiter Н. Nanostructured Materials: basic concepts and microstructure// Acta Materialia, 2000. -V. 48. -№ l.-P. 1-29251.