CC BY
60
УДК 539.234:536.424.1:54.057
П. А. Цыганков, С. В. Закржевский
СИНТЕЗ МАТЕРИАЛОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА ДЛЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА МИКРОПРИВОДА
Приведены результаты исследований синтеза материала с памятью формы из многослойных наноструктур никелида титана. Обсуждены технологические особенности производства тонкопленочного никелида титана и факторы, влияющие на его свойства. Экспериментально обнаружено удлинение на 27нм структуры никелида титана высотой 1мкм при нагреве на ДТ = 50 °С. Отмечена принципиальная возможность создания исполнительного механизма микропривода на основе никелида титана.
E-mail: [email protected]; [email protected]
Ключевые слова: микропривод, наноструктуры с памятью формы, многослойные системы никелида титана, фазовый переход.
Создание миниатюрных микроприводов и актуаторов [1, 2], способных создавать давление до 1 ГПа и имеющих высокие удельные мощностные характеристики — основная задача, определяющая технологический прогресс в наноиндустрии и микромеханике.
Используемые в настоящее время приводы на основе пьезоэлек-триков и миниатюрных электромоторов (таблица) [1] обеспечивают силы до 40 МПа, что заметно ограничивает круг решаемых задач.
Таблица
Сравнительная таблица наиболее распространенных приводов
Привод Время отклика Сила нагрузки Напряжение питания, В Особенности
Электромотор Малое Малая 5-500 Проблема передачи движения
Линейный мотор Малое Средняя 5-500 Вибрирует во время работы
Пьезопривод Малое Средняя 10-200 Гистерезис и деформации со временем работы
БМЛ сплав Среднее Большая Менее 5 Отвод теплоты
Биметалл Среднее Малая Менее 5 Отвод теплоты
Электромотор Средняя Среднее Низкое Ограничение по уменьшению размеров
В ряде работ [3-5] показана возможность реализации исполнительного устройства микропривода на основе материала с памятью формы (МПФ), обеспечивающего давление до 500 МПа. Принцип работы таких силовых элементов микроприводов связан со способностью МПФ многократно циклично менять линейные размеры. Изменение геометрических размеров происходит вследствие аустенитно-мартенситной перестройки кристаллической решетки. Для придания материалу первоначальной формы проводится первичная закалка в аустенитной (горячей) фазе. Так, у сплава никелида титана №Т1 (50/50%) элементарная ячейка высокотемпературной модификации представляет собой куб с атомами титана в вершинах и никеля в центре. В процессе охлаждения объемно-центрированная решетка преобразуется в гексагональную, т.е. в решетку, элементарная ячейка которой представляет собой деформированный куб с равными ребрами, но с отличными от прямого углами. В мартенситной (холодной фазе) материал становится пластичным и под действием сторонних сил может менять свою форму и размеры. Процесс нагрева приводит к возврату решетки в закаленное состояние, а материал принимает первоначальную форму. Описанный эффект возврата формы, реализующийся для макроматериалов, при переходе из мартенситной в аустенитную модификации называется односторонним, поскольку необходимо приложение внешней силы, обеспечивающей возврат устройства к геометрии холодной фазы при обратном фазовом переходе. Очевидно, что эффект памяти формы наиболее ярко проявляется в материалах с упорядоченной кристаллической структурой.
Поскольку рассматривается создание силовых устройств микро- и нанометрового размерного диапазона, то одним из основных способов получения МПФ такого рода является формирование его в виде тонкой пленки методами физического (РУБ) или химического осаждения.
Отметим, что для тонкопленочного состояния обнаружен [6] двунаправленный эффект памяти формы — материал запоминает форму как холодной, так и горячей фаз. Такая особенность крайне актуальна для конструктивного исполнения микроприводов, так как отпадает необходимость в дополнительном механическом устройстве возврата, что заметно упрощает конструкцию и обеспечивает миниатюрность исполнения. Процессом перестройки кристаллической решетки в тонкопленочном микроприводе можно управлять, создавая только необходимые температурные условия для фазовых переходов, без приложения сторонних сил.
Свойства пленок МПФ получаемых различными методами, существенно отличаются. В настоящее время широко используется вакуумно-плазменный метод получения пленки МПФ на основе МТ1, относящийся к технологии физического осаждения. В этом методе
пленка формируется за счет непосредственного распыления мишени с близкой к необходимой стехиометрией состава. Для точного регулирования состава пленки используют дополнительный источник паров
Т [7].
Между тем в ряде работ, выполненных в том числе и в МГТУ им. Н.Э. Баумана, была показана принципиальная возможность формирования интерметаллидных пленок на основе Т1 и N1 путем вакуумного отжига (термической гомогенизации) нанослоистых материалов [8-10]. При такой технологии производства заданная стехиометрия никелида титана определяется соотношением толщин слоев исходной бинарной периодической многослойной наноструктуры. В работах [8, 10] отмечено, что методом вакуумной гомогенизации можно формировать поликристаллические пленки интерметаллидов с ярко выраженной текстурой, что позволяет надеяться на проявление эффекта памяти формы с интенсивностью, характерной для кристаллических материалов. Наряду с технологическими режимами формирования нанослои-стой системы, особое влияние на характеристики продукта оказывают теплофизические параметры процесса вакуумной гомогенизации слоистой пленки.
Далее приведены конструкция прототипа микропривода и структуры, полученные в результате экспериментального исследования процессов формирования ключевого элемента микропривода — тонкопленочного МПФ на основе МТ1.
Конструкция прототипа микропривода на основе МПФ. Конструктивное исполнение прототипа микропривода показано на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция прототипа микропривода и структуры, полученные в процессе формирования тонкопленочного исполнительного механизма на основе N1X1:
а — прототип микропривода; б — многослойная структура на основе Т1 и N1; в — гомогенизированная структура №Т1
Стрелка указывает направление силы, которую микропривод создает во время работы вследствие температурно-зависимого фазового мартенситного перехода из слабосимметричной мартенситной фазы в аустенитную фазу с симметричной кристаллической решеткой [11]. Запуск привода осуществляется подводом теплоты, что приводит к изменению формы и размеров пленки. Обратный процесс идет при понижении температуры без приложения дополнительных сил. Прототип формируется на кремниевой подложке, на которую методами РУБ наносится тонкопленочный МСг нагреватель в виде меандра с удельным сопротивлением 1,25мкОм/м, имеющий коэффициент температурного расширения, близкий к коэффициенту температурного расширения диоксида кремния (8Ю2), которым осуществляется последующая пассивация и изолирование поверхности нагревателя.
На поверхности Б102 формируется бинарная нанослоистая пленка N1X1 с заданными толщинами слоев и общей толщиной «1 мкм (рис.1, б). При последущем отжиге синтезируется слой гомогенной пленки N1X1 с эффектом памяти формы (рис. 1, в).
Технология получения тонкопленочного нагревателя хорошо отработана [12], поэтому в настоящей работе ставилась задача показать принципиальную возможность создания исполнительного механизма микропривода на основе тонкопленочных МПФ, получаемых синтезом из многослойной структуры.
Экспериментальное оборудование и получение тонкопленочных МПФ. Технологический процесс получения тонкой пленки МПФ в соответствии с предложенной в работе [6] методикой состоит из двух этапов.
1. Формирование многослойной бинарной наноструктуры из исходных материалов методами физического осаждения.
2. Вакуумный отжиг и гомогенизация слоистой наноструктуры с получением продукта с ярко выраженной текстурой (сонаправлен-ность осей кристаллитов) поликристаллической пленки.
На первом этапе производства многослойная бинарная наноструктура N1X1 формировалась на подложке из монокристаллического кремния с ориентацией {100}, закрепленного на вращающемся водо-охлаждаемом держателе. Пары материалов создавались магнетронной распылительной системой, выполненной на основе двух торцевых магнетронов постоянного тока с мишенями диаметром 50 мм и сильными магнитными полями для введения никелевой мишени в насыщение (Б3 = 0,6 ... 0,8 Тл). В качестве материалов мишеней использовались N1 (99,98 %) и Т1 (4^Ы). Распыление проводилось в среде аргона с давлением 0,25 Па. Остаточное давление на уровне 10-4 Па обеспечивалось турбомолекулярным насосом. В процессе напыления использовалось
ассистирование ионными пучками с энергией 120. ..200 эВ. Толщина монослоев определялась скоростью вращения подложкодержателя (временем нахождения подложки над зоной распыления) и производительностью каждого магнетрона. Отметим, что, используя такую технологию, можно регулировать соотношение толщин слоев в широких пределах и соответственно получать исходные многослойные структуры для синтеза МПФ с различной стехиометрией, что, в свою очередь, позволит экспериментально подобрать оптимальную. Толщину формируемого слоя оценивали методом ступеньки, высоту которой определяли с помощью оптического интерферометра NIKON Mirau c точностью до 0,3 нм. Серия проведенных экспериментов позволила подобрать параметры работы распылительной системы для получения оптимальных толщин компонентов исходной бинарной системы для последующего синтеза NiTi с заданной стехиометрией. Многослойная наноструктура на основе Ti и Ni с соотношением слоев 14,9/10 нм обеспечивает при гомогенизации стехиометрию продукта 50/50 ат. %.
Как известно, технология магнетронного напыления позволяет в широких пределах варьировать энергетический спектр частиц, поступающих на подложку, что наряду с режимами ионного ассистирования принципиально изменяет условия конденсации вещества и роста кристаллитов в формируемой многослойной пленке [13, 14]. Таким образом, на первом этапе производства МПФ можно получить исходную пленку как в аморфизированном состоянии, так и с ярко выраженной текстурой.
На втором этапе производства пленки наряду с гомогенизацией многослойной структуры во время отжига также происходит ее рекристаллизация. Процессы формирования поликристаллической структуры при отжиге многослойных пленок на основе Ti и Ni в настоящий момент изучены слабо. Однозначного представления о необходимой структуре пленки перед гомогенизацией для получения максимально текстурированного продукта нет. В работе [15] приведены сведения об обнаружении эффекта наследования текстуры при отжиге наносло-истых текстурированных пленок на основе Ti и Al, причем текстура продукта растет с уменьшением толщины исходных бислоев в многослойной системе. Очевидно, что необходимо проведение широкого круга экспериментальных исследований процессов формирования текстурированных поликристаллических тонкопленочных МПФ на основе NiTi для получения максимального эффекта изменения линейных размеров.
Отжиг и гомогенизацию полученных в рамках этой работы многослойных структур на основе Ti и Ni на кремниевой подложке проводили плавным радиационным нагревом кварцевой лампой. Образцы
крепили на прогреваемую пластину толщиной 3 мм из коррозионно-стойкой стали и выдерживали от 30 мин до 6 ч при температурах 300... 600 °С в вакуумной среде с давлением не выше 5 • 10-4 Па. Температуру контролировали термопарным датчиком, расположенным в непосредственной близости от образца.
Пара Ti и Ni представляет собой высокоэнтальпийную (H = = 4,5 кДж/моль) метастабильную систему. Поэтому в процессе отжига режимы подбирались так, чтобы предотвратить возникновение реакции твердого горения с полным разрушением целостности пленки и обеспечить хорошую адгезию отожженной пленки к кремниевой подложке для обеспечения хорошего теплового контакта. Известно, что температура старта реакции твердого горения в пленках составляет 300... 450 °С [8, 9], поэтому быстрый нагрев многослойной структуры до рекомендованных температур рекристаллизации [6], превышающих температуры старта реакции горения, недопустим.
На экспериментальном оборудовании с применением описанной технологии были получены опытные партии образцов тонкопленочных МПФ для последующего исследования изменений при фазовом переходе. Поскольку принцип работы привода МПФ основан на эффекте изменения формы, то проявление таких трансформаций можно отследить, проводя одновременно плавный нагрев и сканирование поверхности пленки NiTi. Для удобства регистрации изменений линейных размеров на поверхности кремниевой подложки с пленкой МПФ, сформированной отжигом, фрезеровали микронные структуры кубической формы с размерами сечения 5x5 мкм. Фрезерование проводили с помощью модуля фокусированных ионных пучков Orsay Physics FIB implant на всю глубину слоя NiTi (1 мкм) вплоть до кремниевой подложки, которая в дальнейшем использовалась как "нулевая" линия для отсчета относительного удлинения микронных структур. Контроль и визуализацию процесса фрезерования осуществляли в реальном масштабе времени с помощью электронного микроскопа Orsay SEM.
Изменения линейных размеров кубических NiTi-структур под действием нагрева исследовали зондовым микроскопом Ntegra компании NT-MDT по полуконтактной методике, при которой колеблющееся острие зонда слегка стучит по исследуемой поверхности, осуществляя частичный контакт с нагретым объектом, тем самым не внося никаких механических повреждений в рельеф пленки. Образец крепился на специальный подложкодержатель, оснащенный управляемым нагревателем. Во время сканирования кубических структур температура образца плавно повышалась до 80°.
Результаты. Исследование серии образцов со сформированными на поверхности микронными структурами показало, что существует температурная зависимость линейных размеров. На рис. 2, а приведено
/V*
27 нм
1 мкм
а
б
Рис. 2. Исследование поверхности АСМ:
а — трехмерное изображение; б — профиль поверхности структур МПФ для разных температур подложки
трехмерное изображение NiTi структур, полученное атомно-силовым микроскопом. Нагрев пленки (Ti = 30оC, AT = 50o) приводит к увеличению линейных размеров (рис. 2, б).
Общее максимальное удлинение кубических структур высотой 1 мкм составило в среднем 27 нм, что значительно превышает оценки удлинения (AL =1,2 • 10-4 нм) вследствие температурного расширения и может быть однозначно связано с изменением формы за счет мартенсит-аустенитного перехода. Следует отметить, что это значение, очевидно, не является максимально достижимым и может быть увеличено при оптимизации технологии производства текстурированных тонкопленочных МПФ.
Выводы. Показана принципиальная возможность создания тонкопленочного материала с памятью формы, синтезированного гомогенизацией многослойной бинарной наноструктуры.
Авторами предложена технология получения тонкопленочных МПФ на основе никелида титана. Отработаны экспериментальные методики производства тонкопленочных структур МПФ и измерения их характеристик. Использованные технологические приемы позволяют в широких пределах управлять формированием структуры пленки и обеспечивают возможность оптимизации процесса в целях получения МПФ с заданным характеристиками.
Предложена конструкция прототипа исполнительного механизма актуаторов и приводов микро- и наноразмерных электромеханических систем.
Авторы благодарят коллектив кафедры Э6 и лично В.И. Хвесюка за конструктивное обсуждение материалов статьи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. George Hodge, William Oxenham. Micromachine based fabric formation systems; NCSU
2. H o d g e G. Technology Assessment of microelectromechanical systems (MEMS) for the textile industry / ISA Textile Division Symposium. June 24-25, 1997.
3. Hahm G, You L. The characterization of TiNi shape-memory actuated microvalves. - Western Reserve University. Cleveland, 2001.
4. Hejun Du, Yongqing Fu. TiNi shape memory alloy thin films for microactuator application. - Nanyang Technological University. Singapore, 2002.
5. Akira Ishida and Valery Martynov. Sputter-Deposited shape-memory alloy thin films: Properties and applications // Mrs Bulletin. Febriary, 2002.
6. Lenhert T., Grimmer H. Characterization of shape-memory alloy thin films made up from sputter-deposited Ni/Ti Multilayers. - Laboratory for Neutron Scattering, 2000.
7. Ken Ho, Greg P. Carman. Sputter deposition of NiTi thin film exhibiting the SME at room temperatures // Mechanical & Aerospace Engineering. - CA 90095.
8. O n the mechanism of heterogeneous reaction and phase formation in Ti/Al multilayers nanofilms / J.-C. Gachon, A.S. Rogachev, P.A. Tsygankov et al. // Acta Materialia. - 2005. - Vol. 53. - P. 1225-1231.
9. P h a s e s transformations in the Ni-Al system investigation by synchrotron radiation diffraction / M.R. Sharafutdinov, M.A. Korchagin, N.F. Shkodich et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - Vol. 575, Issues 1-2, 21 May 2007. - P. 149-151.
10. D i f f r a c t i o n of synchrotron radiation for in situ study of the heterogeneous reaction mechanisms in lamellar composites obtained by mechanical activation and magnetron sputtering / A.S. Rogachev, J.-C. Gachon, J.C. Schuster et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - Vol. 575, Issues 1-2, 21 May 2007. - P. 126-129.
11. Лихачев В. А. Эффект памяти формы. - СПб.: Изд-во СПГУ, 1997.
12. Santhana Sathya. Fabrication of thin film resistance heater. - Ohio University, 1999.
13. М о в ч а н Б. А., ДемчишинА. В. // Физика металлов и металловедение. - 1969. -№ 28.
14. G u e n t h e r K. H. Proc. SPIE 1324 (1990) 2.
15. Autowave propagation of exothermic reactions in Ti-Al thin multilayer films / A.S. Rogachev, A.E. Grigoryan, P.A. Tsygankov et al. // Physical Chemistry (Dokladu, Russian Edition). 2001. - Vol. 381. No. 1-3. - P. 283-287.
Статья поступила в редакцию 6.05.2010
