CC BY
64
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, N. 2 (2), с. 12-16
УДК 539.21;539.12.04
ДИАГНОСТИКА ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ БОРА НА СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕДНО-НИКЕЛЕВОЙ ФОЛЬГИ В НАНОМАСШТАБЕ
© 2013 г. А.А. Новоселов,1 В.Я. Баянкин,1 Д.О. Филатов,2
А.А. Смирнов,2 Д.И. ТетельбауМ
Физико-технический институт Уральского отделения РАН, Ижевск ^Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступнла в редакцню 04.04.2013
Методом атомно-силовой микроскопии исследовано изменение топографии поверхности фольги Си80-№20 при облучении ионами бора с энергией 40 кэВ. Установлено, что как на облученной, так и на обратной сторонах происходит сглаживание неровностей, качественно одинаково зависящее от дозы в интервале 5-1015 - 1-1017 см-2. Этот эффект интерпретируется как проявление эффекта дальнодействия.
Ключевые слова: ионная имплантация, медно-никелевые фольги, топография поверхности, атомносиловая микроскопия, эффект дальнодействия.
Введение
В современном материаловедении значительное место занимают вопросы исследования структурных и композиционных упорядочений. В частности, большое внимание уделяется модификации свойств металлов путем ионного облучения.
При облучении энергетическими частицами эффекты радиационного воздействия вызваны, прежде всего, созданными им дефектами кристаллической структуры облучаемого тела [1, 2]. Радиационное воздействие приводит не только к нарушению структуры облучаемого материала (образование радиационных дефектов, распыление поверхности и др.), но при определенных условиях и к формированию структур самих дефектов. Подвижные дефекты формируют скопления и кластеры, происходит комплексообразование дефектов и атомов примеси, возникают и развиваются поры, дислокационные петли и дислокации. Происходит структурирование распределения дефектов: возникают зоны с различной плотностью дислокаций, области, обедненные и обогащенные порами, и т.п. Формируются плотные упорядоченные скопления дислокационных петель (стопки), сверхрешетка пор, возможно развитие сверхрешеток вакансионных и междо-узельных дислокационных петель [3-5]. При этом изменение дефектной структуры зачастую влечет за собой изменение морфологии поверхности материала.
Появившиеся в начале 80-х годов методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) привлекли к себе внимание возможностями ло-
кального неразрушающего анализа поверхности в различных средах [6-11]. СЗМ позволяет изучать топографию (рельеф) и различные физические характеристики поверхности с высоким пространственным разрешением вплоть до атомного [12]. Оказалось возможно получать информацию о морфологии поверхности (микрошероховатости, перепаде высот и др.), об электрических, магнитных и физико-механических (трение, упругость, пластичность и прочность) свойствах [13-16]. Исследования могут проводиться как в газообразных, так и в жидких средах [17, 18]. Сканирующие зондовые микроскопы позволяют создавать компьютерные трехмерные изображения поверхности материалов, производить видеосъемки процесса сканирования [17, 19].
Таким образом, методы СЗМ в принципе пригодны для изучения процессов, происходящих на поверхности твердого тела при его облучении ионами. Разновидностью СЗМ является метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). В связи с тем, что АСМ - достаточно новый метод, необходимо разработать методики его применения для контроля над этими процессами. Наиболее интересными для изучения являются наноструктурированные материалы, что связано с возможностью получения очень высокого разрешения.
В работе [20] методами металлографии и электронной микроскопии было обнаружено формирование пространственно-организованных структур, параллельных поверхности облученного сплава Fe-Cr. В [21, 22] методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и Оже-электронной спектроскопии было выявлено фор-
мирование на обеих поверхностях (облученной и обратной) медно-никелевой фольги периодических наномасштабных слоев с различной концентрацией меди и никеля, залегающих на разных расстояниях от поверхности. При исследовании кремния, облученного ионами неона [24], выявлены аморфизация облученного слоя и формирование в нем на границе с монокристаллом нанокристаллической структуры. Ранее в работе [25] было выявлено изменение структуры поверхностного слоя стали от поликристал-лической в исходном состоянии до аморфной при дозе 11017 см-2 и текстурированного поликристалла при дозе 51017 см-2 при облучении ионами фосфора и от поликристаллической до аморфной при имплантации ионов бора.
Цель данной работы состояла в исследовании методом АСМ возможности выявления изменения морфологии облученной и необлученной сторон прокатанной медно-никелевой фольги в зависимости от дозы ионного облучения.
Методика эксперимента
Объектом исследований являлась фольга сплава Cu8oNi2o, прокатанная до толщины 40 мкм. Фольга подвергалась полировке с обеих сторон до устранения визуально наблюдаемых дефектов поверхности. Отполированная фольга облучалась на установке ИЛУ-3 ионами B с энергией 40 кэВ до доз 5 1015, 11016, 5-1016 и 11017 см-2. Дополнительно на одном образце часть поверхности при облучении с дозой 11017 см-2 была экранирована химически стойким лаком, непроницаемым для имплантируемых ионов.
Исследования топографии фольги проводились как с облученной, так и с необлученной сторон фольги. Использовался сканирующий зондо-вый микроскоп Solver PRO-M (NT-MDT) со сканирующей измерительной головкой SMENA. Диапазон сканирования составлял 50^50^2.5 мкм (±10%). Измерения проводились в контактном режиме с использованием зондовых датчиков CSG11 (CSG1) (изготовленных фирмой NT-MDT)
с радиусом закругления вершины 5 нм и с угловой расходимостью кончика зонда <22°.
Также проводилось исследование химического состава поверхностных слоев образцов методом вторично-ионной масс-спектрометрии на масс-спектрометре МС-7201 с использованием ионов аргона с энергией 4.5 кэВ, расчетная скорость травления ~1.0 нм/мин.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 показаны распределения атомов бора по глубине фольги, облученной с дозой 11017 см-2.
С облученной стороны основная часть имплантированных атомов бора расположена на глубинах меньших, чем это следует из классической теории Линдхарда-Шафта-Шиотта [26]. (По этой теории средний проецированный пробег Яр = 50 нм.) Наличие двух пиков концентрации предположительно вызвано взаимодействием имплантируемых ионов с фазовой границей окисел-металл. Разделение пиков на профиле бора происходит вблизи границы окисного слоя (как установлено в предыдущих исследованиях [21, 22]). Этот фактор, возможно, обусловливает также изменение относительных концентраций элементов вследствие их различного сродства к кислороду и энергии связи элементов в оксидах: энергия Гиббса для бора составляет -802 кДж/моль, для меди -129 кДж/моль, для никеля -211 кДж/моль.
С необлученной стороны фольги бор также присутствует, хотя средняя концентрация бора меньше, чем с облученной стороны, что согласуется с результатами, полученными нами методом РФЭС. Пик на распределении концентрации бора по глубине можно описать гаус-сианой, с максимумом, весьма близким к поверхности фольги, - возможно, подобное распределение вызвано тем, что высокая поверхностная активность бора вызывает сегрегацию атомов бора по направлению к поверхности. На глубинах свыше 20 нм бор наблюдается только в следовых количествах.
Таким образом, наблюдается проникновение имплантируемых атомов на необлучаемую поверхность [21-23], что сопровождается изме-
Содержание бора с необлученной стороны фольги
25
- 20
15
10 го
Время травления, мин (1 нм/мин)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Время травления, мин (1 нм/мин)
Рис. 1. Распределение атомов бора по глубине фольги, облученной ионами В+ с энергией 40 кэВ и дозой Ы017 см-2
Рис. 2. Топограммы поверхности образцов, облученных ионами В+ с различными дозами: 1-5 - облученная сторона (1 - ы017 см-2 под ХСЛ; 2 - 1-1017 см-2; 3 - 5-1016 см-2; 4 - 1-1016 см-2; 5 - 5-1015 см-2); 6-0 - необлученная сторона (6 - 1-1017 см-2 под ХСЛ; 7 - 1-1017 см-2; 8 - 5-1016 см-2; 9 - 1-1016 см-2; 10 - 5-1015 см-2)
нениями структуры материала, и можно ожидать изменения морфологии обратной стороны фольги.
На рис. 2 приведены топограммы обеих сторон облученных фольг при различных дозах, в том числе для участков, экранированных при облучении лаком ХСЛ. В целом для исследуемых образцов характерны четко выраженное текстурирова-ние, вызванное прокаткой фольги, и наличие
большого числа механических повреждений. Колебания высоты, связанные с текстурированием, имеют меньшую амплитуду, чем колебания, связанные с механическими повреждениями.
На рис. 3 представлены зависимости статистических параметров от дозы облучения для топограмм, снятых с облученной стороны фольги. Здесь использованы стандартные обозначе-
Доза, см’2
Рис. 3. Зависимость статистических параметров топо-грамм, снятых с облученной стороны образцов. Точка, обозначенная на оси абсцисс 1.01-1017, соответствует закрытой лаком области образца, облученного с дозой 1-1017 ион/см2 (расшифровка обозначений кривых дана на легенде в стандартной англоязычной терминологии, как и на рис. 4)
Доза, см’2
Рис. 4. Зависимость статистических параметров то-пограмм, снятых с необлученной стороны образцов. Точка 1.01-1017 соответствует закрытой лаком области образца, облученного до 1-1017 см-2
ния параметров: Sy - размах высот неровностей, Sz - среднее значение высоты по 10 точкам; Sa - средняя шероховатость [11]. Можно видеть, что увеличение дозы облучения приводит к уменьшению размаха высот Sy и средней высоты по 10 точкам Sz. Подобная зависимость означает выравнивание поверхности при облучении: происходит сглаживание крупных выступов и впадин, усиливающееся с дозой облучения.
Шероховатость Sa облученных образцов ниже шероховатости поверхности, экранированной от облучения. Однако при дозе 1-1017 см-2 происходит относительное увеличение шероховатости по сравнению с меньшими дозами. Предположительно это связано с началом селективного распыления поверхности медноникелевой фольги. Поскольку одновременно наблюдается уменьшение величин Sy и Sz, это может означать формирование на поверхности высокочастотной периодической структуры рельефа. Известно, что бомбардировка поверх-
15 17
ности потоком частиц с дозами 5-10 - 1-10
см-2 может вызывать образование поверхностных фасеток и выступов [24-26].
На рис. 4 представлены зависимости статистических параметров от дозы облучения для топограмм, снятых с необлученной стороны фольги. Наблюдается качественно аналогичная зависимость параметров шероховатости фольги от интегральной дозы облучения. Размах высот образцов, облученных с дозами 5-1016 и Ы017 см-2, минимален. В то же время размах высот образцов, облученных с минимальными дозами 5-1015 и 1 • 1016 см-2, превышает таковой у экранированного образца. Зависимость высоты по деся-
ти точкам от дозы облучения имеет аналогичный, хотя и менее выраженный характер. Соответственно, соотношение этих двух параметров (Sy и Sz) при изменении дозы облучения ведет себя полностью аналогично тому, что наблюдается на облучаемой стороне, т.е. как на облученной, так и на необлучаемой стороне сглаживание крупных пиков протекает параллельно с формированием малых по амплитуде выступов и впадин.
Зависимость средней шероховатости Sa от дозы облучения на необлучаемой стороне тоже ведет себя практически аналогично тому, что наблюдается на облученной стороне. Существенное отличие имеется лишь при минимальной дозе облучения, когда шероховатость поверхности выше, чем при больших дозах облучения, и сравнима с таковой у экранированного образца.
Процесс, приводящий к формированию на не-облучаемой стороне морфологии поверхности, аналогичной результату действия селективного распыления, - одно из проявлений эффекта дальнодействия. Однако ввиду большого разброса измеренных величин пока этот результат следует считать предварительным.
Выводы
Исследование методом атомно-силовой микроскопии зависимости морфологии облученной и необлученной сторон прокатанной медноникелевой фольги от дозы ионного облучения показало, что наблюдается качественно идентичная зависимость параметров шероховатости материала от дозы облучения с обеих сторон фольги. С увеличением дозы облучения с 5-1015
1 щ17 -2
до 1-10 см происходит сглаживание крупных неровностей поверхности; при максимальной из использованных доз 1-1017 см-2 появляются признаки формирования мелкомасштабной структуры топографии.
Наблюдаемые явления на облученной стороне фольги хорошо описываются механизмом селективного распыления поверхности. Однако общепринятая теория ионной имплантации не объясняет результатов, полученных для необлученной стороны фольги, удаленной от облучаемой поверхности на расстояние, на три порядка превышающее глубину проективного пробега ионов, т.е. наблюдается эффект дальнодействия, хотя этот вывод следует считать предв арительным.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение 14.B37.21.0132).
Список литературы
1. Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Черняева Т.П. Радиационные дефекты и распухание металлов. Киев: Наукова думка, 1988. 296 с.
2. Ибрагимов Ш.Ш., Кирсанов В.В., Пятилетов Ю.С. Радиационные повреждения металлов и сплавов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.
3. Селищев П.А. Самоорганизация в радиационной физике. Киев: ООО «Видавництво «Аспект-полираф», 2004. 240 с.
4. Хмелевская В.С. Неравновесные состояния в твердом теле. Обнинск: ИАТЭ, 2004. 156 с.
5. Хакен Г. Синергетика: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 404 с.
6. Пратон М. Введение в физику поверхности. Ижевск: R&C Dynamics, 2000. 256 с.
7. McGuire G.E., Weiss P.S., Kushmerick J.G. et al. // Anal. Chem. 1997. V. 69. №12. P. 231R-250R.
8. Nyffenegger R.M., Penner R.M. // Chem. Rev. 1997. V. 97. P. 1195-1230.
9. Быков В.А., Лазарев М.И., Тавров А.В. // Журн. «Компьютер». 1997. № 41. С. 38-39.
10. Великая революция в мире малого: последние достижения в мире нанотехнологий // CHIP. 2002. №
6. С. 22-25.
11. Howland R., Benatar L. A practical guide to scanning probe microscopy. USA: Park Scientific Instruments, 1993. 74 p.
12. Гоголинский К.В., Решетов В.Н. // Заводская лаборатория. 1999. Т. 64. № 6. С. 30-43.
13. Володин А.П. // ПТИ. 1998. № 6. С. 3-42.
14. Дедков Г.В. // УФН. 2000. Т. 170. № 6. С. 585-618.
15. Артюнов П.А., Толстихина А.Л., Демидов
B.Н. // Заводская лаборатория. 1999. Т. 65. № 9.
C. 27-37.
16. Sundararajan S., Bhushan B. // Sensors and Actuators A. 2002. V. 101. P. 338-351.
17. NT-MDT Catalog. Moscow: Copyright © NT-MDT, 2003. 40 p.
18. Bykov V.A. From scanning probe microscopes to smart nanotechnology complex // Proceedings «Scanning probe microscopy - 2003». Nizhny Novgorod: IPM RAS, 2003. P. 74-76.
19. Gyorvary E.S., Stein O., Pum D. et al. // Journal of Microscopy. 2003. V. 212. P. 300-306.
20. Хмелевская В.С., Малынкин В.Г. // Материаловедение. 1998. Т. 2. С. 25.
21. Новоселов А.А., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин
B.Я. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 6. С. 57-65.
22. Новоселов А.А., Колотов А.А., Баянкин В.Я. // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11. № 1.
C. 106-110.
23. Тетельбаум Д.И. и др. // Вестник ННГУ. Серия Физика твердого тела. 2003. В. 1(6). С. 187-194.
24. Хохлов А.Ф. и др. Исследование поверхности, электрических и оптических свойств пленок аморфного кремния (a-Si) и микрокристаллического кремния (mc-Si) [Электронный документ] // Проект НОЦ ФТНС ННГУ, Н. Новгород. http://nano.unn.ru/ science/projects/Si.aspx
25. Баянкин В.Я., Никитин А.В., Федоров А.Б. // Высокочистые вещества. 1993. № 6. С. 155-161.
26. Буренков А.Ф. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск: Изд-во БГУ, 1980. 352 с.
NANOSCALE DIAGNOSTICS OF BORON ION IRRADIATION EFFECTS ON THE SURFACE STATE OF COPPER-NICKEL FOIL
A.A. Novoselov, V. Ya. Bayankin, D. O. Filatov, A.A. Smirnov, D.I. Tetelbaum
Surface topographical changes of Cu80-Ni20 foils under irradiation with 40 keV boron ions have been studied by the AFM method. Smoothing of both irradiated and back surfaces of the foils has been found to take place and it has a qualitatively similar dose dependence for both sides in the range of 5-1015-1-1017 cm-2. This phenomenon is interpreted as a manifestation of the long-range effect.
Keywords: ion implantation, copper-nickel foils, surface topography, atomic-force microscopy (AFM), long-range effect.
