Особенности кинетики несимметричной сегрегации примеси на границах тонких пленок Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ НЕСИММЕТРИЧНОИ СЕГРЕГАЦИИ ПРИМЕСИ НА ГРАНИЦАХ ТОНКИХ ПЛЕНОК

© Т.Н. Мельник1* , Э.П. Фельдман2), В.М. Юрченко1*,

Л.И. Стефанович1*, И.М. Давыдова1*

:) Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина НАН Украины, г. Донецк, Украина, е-таП: melnik@depm.fti.ac.donetsk.ua 2) Институт физики горных процессов НАН Украины, г. Донецк, Украина

Ключевые слова: сегрегация; тонкие пленки; латеральное взаимодействие.

В работе проведен теоретический и численный анализ кинетики сегрегации примесей на границах тонкого слоя вещества, разделяющего два разнородных материала с учетом латерального взаимодействия в сегрегационных слоях.

Особенности сегрегации примесей из ограниченного объема материала широко рассматривается как в теоретических, так и экспериментальных работах [1-6]. Большой интерес привлекают пленочные структуры, где слой материала имеет небольшую, порядка микронной, толщину, и по обе стороны пленки находятся разнородные материалы.

В работе изучалась сегрегация примеси на границах слоя вещества толщиной d, разделяющего два разнородных материала. На границах формируется сегрегационный слой толщиной 5, d >> 5. Перераспределение примеси описывалось уравнением диффузии, дополненным соотношениями непрерывности на границах тонкого слоя и изотермами Фаулера, учитывающими борьбу за места и взаимодействие между атомами примеси в сегрегационном слое:

с(0,-) =

с,1«

1

С

1 -сл(ґ) КХ(Т)

ехр

Т

Л

(1)

сАї) =

Сш (т) - с(0, т)

■\Jt-l

dт,

Сш (т) - с(0, т)

4т,

(3)

где ст () = с0 —-((0 + с52(0) - средняя концен-а

трация примеси в материале в данный момент времени.

В наиболее простом случае равновесные концентрации примеси в сегрегационных слоях вычисляются как

-я! _ 0

Сс2 = С0

d + 28 К1

К+КТ+Т/?''

d + 28 К 2

К1+К2+І78

(4)

Ся 2(0

1

1 - Ся2(0 К2 (Т)

ехр

2\и

я 2

Т

-я 2

( )

(2)

где с, с^ь с^2 - концентрации примеси в материале и в сегрегационных слоях; КХ(Т) = ехр(| и^/ Т) и

К2 (Т) = ехр(|М21/ Т) - коэффициенты обогащения

границ, щ, м2 - разности энергий атома примеси в глубине материала и в сегрегационном слое на одной из границ, а и5\, и^ - энергии латерального взаимодействия в сегрегационных слоях.

Кинетика накопления примеси в сегрегационных слоях описывается интегральными уравнениями

и можно определить, какую долю примеси оттянет на себя та или другая граница. Времена достижения сегре-

гаций, близких к равновесным, ґх =

-з 4 (с'2 )2.

Для численных расчетов (рис. 1) были использованы значения коэффициентов обогащения и величины энергий, характерные для железо-никелевых сплавов, для двух типов примеси - марганца и фосфора при комнатной температуре. Марганец присутствует в сплавах в довольно высокой концентрации, порядка 10% и выше, в то время как фосфор чаще относится к числу остаточных примесей. В то же время фосфор весьма активно выходит из объема на межзеренные границы, достигая там высоких значений концентрации.

т

а)

б)

Рис. 1. Зависимость концентрации примеси в сегрегационном слое от времени: а) Мп, |м1|/Т = б) Р, |М1|/Т = 16, со = (0.005, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04). Масштаб времени 52Ю.

5, со = (0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4);

Рис. 2. Обеднение примесью слоя материала при сегрегации Mn

На рис. 2 представлена эволюция концентрации примеси в объеме пленки при тех же значениях начальной концентрации и температуры, но м1 = 4м2. Промежуточные кривые вычислены в моменты 10 и 50 % времени достижения равновесия. Происходит постепенное смещение максимума концентрационного профиля к границе с меньшим коэффициентом перераспределения.

Таким образом, в данной работе проанализированы особенности кинетики сегрегации примесей на границах тонкого слоя вещества, разделяющего два разнородных материала. Выход примеси на границы происходит с разной скоростью, в зависимости от энергий взаимодействия примесных атомов с границами, а так-

же энергии взаимодеиствия между атомами примеси в сегрегационных слоях и температуры, примеси может быть достаточно для полного заполнения обоих сегрегационных слоев еще до соприкосновения обедняемых областей, или области обеднения пересекаются, и максимум концентрации смещается к границе с меньшим коэффициентом перераспределения.

Проведены оценки времен обеднения областей материала, прилегающих к сегрегационным слоям, и ширины обедненной области вблизи границы материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Слезов В.В., Давыдов Л.Н., Рогожкин В.В. // ФТТ. 1995. Т. 23. № 12. С. 3565-3579.

2. Фельдман Э.П., Фурсова Т.Н., Юрченко В.М. // Металлофизика. 1992. Т. 14. № 4. С. 28-34.

3. JagerI. // Surf. Sci. 1994. V. 315. P. 143-156.

4. Leicek P., Krajnikov A.V., Ivashchenko Yu.N., Militzer M., Adamek A. // Surf. Sci. 1993. V. 280. № 1. P. 325-334.

5. Блащук А.Г., Васильев М.А., Тиньков В.А. // Металлофизика и новейшие технологии. 2006. Т. 28. № 5. С. 657-671.

6. WangJ.Y. // Appl. Surf. Sci. 2006. V. 252. № 15. P. 5347-5350.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Melnik T.N., Feldman E.P., Yurchenko V.M., Stefanovich L.I., Davydova I.M. Peculiarities of kinetics of asymmetrical segregation of impurities at thin films boundaries.

The paper presents theoretical and numerical for kinetics of impurity segregation at the boundaries of a thin layer of substance dividing two different materials accounting lateral interaction within segregation layers.

Key words: segregation; thin films; lateral interaction.