CC BY
10
УДК 537.534:539.422.24
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СПЛАВА Fe82B18 ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ПОТОКАМИ ИОНОВ Ar+ И B+ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ
КОЛОТОВ А.А., КЛИМОВА И.Н., ДРОЗДОВ А.Ю., БАЯНКИН В.Я.
Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132
АННОТАЦИЯ. Проведено облучение аморфных лент состава Fe82Bi8 потоками ионов аргона и бора с различной величиной плотности тока (j = 5 - 25 мкА/см2). Выявлен различный характер перераспределения компонентов в поверхностных слоях образцов. Определено, что облучение аргоном способствует образованию в поверхностных слоях соединений типа FexBy, что не наблюдается при аналогичных условиях при облучении образцов ионами бора. Проведен оценочный расчет температуры нагрева поверхности при облучении, что позволяет предположить, что нагрев области вокруг трека может достигать температур плавления, и может приводить к образованию соединений и аномально высокой диффузии («эффект дальнодействия»).
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ионная имплантация, аморфные сплавы, кристаллизация, фазовые превращения. ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных характеристик степени обработки при ионной имплантации, является перераспределение компонентов по толщине поверхностного слоя. В свою очередь, исследование структурных превращений и термодинамически связанных с ними сегрегационных процессов в таких неравновесных системах, как аморфные металлические сплавы (АМС), при их облучении потоками заряженных частиц, способных инициировать различные процессы атомной перестройки, представляет собой большой интерес, поскольку свойства АМС однозначно связаны с атомной структурой вещества. Безусловно, это, в первую очередь, обусловлено фундаментальным научным интересом - для радиационной физики твердого тела имеет значение изучение процессов, ответственных за структурно-фазовые превращения в аморфных материалах. Исследуемая система Fe-B является классической для получения аморфных сплавов, что идеально подходит для использования полученных экспериментальных данных, проведения дальнейших модельных экспериментов и последующего решения прикладных задач. Отсюда возникает прикладная задача -создание материалов с уникальными физико-технологическими свойствами. Изменяя, путем выбора типа и энергии облучающих частиц, механизм передачи энергии (упругое или неупругое взаимодействие, ионизация), можно целенаправленно изменять физико-технологические свойства аморфных материалов, что открывает широкие перспективы использования радиационного воздействия, как инструмента технологической обработки и удобной технологии получения заданных неравновесных состояний, благодаря возможности точного контроля технологических параметров облучения (температура, доза, энергия и т.д.).
Целью данной работы является изучение влияния плотности ионного тока и типа ионов на сегрегационные процессы в поверхностных слоях аморфного сплава состава Fe82B18. Несмотря на то, что к настоящему моменту существует достаточно большое число работ по исследованию облученных аморфных сплавов [1 - 4], особенностью данной работы является использование импульсного ионного источника, что позволяет изучать не только радиационное, но и ударное воздействие.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследованы аморфные сплавы системы Fe-B состава Fe82B18. Сплавы были получены традиционным методом спиннингования на закалочном колесе и представляли собой ленты толщиной 80 мкм. Облучение сплавов проводилось на плазменном источнике ионов импульсно-периодического действия ионами аргона, интегральная доза составила
1016ион/см2, энергия ионов составляла 35 кэВ. Периодичность импульсов в пучке 200 Гц. Плотность тока варьировалась от 5 до 25 мкА/см2. Нагрев образцов при облучении не более 100 °С.
Исследование послойного компонентного состава проводилось методом фотоэлектронной спектроскопии. Скорость травления была предварительно определена по времени стравливания пленок известной толщины - скорость травления составила 3 нм/мин. Состояние образцов оценивалось рентгенодифрактометрически с помощью дифрактометра ДР0Н-3.0 на монохроматизированном Fe-Ka излучении. Дополнительно использовался метод атомно-силовой микроскопии (АСМ).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
В сплавах системы Fe-B, облученных потоками ионов аргона и бора с различной плотностью тока, непрерывным пучком наблюдаются явные отличия в процессах формирования поверхностного слоя под действием облучения.
Дифрактограммы исследованных образцов характерны для аморфного состояния, признаков начала кристаллизации не обнаружено. Можно отметить, что ширина первого аморфного максимума у исходных образцов (B), больше ширины облученных образцов, что может свидетельствовать о произошедших структурных изменениях в материале под действием облучения.
На исходных и облученных образцах присутствует так же линия (200) a-Fe. Параметр решетки уменьшен по сравнению с чистым железом, что может быть связано с растворением бора при кристаллизации из расплава на диске и образованием смешанного раствора внедрения и замещения, в котором параметр уменьшается пропорционально содержанию бора. В то же время, облучение приводит к увеличению параметра решетки, что свидетельствует о распаде перенасыщенного твердого раствора под влиянием облучения. При этом как видно из таблицы, тенденция к увеличению параметра решетки у образцов, облученных аргоном, просматривается явно, в отличие, от образцов, облученных бором.
Таблица
Результаты рентгеноструктурного анализа Fes2B18 в зависимости от параметров облучения
J, мкА/см В,град Параметр решетки, нм ±0,0002, (a-Fe 0,2866)
Ar+ B+ Ar+ B+
Исходный 9,08 0,2841
5 7,11 7,5 0,2845 0,2843
15 8,3 8,3 0,2861 0,2854
25 7,5 6,71 0,2861 0,2843
Исследование компонентного состава при различных режимах обработки, выявило различный характер распределения компонентов в результате облучения. Аргон, являясь инертным газом, не образует соединений с облучаемым материалом, и имеет меньший, по сравнению с ионами бора, проективный пробег (150 А для аргона и 420 А для бора) [5] и, как это видно из рис. 1, существенно не изменяет характер перераспределения компонентов по толщине анализируемого слоя. Изменяется относительное содержание компонентов по глубине анализируемого слоя. В частности, уменьшается концентрация атомов бора в приповерхностной области. Несколько иная картина наблюдается в случае облучения ионами бора. С увеличением плотности ионного тока, происходит сдвиг профиля кислорода вглубь от поверхности (рис. 2). Отмечается явное увеличение концентрации бора в поверхностных слоях на глубину до 15 нм (рис. 3, а). При этом явно прослеживается зависимость количества бора от плотности ионного тока. В более глубоких слоях (15 - 45 нм) концентрация бора слабо меняется и сохраняется на уровне объемного значения (рис. 3, б).
Время травления, мин.
Рис. 1. Изменение концентрации компонентов при облучении ионами аргона: а) концентрация кислорода; б) концентрация бора; в) концентрация железа
Время травления, мин.
Рис. 2. Изменение концентрации компонентов при облучении ионами бора: а) концентрация кислорода; б) концентрация бора; в) концентрация железа
Рис. 3. Отношения концентрации бора к исходному значению, после облучения: а) в поверхностном слое до 15 нм; б) в слое от 15 до 45 нм
На рис. 4 показаны рентгенофотоэлектронные (РФЭС) спектры линии бора для различных режимов обработки. Спектр исходного состояния показывает, что в основном бор присутствует на поверхности в связанном состоянии в виде оксида, а в более глубоких слоях - в свободном состоянии. Увеличение плотности тока ионов аргона приводит к стравливанию оксида бора и выделению на поверхности бора в чистом состоянии. В более глубоких слоях с увеличением плотности тока, появляется особенность - дополнительное плечо с правой стороны от основного пика (рис. 4, б, в). Интенсивность данного пика возрастает с увеличением плотности ионного тока. Анализ спектров позволяет предполагать образование метастабильных фаз боридов - в частности, соединения Fe2B. На РФЭС спектрах железа эти пики не выделяются в явном виде, что объясняется их малым сдвигом друг относительно друга и соответственно наложением пиков Fe и Fe2B.
187 191
Энергия связи, эВ
Рис. 4. РФЭС спектры при облучении ионами аргона различной плотности, в зависимости от времени травления (скорость травления 3 нм/мин): а) 5 мин травления; б) 10 мин травления; в) 20 мин травления
На образцах, облученных ионами бора, данной зависимости в явном виде не выявлено (рис. 5). Дополнительный пик выявляется при максимальных значениях ионного тока. Отличительной особенностью спектров в случае облучения бором является наличие оксидной фазы на поверхности, что подтверждается профилями распределения компонентов, представленными на рис. 2.
В работе [6] была проведена оценка температуры в области трека иона: было показано, что температура в области трека сильно зависит от удельных потерь энергии на единицу длины пробега иона. Изменение распределения выделяющейся энергии по объему приповерхностного слоя аморфных лент, отражается на формировании состава поверхностных слоев. Учитывая, что глубина проективного пробега ионов аргона в мишени меньше почти в 3 раза глубины пробега бора при облучении с той же энергией, можно ожидать, что температура в области трека Аг+ будет выше, что способствует высокой диффузии и фазовым переходам, в частности приводит к образованию боридов.
Сравнивая результаты рентгеноструктурного анализа и данные рентгено-фотоэлектронной спектроскопии, можно сделать предположение, что в результате облучения в поверхностных слоях происходит активное образование метастабильных фаз, состав которых изменяется в зависимости от параметров облучения. В большинстве случаев равновесные фазы не образуются непосредственно из аморфной матрицы, и их выделение протекает с образованием одной, а иногда и нескольких метастабильных фаз.
187 191 187 191 187 191
Энергия связи, эВ
Рис. 5. РФЭС спектры при облучении ионами бора различной плотности, в зависимости от времени травления (скорость травления 3 нм/мин): а) 5 мин травления; б) 10 мин травления; в) 20 мин травления
Например, в системе Fe-B равновесными являются Fe и Fe2B, а аморфная фаза всегда кристаллизуется с образованием метастабильных фаз состава FeзB с последующим образованием равновесных фаз при высоких температурах. Метастабильные фазы не являются результатом фиксации высокотемпературной фазы, а имеют собственную структуру и, возможно, отличаются по составу [7].
На АСМ изображениях, отчетливо виден различный характер воздействия ионного пучка в зависимости от сорта ионов и плотности ионного тока на рельеф поверхности (рис. 6). Поверхности, облученные ионами аргона, сглаживаются, а при увеличении плотности тока появляются дополнительные кратеры. Облучение ионами бора приводит к образованию на поверхности больших перепадов, которые можно объяснить распуханием материала и накоплением бора в объеме в процессе радиационной обработки.
Рис. 6. АСМ изображения поверхности образцов, после разных режимов облучения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований, показано, что с повышением плотности ионного тока в поверхностных слоях образуются бориды железа FexBy. При облучении ионами различных типов определено, что FexBy более активно образуются при облучении образцов ионами аргона, что, возможно, связано с более высокой температурой в области трека иона.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-02-96002_р_урал_а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глейзер А.М., Молотилов Б.В. Структура и механические свойства аморфных сплавов. М. : Металлургия, 1992. 208 с.
2. Хмелевская B.C., Крапошин B.C., Малынкин В.Г. Неравновесные состояния и локальная перестройка кристаллической решетки, индуцированные ионным облучением // Поверхность. Физика, химия, механика. 1998. № 6. С. 95-102.
3. Овчинников В.В. Радиационно-динамические эффекты. Возможности формирования уникальных структурных состояний и свойств конденсированных средств // Успехи физических наук. 2008. Т. 178, № 9. С. 991-1001.
4. Абросимова Г.Е. Эволюция структуры аморфных сплавов // Успехи физических наук. 2011. Т. 181, №12. С. 1265-1281.
5. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Мн. : Изд-во БГУ, 1980. 352 с.
6. Колотов А.А., Новоселов А.А., Дроздов А.Ю., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Энергетическая зависимость диффузии алюминия в a-Fe при ионном облучении // Письма в журнал технической физики. 2011. Т. 37, вып. 16. С. 79-85.
7. Ладьянов В.И., Волков В.А., Суслов А.А. Об условиях образования различных модификаций фазы Fe3B при кристаллизации сплава Fe79,5B20,5 // Вестник Удмуртского университета. Физика. 2006. № 4. С. 145-150.
NUANCES OF COMPONENT REDISTRIBUTION IN Fe82B18 ALLOY UNDER IRRADIATION BY Ar+ AND B+ IONS WITH VARIOUS CURRENT DENSITY
Kolotov A.A., Klimova I.N., Drozdov A.Yu., Bayankin V.Ya.
Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Irradiation of Fe82B18 amorphous tapes by argon and boron ions with various current density (j = 5 - 25 A/cm2) is conducted. The different nature of the redistribution of components in the surface layers of the samples is revealed. It is determined that the irradiation by argon promotes the formation of FexBy -like compounds in the surface layers, which is not observed under similar conditions with irradiation by boron ions. Surface heating temperature during irradiation was evaluated, suggesting that the temperature of the area around the track may reach the melting point, and can lead to the formation of compounds and abnormally high diffusion ("long-range effect").
KEYWORDS: ion implantation, amorphous alloys, crystallization, phase transformations.
Колотов Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории электронной структуры поверхности, ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-06-75, e-mail: less@ftiudm.ru
Климова Ирина Николаевна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории электронной структуры поверхности, ФТИ УрО РАН
Дроздов Александр Юрьевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории электронной структуры поверхности, ФТИ УрО РАН
Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией электронной структуры поверхности, ФТИ УрО РАН
