Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена двумя основными проблемами: 1. Недостаточной изученностью корреляции композиционного ближнего порядка в ионно-имплантированной аморфной системе Fe-B и системе Fe-B-N с параметрами имплантации (внедренная концентрация металлоидов, дозы, плотности тока и энергии имплантации); 2. Возможностью синтеза сверхтвердых соединений типа кубического нитрида бора (c-BN) в системе Fe-B-N, полученной методом ионной имплантации. Исследованием структуры ближнего порядка в аморфной фазе Fe-B, полученной методом ионной имплантацией, занимаются как зарубежные, так и отечественные исследователи. Изучение возможности синтеза c-BN методом последовательной имплантации бора и азота в сплавы на основе железа проводятся в основном зарубежными исследователями. Следует отметить результаты, полученные в следующих научных центрах: Институт ядерной физики, Лион, Франция; Институт технологии электронных материалов, Варшава, Польша; Университет Дж.Хопкинса, Балтимор, США; Университет Гейдельберга, Германия; Корпорация по исследованию ионной инженерии Ion Engeneering Research Institute Corporation, Осака, Япония. Ими было установлено, что переход в аморфное состояние, а также трансформация ближнего порядка в аморфной фазе Fe-B носит пороговый характер; существует корелляция ближнего порядка аморфной фазы Fe-B и кристаллических фаз в системе Fe-B при одинаковой концентрации бора; радиационные дефекты могут приводить к заметным различиям ближнего порядка и его параметров в аморфной фазе Fe-B, полученной методом ионной имплантации и методом быстрой закалки из расплава; формирование связи B-N, характерной для с-BN, может осуществляться в результате радиационно - стимулированного распада связей Fe-B в стабильных боридах железа при высокоинтенсивной последующей имплантации азота в области относительных концентраций как бора, так и азота не менее 20-25 ат. %.
Необходимость проведения дальнейших исследований связана с исследованием зависимости композиционного и структурного ближнего порядка в системах Fe-B и Fc-B-N при ионной имплантации от параметров имплантации (внедренной концентрации металлоидов, дозы, плотности тока и энергии имплантации), а также с изучением возможности эффективного формирования связей B-N при существенно меньших концентрациях металлоидов.
Связь с научными программами. Работа проводилась в рамках следующих научных программ и проектов:
"Синтез упрочняющих структур при полиэлементной ионной имплантации", Фонда Фундаментальных исследований Республики Беларусь (проект N 295/05П), 1995-1998.
"Исследование закономерностей формирования устойчивых фазовых структур при многокомпонентном ионном облучении", Министерства Образования Республики Беларусь (N 863/05), 1995-1997. "Модификация материалов с помощью ионной обработки для промышленного применения", Международная научно-исследовательская программа (NF2.30.14, МАГАТЭ), 1996-1998.
Целью исследований являлось выявление закономерностей изменения фазового состава, ближнего порядка в формирующихся фазах в системах Fe-B и Fe-B-N и возможности формирования связей B-N в системе Fe-B-N, полученной методом последовательной ионной имплантации бора и азота при различных сочетаниях их внедренных концентраций и энергий.
В процессе исследований решались следующие задачи:
(а) Формирование аморфной системы Fe-B путем имплантации бора
в тонкие пленки железа; определение композиционного ближнего порядка
(числа ближайших соседних атомов железа) и типа магнитной структуры
в системе Fe-B путем сравнительного анализа распределений сверхтонких
магнитных полей на ядрах железа в данной системе и кристаллических
фазах близкого состава.
(б) Выявление изменений ближнего порядка в системе Fe-B при
последующей имплантации азота.
(в) Определение изменений ближнего порядка в системах Fe-B и
Fe-B-N при отжиге.
(г) Определение типа химических связей, формируемых бором и
азотом в системе Fe-B-N в зависимости от внедренных концентраций бора
и азота.
Объектом исследования являлись системы Fe-B и Fe-B-N, полученные последовательной имплантацией бора и азота в пленки железа в широком интервале доз (6-Ю16 - 4.4-1017 ион/см2) и энергий (20-72 кэВ).
Предметом исследования являлись ближний порядок в указанных системах и его трансформация в зависимости от внедренных концентраций
и энергий имплантации, а также температуры отжига.
Исследование возможности образования химической связи B-N в системе Fe-B-N проводилось на основе следующих научных предположений:
(а) Низкоинтенсивная имплантация бора в пленки железа (при
плотностях тока менее 1 мкА/см2) приводит к преимущественному
формированию метастабильной системы Fe-B, а не стабильных боридов
железа. Это обусловлено отсутствием термически активированных
процессов диффузии и рекомбинации радиационных дефектов, в
результате которых образуются кристаллические фазы боридов железа.
(б) Ближний порядок в аморфной фазе Fe-B, полученной
имплантацией бора, а также критические концентрации его изменения в
силу высокой концентрации радиационных дефектов может обладать
рядом особенностей, по сравнению с быстрозакаленными сплавами Fe-B.
(в) Распад аморфной системы Fe-B, стимулированный последующим
облучением ионами азота, может сопровождаться более интенсивным
образованием связей типа B-N, по сравнению с их формированием при
распаде стабильных боридов железа.
Методы исследования. Изучение кинетики фазовых превращений в аморфной системе Fe-B при имплантации азота предполагает исследование изменений ее ближнего порядка. Это требует использования комплекса локальных методов исследования, взаимно дополняющих друг друга. Для изучения ближнего порядка в данной работе использовался метод конверсионной электронной мессбауэровской спектроскопии (КЭМС). Указанный метод позволяет на основе резонансного поглощения образцом у-квантов исследовать магнитную и кристаллографическую структуру микрообластей размерами несколько межатомных расстояний. Исследование проводится путем анализа сверхтонких магнитных характеристик ядер железа, обусловленных присутствием вблизи них градиентов магнитных и электрических полей. Для определения внедренных концентраций бора и азота в системах Fe-B и Fe-B-N, а также распределения элементов по глубине пленки был использован метод Оже-электронной спектроскопии (ОЭС). Идентификация формирующихся химических связей в системе Fe-B-N осуществлялась с использованием метода Оже электронной спектроскопии в дифференциальном режиме и метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).
Научная новизна и значимость проведенных исследований состоит в следующем:
(а) Впервые исследована кинетика изменения ближнего порядка в
системах Fe-B и Fe-B-N в зависимости от концентраций бора и азота,
энергий их имплантации, а также температуры отжига.
(б) Установлены и объяснены различия композиционного ближнего
порядка в аморфной системе Fe-B, полученной методами ионной
имплантации и быстрой закалки из расплава.
(в) Экспериментально определены пороговые концентрации
металлоидов, при которых возможны переходы магнитная фаза -
парамагнитная фаза в системах Fe-B и Fe-B-N под воздействием ионного
пучка. Определена пороговая концентрация бора, при которой начинается
распад аморфной системы Fe-B в результате имплантации азота.
(г) Предложены механизмы изменения ближнего порядка в сис
темах Fe-B и Fe-B-N в процессе последовательной имплантации и отжига.
(д) Показано, что образование связей B-N в системе Fe-B-N
возможно уже при относительных концентрациях бора и азота 12-18 ат. %.
Практическая значимость результатов, полученных при изучении фазовых превращений в модельной системе Fe-B-N, состоит в следующем. Образование связей типа B-N может быть использовано для формирования поверхностных либо захороненных слоев, содержащих c-BN в конструкционных сплавах на основе железа. Практическое применение таких модифицированных сплавов обусловлено целым рядом исключительных свойств, характерных для c-BN. Помимо высоких прочностных характеристик, это соединение демонстрирует вьісокотемпературігую проводимость и химическую инертность даже при высоких температурах. Вследствие этого, создание в железе и его сплавах слоев, содержащих мелкодисперсные преципитаты c-BN, позволяет повысить прочностные и защитные характеристики материалов, а также открывает новые перспективы для создания низкоразмерных многослойных структур с интересными проводящими свойствами. Использование метода последовательной имплантации для синтеза c-BN позволяет избежать проблемы адгезии и увеличения геометрических размеров инструментов, прочностные и защитные свойства которых следует модифицировать. Использование широкого диапазона и различного сочетания энергий имплантации бора и азота позволяет обеспечить необходимую толщину и глубину залегания модифицированных слоев, содержащих c-BN.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Комплекс результатов исследований, на основе которого установлены: образование аморфных магнитных (Fe-B)M, Fe-(B,N)M и парамагнитных (Fe-B)n, Fe-(B,N)„ фаз; корелляция композиционного ближнего порядка в фазах a-Fe3B и (Fe-B)M при концентрации бора в интервале 18-28 ат.%; образование стабильного до температуры 500 С ближнего порядка в фазе Fe-(B,N)M вследствие статистического распределения азота в (Fe-B)M.
-
Установленная закономерность формирования в системах Fe-B и Fe-B-N, полученных последовательной имплантацией бора и азота в железо, парамагнитных фаз (Fe-B)n, Fe-(B,N)„, состоящая в том, что их зарождение внутри магнитных фаз (Fe-B)M, Fe-(B,N)M, полученных при более низких дозах облучения, происходит при достижении пороговой суммарной концентрации бора и азота ~ 28-30 ат.%.
-
Комплекс результатов исследований методами дифференциальной Оже спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, позволивший установить формирование химической связи B-N при концентрациях бора и азота 12-18 ат.% в результате их последовательной имплантации в пленки железа.
Личный вклад соискателя. Соискателем были непосредственно проведены измерения и интерпретация спектров КЭМС, анализ ближнего порядка в системах Fe-B и Fe-B-N; идентификация и анализ спектров ОЭС и РФЭС. Исследованные образцы были получены при непосредственном участии соискателя. Профессором Я.Станеком (Ягеллонский университет, Краков, Польша) оказано содействие в организации экспериментов КЭМС и интерпретации полученных результатов. Научная идея исследования и задачи были сформулированы канд. физ.-мат. наук, доцентом В.В.Угловым (БГУ). Измерения спектров ОЭС и РФЭС были проведены Ивановым В.А. (ПО "Интеграл") и проф. Я.Ягельским (Институт технологии электронных материалов, Варшава, Польша).
Апробация результатов и публикации. Результаты, выполненных в диссертации исследований были опубликованы в 12 печатных работах.
Материалы работы докладывались на следующих конференциях: Международная конференция "Наігомитинг'97", Минск, 1996; Международная конференция "Ионная имплантация в науке и технологии", Люблин, 1997; Белорусско-германская конференция "Передовые технологии в производстве материалов и восстановлении изношенных поверхностей", Минск, 1997; Республиканская конференция
"Новые материалы и технологии", Минск, 1998; XXVIII и XXIX Международные конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1997, 1998.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 работ. Среди них - б статей в журналах, 3 статьи в материалах конференции и 3 тезисов докладов конференций. Общее количество опубликованных страниц составляет 34.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 115 страницах, содержит 30 рисунков, представленный на 25 страницах, 17 таблиц, представленных на 10 страницах, 101 наименования цитируемой литературы и состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав и заключения.