Эффект дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах : Дислокационные структуры, свойства, напряжения, механизмы Шаркеев, Юрий Петрович

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В течение 20-30 лет внимание исследователей привлечено в нашей стране и за рубежом к проблеме ионной модификации поверхностей конструкционных материалов. Широкий спектр выполненных исследований по взаимодействию потоков заряженных частиц с твердым телом не только показал высокую перспективность использования пучков ускоренных ионов в качестве уникального инструмента для модификации оптических, магнитных, химических, механических и других поверхностных свойств различных материалов (металлы, сплавы, диэлектрики, полупроводники), но и определил технологические направления, где ионные пучки уже успешно применяются. Разработан и эксплуатируется ряд ионных источников, позволяющих формировать ионные пучки практически любого элемента из периодической таблицы Менделеева с энергией от килоэлектронвольт до единиц Гигаэлектронвольт. В случае металлических материалов, где для модификации свойств требуются высокие дозы ионного облучения, обычно применяют источники, позволяющие получать ионные пучки с энергией в интервале от десятков до сотен килоэлектронвольт. Такие ионные источники имеют относительно низкую стоимость и высокую контролируемость и повторяемость режимов ионной обработки. Обработка поверхности материала пучком ускоренных ионов и получила название «ионная имплантация».

Исследование физических процессов, имеющих место при взаимодействии ускоренных ионов с твердом телом, шло параллельно с разработкой технологических процессов. При этом основное внимание в исследованиях было сосредоточено на тонком поверхностном слое мишени, толщина которого была порядка длины пробега внедряемых при имплантации ионов. При средних энергиях (10-1000 кэВ) ионов глубина проникновения ионов составляет несколько десятков или сотен нанометров. Именно в этом тонком поверхностном слое в процессе ионной имплантации и происходит изменение микроструктуры и химического состава (легирование). В поверхностном слое генерируются радиационные дефекты, формируются дислокационные структуры высокой плотности, осуществляется перестройка кристаллической решетки, идет образование выде-

лений и метастабнльных фаз, происходит аморфизация, имеет место распыление и т. п. Результаты экспериментального и теоретического исследований процессов, имеющих место в поверхностном ионно-легируемом слое при бомбардировке мишеней ускоренными ионами, представлены в тысячах статей и в десятках монографий и обзоров. Можно утверждать, что природа процессов, происходящих именно в поверхностном легируемом при ионной имплантации слое мишени, в значительной мере изучена и во многом понята. Имеющиеся теоретические модели и экспериментальные данные позволяют, как правило, предсказывать и прогнозировать те модифицирующие изменения, которые происходят в поверхностном слое мишени при ионной имплантации.

Между тем, некоторые экспериментальные факты, полученные при исследовании различных свойств и микроструктуры ионно-имплантированных материалов, свидетельствовали, что влияние ионных потоков при облучении рада полупроводниковых и металлических материалов не ограничивается тонким поверхностным слоем, где происходит торможение внедряемых ионов, а распространяется на существенно большие расстояния. Подобные результаты были получены, прежде всего, для таких механических свойств как микротвердость, износостойкость, коэффициент трения и т. п. На момент начала исследований по данной работе в научной периодике уже появились первые сообщения и о возможном изменении структурно-фазового состояния при ионной имплантации в более глубоких слоях мишени по сравнению с толщиной поверхностного легированного слоя. В работах, опубликованных П. В. Павловым и Д. И. Тетельбаумом, Д. К. Судом и Г. Дирнли, В. С. Хмелевской и Малынки-ным В. Г., В. Н. Черниковым и А. П. Захаровым, М. И. Гусевой, В. М. Анищиком, Ю. А. Перловичем, А. Н. Диденко и А. Е. Лигачевым, Л. М. Мэтом и С. А. Б. Болом, Овчинниковым В. В.,имелись отдельные сведения о дальнодействующем влиянии ионной имплантации на структуру и свойства полупроводниковых и металлических материалов. Данное явление получило название эффекта дальнодействия.

К началу выполнения настоящего исследования не было ясно, носит ли эффект дальнодействия общий характер и имеет ли место при ионной импланта-

ции любых кристаллических материалов. Основные закономерности этого яшіе-ния и его физическая природа не были изучены. Необходимость всестороннего исследования нового эффекта была вызвана не только фундаментальными, но и прикладными аспектами. Дальнодействующая модификация микроструктуры при ионной имплантации различных материалов, особенно металлических конструкционных материалов, может быть еще одним фактором повышения поверхностных свойств, что необходимо учитывать при разработке новых технологий, включающих иошгую имплантацию как основной процесс.

Настоящая работа посвящена всестороннему изучению нового фундаментального явления при ионной имплантации кристаллических тел - эффекта дальнодействия в металлических материалах.

Целью работы яішялось экспериментальное и теоретическое исследование дефектной структуры, формирующейся при высокодозовой ионной имплантации в приповерхностном слое металлических материалов с анализом физической природы эффекта.

Для реализации указанной цели в работе решались следующие экспериментальные и теоретические задачи:

1. Экспериментальное систематическое исследование закономерностей формирования дефектных структур в приповерхностном слое при ионной имплантации металлических мишеней различного класса, имеющих различное исходное структурное состояние и характер упрочнения: чистые малодефектные металлы, металлы с развитой дислокационной структурой, твердые растворы, сплавы с дисперсными выделениями, многофазные сплавы.

2. Поиск и анализ функциональных зависимостей между количественными характеристиками дефектной структуры, формирующейся в подслое ионно-имплантируемой мишени, структурно-фазовым состоянием поверхностного ионно-легируемого слоя и параметрами ионной имплантации.

3. Экспериментальное измерение и теоретический расчет напряжений, генерируемых в металлических мишенях при ионной имплантации.

4. Исследование проявления эффекта дальнодействия в ионно-имплантированных материалах на различных масштабных уровнях при последующей активной пластической деформации.

5. Исследование проявления эффекта дальнодействия в механических характеристиках металлических материалов и формирование теоретических подхо-доз для оценки микротвердости ионно-имплантированных материалов на основе экспериментальных данных исследования микроструктуры поверхностного и приповерхностного слоев ионно-имплантированных материалов и моделей деформационного упрочнения.

6. Развитие теоретических подходов и механизмов эффекта дальнодействия в ионно-имплантируемых металлических материалах.

При решении поставленных задач были использованы современные методы структурных исследований (просвечивающая электронная микроскопия, оптические методы, рентгеноструктурный анализ, Оже электронная спектроскопия и вторичная ионная масс спектроскопия), метод лазерной интерферометрии для измерения напряжений в мишени в процессе ионной имплантации, теоретические оценки и математическое моделирование, различные методы механических испытаний (измерение микротвердости, испытание на износ, одноосное растяжение и сжатие).

Научная новизна работы. Основные результаты работы не имеют аналогов в российской и зарубежной научной литературе. Впервые получены систематические комплексные экспериментальные и теоретические результаты о фундаментальном явлении, имеющем место при взаимодействии пучков ускоренных ионов с кристаллическим телом - эффекте дальнодействия. Установлены количественные зависимости меоду параметрами дефектных структур, формирующихся в приповерхностной зоне металлических материалов, и параметрами ионной имплантации и характеристиками химических элементов, внедряемых в мишень при имплантации. Показано, что дислокационные структуры в ионно-имплантированных металлах и сплавах подобны дислокационным структурам деформированных металлов. Показано, что дислокации в приповерхностном слое ионно-имплантируемой мишени образуются вследствие пластической де-

формации подслоя, обусловленной изгибом мишени; инжекции дислокаций, дислокационных петель и точечных дефектов из поверхностного легируемого слоя в поле статических и динамических напряжений. Полученные результаты представляют теоретическую и практическую ценность для развития физики ионной имплантации и представляют несомненный интерес для построения теории эффекта дальнодействия.

Праісгическая значимость работы заключается в том, что получен систематизированный комплекс экспериментальных и теоретических данных об эффекте дальнодействия в ионно-имплантируемых металлических материалах. Полученные результаты позволяют целенаправленно планировать эксперименты по исследованию проявления эффекта дальнодействия не только при ионной имплантации, но при других видах энергетического воздействия (потоки заряженных частиц, включая пламенное воздействие, и электромагнитное излучение различной природы). Это также дает возможность целенаправленно вести разработку технологических процессов, в основе которых лежит метод ионной имплантации, для модификации поверхностных свойств конструкционных металлических материалов. Результаты исследования дефектных структур, формирующихся в приповерхностных слоях металлических материалов при ионной имплантации, позволяют целенаправленно оценивать их вклад в такие свойства металлов и сплавов как износостойкость, твердость, усталость и т. п.

Изложенные в работе результаты представляют собой основу научного направления, которое можно сформулировать следующим образом: «Эффекты дальнодействия в кристаллических материалах при ионной имплантации».

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Эффект дальнодействия при ионной имплантации металлических материалов заключается в формировании дефектной структуры (неразориентирован-ные дислокационные субструктуры и дислокационные пегли) в приповерхностном слое мишени. Толщина этого подслоя с возросшей при ионной имплантации плотностью дислокаций для различных материалов достигает 50 мкм и более, что значительно больше толщины легируемого поверхностного слоя. Зависимость скалярной плотности дислокаций от расстояния до

облученной поверхности имеет максимум, локализованный, как правило, на расстоянии 10-15 мкм от поверхности мишени.

2. Установленные зависимости количественных параметров дефектных структур, формирующихся в приповерхностном слое чистых неупрочненных металлов в зависимости от параметров ионной имплантации (дозы падающих ионов и дозы внедренных ионов, интенсивности ионного потока) и характеристик химического элемента, внедряемого при имплантации (радиуса и атомной массы, растворимости в мишени).

3. Экспериментально установленные закономерности формирования дефектных структур в приповерхностном слое упрочненных металлов и сплавов в зависимости от их структурно-фазового состояния и параметров упрочнения.

4. Подобие дислокационных стріуктур, формирующихся в приповерхностном слое металлических мишеней при ионной имплантации, дислокационным структурам металлов, деформированных от нескольких до 10-15 %.

5. Результаты экспериментального анализа и теоретических оценок напряжений, генерируемых в поверхностном слое мишени при ионной имплантации, и остаточных напряжений.

6. Экспериментально установленные закономерности проявления эффекта дальнодействия в механических характеристиках ионно-имплантированных металлических мишеней и на мезоскопическом масштабном уровне при их активной пластической деформации.

7. Концепцию эффекта дальнодействия, включающую математическую модель динамического движения дислокаций в приповерхностном слое ионно-имплантируемых металлов и сплавов, и роль статических и динамических напряжений в генерации дефектных структур в приповерхностном слое металлической мишени при ионной имплантации.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования структуры и свойств ионно-имплантированных материалов, анализом литературных данных и сопоставлением последних с результатами, полученными в ходе выполнения настоящей работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всесоюзных и Российских конференциях, симпозиумах и семинарах: 1-ой, 2-ой, 3-ей Всесоюзных конференциях "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1988; Свердловск, 1991; Томск, 1994), 4-ой Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1996), 7-ом, 8-ом, 9-ом Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1988; Свердловск, 1990; Пермь-Москва, 1992), 4-ом, 5-ом Всесоюзных семинарах "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Свердловск, 1987, 1990), 1-ом, 2-ом, 3-ем Всесоюзных семинарах "Структурно- морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1991, 1993, 1995), 8-ой конференции, 9-ой, 10-ой Международных конференциях "Радиационная физика и химия неорганических материалов (Томск, 1993, 1996, 1999), 11-ой, 12-ой Всесоюзных конференциях и 14-ой Международной конференции "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (Куйбышев, 1986, 1989; Самара, 1995), Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов" (Каунас, 1989), 8-ой Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Москва, 1987), Всесоюзных семинарах "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (Новокузнецк, 1988, 1991), 1-ом Международном совещании стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела" (Сочи, 1989), 2-ой Всесоюзной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Юрмала, 1990), 2-ом Всесоюзном семинаре "Взаимодействие ионных пучков с атомами и поверхностью твердого тела" (Новгород, 1986), 1-ом Международном семинаре "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах" (Барнаул, 1992), 12-ом Научно-техническом совещании по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (Москва, 1986), 1-ом Международном симпозиуме "Ионно-лучевые технологии" (Дубна, 1995), Международной школе "Ионно-лучевые технологии модифика-

ции поверхности" (Томск, 1996), Международной конференции "Ионная имплантация и ионно-лучевое оборудование" (Елините, Болгария, 1990), 1-ой Республиканской конференции по физической электронике (Ташкент, 1995), 3-ей Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996), 4-ом Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 1998), 4-ой, 5-ой Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" (Томск, 1995; Байкальск, 1997), Осеннем собрании общества MRS (Бостон, США, 1991) 6-ой, 7-ой, 8-ой, 9-ой Международных конференциях "Поверхностная модификация металлов ионными пучками" (Рива де Гарда, Италия, 1988; Вашингтон, США, 1991; Каназава, Япония, 1993; Сан-Себостьян, Испания, 1995), 6-ой, 7-ой, 8-ой, 9-ой Международных конференциях "Ионно-лучевая модификация материалов" (Токио, Япония, 1988, Кноксвилл, США, 1990; Гейдельберг, Германия, 1992; Австралия, 1994), 12-ой Международной конференции "Технология ионной имплантации" (Киота, Япония 1998), 24-ой, 25-ой, 26-ой Международных конференциях "Металлургические покрытия и тонкие пленки "(Сан-Диего, США, 1997,1998,1999).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения и выводов и списка цитируемой литературы, включающего 386 наименований. Диссертация содержит 425 страниц, в том числе 219 страниц текста, 143 рисунка и 14 таблиц.