Вплив комплексної йонної та термічної обробки на структурно-фазові перетворення у функціональних плівкових композиціях із нанорозмірними шарами Ni, Cu, Cr, V
| dc.contributor.advisor | Волошко, Світлана Михайлівна | |
| dc.contributor.author | Круглов, Іван Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2023-04-07T09:50:50Z | |
| dc.date.available | 2023-04-07T09:50:50Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Круглов І.О. Вплив комплексної йонної та термічної обробки на структурно-фазові перетворення у функціональних плівкових композиціях із нанорозмірними шарами Ni, Cu, Cr, V. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науковотехнічної задачі – підвищенню термічної стабільності, адгезійної міцності, зносо- та корозійної стійкості і, відповідно – ефективності, функціональних нанорозмірних плівкових елементів на основі Cu для мікро- та наноелектроніки, фотовольтаїки, мікроприладобудування завдяки застосуванню комплексних низькоенергетичних впливів. Дисертаційна робота складається з трьох розділів, які присвячені аналізу літературних джерел щодо впливу різноманітних факторів на формування структури, фазового складу та властивостей нанорозмірних плівкових матеріалів (Розділ 1), опису об’єктів та методів дослідження (Розділ 2) та закономірностям змін структури та фазового складу плівкових систем із нанорозмірними шарами Ni, Cu, Cr, V за умов комплексного впливу низькоенергетичного опромінення йонами Ar+ та термічної обробки (Розділ 3). Для розв’язання поставлених задач досліджено плівкові композиції Ni(25 нм)/Cu(25 нм)/Cr(25 нм)/Si(100), Ni(25 нм)/Cu(25 нм)/V(25 нм)/Si(100), Cr(25 нм)/Ni(25 нм)/Cu(25нм)/Si(100), Cu(25 нм)/Cr(25 нм)/Si(100), які отримано методами магнетронного та резистивного осадження металевих шарів на монокристали кремнію. Такий вибір об’єктів дослідження дозволив, зокрема, визначити вплив варіювання матеріалу адгезійного шару (Ni/Cu/Cr/Si(100), Ni/Cu/V/Si(100)) та зміни конфігурації наношарів (Ni/Cu/Cr/Si(100), Cr/Cu/Ni/Si(100)) на структурно-фазові перетворення під час термічної обробки за відносно низьких температур (до 0,3 Тпл) у різних газових середовищах – вакуумі (Р = 10-3 Па), у тому числі за умов відпалу in-situ, та інертному середовищі (РAr = 200 Па). Попередню йонно-променеву/плазмову обробку проведено за умов варіювання низькоенергетичних параметрів. Якщо йоннопроменева обробка проводиться за енергії 400–2000 еВ із дозою 1,4-1016– 1,1-1017 йон/см2 (густина струму 4 мкA/cм2 ), то структурно-фазові перетворення у плівкових системах Ni/Cu/Cr(V)/Si(100), Cr/Cu/Ni/Si(100) з товщиною шарів 25 нм відсутні; єдиним виключенням є зменшення геометричних розмірів кристалітів у зовнішньому шарі Ni (з - 13 нм до - 8 нм за даними синхротронного аналізу). Оптимальним режимом йоннопроменевої обробки цих систем є наступний – енергія 800 еВ, доза 5,6-1017 йон/см2 , густина струму 4 мкA/cм2 , оскільки саме за такого режиму забезпечується максимальна пасивація матеріалів усіх шарів, відновлення оксидних прошарків на внутрішніх межах розділу, зменшення кількості домішкових атомів кисню та вуглецю; збільшення концентрації Cu у провідному шарі на 10 ат.%, зростання товщини провідного шару з високою концентрацією Cu більше ніж на 20%. Для опису виявлених йонно-стимульованих фізико-хімічних взаємодій на внутрішніх та зовнішніх межах розділу досліджених композицій на основі системи Cu-Ni запропоновано модельні уявлення, які грунтуються на ефекті «дальнодіючого впливу» низькоенергетичних йонів Ar; враховано, що проєктивний пробіг йонів у плівках внаслідок підвищеної дефектності структури може значно перевищувати значення, розраховані за теорією Зігмунда для масивних матеріалів. Дифузійне фазоутворення в системі Cu-Ni в температурному інтервалі 300–450 C, у тому числі і за умов додаткового йонного опромінення, відбувається з формуванням безперервного ряду твердих розчинів заміщення, концентрація Ni в яких залежить від конфігурації шарів і за однакових умов відпалу є більшою в системі Cr/Cu/Ni/Si(100) порівняно з системою Ni/Cu/Cr/Si(100); при цьому дифузійна взаємодія атомів Cu та Ni здійснюється за різними механізмами: для Ni домінуючим є об’ємний механізм дифузії, а для атомів Cu – зернограничний механізм. Процеси оксидоутворення на зовнішній поверхні та формування градієнту концентрації дефектів внаслідок прояву ефекту Кіркендала стимулюють дифузію атомів матеріалу адгезійного шару крізь приповерхневі і визначають інтенсивність насичення плівкового матеріалу домішками з оточуючої атмосфери під час як термічної, так і комплексної обробки. Відпал у вакуумі системи Ni/Cu/Cr/Si(100) порівняно із відпалом в середовищі аргону за однакових термічних умов обумовлює гальмування дифузії атомів Ni до шару Cu за об’ємним механізмом і відповідне зменшення концентрації Ni у твердому розчині Cu-Ni до - 4 разів; запобігає дифузії атомів Cr до зовнішньої поверхні та підвищенню дефектності кристалічної структури і концентрації домішок. Покращити термічну стабільність дозволяє також заміна матеріалу адгезійного шару на підкладці з Cr на V (система Ni/Cu/V/Si(100)). Однак найбільш ефективним засобом підвищення термічної стабільності досліджених плівкових композицій за умов відпалу в інтервалі температур 300–550 С в різних газових середовищах (вакуум, аргон) є попередня йоннопроменева/плазмова обробка. Позитивний вплив такої комплексної обробки проявляється у гальмуванні дифузії атомів матеріалів нижнього адгезійного шару (Cr, V) та верхнього шару Ni до проміжного шару Cu; зменшенні атомної концентрації Ni в твердому розчині на основі Cu до - 2 разів та домішкових атомів кисню та вуглецю у шарі Cu; відновленні оксидних прошарків на внутрішніх межах розділу; стабілізації нанокристалічної структури внаслідок гальмування процесів рекристалізації; уповільненні процесів оксидоутворення в шарі Cr. За допомогою низькоенергетичної йонно-променевої обробки (енергія 400 еВ, 800 еВ; доза опромінення 5,6-1016 йон/см2 , густина йонного струму 4 мкA/cм2 ) вдається досягти підвищення корозійної стійкості нанорозмірної системи Ni/Cu/Cr/Si(100) у електролітичному середовищі водного розчину NaCl (3,5 мас.%) – на початкових етапах випробувань потенціал корозії має значно вищі значення порівняно із вихідним станом плівкового зразка та масивного полікристалічного Ni. Використання таких режимів обробки дозволяє ефективно впливати на адсорбційну здатність металевих нанорозмірних шарів у кисневому та вологому середовищах: концентрація та довжина дифузійного шляху домішкових атомів кисню і вуглецю в системі Ni/Cu/Cr/Si(100) після довготривалої дії водяної пари (Р = 1,5 атм) кімнатної температури зменшується до -4 разів і наближується до вихідного стану. Позитивний вплив комплексної йонно-променевої (енергія 800 еВ; доза опромінення 5,6-1016 йон/см2 , густина струму 4 мкA/cм2 ) та термічної обробки (температура 450 С, тривалість 900 с, вакуум 10-3 Па) на мікротрибологічні характеристики плівкової системи Ni/Cu/Cr/Si(100) проявляється у найменшому значенні максимальної тангенціальної сили тертя (18 мН), відсутності продуктів зносу та бічних тріщин порівняно із вихідним станом та іншими видами обробки; за оцінками сила адгезії після комплексного впливу зростає у - 5,8 разів, а після інших обробок – не більше ніж у - 1,5 рази порівняно із вихідним станом. За допомогою оригінальної методики трибологічних випробувань “pinon-disk” (мікрокругове тертя індентором Роквелла) на прикладі нанорозмірної системи Cr/Cu/Ni/Si(100) доведено, що поєднанням низькоенергетичного йоннопроменевого впливу з термічною обробкою можна значно покращити такі мікротрибологічні характеристики, як коефіцієнт тертя, критичне навантаження руйнування, об’єм зношеного матеріалу, зносостійкість. Усі результати, що виносяться на захист є новими. | uk |
| dc.description.abstractother | Kruhlov I.O. The effect of complex ion and heat treatment on structural and phase transformations in functional thin films with nanoscale layers of Ni, Cu, Cr, V. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation in support of a Doctor of Philosophy scientific degree in specialty 132 – Materials Science (13 – Mechanical engineering). – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2022. The dissertation work is devoted to address an actual scientific and technical problem of increasing the thermal stability, adhesive strength, wear, and corrosion resistance and, accordingly, the efficiency of Cu-based nanoscale functional thin films for micro- and nanoelectronics, photovoltaics, microfabrication by applying the complex low-energy influences. The dissertation consists of three sections, which are devoted to the analysis of literature regarding the influence of various factors on the formation of the structure, phase composition and properties of nanoscale thin-film materials (Section 1), description of objects and methods of research (Section 2) and regularities of changes in the structure and phase composition of thin-film systems with nanoscale layers of Ni, Cu, Cr, V upon complex exposure to low-energy irradiation with Ar+ ions and heat treatment (Section 3). To address the assigned research tasks, Ni(25 nm)/Cu(25 nm)/Cr(25 nm)/Si(100), Ni(25 nm)/Cu(25 nm)/V(25 nm)/Si(100), Cr(25 nm)/Ni(25 nm)/Cu(25 nm)/Si(100), Cu(25 nm)/Cr(25 nm)/Si(100) thin-film systems were obtained by magnetron and resistive deposition of metal layers on silicon single crystals. The choice of research objects made it possible, in particular, to determine the effect of altering the adhesive layer material (Ni/Cu/Cr/Si(100), Ni/Cu/V/Si(100)) and changes in the configuration of the nanolayers (Ni/Cu/Cr/ Si(100), Cr/Cu/Ni/Si(100)) on structural phase transitions taking place upon heat treatment at relatively low temperatures (up to 0.3 Tm) in various gas environments such as vacuum (Р = 10-3 Pa), including also the in-situ annealing, and inert atmosphere (РАr = 200 Pa). Preliminary ion beam/plasma treatment was performed under different low-energy parameters. When ion irradiation is carried out at energies of 400–2000 eV with a fluence of 1.4-1016–1.1-1017 ions/cm2 (current density is 4 A/cm2 ), then there are no structural phase transitions in Ni/Cu/Cr(V)/Si(100), Cr/Cu/Ni/Si(100) thin-film systems with a layers thickness of 25 nm; while the only exception is a decrease in the geometric size of crystallites in the upper Ni layer (from - 13 nm to - 8 nm according to the synchrotron x-ray diffraction data). The optimal mode of ion irradiation of these systems is the following: energy of 800 eV, dose of 5.6-1017 ions/cm2 , and current density 4 A/cm2 . This mode ensures maximal passivation of all layers, reduction of oxide layers at the internal interfaces, decreased number of oxygen and carbon impurity atoms; an increase in the concentration of Cu in the conductive layer on 10 at.%, an increase in the thickness of the conductive layer with a high concentration of Cu by more than 20%. To describe the revealed ion-stimulated physicochemical interactions at the internal and external interfaces of the studied thin films based on the Cu-Ni system, model representations are proposed based on the "long-range effect" of low-energy Ar ions. It is also taken into account that due to the increased defectivity of the structure of thin-film materials, the projective ion range in thin films can substantially exceed the values calculated according to the Sigmund's theory for bulk materials. Diffusion-controlled phase formation in the Cu-Ni system in the temperature range of 300–450 C (including the cases with additional ion pre-irradiation) occurs with the formation of a continuous serie of substitutional solid solutions, the concentration of Ni in which depends on the configuration of the layers and for the same annealing conditions is higher in the Cr/Cu/Ni/Si(100) system compared to the Ni/Cu/Cr/Si(100) one. The diffusion interaction of Cu and Ni materials occurs via different mechanisms: the bulk diffusion is predominant for Ni, while diffusion of Cu atoms is governed by grain boundary mechanism. The processes of oxide formation on the outer surface and the formation of a defects concentration gradient due to the manifestation of the Kirkendall effect stimulate the diffusion of the adhesive layer's atoms through the near-surface ones and govern the degree of the saturation of the film with impurities from the surrounding atmosphere during both thermal and complex treatment. Annealing in a vacuum of the Ni/Cu/Cr/Si(100) system, compared to the similar annealing in an argon environment, inhibits the bulk diffusion of Ni atoms to the Cu layer with a corresponding decrease in the content of Ni in the Cu-Ni solid solution up to - 4 times; prevents the diffusion of Cr atoms to the outer surface as well as increased structure defectiveness and concentration of impurities. The thermal stability can also be improved by changing the material of the adhesive layer from Cr to V (Ni/Cu/V/Si(100) system). However, the most effective way of increasing the thermal stability of the studied thin films under annealing in the temperature range of 300–550 С in various gas environments (vacuum, argon) is preliminary ion/plasma treatment. The positive effect of such complex processing is manifested in the inhibition of the diffusion of atoms of the materials of the bottom layer (Cr, V) and the upper Ni layer to the intermediate Cu layer; reduced atomic concentration of Ni in a Cu-based solid solution up to - 2 times as well as less content of oxygen and carbon impurity atoms in the Cu layer; reduction of oxide layers at the internal interfaces; stabilization of the nanocrystalline structure by inhibiting the recrystallization; slowdown of oxide formation processes in the Cr layer. Low-energy ion irradiation (energy of 400 eV and 800 eV, irradiation dose of 5.6·1016 ions/cm2 , ion current density of 4 μA/cm2 ) allows to increase the corrosion resistance of the Ni/Cu/Cr/Si(100) nanoscale system in the electrolytic environment of an aqueous solution of NaCl (3.5 wt.%) – at the initial stages of the corrosion tests, the corrosion potential has significantly higher values for irradiated samples compared to the non-irradiated one as well as a bulk polycrystalline Ni specimen. Furthermore, by applying these ion irradiation modes, it became possible to effectively tune the adsorption capacity of nanoscale metal films in oxygen and moist environments: the concentration and diffusion path length of oxygen and carbon impurities in the Ni/Cu/Cr/Si(100) system after long-term exposure to water vapor (Р = 1.5 atm) at room temperature decreases up to - 4 times and approaches the initial non-exposed sample. The positive effect of complex ion irradiation (energy of 800 eV; irradiation dose of 5.6-1016 ions/cm2 , current density of 4 A/cm2 ) and heat treatment (temperature of 450 C, duration of 900 s, vacuum of 10-3 Pa) on microtribological characteristics of the Ni/Cu/Cr/Si(100) system reveals in the lowest value of the tangential friction force (18 mN), in the absence of wear products and side cracks compared to the as-deposited state and other types of treatment. According to the estimations, the adhesion strength after complex treatment increases by - 5.8 times compared to the initial state, while after other treatments by no more than - 1.5 times. It has been shown on the example of the Cr/Cu/Ni/Si(100) system using the original technique of pin-on-disk tribological test (microcircular friction with a Rockwell indenter), that the combination of low-energy ion irradiation with thermal treatment can significantly improve such microtribological characteristics as friction coefficient, critical failure load, worn volume and wear resistance. All the results submitted for defense are new. | uk |
| dc.format.extent | 178 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Круглов, І. О. Вплив комплексної йонної та термічної обробки на структурно-фазові перетворення у функціональних плівкових композиціях із нанорозмірними шарами Ni, Cu, Cr, V : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Круглов Іван Олександрович. – Київ, 2023. – 178 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/54375 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | нанорозмірні плівкові композиції | uk |
| dc.subject | термічна обробка | uk |
| dc.subject | йонно-променева/плазмова обробка | uk |
| dc.subject | структурно-фазові перетворення | uk |
| dc.subject | дифузія | uk |
| dc.subject | адсорбція | uk |
| dc.subject | пасивація | uk |
| dc.subject | зносостійкість | uk |
| dc.subject | корозійна стійкість | uk |
| dc.subject | адгезія | uk |
| dc.subject | nanoscale thin films | uk |
| dc.subject | heat treatment | uk |
| dc.subject | ion/plasma treatment | uk |
| dc.subject | structural phase transformations | uk |
| dc.subject | diffusion | uk |
| dc.subject | adsorption | uk |
| dc.subject | passivation | uk |
| dc.subject | wear resistance | uk |
| dc.subject | corrosion resistance | uk |
| dc.subject | adhesion | uk |
| dc.subject.udc | 539.216.2; 539.219.3; 539.26 | uk |
| dc.title | Вплив комплексної йонної та термічної обробки на структурно-фазові перетворення у функціональних плівкових композиціях із нанорозмірними шарами Ni, Cu, Cr, V | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Kruhlov_dys.pdf
- Розмір:
- 9.65 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: