Волошко, Світлана МихайлівнаКруглов, Іван Олександрович2023-04-072023-04-072023Круглов, 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.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/54375Круглов 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.178 с.ukнанорозмірні плівкові композиціїтермічна обробкайонно-променева/плазмова обробкаструктурно-фазові перетвореннядифузіяадсорбціяпасиваціязносостійкістькорозійна стійкістьадгезіяnanoscale thin filmsheat treatmention/plasma treatmentstructural phase transformationsdiffusionadsorptionpassivationwear resistancecorrosion resistanceadhesionThesis Doctoral539.216.2; 539.219.3; 539.26