Влияние деформационного наноструктурирования на ионно-лучевую эрозию меди

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Экспериментально изучено влияние деформационного наноструктурирования на ионно-лучевую эрозию меди при высоких флуенсах облучения ионами аргона с энергией 30 кэВ. Для формирования ультрамелкозернистой структуры c размером зерен ~0.4 мкм в образцах меди с исходным размером зерен около 2 мкм использовали деформационное наноструктурирование методом кручения под высоким давлением. Найдено, что при распылении слоя толщиной, сопоставимой с размером зерен, на поверхности меди образуется стационарный конусообразный рельеф, вид которого не изменяется с увеличением флуенса облучения. Показано, что чем меньше размер зерен в меди, тем больше концентрация и меньше высота конусов на поверхности. Близкие к 82° углы наклона конусов, а также коэффициент распыления 9.6 ат./ион практически не зависят от размера зерен меди, толщины распыленного слоя и флуенса облучения. Расчеты с применением программы SRIM показали, что при учете перепыления атомов со стенок конусов коэффициент распыления конусообразного рельефа меди Yк в 3.5 раза меньше коэффициента распыления одиночного конуса, в 1.2 раза больше коэффициента распыления гладкой поверхности и по значению 9.25 ат./ион близок к экспериментально измеренному.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Н. Андрианова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИЯФ им. Д.В. Скобельцина; Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Россия, 119991, Москва; 125993, Москва

А. М. Борисов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИЯФ им. Д.В. Скобельцина; Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет); Московский государственный технологический университет “СТАНКИН”

Автор, ответственный за переписку.
Email: anatoly_borisov@mail.ru
Россия, 119991, Москва; 125993, Москва; 127055, Москва

М. А. Овчинников

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИЯФ им. Д.В. Скобельцина

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Россия, 119991, Москва

Р. Х. Хисамов

Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Россия, 450001, Уфа

Р. Р. Мулюков

Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Россия, 450001, Уфа

Список литературы

  1. Efe M., El-Atwani O., Guoc Y., Klenosky D.R. // Scripta Mater. 2014. V. 70. P. 31. https://doi.org./10.1016/j.scriptamat.2013.08.013
  2. Chen Z., Niu L-L., Wang Z., Tian L., Kecskes L, Zhu K., Wei Q. // Acta Mater. 2018. V. 147. P. 100. https://doi.org./10.1016/j.actamat.2018.01.015
  3. Wurmshuber M., Doppermann S., Wurster S., Jakob S., Balooch M., Alfreider M., Schmuck K., Bodlos R., Roma-ner L., Hosemann P., Clemens H., Maier-Kiener V., Kie-ner D. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2023. V. 111. Р. 106125. https://doi.org./10.1016/j.ijrmhm.2023.106125
  4. Nagasaki T., Hirai H., Yoshino M., Yamada T. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2018. V. 418. P. 34. https://doi.org./10.1016/j.nimb.2017.12.023
  5. Michaluk C.A. // J. Electron. Mater. 2002. V. 31. P. 2. https://doi.org./10.1007/s11664-002-0165-9
  6. Chen J.-K., Tsai B.-H., Huang H.-S. // Mater. Trans. 2015. V. 56. P. 665. https://doi.org./10.2320/matertrans.M2014411
  7. Reza M., Sajuri Z., Yunas J., Syarif J. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2016. V. 114. P. 012116. https://doi.org./10.1088/1757-899X/114/1/01211
  8. Voitsenya V.S., Balden M., Bardamid A.F., Bondaren- ko V.N., Davis J.W., Konovalov V.G., Ryzhkov I.V., Skoryk O.O., Solodovchenko S.I., Zhang-jian Z. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2013. V. 302. P. 32. https://doi.org./10.1016/j.nimb.2013.03.005
  9. Belyaeva A.I., Kolenov I.V., Savchenko A.A., Galu- za A.A., Aksenov D.A., Raab G.I., Faizova C.N., Voitsenya V.S., Konovalov V.G., Ryzhkov I.V., Skorik O.A., Solodovchenko S.I., Bardamid A.F. // Probl. At. Sci. Technol. Ser. Thermonuclear Fusion. V. 34. Iss. 4. P. 50.
  10. Yang W., Zhao G., Wang Y., Wang S., Zhan S., Wang D., Bao M., Tang B., Yao L., Wang X. // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2021. V. 32. P. 26181. https://doi.org./10.1007/s10854-021-06645-4
  11. Depla D. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2014. V. 328. P. 65. https://doi.org./10.1016/j.nimb.2014.03.001
  12. Raggl S., Postler J., Winkler J., Strauss G., Feist C., Plankensteiner A., Eidenberger-Schober M., Scheier P. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2017. V. 35. P. 061308. https://doi.org./10.1116/1.4996074
  13. Wang S.-K., Yang W-H., Wang Y.-P., Zhao G-H., Zhan S-S., Wang D., Tang B., Bao M.-D. // Vacuum. 2022. V. 201. P. 111083. https://doi.org./10.1016/j.vacuum.2022.111083
  14. Mashkova E.S., Molchanov V.A. Medium-Energy Ion Reflection from Solids. Amsterdam: North-Holland, 1985. 444 p.
  15. Behrish R., Eckstein W. Sputtering by Particle Bombardment. Berlin–Heidelberg: Springer-Verlag, 2007. 509 p. https://doi.org./10.1007/978-3-540-44502-9
  16. Smirnova N.A., Levit V.I., Pilyugin V.P. et al. // Phys Met. Met. 1986. V. 61. P. 1170.
  17. Nazarov A.A., Mulyukov R.R. Nanostructred Materials. // Handbook of NanoScience. Engineering and Technology. Boca Raton: CRC Press, 2002. P. 22. https://doi.org./10.1201/9781420040623
  18. Markushev M.V., Avtokratova E.V., Krymskiy S.V., Tereshkin V.V., Sitdikov O.Sh. // Lett. Mater. 2022. V. 12. Iss. 4s. P. 463. https://doi.org./10.22226/2410-3535-2022-4-463-468
  19. Khisamov R.Kh., Khalikova G.R., Kistanov A.A., Korznikova G.F., Korznikova E.A., Nazarov K.S., Sergeev S.N., Shayakhmetov R.U., Timiryaev R.R., Yumaguzin Yu.M., Mulyukov R.R. // Continuum Mech. Thermodyn. 2023. V. 35. P. 1433. https://doi.org./10.1007/s00161-022-01145-0
  20. Sun M., Ding C., Xu J., Shan D., Guo B., Langdon T.G. // Crystals. 2023. V. 13. P. 887. https://doi.org./10.3390/cryst13060887
  21. Zhilyaev A.P., Sergeev S.N., Langdon T.G. // J. Mater. Res. Technol. 2014. V. 3. P. 338. https://doi.org./10.1016/j.jmrt.2014.06.008
  22. Auciello O. // J. Vac. Sci. Technol. 1981. V. 19. P. 841. https://doi.org./10.1116/1.571224
  23. Carter G., Nobes M.J., Whitton J.L. // Appl. Phys. A. 1985. V. 38. P. 77. https://doi.org./10.1007/BF00620458
  24. Begrambekov L.B., Zakharov A.M., Telkovsky V.G. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1996. V. 115. P. 456. https://doi.org./10.1016/0168-583X(95)01514-0
  25. Brackmann V., Hoffmann V., Kauffmann A., Helth A., Thomas J., Wendrock H., Freudenberger J., Gemming T., Eckert J. // Mater. Charact. 2014. V. 91. P. 76. https://doi.org./10.1016/j.matchar.2014.02.002
  26. Westmacott K.H., Smallman R.E. // Phill. Mag. 1956. V. 1. P. 34. https://doi.org./10.1080/14786435608238074
  27. Khisamov, R.K., Nazarov, K.S., Zubairov L.R.,Naza-rov A.A., Mulyukov R.R., Safarov I.M., Sergeev S.N., Musabirov I.I., Phuong D.D., Trinh P.V., Luan N.V., Minh P.N., Huan N.Q. // Phys. Solid State. 2015. V. 57. P. 1206. https://doi.org./10.1134/S1063783415060177
  28. Жукова Ю.Н., Машкова Е.С., Молчанов В.А., Сотников В.М., Экштайн В. // Изв. АН. Сер. физ. 1994. Т. 58. № 3. С. 92.
  29. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Машкова Е.С., Немов А.С. // Поверхность. 2005. № 3. C. 79.
  30. Chan W.L., Chason E. //J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 121301. https://doi.org./10.1063/1.2749198
  31. Littmark U., Hofer W.O. // J. Mater. Sci. 1978. V. 13. P. 2577. https://doi.org./10.1007/BF00552687
  32. Kustner M., Eckstein W., Dose V., Roth J. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1998. V. 145. P. 320. https://doi.org./10.1016/S0168-583X(98)00399-1
  33. Makeev M.A., Barabasi A.-L. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2004. V. 222. P. 316. https://doi.org./10.1016/j.nimb.2004.02.027..
  34. Stadlmayr R., Szabo P.S., Berger B.M., Cupak C., Chiba R., Blöch D., Mayer D., Stechauner B., Sauer M., Foelske-Schmitz A., Oberkofler M., Schwarz-Selin- ger T., Mutzke A., Aumayr F. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2018. V. 430. P. 42. https://doi.org./10.1016/j.nimb.2018.06.004
  35. Shulga V.I. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2020. V. 14. P. 1346. https://doi.org./10.1134/S1027451020060440
  36. Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.K., Mulyukov R.R. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2021. V. 15. P. S66. https://doi.org./10.31857/S1028096022030062
  37. Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.K., Mulyukov R.R. // Tech. Phys. Lett. 2022. V. 48. Iss. 6. P. 55. https://doi.org./10.21883/TPL.2022.06.53792.19146
  38. Cupak C., Szabo P.S., Biber H., Stadlmayr R., Grave C., Fellinger M., Brötzner J., Wilhelm R.A., Möller W., Mutzke A., Moro M.V., Aumayr F. // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 570. P. 151204. https://doi.org./10.1016/j.apsusc.2021.151204
  39. Szabo P.S., Cupak C., Biber H., Jaggi N., Galli A., Wurz P., Aumayr F. // Surf. Interfaces. 2022. V. 30. P. 101924. https://doi.org./10.1016/j.surfin.2022.101924
  40. Diddens C., Linz S.J. // Eur. Phys. J. B. 2015. V. 88. P. 190. https://doi.org./10.1140/epjb/e2015-60468-7
  41. Ziegler J.F., Biersack J.P. SRIM, 2013. http://www.srim.org

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. РЭМ-изображения поверхности (а, в) и распределение размера зерен (б, г) в мелкозернистом (а, б) и ультрамелкозернистом (в, г) образцах меди.

Скачать (839KB)
Метаданные
3. Рис. 2. РЭМ-изображения ультрамелкозернистого образца после облучения ионами Ar+ с энергией 30 кэВ с флуенсом 3 × 1018 ион/см2 при угле съемки 0° (а) и 45°(б). Трехмерное изображение поверхности, полученное с помощью нанотвердомера НаноСкан-3D (в) и его профиль (г).

Скачать (788KB)
Метаданные
4. Рис. 3. РЭМ-изображения мелкозернистого образца после облучения ионами Ar+ с энергией 30 кэВ с различным флуенсом: а – 3 × 1018; б – 9 × 1018; в – 1.5 × 1019 ион/см2. Угол съемки 45°.

Скачать (624KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость убыли массы Δm и толщины распыленного слоя Δx от флуенса облучения ультрамелкозернистых (УМЗ) (●) (размер зерен 50 нм–1.2 мкм) и мелкозернистых (МЗ) образцов (

Скачать (237KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределение углов наклона θ конусов для мелкозернистых (1, 2) и ультрамелкозернистых (3, 4) образцов меди, облученных при различных флуенсах: 1.5×1019 (1); 3×1018 (2); 9×1018 (3); 3×1018 см–2 (4).

Скачать (195KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость доли перепыленных атомов F от угла наклона θ элементов шероховатой поверхности [38] и отношения размеров А = a/b.

Скачать (103KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость коэффициента распыления Y от угла наклона θ в случае одиночного конуса (1) и конусообразного рельефа (2) на поверхности меди при облучении ионами Ar+ с энергией 30 кэВ (пунктиром обозначен средний угол наклона конусов на рис. 5).

Скачать (131KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость коэффициента распыления Y от толщины распыленного слоя Δx для ультрамелкозернистых (●) (размер зерен 50 нм–1.2 мкм) и мелкозернистых образцов (

Скачать (78KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024