Влияние размера зерна и текстуры поликристаллического вольфрама на его ионно-лучевое распыление

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Исследовано влияние размера зерен и текстуры поликристаллического вольфрама на коэффициент распыления и морфологию поверхности при высокодозном облучении ионами Ar+ с энергией 30 кэВ. В эксперименте использовали образцы со средним размером зерен от 300 нм до 7 мкм, бестекстурные и с текстурой [001]. Показано, что ионно-индуцированная морфология поверхности сильно зависит от размера зерен и флуенса облучения. Размер зерен слабо (менее 10%) влияет на коэффициент распыления, в то время как текстура может двукратно снизить коэффициент распыления. Эксперимент с варьированием угла падения ионного пучка показал, что причиной двукратного снижения коэффициента распыления для текстурированных образцов является эффект каналирования. Проведен анализ влияния рельефа поверхности на коэффициент распыления. Предложено выражение, учитывающее перепыление атомов и отражение ионов, для прогнозирования коэффициента распыления поверхности с ионно-индуцированным рельефом.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Х. Хисамов

Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: r.khisamov@mail.ru
Россия, Уфа

Н. Н. Андрианова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Московский авиационный институт

Email: r.khisamov@mail.ru
Россия, Москва; Москва

А. М. Борисов

Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Московский авиационный институт

Email: r.khisamov@mail.ru
Россия, Уфа; Москва; Москва

М. А. Овчинников

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: r.khisamov@mail.ru
Россия, Москва

Р. Р. Мулюков

Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук

Email: r.khisamov@mail.ru
Россия, Уфа

Список литературы

  1. Guseva M.I., Martynenko Yu.V. // Sov. Phys. Usp. 1981. V. 24. P. 996. https://doi.org/10.1070/PU1981v024n12ABEH004758
  2. Martynenko Yu.V., Nagel M.Yu. // Plasma Phys. Rep. 2012. V. 38. P. 996. https://doi.org/10.1134/S1063780X12110074
  3. Kajita S., Kawaguchi S., Ohno N., Yoshida N. // Sci. Rep. 2018. V. 8. Р. 56. https://doi.org/10.1038/s41598-017-18476-7
  4. Harutyunyan Z.R., Ogorodnikova O.V., Aksenova A.S., Gasparyan Yu.M., Efimov V.S., Kharkov M.M., Kaziev A.V., Volkov N.V. // J. Surf. Invest: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2020. V. 14. № 6. P 1248. https://doi.org/10.1134/S1027451020060245
  5. Budaev V.P., Fedorovich S.D., Dedov A.V., Karpov A.V., Martynenko Yu.V., Kavyrshin D.I., Gubkin M.K., Lukashevsky M.V., Lazukin A.V., Zakharenkov A.V., Sliva A.P., Marchenkov A.Yu., Budaeva M.V., Tran Q.V., Rogozin K.A., Konkov A.A., Vasilyev G.B., Burmistrov D.A., Belousov S.V. // Plasma Discharge. Fusion Sci. Technol. 2023. V. 79. Iss. 4. P. 404. https://doi.org/10.1080/15361055.2022.2118471
  6. Efe M., El-Atwani O., Guo Y, Klenosky D.R. // Scr. Mater. 2014. V. 70. P. 31. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2013.08.013
  7. El-Atwani O., Hattar K., Hinks J.A., Greaves G., Harilal S.S., Hassanein A. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 458. P. 216. http://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.12.095
  8. 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
  9. Wu Y-C., Hou Q-Q., Luo L-M., Zan X., Zhu X-Y., Li P., Xu Q., Cheng J-G., Luo G-N., Chen J-L. // J. Alloys Compd. 2019. V. 779. P. 926. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.279
  10. El-Atwani O., Cunningham W.S., Perez D., Martinez E., Trelewicz J.R., Li M., Maloy S.A. // Scr. Mater. 2020. V. 180. P. 6. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.01.013
  11. Qian W., Wei R., Zhang M., Chen P., Wang L., Liu X., Chen J., Ni W., Zheng P. // Mater. Lett. 2022. V. 308. P. 130921. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130921
  12. Wurmshuber M., Doppermann S., Wurster S., Jakob S., Balooch M., Alfreider M., Schmuck K., Bodlos R., Romaner L., Hosemann P., Clemens H., Maier-Kiener V., Kiener D. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2023. V. 111. P. 106125. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106125
  13. Michaluk C.A. // J. Electron. Mater. 2002. V. 31. P. 2. https://doi.org/10.1007/s11664-002-0165-9
  14. Voitsenya V.S., Balden M., Bardamid A.F., Bondarenko 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
  15. 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
  16. Andrianova N.N., Borisov A.M., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.Kh., Mulyukov R.R. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2024. V. 18. P. 305. https://doi.org/10.1134/S1027451024020046
  17. Andrianova N.N., Borisov A.M., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.Kh, Mulyukov R.R. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2024. V. 88. P. 478. https://doi.org/10.1134/S1062873823706141
  18. Mulyukov R.R. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2006. V. 24. P. 1061. https://doi.org/10.1116/1.2174024
  19. Zhang Y., Ganeev A.V., Wang J.T., Liu J.Q., Alexandrov I.V. // Mater. Sci. Eng. A. 2009. V. 503. P. 37. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.07.074
  20. Németh A.A.N., Reiser J., Armstrong D.E.J., Rieth M. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2015. V. 50. P. 9. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2014.11.005
  21. Bonnekoh C., Lied P., Pantleon W., Karcher T., Leiste H., Hoffmann A., Reiser J., Rieth M. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2020. V. 93. P. 105347. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105347
  22. Oh Y., Ko W.-S., Kwak N., Jang J., Ohmura T., Han H.N. // J. Mater. Sci. Technol. 2022. V. 105. P. 242. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.07.024
  23. Khisamov R.Kh., Andrianova A.A., Borisov A.M., Ovchinnikov M.A., Timiryaev R.R., Musabirov I.I., Mulyukov R.R. // Phys. At. Nucl. 2023. V. 86. № 10. P. 2198. https://doi.org/10.1134/S1063778823100228
  24. 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
  25. Yusupova N.R., Krylova K.A., Mulyukov R.R. // Lett. Mater. 2023. V. 13. Iss. 3. P. 255. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2023-3-255-259
  26. Mulyukov R.R., Khisamov R.Kh., Borisov A.M., Baimiev A.Kh., Ovchinnikov M.A., Timiryaev R.R., Vladimirova A.A. // Lett. Mater. 2023. V. 13. Iss. 4. P. 373. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2023-4-373-376
  27. Xue K., Guo Y., Zhou Y., Xu B., Li P. // Int. J. Refr. Met. Hard Mater. 2021. V. 94. P. 105377. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105377
  28. Mashkova E.S., Molchanov V.A. Medium-Energy Ion Reflection from Solids. Amsterdam: North-Holland, 1985. 444 p.
  29. Ziegler J.F., Biersack J.P. SRIM, 2013. http://www.srim.org
  30. 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
  31. Bradley R.M., Harper J.M.E. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1988. V. 6. P. 2390. https://doi.org/10.1116/1.575561
  32. Chan W.L., Chason E. // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 121301. https://doi.org/10.1063/1.2749198
  33. Littmark U., Hofer W.O. // J. Mater. Sci. 1978. V. 13. P. 2577. https://doi.org/10.1007/BF00552687
  34. 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
  35. Makeev M.A., Barabasi A.-L. // Nucl. Instrum. Methods Physics. Res. B. 2004. V. 222. P. 316. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.02.027.
  36. 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-Selinger 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
  37. Shulga V.I. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2020. V. 14. P. 1346. https://doi.org/10.1134/S1027451020060440
  38. 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
  39. 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
  40. Bradley R.M., Hobler G. // J. Appl. Phys. 2023. V. 133. P. 065303. https://doi.org/10.1063/5.0137324
  41. Kwon T.H., Park S., Ha J.M., Youn Y-S. // Nucl. Eng. Technol. 2021. V. 53. Iss. 6. P. 1939. https://doi.org/10.1016/j.net.2020.12.024
  42. Shermukhamedov S., Probst M. // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. P. 123901. https://doi.org/10.1063/5.0167840
  43. 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
  44. 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
  45. Diddens C., Linz S.J. // Eur. Phys. J. B. 2015. V. 88. P. 190. https://doi.org/10.1140/epjb/e2015-60468-7
  46. Behrisch R., Eckstein W. Sputtering by Particle Bombardment. Heidelberg–Berlin: Springer–Verlag, 2007. 509 p. doi: 10.1007/978-3-540-44502-9
  47. Matsunami N., Yamamura Y., Itikawa Y., Itoh N., Kazumata Y., Miyagawa S., Morita K., Shimizu R., Tawara H. // At. Data Nucl. Data Tables. 1984. V. 31. Iss. 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/0092-640X(84)90016-0
  48. Mikhailov V.S., Babenko P.Yu., Shergin A.P., Zinoviev A.N. // Plasma Phys. Rep. 2024. V. 50. Iss. 1. P. 23. https://doi.org/10.1134/S1063780X23601682
  49. Mahne N., Čekada M., Panjan M. // Coatings. 2022. V. 12. P. 1541. https://doi.org/10.3390/coatings12101541
  50. Carter G. // J. Phys. D. 2001. V. 34. P. R1. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/3/201
  51. Behrisch R. Sputtering by Particle Bombardment I. Berlin–Heidelberg–New York: Springer-Verlag, 1981. 281 p.
  52. Vantomme A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2016. V. 371. P. 12. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2015.11.035
  53. 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
  54. Eckstein W., Mashkova E.S., Molchanov V.A., Sidorov A.V., Zhukova Yu.N. // Appl. Phys. A. 1993. V. 57. P. 271. https://doi.org/10.1007/BF00332602

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. РЭМ-изображения, полученные в режиме дифракции отраженных электронов, мелкозернистых (лист) (а, б) и ультрамелкозернистых (кручение под высоким давлением) (в, г) образцов вольфрама исходных (а, в) и после отжига при 1400 (б) и 1500°C (г).

Скачать (473KB)
Метаданные
3. Табл. 1_рис. 1

Скачать (19KB)
Метаданные
4. Табл. 1_рис. 2

Скачать (23KB)
Метаданные
5. Табл. 1_рис. 3

Скачать (23KB)
Метаданные
6. Табл. 1_рис. 4

Скачать (20KB)
Метаданные
7. Рис. 2. РЭМ-изображения поверхности мелкозернистых (лист) (а, б) и ультрамелкозернистых (кручение под высоким давлением) (в, г) образцов вольфрама исходных (а, в) и после отжига при 1400 (б) и 1500°C (г), после облучения ионами Ar+ с энергией 30 кэВ, флуенс 9 × 1018 см–2. Угол съемки 45°.

Скачать (790KB)
Метаданные
8. Рис. 3. Зависимости изменения массы Δm от флуенса облучения Ф (а) и коэффициента распыления Y от толщины распыленного слоя Δx (б) мелкозернистых (лист) (1, 2) и ультрамелкозернистых (кручение под высоким давлением) (3, 4) образцов вольфрама исходных (1, 3) и после отжига при 140 (2) и 1500°C (4), после облучения ионами Ar+ с энергией 30 кэВ. Нормальное падение ионов, температура мишени не выше 50°C.

Скачать (153KB)
Метаданные
9. Рис. 4. Углы наклона конусов на поверхности ультрамелкозернистого (кручение под высоким давлением) (а) и мелкозернистого (лист) вольфрама (б), а также характерное РЭМ-изображение этих образцов после отжига при 140 и 1500°C (в) (угол съемки 45°) соответственно при облучении ионами Ar+ c энергией 30 кэВ. Распределение углов наклона θ для исходных ультрамелкозернистых (кручение под высоким давлением) (1) и отожженных при 1500°C (2) образцов вольфрама (г). На вставке — схематичное изображение конуса.

Скачать (341KB)
Метаданные
10. Рис. 5. Зависимость коэффициента Y от угла наклона θ для одиночного конуса Y (θ) (1) и конусообразного рельефа Yк (θ) (2) на поверхности вольфрама при обучении ионами Ar+ с энергией 30 кэВ при нормальном падении ионов.

Скачать (89KB)
Метаданные
11. Рис. 6. Коэффициент распыления Y в зависимости от угла наклона для мелкозернистого (лист) образца вольфрама с текстурой зерен [001] при обучении ионами Ar+ с энергией 30 кэВ (1), а также ультрамелкозернистого (кручение под высоким давлением) образца (2).

Скачать (70KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2025