Влияние деформационного наноструктурирования на ионно-лучевую эрозию меди

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или 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