Эрозия поверхности твердого тела под действием мощных пучков заряженных частиц (12.09.2011)

Автор: Блейхер Галина Алексеевна

5. Не изучены свойства аналогичной по своей природе эрозии поверхности жидкофазных мишеней магнетронных распылительных систем.

В связи с этим цель настоящей работы состоит в том, чтобы, во-первых, создать инструмент, моделирующий эрозию поверхности под действием мощных пучков заряженных частиц и плазмы магнетронного разряда при фазовых превращениях облучаемого вещества, который был бы способен прогнозировать интенсивность и энергоэффективность эрозии в зависимости от параметров облучения. Во-вторых, с его помощью исследовать свойства эрозии под действием разных видов мощных пучков заряженных частиц и плазмы магнетронного разряда.

Для этого мы использовали численное моделирование, позволяющее построить адекватную физическую картину в условиях быстропротекающих процессов.

Задачи настоящего исследования в более подробном изложении можно сформулировать следующим образом.

1. Разработать математическую модель эрозии поверхности твердого тела при воздействии импульсных пучков заряженных частиц в диапазоне плотности мощности 106..1010 Вт/см2, когда имеет место интенсивное испарение атомов.

Исследовать свойства эрозии поверхности под действием мощных субмикро- и микросекундных ионных и электронных пучков в зависимости от параметров облучения.

Разработать математическую модель эрозии поверхности под действием остросфокусированных пучков заряженных частиц сканирующего типа и исследовать это явление.

Показать роль тепловой эрозии в технологиях модифицирования поверхностных свойств материалов и изделий. Разработать расчетные методики прогнозирования результатов обработки и поиска оптимальных режимов облучения для некоторых технологических приложений.

Изучить механизмы и свойства эрозии поверхности жидкофазной мишени магнетронной распылительной системы при воздействии на нее плазмы разряда. Установить закономерности усиления эмиссии атомов с ее поверхности.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

1. Предложена новая математическая модель тепловой эрозии поверхности твердого тела, описывающая активационный и безактивационный механизмы перехода конденсированного вещества в паровую фазу, и позволяющая рассчитывать количество испарившегося вещества в широком диапазоне плотности мощности пучка (106..1010 Вт/см2).

2. Впервые разработана методика расчета коэффициентов эрозии поверхности твердого тела под действием мощных субмикросекундных ионных пучков с энергией частиц 10..1000 кэВ и плотностью мощности 106..1010 Вт/см2, получены новые данные о свойствах эрозии поверхности металлов под действием импульсных ионных и электронных пучков.

Впервые исследованы свойства эрозии поверхности металлов при облучении остросфокусированными сканирующими пучками электронов и ионов с энергиями 10..100 кэВ.

Впервые разработана математическая модель эрозии поверхности жидкофазных мишеней магнетронных распылительных систем на постоянном токе и с ее помощью получены новые данные о закономерностях усиления интенсивности эрозии в зависимости от мощности разряда.

Сделан сравнительный анализ свойств эрозии поверхности под действием мощных пучков заряженных частиц и плазмы магнетронного разряда.

Научная и практическая значимость полученных результатов

1. Создан математический аппарат и набор программ для прогнозирования свойств эрозии поверхности твердого тела под действием мощных пучков заряженных.

Определены оптимальные диапазоны параметров мощных импульсных пучков заряженных частиц с начальной энергией 10..1000 кэВ для эрозии поверхности металлов.

Исследована эрозия поверхности твердых тел под действием остросфокусированных сканирующих пучков заряженных частиц. Показаны их технологические возможности для удаления вещества с поверхности.

Разработана методика прогнозирования темпа осаждения покрытий с использованием мощных пучков заряженных частиц.

Установлены механизмы усиления эмиссии атомов с поверхности жидкофазных мишеней магнетронных распылительных систем на постоянном токе. Разработаны методики расчета скорости удаления вещества с поверхности мишеней и роста осаждаемых покрытий.

Научные положения, вынесенные на защиту

1. Разработана корректная модель тепловой эрозии поверхности однородного по структуре твердого тела с учетом фазовых превращений в результате диссипации энергии импульсных пучков заряженных частиц с плотностью мощности 106 ..1010 Вт/см2 .

2. Тепловая эрозия является доминирующим механизмом удаления атомов с поверхности под действием мощных ионных и электронных пучков с начальной энергией частиц 10..1000 кэВ, длительностью импульса тока 10-8..10-6 с и плотностью мощности 107..1010 Вт/см2. Значения коэффициентов эрозии достигают 103..105 атом/частица. Причем, для любой комбинации «тип частиц - их начальная энергия - длительность импульса тока - вещество мишени» характерен свой максимальный коэффициент эрозии, которому свойственно специфическое значение плотности тока.

3. Остросфокусированные (50..500 А/см2) сканирующие пучки заряженных частиц с начальной энергией 10..100 кэВ способны удалять атомы с поверхности с коэффициентами тепловой эрозии на уровне 103 атом/частица, которые нелинейно увеличиваются с ростом плотности мощности пучка и стремятся к некоторому предельному значению.

4. Созданы работоспособные методики оптимизации параметров пучков заряженных частиц в процессе технологической обработки материалов, основанной на удалении частиц с поверхности в режиме тепловой эрозии (осаждение модифицирующих покрытий, радиационное фрезирование, полировка поверхности и т.д.).

5. Разработана корректная модель эмиссии атомов с поверхности жидкофазной мишени магнетронной распылительной системы.

Показано, что нелинейный рост плотности потока эмитируемых атомов связан в основном с интенсивным испарением атомов с поверхности мишени, а коэффициенты эрозии достигают 102 атом/ион.

Достоверность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью разработанных моделей эрозии, непротиворечивостью полученных результатов, их внутренним единством и соответствием существующим представлениям о радиационно-стимулированных процессах на поверхности твердого тела.

Результаты расчетов количества испарившегося вещества, толщины осаждаемых покрытий, значений плотности энергии для инициации испарения поверхности металлов при использовании субмикросекундных ионных пучков умеренной интенсивности и плазмы магнетронного разряда удовлетворительно согласуются с данными, полученными экспериментально.

Вклад автора. Разработаны модели эрозии и методики прогнозирования результатов обработки поверхности твердого тела импульсными пучками заряженных частиц и плазмой магнетронного разряда. Создан комплекс компьютерных программ, выполнены расчеты и получены все представленные закономерности эрозионных процессов. Проведен анализ полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: на Всесоюзной конференции «Ионно-лучевая модификация материалов» (Черноголовка, 1987), на VII Всесоюзной конференции «Взаимодействие атомных частиц с твердым телом (Москва, 1987), на Международной конференции «Beam Technologies EBT-88» (Варна (Болгария) 1988), на I Всесоюзной конференции «Модификация конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1988), на III Международной конференции по модификации материалов пучками частиц и энергетическими импульсами (Дрезден, 1989), на Всесоюзной конференции «Новые технологии и робототехнические комплексы при производстве авиационной техники» (Харьков, 1990), на X и XIX Международных конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород: 1991, 2009), на Международных конференциях «Новые технологии в машиностроении» (Харьков, 1992, Харьков – Рыбачье, 1993, г. Харьков, 1995), на IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996), на 8, 9, 10, 12 и 13 Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск: 1993, 1996, 1999, 2003, 2006; Астана, 2009), на 2-ой конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 1994), на Втором и Четвертом Российско-Корейских Международных симпозиумах по науке и технологиям (Томск, 1998 (KORUS-98), Ульсан (Корея), 2000 (KORUS-2000)), на Международной конференции «Радиационно-технологические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 1998), на 2-ой Международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2000), на Международном конгрессе по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск, 2000), на 7, 9 и 10 Международных конференциях по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы (Томск: 2004, 2008, 2010), на VII Международном Уральском семинаре (Снежинск, 2007), на Российских научно-практических конференциях «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения (Томск: 2007, 2009), на научном семинаре в Институте теплофизики СО РАН (Новосибирск, 2010), на научных семинарах лаборатории 23 ФТИ ТПУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе 18 статей в рецензируемых изданиях, одно авторское свидетельство на изобретение, одна монография.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она изложена на 308 страницах, содержит 117 рисунков, 17 таблиц и список цитируемой литературы из 264 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследований, представлены научная новизна, практическое значение работы и научные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе описаны разработанные нами математические модели эрозии поверхности твердого тела под действием импульсных пучков заряженных частиц с плотностью мощности 106..1010 Вт/см2. При таком высоком уровне мощности поверхность твердого тела сильно разогревается и испытывает фазовые превращения, в том числе испарение. Следовательно, механизмы тепловой эрозии должны играть первостепенную роль в удалении атомов и молекул с облучаемой поверхности.

В основе наших моделей тепловой эрозии лежат механизмы испарения. При этом предполагается, что облучаемое твердое тело имеет однородную субмикроструктуру в приповерхностных слоях, т.е. расчет параметров эрозии производится по усредненным теплофизическим характеристикам, в том числе и по средней поверхностной энергии связи атомов.

Тепловая эрозия есть один из каналов диссипации энергии мощных пучков заряженных частиц в веществе. Следовательно, ее модель является составной частью более общей модели диссипации энергии. Тогда она описывается системой уравнений сплошной среды, решаемых совместно с широкодиапазонными уравнениями состояния вещества. Добавляемые к этой системе уравнений граничные условия задают кинетику перехода конденсированного вещества в паровую фазу. Ее особенности определяются интенсивностью тепловых и гидродинамических процессов, вызываемых бомбардирующими частицами.

Мы выделяем два ярко выраженных типа кинетики перехода конденсированного вещества в паровую фазу. Первый тип создается преимущественно тепловым активационным механизмом испарения с последующим истечением паров от поверхности, характеризующимся слабым взаимодействием их молекул между собой и с молекулами конденсированной фазы. При этом существует четкая межфазная граница между конденсированной и паровой фазами. Этот тип кинетики мы назвали поверхностным испарением. Здесь имеются два уровня. При невысокой плотности мощности энергетического воздействия на мишень испарившиеся частицы разлетаются от поверхности, практически не взаимодействуя друг с другом, т.е. в режиме молекулярного потока. По мере увеличения интенсивности испарения плотность паров вблизи мишени становится довольно высокой, и испарившееся вещество удаляется от поверхности в режиме течения сплошной среды.


загрузка...