Асп. Насакина Е.О., м.н.с. Севостьянов М.А., д.ф-м.н. Заболотный В.Т., д.т.н. Колмаков А.Г.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва, Россия, e-mail: nacakina@mail.ru

Зависимость формирования одномерных композиционных материалов от времени

В настоящий момент создание специальных поверхностей с заданными свойствами очень популярно и используется во многих сферах человеческой жизнедеятельности: в оптике, электронике, защитные покрытия конструкционных и бытовых материалов, стойкие к действию агрессивных сред и в то же время биосовместимые для медицинских изделий и т.д.

Достаточно популярным методом создания таких поверхностей является физическое осаждение из паровой фазы, в т.ч. магнетронное, которое позволяет получать не просто отдельные покрытия, а создавать новый материал, композит, в котором объемная фаза подложки и наносимый слой крепко связаны через переход различной протяженности, а их эксплуатационные свойства не только объединены, но и улучшены.

Целью данной работы являлось исследование закономерностей получения различных одномерных композиционных материалов методом магнетронного напыления в условиях варьирования времени.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) создание композитов с основой из TiNi, стекла, титана, стали и проч. и поверхностными слоями из тантала, титана, меди и др.;
2) изучение и сравнение состава и структуры подложек и композиционных материалов.

Получение поверхностных слоев проводилось при условиях процесса:

Ø магнетрон на постоянном токе I ≈ 850 мA, U ~ 700 В, при нулевом напряжении смещения

Ø в газовой среде аргона при рабочем давлении ~ 2,7х10^–3 Торр,

Ø температура подложки ~ 100 ^оС,

Ø с и без вращения подложки,

Ø время распыления t = 5 – 120 мин,

Ø расстояние от мишени до подложки ~ 20 см.

Исследования композита «поверхностный слой/ подложка» велось с помощью СЭМ, АЭС, оже-спекроскопии, рентгенофазового анализа.

На рис. 1 показана зависимость толщины поверхностного слоя тантала на подложке нитинола от времени магнетронного распыления. Видно, что с увеличением времени напыления, толщина и поверхностного (состоящего только из напыляемого вещества), и переходного (содержащего элементы как подложки, так и напыляемого вещества) слоев растет, причем по нелинейному убывающему закону. Закономерность сохраняется для других материалов и в других условиях напыления.

Рис. 1. Зависимость толщины поверхностного слоя от времени магнетронного распыления тантала на подложке нитинола при 851 мА, 710 В, Uсм 0 В, дистанции напыления 20 см, с ПИТ

Само собой при напылении на неподвижную плоскую подложку и на вращающуюся проволоку слои получаются разными. На рис. 2 показаны поверхностные слои в образце одномерного композита «Та/нитинол» на пластинчатой и проволочной подложках, полученнные при равных условиях.

а б

Рис. 6. Поверхностный слой в образце «Та/нитинол» на пластинчатой (а, ≈1 мкм ) и проволочной подложке (б, ≈0,4 мкм), полученный при 851 мА, 710 В, Uсм 0 В, дистанции напыления 20 см, с ПИТ в течение 30 мин

Данные структурных исследований подтверждают друг друга: закономерность изменения состава поверхностных слоев примерно одинакова для разных материалов и условий: до 20 нм поверхности по глубине обогащены кислородом, также содержание О увеличено в переходном слое.