К. ф.-м. н. Мельничук И.А., Капшуков Р.А., Телегин А.В., Ступак В.А.

Донецкий национальный университет, Украина

Исследование кинетики формирования измененного слоя на поверхности сплава Mg(95%)Al(5%) при его распылении ионами Ar⁺ 20кэВ

Хорошо известно, что многокомпонентные соединения и сплавы распыляются селективным образом [1]. Это явление, а также селективная имплантация атомов отдачи и стимулированная облучением сегрегация компонент предложены в качестве методов формирования тонких пленок на поверхности окислов [2-4]. Соответствующий выбор энергии ионов позволяет изменить общую геометрию процесса и упростить его моделирование [4].

В настоящей работе исследовался процесс формирования пленки с измененным составом на поверхности сплава Mg(95%)Al(5%) при его облучении ионами Ar⁺ 20кэВ. Плотность тока в пучке составляла 150 мкА/см², угол падения - 35°, остаточное давление в камере 1∙10^-5 Торр. Дополнительно на примере распыления этого сплава проводилась проверка модели изменения состава поверхности и потока распыленных частиц [5].

Процесс формирования поверхностного слоя с измененным составом контролировали методом оптической спектроскопии распыленных частиц по зависимостям от дозы облучения (D) интенсивностей линий (I) в спектре оптического излучения продуктов распыления. Для выбора аналитических линий в интервале от 200 – 600 нм был исследован спектр излучения продуктов распыления, он содержал линии атомов и ионов распыляемого вещества. Для контроля изменения потока распыленных частиц были выбраны линии, интенсивность которых максимальна Mg(518,4нм) и Al(396,2нм), они хорошо разрешались используемым спектральным оборудованием. Фрагменты спектра представлены на рис. 1.

Поверхностная пленка считалась сформированной, когда процесс селективного распыления переходил в установившийся режим, а интенсивность спектральных линий переставала изменяться с ростом дозы облучения. Анализ временных зависимостей I(D) показал, что на поверхности сплава формируется пленка, обогащенная Al и обедненная Mg. При этом интенсивности выбранных линий с ростом дозы облучения изменяются немонотонно. Особенности поведения зависимостей I(D) при дозах меньших чем D_k=2∙10¹⁶ ион/см² могут быть связаны с удалением адсорбированных слоев и окисной пленки на поверхности сплава, поэтому зависимости I(D) анализировались при D > D_k.

Рис.1. Фрагменты спектра оптической эмиссии продуктов распыления сплава Mg(95%) Al(5%).

В приведенных условиях облучения состав поверхностной пленки стабилизируется при дозе 4∙10¹⁷ ион/см², при этом поток распыляемых атомов Al возрастает на 25%. Максимального значения этот поток достигает при дозе 9∙10¹⁶ ион/см², при этой дозе возрастание потока превышает 30%. Во всем анализируемом интервале доз поток атомов Mg уменьшается на 25%. Перечисленные значения соответствуют изменению поверхностной концентрации атомов в поверхностных слоях образца вследствие преимущественного распыления Mg.

В рамках модели [5] проведено моделирование изменения состава и потока распыленных частиц при распылении исследуемого сплава. Соответствующие зависимости I(D) для Mg (кривая 1) и Al (кривая 2) представлены на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная зависимость изменения потоков распыленных частиц.

Значения энергии связи для компонент сплава ( 1.5 эВ для Mg и 3.4 эВ Al) считались равными соответствующим значениям для чистых металлов и были взяты из приложений к программе SRIM [6]. Из расчетных зависимостей видно, что используемая модель качественно верно описывает изменение состава и соответствующих потоков распыленных частиц. В соответствии вычислениями поток Al растет на 25%, а поток Mg падает на 10%.

Литература:

1. [1]. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. / Под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1984, 1986. Т. 2. [2]. Б.А. Гурович, Д.И. Долгий, Е.А. Кулешова и др.// УФН, 2001. т.171. №1. С. 105-117. [3]. В.М. Микушкин // ЖТФ, т. 69, № 9, 1999, С. 85-89. [4]. И.А. Мельничук, А.В. Васильев, Р.А. Капшуков // Мат. 17 Межд. конф.: «Взаимодействие ионов с поверхностью»- 2005 т.2. С.179-181. [5]. И.А. Мельничук // Мат. 12 Межд конф.: «Взаимодействие ионов с поверхностью»-1995. т.1. С.101-104. [6] J.P. Biersack, L.G. Haggmark // Nucl. Instr. and Meth. 1980. V. 174. P. 257.