Анотація до роботи:

Гугля О.Г. Нанокристалічні Сr-N та V-N покриття. Створення та дослідження. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут електрофізики та радіаційних технологій НАН України, м. Харків, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню структурних та електрофізичних характеристик нанокристалічних Cr-N та V-N покриттів, а також їх радіаційної стійкості та механічної міцності. Для здобуття такого типу покриттів була використана технологія іонно-стимульованого осадження, яка об’єднує випаровування атомів та молекул металу та бомбардування газовими іонами, які мають енергію у декілька десятків кеВ. Проведене математичне моделювання такого процесу довело, що внаслідок різниці у глибинах залягання іонів та створюємих дефектів умови, за яких зароджується структура та формується є різними. Вивчення особливостей створення покриттів призвело до висновку, що структура сформованого Cr-N матеріалу є нанокристалічною з розміром зерна 3-6 нм з вузькими границями. Електроопір таких композитів дорівнює 1-410^-4 омсм. Температурний коефіцієнт позитивний – 3-410^-4 град^-1. Структура V-N покриття також нанокристалічна, розмір зерна якої дорівнює 20-50 нм. Границі між зернами більш широкі та містять у собі вакансійні чи азот-вакансійні пори розміром 3-6 нм. Електроопір більш високий – 1-310^-3 омсм. Температурний коефіцієнт негативний – 5-710^-4 град^-1. У дисертації показано, що бомбардування іонами азоту таких покриттів на початковому етапі призводить до заповнення вільних зв’язків між атомами металу та азоту. Внаслідок цього створюються стехіометричні фази CrN та VN. З підвищенням дози опромінення CrN покриття має місце зростання великих(100-200 нм) зон з різною текстурою росту. Внаслідок цього електроопір зростає. Видимих змін у структурі VN композиту не відбувається хоча електроопір тех. підвищується. При опроміненні іонами гелію основна його частина дифундує на границі зерен та створює там газові комплекси – He-Nv. При максимальних дозах опромінення відбувається збільшення тиску у цих комплексах та руйнування Cr-N покриттів. V-N покриття більш стабільні. При підвищенні тиску у газових комплексах частина гелію дифундує по границям зерен до поверхні покриття і залишає його. Руйнування не має місця. Завдяки використанню високоенергетичних іонів у іонно-стимульованій технології суттєво підвищується зчеплення покриттів з основою. Причому, чим більше пор у покритті, тим сильніше зчеплення. Однак інтенсивне перемішування покриття з більш м’яким матеріалом підкладки негативно позначається на твердості покриття. Внаслідок цього спостерігається зменшення твердості при збільшенні адгезії.

Результати досліджень, що були отримані під час виконання дисертаційної роботи, дозволили вирішити проблему створення покриттів, які осаджуються в умовах стимульованого іонного бомбардування, структурно-фазові характеристики яких дають можливість використовувати їх у виробах, які працюють при підвищених температурах та інтенсивному радіаційному діянні. Здобуті дані можуть бути узагальнені слідуючим чином:

1. Показано, що при створенні покриттів в умовах іонно-стимульованого осадження, їх структура, фазовий склад та електрофізичні характеристики можуть змінюватися у широких межах. Висока нерівноваженість даної технології дає можливість створювати нанокристалічні структури з різним розміром зерна та рівнем міжкристалічної пористості. Конструкційні особливості реалізації даного методу дозволяють незалежним чином регулювати основні параметри процесу, що забезпечує хорошу контрольованість та відтворюваність структур.

2. Порівняння експериментальних даних по вивченню початкових стадій створення Cr-N та V-N покриттів показало, що вплив імплантуємих іонів на фазостворення на даному етапі незначний. Головну роль у цей момент відіграють атоми та іони азоту з атмосфери у вакуумній камері, які і створюють хімічні сполуки. Високоенергетичні іони азоту забезпечують лише дисоціацію газових молекул та молекул металу, а також інтенсифікацію дифузійних процесів на поверхні підкладки. Як для нітриду хрому, так і для нітриду ванадію характерним є формування на початковій стадії ГЦК структур (CrN_1-x та VN_1-x).

3. Виявлено, що структура сформованого Cr-N покриття являє собою нанокристалічний матеріал з розміром зерна 3-8 нм та вузькими міжзеренними границями. Електроопір таких композитів практично не відрізняється від опору порошкових матеріалів. Температурний коефіцієнт опору позитивний, але у 8-10 разів менший, ніж у “масивних” нітридів. Відпал Cr-N покриттів при 500^оС не призводить до видимої зміни структури та компонентного складу.

4. Структура V-N покриття являє собою нанокристалічний композит з розміром зерна 20-50 нм. Міжзеренні границі більш широкі, ніж у нітриду хрому. Трійні стики між зернами містять вакансійні чи азот - вакансійні пори розміром 3-6 нм. Загальна величина пористості – 10-20%. Електроопір таких композитів суттєво більший, ніж опір порошкових нітридів. Температурний коефіцієнт опору негативний. Його величина залежить від концентрації та розміру пор, які в свою чергу залежать від температури та співвідношення між іонною та атомарною компонентами у процесі осадження покриття. Відпал V-N покриття при 500^оС не призводить ні до структурних перетворень, ні до зміни електроопору. Таким чином було встановлено, що головним чинником, який впливає на електрофізичні характеристики нанокристалічних Cr-N та V-N покриттів є не розмір зерна, а структура границь зерен та рівень міжзеренної пористості.

5. Виявлено, що опромінення іонами азоту та гелію покриттів на базі хрому на початковому етапі призводить до заповнення вільних місць у неметалевій решітці. У подальшому, у випадку опромінення фонами азоту, при збільшенні дози опромінення має місце глобулювання структури композиту та створення великих (100-150 нм) областей з різними осями текстури. При опроміненні іонами гелію основна його частина дифундує до границь зерен і у сполуці з атомами азоту та вакансіями створює комплекси He-Nv, розмір та щільність яких визначають величину електроопору. При максимальних дозах опромінення має місце руйнування Cr-N покриття.

6. Проведені дослідження радіаційної пошкодженості покриттів з нітриду ванадію показали, що міжкристалічні пори та широкі границі у структурі даного композиту ефективно впливають на дефекти, а також на азот та гелій, що імплантуються. При високих дозах опромінення надлишковий газ концентрується у порах та на границях зерен і створює систему газ – вакансійних комплексів. Можливість легко дифундувати вздовж границь призводить до того, що надлишковий газ покидає покриття, не призводячи до його руйнування.

7. Виявлено, що використання у технології іонно-стимульованого осадження високо енергетичних газових іонів створює умови для інтенсивного перемішування матеріалу покриття з підкладкою. Причому ступінь перемішування залежить від наявності чи відсутності системи каналів. Тому ширина перехідної зони покриття – підкладка при осадженні V-N покриття більша, ніж у Cr-N покриття. Внутрішня пористість покриття з нітриду ванадію сприяє також більш рівномірному розподілу газових та нітридних компонент в покритті та підкладці.

8. Показано, що розроблений метод попередньої імплантації іонів азоту у підкладку до високих доз є ефективним інструментом додаткового підвищення ступеня перемішування покриття з підкладкою. Іонне опромінення до використаних доз призводить до створення високого рівня дефектності у вузький приповерхній зоні та сприяє формуванні у ній високих напружень. Релаксація цих напружень має місце у процесі нанесення покриття за рахунок радіаційно-стимульованої дифузії імплантованих атомів до ненасиченого стоку, яким є поверхня покриття.

9. Доведено, що поєднання технології іонно-стимульованого осадження з попередньою імплантацією газових іонів є дійовим методом нанесення композитних покриттів з високими адгезійними характеристиками. З іншого боку, осадження твердих покриттів в умовах іонного бомбардування на м`які підкладки призводить до зменшення їх твердості за рахунок інтенсивного перемішування з матеріалом підкладки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПІБЛІКОВАНІ У СЛІДУЮЧИХ РОБОТАХ:

1. Guglya A.G., Marchenko Yu. A., Petrenko S.A., Chebotarev. Synchronous monitoring of heavy-ion beams in injector of electrostatic accelerator // Приборы и техника эксперимента. -1992. -№3.-С.64-66.
2.Гугля А.Г., Ильенко Б.П., Марченко Ю.А., Неклюдов И.М. Комплекс установок для ионно-лучевой и ионно-стимулирующей обработок материалов//Вакуумная техника и технология. -1992.-Т.2. -№ 5,6.- С.46-49.

3. Гугля А.Г., Марченко Ю.А., Перун Н.В. Технология и оборудование высокоэнергетичной ионно-стимулированной обработки материалов
// Металловедение и термическая обработка материалов.- 1996. -№3.
- С. 29-30.

4. Гугля А., Марченко Ю., Силкин М., Стервоедов С. Система технологического контроля установки имплантационно-стимулированного осаждения покрытий и синтеза материалов // Вісник Харківського університету. Серія. Ядра, частинки, поля. – 2001. - №510. -С .94-98.

5. Гугля А., Силкин М., Стервоедов С., Фареник В. Установка для импульсной ионной и электронной обработки поверхности материалов. Вiсник Харкiвського унiверситету. Серія. Ядра, частинки, поля.- 2001.
- № 529.- С. 89-93.

6. Marchenko I., Guglya A.Сomputer simulation of transient layer chemical composition in Cr-N films obtained by ion beam assisted deposition // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2001. - Вып. 4(80). -С. 137-139.

7. Гугля А., Малыхин Д., Марченко И., Неклюдов И. Методические аспекты формирования двухкомпонентных материалов с использованием имплантационно-стимулирующей технологии // Металлофизика и новейшие технологии – 2002.- Т. 24.- № 9.- С. 1295-1304.

8. Марченко И., Гугля А., Неклюдов И. Компьютерное моделирование образования азотированных слоев в железе при высокодозовой ионной имплантации // Вісник Харківського університету. Серія. Ядра, частинки, поля – 2002.- Вип. 1(17).- № 548.- С. 48-52.

9. Василенко Р.Л., Гугля А.Г., Марченко И.Г., Марченко Ю.А.,
Неклюдов И.М. Влияние температуры и вакуумных условий на структуру
Cr-N покрытия, осаждаемого при стимулированном облучении ионами азота // Физика и химия обработки материалов. – 2003. -№ 6. - C. 34-39.

10. Bendikov V., Guglya A., Marchenko I., Malykhin D., Neklyudov I. Mechanisms of forming the Cr-N composite in the unsteady-state stage of ion beam-assisted deposition process // Vacuum. – 2003. - Vol.70. - Р. 331-337.

11. Guglya A., Marchenko I., Malykhin D., Neklyudov I. Production of Cr-N films by ion beam-assisted deposition technology: experiment and computer simulation // Surface & Coatings Technology.- 2003. - Vol. 163-164. - P. 286-292.

12. Guglya А., Virich V., Silkin M., Stervoyedov А. Distribution of interstitial impurities in chromium coating, obtained by ion beam assisted deposition
// Physical surface engineering – 2003. - Vol.1. - №1.- Р. 56-58.

13. Бондаренко В.Н., Гончаров А.В., Гугля А.Г., Карнаухов И.М.,
Марченко И.Г., Пистряк В.М., Сухоставец В.И. Применение методов ядерного микроанализа для исследования тонких CrN пленок, полученных ионно-имплантационным стимулированным осаждением // Вісник Харківського Національного Університету. Серія. Ядра, частинки, поля. -2003. - № 585. - Вип.1(21). - С. 93-97.

14. Guglya A., Marchenko I., Neklyudov I. Chromium film deposition stimulated by nitrogen ions implantation with energies up to 30 keV // Surface and Coating Technology. -2003. - №173-174. - Р. 1248-1252.

15. Вирич В.Д., Гугля А.Г., Шкуропатенко В.А. Использование вторично-ионной эмиссии для изучения процессов формирования покрытий Сr-N на алюминии // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2003. - Вып. 6(84). -С. 102-106.

16. Гончаров А.В., Гугля А.Г., Марченко И.Г., Неклюдов И.М. Исследование распределения азота в образцах, полученных ионно-стимулированным осаждением пленок Cr на алюминий при облучении ионами азота
// Физическая инженерия поверхности.- 2003. - Т.1. - № 3-4. - С.294-299.

17. Гугля О.Г., Неклюдов І.М., Слюсаренко Ю.В. Кінетика формування тонкоплівочних покриттів в умовах бомбардування важкими іонами // Український фізичний журнал. - 2005. -Т. 50. -№ 9. -С. 962 – 971.

18.Guglya A.G., Neklyudov I.M.,ShkuropatenkoV.А.,Vanzha O.F.,Virich V.D. Composition compound of Cr-N coating deposited on the aluminium preliminary irradiated with nitrogen ions // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005. - Вып. 3(86). -С. 171-175.

19. Goncharov A.V., Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M. Investigation of nitrogen distribution in samples produced by ion-induced deposition of Cr films on aluminum under nitrogen ions bombardment //Vacuum. -2004. - Vol.76. - № 2-3. - Р. 299-302.

20. Вирич В. Д., Гугля А. Г., Литвиненко М. Л., Перун Н. В., Шкуропатенко В. А. О влиянии предварительной ионной бомбардировки на структуру переходной зоны покрытие-подложка // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005. - Вып. 3(86). - С. 155-159.

21. Гугля А.Г., Неклюдов И.М. Покрытия на базе нитрида хрома. Опыт создания и исследования. Обзор // Успехи физики металлов.- 2006. -Т.6.
- С. 1001 – 1055.

22. Гугля А.Г. Электрофизические и структурно-фазовые характеристики тонкопленочных композитов Cr-N и V-N // Вісник Харківського Національного Університету. Серія. Ядра, частинки, поля. – 2005. - № 664. - Вип. №2(27). - С. 73-78.

23. Василенко Р., Гугля А., Литвиненко М. Радиационная повреждаемость нанокристаллических CrN покрытий // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2005. - Вып. 5(88). - С. 201-204.

24. Guglya A., Litvinenko M., Marchenko Y., Vasilenko R. Formation of thin film Cr-N composites under ion bombardment at low rates of chromium deposition. Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2006. - Вып. 4(89). - С. 143-146.

25. Деклараційний патент на корисну модель, UA 3951 U. Способ нанесения покрытий на изделия из металлов и сплавов: Деклараційний патент на корисну модель, UA 3951 U. Вирич В.Д., Гугля А.Г., Марченко Ю.А., Шкуропатенко В. А.; Заявл. 06.04.04; Опубл. 15.12.04; Бюл. „Промислова власність”. № 12 від 15.12.04.

26. Гугля А.Г., Марченко Ю.А., Хоренко В.К. Модификация поверхности материалов посредством ионно-лучевого воздействия и молекулярной эпитаксии: Препр. / Харьковский физико-технический институт; -Х.: 1992.
- 41 с.

27. Гугля А.Г., Марченко Ю.А., Перун Н.В.Установка для высокоэнергетичной ионно-стимулированной обработки материалов “Арго-1” // Труды 3-й конф. “Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц”. - Том 1. – Томск: - 1994.
- C. 53-55.

28. Гугля А., Неклюдов И., Марченко И., Камышанченко Н. Ионно-имплантационная стимулирующая технология и наноразмерные материалы. Методика получения и исследования // Материалы 9-й Межгосударственной конф. “Радиационная повреждаемость и конструкционная способность материалов”. -Том 2. – Белгород: - 2001.
- С.37-42.

29. Ванжа А.Ф., Гугля А.Г., Рыбальченко Н.Д. Определение микротвердости и адгезии металлических покритий, полученных с использованием метода имплантационно-стимулирующей технологии// Труды 16–й Межд. конф. “Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение”. –Алушта. -2004. -С. 324-325.

30. Бендиков В.И., Гугля А.Г., Марченко И.Г., Малыхин Д.Г., Неклюдов И.М. Исследование особенностей формирования Cr-N композита на нестационарной стадии имплантационно-стимулированнолго процесса // Труды 15–й Международной конф. “Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение”.- Алушта: - 2002. - C. 282-283.

31. Bendikov V., Guglya A., Marchenko I., Malykhin D., Neklyudov I. The mechanisms of forming the Cr-N composites at unsteady-state stage of the ion beam assisted deposition process // Abst. 4 International symp. “Ion implantation and other application of ions and electrons”. - Kazimierz Dolny (Poland). - 2002.
- P. 119.

32. Guglya A., Marchenko I., Neklyudov I. Chromium film deposition stimulated by nitrogen ions implantation with energies up to 30 keV // Abst. Eighth International conf. “Plasma surface engineering”. - Garmisch-Partenkirchen (Germany). – 2002. - P. 476.

33. Василенко Р.Л., Гугля А.Г., Литвиненко М.Л., Марченко Ю.А. Особенности структуры и фазового состава Cr-N покрытия, осаждающегося в условиях высокоэнергетичного облучения ионами азота // Труды 15-го Міжнародного симпозіуму “Тонкие пленки в оптике и электронике”. – Харків. - 2003. –С.208-213.

34. Guglya A.G., Litvinenko M.L., Neklyudov I.M., Virich V.D. Ion bombardment effect on the compound and extent of the mixture between a Cr-N coating and an aluminium substrate // Abst. 13-th international school “Vacuum, electron and ion technologies”. -Varna (Bulgaria). – 2003. -P. 29.

35. Goncharov A.V., Guglya A.G., Marchenko I.G., Neklyudov I.M., Virich V.D. The nitrogen distribution in specimens received by ion beam assisted deposition method Cr-N films on Al substrate //Abst. 13-th international school “Vacuum, electron and ion technologies”. – Varna (Bulgaria). – 2003. - P. 68.

36. Василенко Р.Л., Гугля А.Г., Литвиненко М.Л., Марченко Ю.А. Закономерности фазообразования в пленках хрома, осаждаемых при облучении ионами азота средних энергий // Труди ІХ Міжнародної конф. “Фізика і технологія тонких плівок”. - Івано-Франківськ. – 2003.- С. 39-40.

37. Guglya A., Litvinenko M., Vasilenko R. First stages of chromium coating formation under irradiation with high-energy nitrogen ions // Abst. 16 International vacuum congress. – Venice (Italy). - 2004. –P.775.

38. Guglya A.G., Shkuropatenko V.А., Virich V.D. Composition compound of Cr-N coating deposited on the aluminium preliminary irradiated with nitrogen ions // Abst. 16 International vacuum congress. - Venice (Italy).- 2004. – P.774.

39. Гугля А.Г., Неклюдов И.М., Слюсаренко Ю.В. О модельном описании эволюции тонкопленочных покрытий в условиях бомбардировки тяжелыми ионами // Труды 16-й Международной конф. “Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение”. – Алушта. - 2004. - С. 318-319.