 |
Cтруктуры материалов с ионно-плазменными покрытиями.
|
|
|
|
Ответ:
Структура покрытия определяется факторами, влияющими на подвижность осажденных атомов и плотность ловушек на поверхности. Ловушками мигрирующих атомов являются активные центры на поверхности.
Микроструктура покрытия получается столбчатой и зависит от температуры подложки и давления аргона. Чем выше температура, гем толще и плотнее столбцы. Чем выше давление, тем менее соединены столбцы и менее плотны покрытия.
Загрязнение покрытий атомами аргона можно снизить путем нагрева или ионной бомбардировкой растущего покрытия. Ионы в первую очередь распыляют газовые атомы, адсорбированные покрытием во время его образования. Кроме обезгажи- вания, ионная бомбардировка ещё служит для повышения плотности распыленных покрытий, т.к. увеличивается подвижность поверхностных атомов покрытия.
Модель столбчатого роста покрытий показывает, что при некоторых условиях можно получить пористые покрытия (при высоком давлении и низкой температуре). Если давление повышенное, то благодаря самостоятельному росту очагов между ними появляются стыки или пустоты, образуется пористое покрытие. При повышении температуры подложки подвижность атомов увеличивается, и очаги легче соединяются между собой, что уменьшает пористость.
На величину пористости покрытия влияет образование так называемых отверстий или проколов, происходящих от присутствия микропыли на подложке. Микропыль, отделившись от подложки после нанесения или во время нанесения, оставляет после себя отверстия. Пыль внутри рабочей камеры появляется либо из производственного помещения, либо из самой камеры. Для уменьшения количества пыли необходимо проводить работы в «чистом помещении», категория чистоты которого определяется по количеству пылинок на единицу объема, а также периодически производить очистку рабочей камеры.
|
|
|
Образование проколов может быть связано с внутренними напряжениями в покрытиях, образовавшихся в процессе нанесения. Эти напряжения механического происхождения сосредотачиваются на поверхности подложки (в углах, ступеньках, шероховатостях). Если сила напряжения больше силы сцепления, то покрытие покрывается пузырями и трещинами. Для исключения этого фактора необходимо избегать острых углов, ступенек и по возможности нагревать поверхность, чтобы ослабить напряжения и улучшить сцепление. Чем больше шероховатости на поверхности подложки, тем хуже сцепление тонких покрытий.
Формирование покрытий в процессе ионно-плазменного нанесения из-за высокого рабочего давления, неопределенности энергии ионов и распыленных частиц, происходит в сложных условиях.
Одним из преимуществ ионно-плазменного нанесения по сравнению с нанесением покрытий термическим выпариванием является высокая энергия распыленных частиц -0,1... 100 э5, что соответствует температуре выпаривания более 10000 °С. При термическом выпаривании энергия атомов определяется температурой испарения материала и составляет 0,1...0,3 эВ.
Энергия распыленных частиц достаточна, чтобы на подложке вызвать десорбцию слабо адсорбированных газов, т.е. обезгазить поверхность подложки. Незначительная часть распыленных частиц обладает высокой энергией ~ 50...100 э/в. Они способны создать на подложке центры образования зародышей, равномерно распределенных по поверхности, что в свою очередь обеспечивает высокую плотность покрытий с хорошей адгезией.
Другая важная особенность ионно-плазменного нанесения - возможность получения композиционных материалов из слоистых покрытий, что практически трудно получать термическим выпариванием из-за различия давления паров распыляемых компонентов.
|
|
|
Таким образом, процесс ионно-плазменного нанесения весьма перспективный и позволяет получать покрытия:
· - с высокой адгезией;
· - без изменения стехиометрического состава, если температура мишени и подложки остаются достаточно низкими;
· - тугоплавких материалов, а также неплавящихся материалов;
· - с заданным свойствами, а также контролировать и управлять их стехиометрией, за счет регулирования состава энергетических ионов и газовой среды во время нанесения;
· - при предварительной очистке подложки и после окончания процесса нанесения.
Недостатками ионно-плазменного метода нанесения покрытий являются:
· - низкая скорость нанесения, что возможно преодолеть при использовании магнетронных распылительных систем;
· - большее количество загрязнений другими химическими элементами в покрытии по сравнению с вакуумным термическим выпариванием, из-за необходимости поддержания более высоких давлений рабочего газа.
Физические методы получения наноматериалов
Ответ:
Физические методы
Способы испарения (конденсации), или газофазный синтез получения нанопорошков металлов, основаны на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе с контролируемой температурой и атмосферой. Фазовые переходы пар- жидкость - твердое тело или пар - твердое тело происходят в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложке или стенок.
Сущность метода состоит в том, что исходное вещество испаряется путем интенсивного нагрева, с помощью газаносителя подается в реакционное пространство, где резко охлаждается. Нагрев испаряемого вещества осуществляется с помощью плазмы, лазера, электрической дуги, печей сопротивления, индукционным способом, пропусканием электрического тока через проволоку. Возможно также бестигельное испарение. В зависимости от вида исходных материалов и получаемого продукта, испарение и конденсацию проводят в вакууме, в инертном газе, в потоке газа или плазмы. Размер и форма частиц зависит от температуры процесса, состава атмосферы и давления в реакционном пространстве. В атмосфере гелия частицы будут иметь меньший размер, чем в атмосфере аргона - более плотного газа. Таким методом получают порошки Ni, Mo, Fe, Ti, Al. Размер частиц при этом – десятки нанометров.
|
|
|
Способ получения наноматериалов путем электрического взрыва проволоки металла, из которой намечается получение нанопорошка, диаметром от 0,1 до 1,0 мм.
Физические методы основаны на процессе испарения – конденсации в вакууме, в среде разреженного газа, либо в плазменной струе. Размер частиц составляет примерно 0,1 мкм. При конденсации пара порошок образуется путем молекулярного формирования частиц в твердой фазе, при чем его свойства зависят от условий процесса. Наиболее перспективными считаются высокоэнергетический электронно-лучевойи лазерный вариант нагрева пробы. Размер образующихся при этом частиц не превышает 0,05 мкм. При распылении металлов в индуктивно-связанной плазме с температурой выше 5000 К получают порошки с размером части 0,01-0,03мкм. Однако материалы, полученные таким способом, отличаются различной модификацией (отличной от тетрагональной).
Достоинство: высокопроизводительные методы.
Недостатки: процессы требуют сложного оборудования, а порошки имеют относительно широкое распределение частиц по размерам и содержат большое количество газообразных веществ. Это может привести к невоспроизводимости процессов получения керамических материалов и сложности управления их микроструктурой.
Ионно–плазменные методы применяются для получения беспористых нанокристалических материалов (аморфные сплавы и нанокристаллические материалы). В качестве рабочего газа используется аргон высокой чистоты при рабочем давлении в камере 0,66-1Па. Расстояние мишень-подложка-3-4см, что соответствует при данном давлении длине свободного пробега атомов аргона. Для распыления можно использовать два вида мишеней: сплавные и составные. В качестве подложек служат пластины кремния, алюминия, стекла, ситалла, которые располагаются на медном поддоне с регулируемой температурой. Температура, при которой на подложке формируются НКМ, определяется экспериментально. Она зависит от химического состава распыляемого материала и может варьироваться в широких пределах. Образцы получают в виде фольги с толщиной от 1 до 100 мкм с плотностью равной плотности распыляемого материала.
|
|
|
Метод управляемой рекристаллизации из твердого аморфного состояния.
К сожалению, у большинства аморфных сплавов скорость кристаллизации очень высока (близка к скорости звука). Для того чтобы управлять процессом зарождения и роста кристаллов в состав сплава вводят медь и ниобий (1-3%).Таким образом аморфный сплав был переведен в нанокристалическое состояние путем отжига аморфной ленты в течение часа при 803 К. Либо используется серия кратковременных отжигов (1 мин) в условиях нагрева со скоростью 200 К/мин в диапазоне 7001070 К и последующее охлаждение. При таких условиях получали НКМ с нулевой пористостью.
|
|
|
