Формирование субмикронной конусообразной морфологии поверхности нанометровых пленок сплава Al–Fe при различных условиях ионно-ассистированного осаждения на стекло

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследованы морфология, топография и смачивание дистиллированной водой пленок сплава Al–1.5 ат. % Fe толщиной 25–90 нм, формируемых на стекле ионно-ассистированным осаждением с использованием резонансного ионного источника вакуумной электродуговой плазмы. Методом сканирующей зондовой микроскопии показано, что в зависимости от режима и времени осаждения изменяются продольные и поперечные параметры шероховатости, а также параметры – безразмерные комплексы, измерение которых позволило количественно описать процессы конусообразования в системе сплав Al–Fe/стекло. Среднеарифметическая шероховатость пленок растет с длительностью осаждения в интервале 20–40 нм. В условиях самооблучения обнаружен переход от островкового роста пленок к послойному. Установлено влияние рельефа подложки на продольные шаговые параметры топографии пленок. Размер и поверхностная плотность частиц микрокапельной фракции изучены методом растровой электронной микроскопии. Частотные распределения микрокапельной фракции по размерам удовлетворительно аппроксимируются логнормальным распределением. В режиме облучения собственными ионами размер 60–70% микрочастиц составляет до 0.8 мкм. Впервые для аппроксимации гистограмм распределения локальных максимумов и минимумов рельефа пленок использована двойная функция Гаусса, что позволило повысить точность описания по сравнению с нормальным законом. Показана эффективность этого подхода при анализе структурообразования нанометровых пленок на различных стадиях роста. С привлечением модели бигауссовой поверхности определена роль топографических характеристик при управлении смачиванием модифицированных покрытий. Обсуждается механизм гетерогенного смачивания гидрофильных пленок в состоянии Касси с краевыми углами контакта в интервале 50°–80°. В потенциальном режиме при увеличении продолжительности нанесения до 10 ч распределение рельефа пленок близко к нормальному закону, и формирование на поверхности развитой субмикронной конусообразной морфологии приводит к смешанному смачиванию.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. И. Ташлыкова

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Автор, ответственный за переписку.
Email: iya.itb@bsuir.by
Белоруссия, 220013, Минск

Список литературы

  1. Macleod H.A. // Optical Thin Films and Coatings / Eds. Piegari A., Flory F. Cambridge: Woodhead Publishing Ltd., 2018. P. 3. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102073-9.00001-1
  2. Mbam S.O., Nwonu S.E., Orelaja O.A., Nwigwe U.S., Gou X.-F. // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. № 12. P. 122001. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab52cd
  3. Холодкова Н.В., Холодков И.В. // Электронная обработка материалов. 2016. Т. 52. № 5. С. 75.
  4. McEvoy A.J., Castaner L., Markvart T. Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. Academic press: Amsterdam, 2013. 600 p.
  5. Rau U., Schock H.W. // Clean Electricity from Photovoltaics. V. 1. / Eds. Archer M.D, Hill R. Singapore: Imperial College Press, 2001. P. 277. https://doi.org/10.1142/p139
  6. Иешкин А.Е., Черныш В.С., Киреев Д.С., Сенату- лин Б.Р., Скрылева Е.А. // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49. Вып. 11. C. 34. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.11.55536.19447
  7. Комаров Ф.Ф., Борздов В.М., Комаров А.Ф., Жев-няк О.Г., Галенчик В.О., Миронов A.М. // Выбраныя навуковыя працы Беларускага дзяржаўнага універсітэта: Т. 4. Фізіка / Рэд. Анішчык В.М. Мн.: БДУ, 2001. С. 550.
  8. Афанасьева Л.Е., Измайлов В.В., Новоселова М.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 5. С. 68. https://doi.org/10.31857/S1028096021050022
  9. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Столяр И.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 3. С. 23. https://doi.org/10.31857/S1028096021050022
  10. Исламова А.Г., Феоктистов Д.В., Орлова Е.Г. // Вестн. Тюмен. гос. ун-та. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2021. Т. 7. № 1 (25). С. 60. https://doi.org/10.21684/2411-7978-2021-7-1-60-78
  11. Pinomaa T., Laukkanen A., Provatas N. // MRS Bull. 2020. V. 45. P. 910. https://doi.org/10.1557/mrs.2020.274
  12. Лунин Л.С., Девицкий О.В., Сысоев И.А., Пащенко А.С., Касьянов И.В., Никулин Д.А., Ирха В.А. // Письма в журн. тех. физики. 2019. Т. 45. Вып. 24. С. 21. https://doi.org/10.21883/PJTF.2019.24.48797.18006
  13. Itoh T. Ion Beam Assisted Film Growth. Netherlands: Elsevier, 2012. 438 p.
  14. Шугуров А.Р., Панин А.В. // Журн. тех. физики. 2020. Т. 90. Вып. 12. С. 1971. https://doi.org/10.21883/JTF.2020.12.50417.38-20
  15. Комаров А.Ф. // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер. 1. Физика. Математика. Информатика. 2004. № 2. С. 23.
  16. Ковивчак В.С., Панова Т.В., Бурлаков Р.Б., Князев Е.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2015. № 10. С. 94. https://doi.org/10.7868/S0207352815100133
  17. Антонец И.В., Голубев Е.А., Щеглов В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 6. C. 85. https://doi.org/10.31857/S1028096021060030
  18. Измайлов В.В., Афанасьева Л.Е., Новоселова М.В. // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования: межвуз. сб. науч. тр. / Ред. Измайлов В.В. Вып. 13. Тверь: ТГТУ, 2020. № 13. С. 4.
  19. Афанасьева Л.Е., Измайлов В.В., Новоселова М.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 5. С. 68. https://doi.org/10.31857/S1028096021050022
  20. Измайлов В.В., Новоселова М.В. // Вестн. Твер. гос. тех. ун-та. Сер. Тех. науки. 2020. № 3 (7). С. 5. https://doi.org/0.46573/2658-5030-2020-3-5-13
  21. Lu B., Li N. // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 326. P. 168. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.11.138
  22. Григорьев А.Я. Физика и микрогеометрия технических поверхностей. Минск: Беларуская навука, 2016. 247 с.
  23. Kubiak K.J., Wilson M.C.T., Mathia T.G., Carval P. // Wear. 2011. V. 271. № 3–4. P. 523. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.03.029
  24. Tashlykov I.S., Kasperovich A.V., Wolf G. // Surf. Coat. Technol. 2002. V. 158–159. P. 498. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00287-6
  25. Kirschner J., Engelhard H., Hartung D. // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73. № 11. P. 3853. https://doi.org/10.1063/1.1511791
  26. Gailliard J.P. // Surface Engineering. Dordrecht: Springer, 1984. P. 32. https://doi.org/10.1007/978-94-009-6216-3_2
  27. Экслер Л.И. Метрологические и технологические исследования качества поверхности. Рига: Зинатне, 1976. С. 37.
  28. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Мойсейчик Е.С., Лобач Р.Д., Суходольский Д.В. // Материалы и структуры современной электроники: материалы VIII Междунар. науч. конф. Минск, 2018. С. 111.
  29. Патент РБ № 2324. Способ нанесения покрытий. / Ташлыков И.С., Белый И.М. // Офиц. бюл. гос. пат. Ведомства Республики Беларусь, 1999. № 1. C. 30.
  30. Пранявичюс Л., Дудонис Ю. Модификация свойств твердых тел ионными пучками. Вильнюс: Моклас, 1980. 242 с.
  31. Cheng T., Auner G.W., Alkaisi M.N. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 509. https://doi.org/10.1016/0927-796X(94)90005-1
  32. Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводннковых приборах. М.: Атомиздат, 1969. 310 с.
  33. Физические процессы в облученных полупроводниках / Ред. Смирнов Л.С. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1977. 256 с.
  34. Thompson D.A. // Radiat. Effects. 1981. V. 56. № 3–4. P. 105. https://doi.org/10.1080/00337578108229885
  35. Brown I.G., Feinberg B., Galvin J.E. // J. Appl. Phys. 1988. V. 63. № 10. P. 4889. https://doi.org/10.1063/1.340429
  36. Sigmund P. // Appl. Phys. Lett. 1974. V. 25. № 3. P. 169. https://doi.org/10.1063/1.1655425
  37. Кинчин Г.Х., Пиз Р.С. // УФН. 1956. Т. 30. С. 590. http://microtm.com/sx/sxr.htm
  38. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 272 с.
  39. Raposo M., Ferreira Q., Ribeiro P.A. // Modern Res. Educational Topics Microscopy. 2007. V. 1. P. 758.
  40. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Яковенко Ю.С., Шепелевич В.Г., Ташлыков И.С. // Физика и химия обработки материалов. 2016. № 3. С. 65.
  41. Pawlus P., Reizer R., Wieczorowski M. // Tribol. Int. 2020. V. 152. P. 106530. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106530
  42. Hu S., Brunetiere N., Huang W., Liu X., Wang Y. // Tribol. Int. 2017. V. 110. P. 185. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.01.029
  43. Hu S., Reddyhoff T., Puhan D., Vladescu S.C., Huang W., Shi X., Dini D., Peng Z. // Langmuir. 2019. V. 35. № 17. P. 5967. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b00107
  44. Наследов А. IBM SPSS Statistics 20 и AMOS: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2013. 416 с.
  45. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Кудрявцева Е.Е., Кунченко В.В., Падалка В.Г., Хороших В.М. // Журн. тех. физики. 1984. Т. 54. Вып. 8. С. 1530.
  46. Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Bumagina A.I. // Mater. Manuf. Processes. 2015. V. 30. P. 1471. https://doi.org/10.1080/10426914.2015.1019094
  47. Завидовский И.А., Хайдаров А.А., Стрелецкий О.А. // Физика твердого тела. 2022. Т. 64. Вып. 12. С. 2075.
  48. Volmer M., Weber Α. // Z. Phys. Chem. 1926. V. 119. № 1. P. 277. https://doi.org/10.1515/zpch-1926-11927
  49. Афросимов В.В., Ильин Р.Н., Карманенко С.Ф., Сахаров В.И., Серенков И.Т. // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 6. С. 1070.
  50. Frank F.C., van der Merwe J.H. // Proc. Roy. Soc. London. A. 1949. V. 198. № 1053. P. 205. https://doi.org/10.1098/rspa.1949.0095
  51. Frank F.C., Van der Merwe J.H. // Proc. Roy. Soc. London. A. 1949. V. 198. № 1053. P. 216. https://doi.org/10.1098/rspa.1949.0096
  52. Михалкович О.М., Ташлыкова-Бушкевич И.И., Яковенко Ю.С., Куликаускас В.С., Барайшук С.М., Бобрович О.Г., Ташлыков И.С. // Взаимодействие излучений с твердым телом: матер. 11-й Междунар. конф. Минск, 2015. С. 248.
  53. Барайшук С.М., Туравец А.И., Долгий В.К. // Эпоха науки. 2020. № 23. С. 181. https://doi.org/10.24411/2409-3203-2020-12344
  54. Tashlykov I., Mikhalkovich O., Zukowski P. // Przeglad Elektrotechniczny. 2016. V. 92. № 11. P. 229.
  55. Колокольцев В.Н., Куликаускас В.С., Бондаренко Г.Г., Ерискин А.А., Никулин В.Я., Силин П.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2017. № 1. С. 41. https://doi.org/10.7868/S0207352817010139
  56. Бобрович О.Г., Ташлыков И.С., Тульев В.В., Барайшук С.М. // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 1. С. 54.
  57. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Шепелевич В.Г., Амати М., Грегоратти Л., Кискинова М. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2020. № 1. С. 81. https://doi.org/10.31857/S1028096020010197
  58. Руднев В.С., Лысенко А.Е., Устинов А.Ю. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т. 45. №. 5. С. 546.
  59. Baxter S., Cassie A.B.D. // J. Text. Inst. Trans. 1945. V. 36. P. T67. https://doi.org/10.1080/19447024508659707
  60. Hu S., Vladescu S.C., Puhan D., Huang W., Shi X., Peng Z. // Surf. Coat. Technol. 2019. V. 367. P. 271. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.04.015
  61. Wenzel R.N. // Ind. Eng. Chem. 1936. V. 28. № 8. P. 988. https://doi.org/10.1021/ie50320a024
  62. Yen T.H., Soong C.Y. // Phys. Rev. E. 2016. V. 93. № 2. P. 022805. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.022805
  63. Rohrs C., Azimi A., He P. // Langmuir. 2019. V. 35. № 47. P. 15421. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03002

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. АСМ-изображения нанорельефа поверхности тонких пленок сплава Al–1.5 ат. % Fe на стекле, полученных в режимах пассивного (а, б) и ионно-ассистируемого при U = 3 кВ осаждения (в, г) в течение 3 (а), 6 (б, в) и 10 ч (г), с соответствующими гистограммами распределения высот/впадин нанорельефа поверхностей, аппроксимированными распределением Гаусса.

Скачать (386KB)
Метаданные
3. Рис 2. Корреляция между топографическими параметрами, смачиваемостью и условиями пассивного (сплошные символы) и ионно-ассистируемого (пустые символы и штриховка) осаждения тонких пленок сплава Al–1.5 ат. % Fe на стеклянную подложку, зависимость: а – среднеарифметической шероховатости Ra от времени осаждения покрытий; б – островершинности Rku от асимметричности Rsk профиля; в – краевого угла смачивания θ и гибридного коэффициента k от среднеарифметической шероховатости пленок. Показана форма капель дистиллированной воды на поверхности пленок. Эмпирические значения коэффициентов уравнения y = ax + b и COD (R2) при аппроксимации данных: a = 2.38 ± 1.05, b = 11.58 ± 7.1, COD = 0.72 (а); a = 9.95 ± 0.40, b = –9.60 ± 1.15, COD = 1.0 (б).

Скачать (125KB)
Метаданные
4. Рис. 3. К анализу АСМ-изображений тонких пленок сплава Al–1.5 ат. % Fe, осажденных на стекло: профиль поперечного сечения нанорельефа вдоль линии сканирования на рис. 1в (а); аналитически рассчитанные гистограммы распределения высот/впадин нанорельефа для профиля поперечного сечения (б) и всей поверхности пленки (в) на рис. 1в. Значения Ra, измеренные аналитически, а также значения σ, σ1/σ2: б – 14.92 нм, 28.89, 1:4.2; в – 21.92 нм, 29.80, 1:2.5.

Скачать (110KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Типичные РЭМ-изображения поверхности тонких пленок сплава Al–1.5 ат. % Fe на стекле, полученных в режимах пассивного (а, б) и ионно-ассистируемого при U = 3 кВ осаждения (в, г) в течение 3 (а), 6 (б, в) и 10 ч (г), с соответствующими гистограммами распределения микрочастиц капельной фракции по размерам, аппроксимированными логнормальным распределением.

Скачать (360KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнение экспериментальных гистограмм распределения высот/впадин нанорельефа поверхности тонких пленок сплава Al–1.5 ат. % Fe на стекле, полученных в режимах пассивного (а, б) и ионно-ассистируемого при U = 3 кВ осаждения (в, г) в течение 3 (а), 6 (б, в) и 10 ч (г), с аппроксимирующими кривыми двойной функции Гаусса с общим центральным значением (штрихпунктир).

Скачать (114KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Модель бигауссовой поверхности пленки на твердой (диэлектрической) подложке, смачивание которой идет по механизму Касси–Бакстера: а – схема, иллюстрирующая суперпозицию компонент профиля поверхности и их вклад в общую топографию (кривые 1 и 2 моделируют нижнюю и верхнюю гауссианы топографического нанорельефа); б – типичная опорная кривая профиля поверхности.

Скачать (130KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».