Effect of grain size and texture of polycrystalline tungsten on ion-beam sputtering

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of grain size and texture of polycrystalline tungsten on the sputtering yield and surface morphology under high-dose irradiation with 30 keV Ar+ ions has been studied. Samples with an average grain size from 300 nm to 7 μm, without texture and with a [001] texture have been used in the experiment. It is shown that the ion-induced surface morphology strongly depends on the grain size and irradiation fluence. The grain size has little (less than 10%) effect on the sputtering yield, while the texture can reduce the sputtering yield by a factor of two. An experiment with varying the angle has shown that the channeling effect is the reason for the two-fold decrease in the sputtering yield for textured samples. The influence of the surface relief on the sputtering yield has been analyzed. An expression taking into account atomic redeposition and ion reflection is proposed to predict the sputtering yield of a surface with ion-induced relief.

About the authors

R. K. Khisamov

Institute for Metals Superplasticity Problems RAS

Email: r.khisamov@mail.ru
Ufa, 450001 Russia

N. N. Andrianova

Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State University; Moscow Aviation Institute

Moscow, 119991 Russia; Moscow, 125993 Russia

A. M. Borisov

Institute for Metals Superplasticity Problems RAS; Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State University; Moscow Aviation Institute

Ufa, 450001 Russia; Moscow, 119991 Russia; Moscow, 125993 Russia

M. A. Ovchinnikov

Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State University

Moscow, 119991 Russia

R. R. Mulyukov

Institute for Metals Superplasticity Problems RAS

Ufa, 450001 Russia

References

  1. Guseva M.I., Martynenko Yu.V. // Sov. Phys. Usp. 1981. V. 24. P. 996. https://doi.org/10.1070/PU1981v024n12ABEH004758
  2. Martynenko Yu.V., Nagel M.Yu. // Plasma Phys. Rep. 2012. V. 38. P. 996. https://doi.org/10.1134/S1063780X12110074
  3. Kajita S., Kawaguchi S., Ohno N., Yoshida N. // Sci. Rep. 2018. V. 8. Р. 56. https://doi.org/10.1038/s41598-017-18476-7
  4. Harutyunyan Z.R., Ogorodnikova O.V., Aksenova A.S., Gasparyan Yu.M., Efimov V.S., Kharkov M.M., Kaziev A.V., Volkov N.V. // J. Surf. Invest: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2020. V. 14. № 6. P 1248. https://doi.org/10.1134/S1027451020060245
  5. Budaev V.P., Fedorovich S.D., Dedov A.V., Karpov A.V., Martynenko Yu.V., Kavyrshin D.I., Gubkin M.K., Lukashevsky M.V., Lazukin A.V., Zakharenkov A.V., Sliva A.P., Marchenkov A.Yu., Budaeva M.V., Tran Q.V., Rogozin K.A., Konkov A.A., Vasilyev G.B., Burmistrov D.A., Belousov S.V. // Plasma Discharge. Fusion Sci. Technol. 2023. V. 79. Iss. 4. P. 404. https://doi.org/10.1080/15361055.2022.2118471
  6. Efe M., El-Atwani O., Guo Y, Klenosky D.R. // Scr. Mater. 2014. V. 70. P. 31. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2013.08.013
  7. El-Atwani O., Hattar K., Hinks J.A., Greaves G., Harilal S.S., Hassanein A. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 458. P. 216. http://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.12.095
  8. Chen Z., Niu L-L., Wang Z., Tian L., Kecskes L, Zhu K., Wei Q. // Acta Mater. 2018. V. 147. P. 100. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.01.015
  9. Wu Y-C., Hou Q-Q., Luo L-M., Zan X., Zhu X-Y., Li P., Xu Q., Cheng J-G., Luo G-N., Chen J-L. // J. Alloys Compd. 2019. V. 779. P. 926. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.279
  10. El-Atwani O., Cunningham W.S., Perez D., Martinez E., Trelewicz J.R., Li M., Maloy S.A. // Scr. Mater. 2020. V. 180. P. 6. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.01.013
  11. Qian W., Wei R., Zhang M., Chen P., Wang L., Liu X., Chen J., Ni W., Zheng P. // Mater. Lett. 2022. V. 308. P. 130921. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130921
  12. Wurmshuber M., Doppermann S., Wurster S., Jakob S., Balooch M., Alfreider M., Schmuck K., Bodlos R., Romaner L., Hosemann P., Clemens H., Maier-Kiener V., Kiener D. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2023. V. 111. P. 106125. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106125
  13. Michaluk C.A. // J. Electron. Mater. 2002. V. 31. P. 2. https://doi.org/10.1007/s11664-002-0165-9
  14. Voitsenya V.S., Balden M., Bardamid A.F., Bondarenko V.N., Davis J.W., Konovalov V.G., Ryzhkov I.V., Skoryk O.O., Solodovchenko S.I., Zhang-jian Z. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2013. V. 302. P. 32. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.03.005
  15. Yang W., Zhao G., Wang Y., Wang S., Zhan S., Wang D., Bao M., Tang B., Yao L., Wang X. // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2021. V. 32. P. 26181. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06645-4
  16. Andrianova N.N., Borisov A.M., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.Kh., Mulyukov R.R. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2024. V. 18. P. 305. https://doi.org/10.1134/S1027451024020046
  17. Andrianova N.N., Borisov A.M., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.Kh, Mulyukov R.R. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2024. V. 88. P. 478. https://doi.org/10.1134/S1062873823706141
  18. Mulyukov R.R. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2006. V. 24. P. 1061. https://doi.org/10.1116/1.2174024
  19. Zhang Y., Ganeev A.V., Wang J.T., Liu J.Q., Alexandrov I.V. // Mater. Sci. Eng. A. 2009. V. 503. P. 37. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.07.074
  20. Németh A.A.N., Reiser J., Armstrong D.E.J., Rieth M. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2015. V. 50. P. 9. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2014.11.005
  21. Bonnekoh C., Lied P., Pantleon W., Karcher T., Leiste H., Hoffmann A., Reiser J., Rieth M. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2020. V. 93. P. 105347. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105347
  22. Oh Y., Ko W.-S., Kwak N., Jang J., Ohmura T., Han H.N. // J. Mater. Sci. Technol. 2022. V. 105. P. 242. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.07.024
  23. Khisamov R.Kh., Andrianova A.A., Borisov A.M., Ovchinnikov M.A., Timiryaev R.R., Musabirov I.I., Mulyukov R.R. // Phys. At. Nucl. 2023. V. 86. № 10. P. 2198. https://doi.org/10.1134/S1063778823100228
  24. Markushev M.V., Avtokratova E.V., Krymskiy S.V., Tereshkin V.V., Sitdikov O.Sh. // Lett. Mater. 2022. V. 12. Iss. 4s. P. 463. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2022-4-463-468
  25. Yusupova N.R., Krylova K.A., Mulyukov R.R. // Lett. Mater. 2023. V. 13. Iss. 3. P. 255. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2023-3-255-259
  26. Mulyukov R.R., Khisamov R.Kh., Borisov A.M., Baimiev A.Kh., Ovchinnikov M.A., Timiryaev R.R., Vladimirova A.A. // Lett. Mater. 2023. V. 13. Iss. 4. P. 373. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2023-4-373-376
  27. Xue K., Guo Y., Zhou Y., Xu B., Li P. // Int. J. Refr. Met. Hard Mater. 2021. V. 94. P. 105377. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105377
  28. Mashkova E.S., Molchanov V.A. Medium-Energy Ion Reflection from Solids. Amsterdam: North-Holland, 1985. 444 p.
  29. Ziegler J.F., Biersack J.P. SRIM, 2013. http://www.srim.org
  30. Sun M., Ding C., Xu J., Shan D., Guo B., Langdon T.G. // Crystals. 2023. V. 13. P. 887. https://doi.org/10.3390/cryst13060887
  31. Bradley R.M., Harper J.M.E. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1988. V. 6. P. 2390. https://doi.org/10.1116/1.575561
  32. Chan W.L., Chason E. // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 121301. https://doi.org/10.1063/1.2749198
  33. Littmark U., Hofer W.O. // J. Mater. Sci. 1978. V. 13. P. 2577. https://doi.org/10.1007/BF00552687
  34. Kustner M., Eckstein W., Dose V., Roth J. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1998. V. 145. P. 320. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(98)00399-1
  35. Makeev M.A., Barabasi A.-L. // Nucl. Instrum. Methods Physics. Res. B. 2004. V. 222. P. 316. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.02.027.
  36. Stadlmayr R., Szabo P.S., Berger B.M., Cupak C., Chiba R., Blöch D., Mayer D., Stechauner B., Sauer M., Foelske-Schmitz A., Oberkofler M., Schwarz-Selinger T., Mutzke A., Aumayr F. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2018. V. 430. P. 42. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.06.004
  37. Shulga V.I. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2020. V. 14. P. 1346. https://doi.org/10.1134/S1027451020060440
  38. Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.K., Mulyukov R.R. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2021. V. 15. P. S66. https://doi.org/10.31857/S1028096022030062
  39. Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Khisamov R.K., Mulyukov R.R. // Tech. Phys. Lett. 2022. V. 48. Iss. 6. P. 55. https://doi.org/10.21883/TPL.2022.06.53792.19146
  40. Bradley R.M., Hobler G. // J. Appl. Phys. 2023. V. 133. P. 065303. https://doi.org/10.1063/5.0137324
  41. Kwon T.H., Park S., Ha J.M., Youn Y-S. // Nucl. Eng. Technol. 2021. V. 53. Iss. 6. P. 1939. https://doi.org/10.1016/j.net.2020.12.024
  42. Shermukhamedov S., Probst M. // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. P. 123901. https://doi.org/10.1063/5.0167840
  43. Cupak C., Szabo P.S., Biber H., Stadlmayr R., Grave C., Fellinger M., Brötzner J., Wilhelm R.A., Möller W., Mutzke A., Moro M.V., Aumayr F. // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 570. P. 151204. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151204
  44. Szabo P.S., Cupak C., Biber H., Jaggi N., Galli A., Wurz P., Aumayr F. // Surf. Interfaces. 2022. V. 30. P. 101924. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.101924
  45. Diddens C., Linz S.J. // Eur. Phys. J. B. 2015. V. 88. P. 190. https://doi.org/10.1140/epjb/e2015-60468-7
  46. Behrisch R., Eckstein W. Sputtering by Particle Bombardment. Heidelberg–Berlin: Springer–Verlag, 2007. 509 p. doi: 10.1007/978-3-540-44502-9
  47. Matsunami N., Yamamura Y., Itikawa Y., Itoh N., Kazumata Y., Miyagawa S., Morita K., Shimizu R., Tawara H. // At. Data Nucl. Data Tables. 1984. V. 31. Iss. 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/0092-640X(84)90016-0
  48. Mikhailov V.S., Babenko P.Yu., Shergin A.P., Zinoviev A.N. // Plasma Phys. Rep. 2024. V. 50. Iss. 1. P. 23. https://doi.org/10.1134/S1063780X23601682
  49. Mahne N., Čekada M., Panjan M. // Coatings. 2022. V. 12. P. 1541. https://doi.org/10.3390/coatings12101541
  50. Carter G. // J. Phys. D. 2001. V. 34. P. R1. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/3/201
  51. Behrisch R. Sputtering by Particle Bombardment I. Berlin–Heidelberg–New York: Springer-Verlag, 1981. 281 p.
  52. Vantomme A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2016. V. 371. P. 12. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2015.11.035
  53. Nagasaki T., Hirai H., Yoshino M., Yamada T. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2018. V. 418. P. 34. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.12.023
  54. Eckstein W., Mashkova E.S., Molchanov V.A., Sidorov A.V., Zhukova Yu.N. // Appl. Phys. A. 1993. V. 57. P. 271. https://doi.org/10.1007/BF00332602

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».