Получение объемных наноматериалов

2 Основные методы получения объемных материалов

3 I. Облучение потоками высокоэнергетических частиц Радиационно-пучковые технологии. Ионно-лучевые, ионно- плазменные технологии и воздействие концентрации. потоков энергии для модификации материалов. Физико-химические процессы при взаимодействии ионов с твердым телом. Методы получения и транспортировки пучков заряженных частиц. Имплантация ионов в металлы и полупроводники Электронные пучки и их применение Мощные ионные пучки и их применение Потоки высокотемпературной импульсной плазмы и их применение Лазерное излучение и его применение II.Пленочные технологии. CVD – химическое осаждение PVD – физическое осаждение Электроосаждение

4 Радиационное воздействие м.б. использовано для модифицирования и создания новых материалов. Радиационная обработка включает следующие задачи: Техника для обработки: создающая потоки ионов, атомов, электронов, плазмы и т.д. Методы обработки: имплантация, распыление, осаждение, перемешивание, нагрев, деформирование, насыщение и др. Регулируемые параметры при обработке: токи, потоки, флюенсы, энергия и вид излучения, масса частиц, температура облучения. Технологические задачи: изменение топографии поверхности, активация поверхности, изменение структуры или химического состава, нанесение или удаление слоя, залечивание дефектов Результат обработки, изменение шероховатости, глубина слоя, структура, состав и фазовое состояние слоев. Эксплуатационные свойства созданные обработкой: износостойкость, коррозионная стойкость, прочность, твердость, термостойкость и др.

5 Механизм воздействия A Ионный пучок Охлаждение за счет теплопроводности Пробег ионов Модифицирование плазма Дефектообразование

6 Воздействие пучков Металлическая мишень Металлические ионы Твердые растворы НАНОРАЗМЕРНЫЕ ФАЗЫ Интерметаллиды, оксиды, карбиды Мишень Модифицированный слой

7 Радиационно-пучковые технологии используют тепловую, кинетическую, электрическую и магнитную составляющую энергии и различные способы подвода к мишени: непрерывный, импульсный, импульсно-периодический, точечный, линейный, поверхностный, квази объемный. Модификация осуществляется за счет физических процессов: Быстрый нагрев и охлаждение Имплантация атомов/ионов в материал Распыление или испарение поверхностного слоя Плазмообразование на поверхности Дефектоообразование в слое материала Осаждение атомов на поверхность Ионное перемешивание в поверхностном слое Термическая и радиационно-стимулированная диффузия Термические и структурные напряжения

8 При модифицировании происходят различные структурные и фазовые изменения. Наиболее значимыми изменениями являются: Увеличение параметра решетки Разворот плоскостей упаковки атомов Образование аморфных и ультрадисперсных фаз Диспергирование микроструктуры Накопление радиационных дефектов Загрязнение примесями Растворение и образование радиационно-стимулированных фаз Расслоение твердых растворов Создание пересыщенных твердых растворов Радиационно-индуцированная сегрегация Образование слоистых структур Формирование дислокационных субструктур Образование градиентных структурно-фазовых состояний

9 Виды радиационных технологий По носителям энергии и с учетом основного модифицирующего фактора 1 Ионно-пучковые технологии моноэнергетические пучки ионов поли энергетические пучки ионов 2 Ионно-плазменные технологии 3 Плазменные технологии равновесная плазма неравновесная плазма 4 Технологии, основанные на использовании концентрированных потоков энергии

10 Виды облучения Ионные пучки Ускоренные ионы (и атомы) в виде моноэнергетических или поли энергетических пучков являются рабочим телом ионно-пучковых и ионно- плазменных технологий Используют ионы газовые или твердотельные (металлические) Параметрами являются: энергия, поток, флюенс Ионно-пучковые технологии направлены на 1) получение новых материалов: нанесение пленок путем распыления, бомбардировка подложки в процессе нанесения, имплантация в объем материала для создания нового, ионно-пучковая эпитаксия 2) модифицирование материалов (поверхностного слоя): формирование рельефа путем распыления, изменение структуры путем имплантации, изменение элементного и фазового состава.

11 Низкотемпературная плазма Низкотемпературная плазма (Т~ 10 4 К) может быть равновесной (Т е Т i T a ) или неравновесной (Т е Т i T a ), где Т е, Т i, T a температуры атомов, ионов и электронов соответственно. Перенос вещества в плазме осуществляется путем диффузии, направленных потоков атомов под действием градиентов температуры. Рабочим телом плазмы является (Ar, He, H 2, O 2, N 2 ) и воздух. Направления: 1)Получение/синтез материалов: химический синтез (в том числе органический) веществ, полимеризация мономеров; экстрактивная металлургия, включая восстановление оксидов (или их диссоциацию) металлов в плазме и других газовых смесей; получение ультрадисперсных порошков; плазменная плавка металлов 2) Модификация материалов: формирование заданного рельефа (травление или очистка); нанесение покрытий на изделия; синтез химических соединений на поверхности; плазмохимическое насыщение поверхностного слоя азотом, углерода.

12 Ионно-плазменные технологии Одновременная или последовательная обработка поверхности ионами и плазмой. Использование ионно-плазменных технологий расширяет возможности обработки по сравнению с ионно-пучковыми технологиями так как позволяет чередовать операции распыления, нанесения покрытий и имплантацию ионов. Эффективна для получения функциональных покрытий и пленок. Осуществляется ряд операция необходимых для получения прочного сцепления с поверхностью, путем комбинации очистки, напыления ионного перемешивания.

13 Концентрированные потоки энергии (КПЭ) Высокие потоки энергии (десятки и более Дж/см 2 ) можно создавать мощными электронными пучками (МЭП), мощными ионными пучками (МИП), лазерным излучением (ЛИ), потоками высокотемпературной импульсной плазмы (ВТИП), Общим для КПЭ является высокие плотности мощности (~10 12 Вт/см 2 ), энергии (100 Дж/см 2 ), высокие градиенты температуры ( К/см), высокие скорости нагрева и закалки ( К/с). Получение материалов путем испарения мишени и конденсации атомов, инициирования химических реакций на поверхности Модифицирование поверхностного слоя путем сверхбыстрой закалки, изменения элементного и фазового состава, формирования заданного рельефа путем оплавления, заглаживания или создания дефектов, объемное ударное упрочнение, удаление ранее нанесенных пленок и покрытий.