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