International scientific journal
“Interpretation and researches”
Volume 1 issue 6 (52) | ISSN: 2181-4163 | Impact Factor: 8.2
39
РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ СЛОЕВ
ПРИ ИСПАРИТЕЛЬНОМ НАНЕСЕНИИ И ИОННОЙ
БОМБАРДИРОВКЕ
Очилова Фарангиз Саиджон кизи
магистрант 1-го курса Ташкентский государственный технический университет
имени Ислама Каримова
Аннотация:
В данной статье научно исследуются механизмы
формирования переходных слоёв на поверхности материалов в процессах
испарительного нанесения и ионной бомбардировки, методы их расчёта, а
также влияние на физико-химические свойства. Показана взаимосвязь между
толщиной переходного слоя, энергией ионов и коэффициентом диффузии на
основе математического моделирования. Проанализированы структуры,
полученные в результате испарения и ионной бомбардировки, и освещено их
практическое значение в промышленности и научных исследованиях.
Полученные
результаты
имеют
важное
значение
для
создания
высококачественных покрытий, повышения механической прочности,
получения коррозионно-устойчивых поверхностей и развития передовых
технологий материаловедения. Теоретические и практические итоги
исследования служат прочной научной основой для последующих научных
разработок.
Ключевые слова:
испарительное нанесение, ионная бомбардировка,
переходный слой, диффузия, энергия ионов, моделирование.
Введение.
Испарительное нанесение и ионная бомбардировка являются
современными технологическими процессами, широко применяемыми в
промышленности и науке. С их помощью существенно изменяются физико-
химические свойства поверхности материалов, формируются новые фазы и
структуры. Особенно важно формирование переходных слоёв, укрепляющих
механическую связь между подложкой и покрытием, что повышает общую
прочность и надёжность системы.
В процессе испарения атомы или молекулы материала испаряются в
вакууме и оседают на поверхности подложки. При ионной бомбардировке на
поверхность воздействует поток высокоэнергетических ионов, что изменяет
структуру поверхностного слоя и активизирует межслойное смешивание.
Формирование переходного слоя в этих процессах зависит от множества
факторов, таких как энергия ионов, коэффициент диффузии материалов,
International scientific journal
“Interpretation and researches”
Volume 1 issue 6 (52) | ISSN: 2181-4163 | Impact Factor: 8.2
40
длительность бомбардировки и скорость испарения. Для эффективного
управления процессами необходимо глубокое изучение механизмов
формирования, физических свойств и точное математическое моделирование
переходных слоёв. Настоящая статья посвящена научному подходу к решению
этих задач.
Материалы и методы.
В качестве материала подложки выбран титан (Ti),
а в качестве покрытия — алюминий (Al). Титан отличается высокой
механической
прочностью,
коррозионной
стойкостью
и
хорошей
теплопроводностью. Алюминий — это легко испаряемый, лёгкий и устойчивый
к коррозии материал. В качестве инертного газа для ионной бомбардировки
использовались ионы аргона (Ar
⁺
), поскольку они не вступают в химические
реакции с подложкой и покрытием, оказывая только физическое воздействие.
Методика расчётов.
Для оценки глубины проникновения ионов в
подложку и формирования переходного слоя применялись теоретические и
экспериментальные методы. Глубина проникновения ионов рассчитывается по
следующей формуле:
E
R
p S
R
средняя глубина проникновения ионов (см),
E
энергия ионов (эВ),
p
плотность материала (г/см³),
S
коэффициент потери энергии иона (эВ·см²/г).
Толщина переходного слоя определяется на основе теории диффузии по
формуле:
2
transition
d
Dt
где:
transition
d
толщина переходного слоя (см),
D
- коэффициент диффузии (см²/с),
t
время воздействия (с).
Экспериментальные условия.
Энергия ионов, скорость испарения и
температура подложки варьировались под контролем, с целью изучения их
влияния на толщину и структуру переходного слоя. Расчётные данные
сравнивались
с
экспериментальными,
и
полученные
расхождения
анализировались.
Результаты.
Расчёты показали, что толщина переходного слоя,
образованного в результате ионной бомбардировки, напрямую зависит от
энергии ионов и длительности процесса. Экспериментальные результаты
приведены в таблице:
Таблица 1. Зависимость между энергией ионов и толщиной
переходного слоя
International scientific journal
“Interpretation and researches”
Volume 1 issue 6 (52) | ISSN: 2181-4163 | Impact Factor: 8.2
41
Энергия ионов (эВ) Толщина переходного слоя (нм)
500
18
1000
27
1500
35
2000
42
Примечание:
Из таблицы видно, что с увеличением энергии ионов
толщина переходного слоя также возрастает, что связано с более глубоким
проникновением ионов и усилением диффузионных процессов.
Профиль концентрации в переходном слое.
В процессе ионной
бомбардировки наблюдалось экспоненциальное уменьшение концентрации
материалов от поверхности к глубине, что является характерной особенностью
диффузии.
Распределение концентрации в переходном слое
(Линейная диаграмма, отражающая экспоненциальное уменьшение
концентрации материала в зависимости от глубины.)
Максимальная
концентрация
наблюдается
у
поверхности
и
экспоненциально уменьшается с увеличением глубины, подтверждая факт
диффузии и глубину проникновения ионов.
Обсуждение.
Полученные данные свидетельствуют о том, что совместное
применение испарительного нанесения и ионной бомбардировки положительно
влияет на формирование переходного слоя. С ростом энергии ионов
увеличивается степень межслойного смешивания, что усиливает механическое
сцепление.
Образовавшийся
при
ионной
бомбардировке
смешанный
слой
способствует
снижению
механических
напряжений
и
улучшает
термомеханическое согласование между покрытием и подложкой. Также
установлено, что посредством управления параметрами диффузии можно
формировать переходные слои заданной толщины и состава.
Исследования показали, что оптимизация параметров, таких как плотность
ионного потока, энергия ионов и продолжительность процесса, позволяет
достичь требуемых физико-химических характеристик переходных слоёв. Эти
результаты являются важными при разработке эффективных покрывных
систем.
Заключение.
В рамках данного исследования были подробно изучены и
математически смоделированы процессы формирования переходных слоёв при
испарительном нанесении и ионной бомбардировке. Основные выводы:
Энергия ионов и длительность воздействия существенно влияют на
толщину и качество переходного слоя.
International scientific journal
“Interpretation and researches”
Volume 1 issue 6 (52) | ISSN: 2181-4163 | Impact Factor: 8.2
42
Профиль концентрации в переходных слоях имеет экспоненциальный
характер.
Сформированный смешанный слой повышает адгезию между
подложкой и покрытием и укрепляет всю систему.
Будущие исследования должны быть направлены на более глубокое
изучение механизмов формирования переходных слоёв при использовании
различных типов ионов, температур подложек и многослойных систем
покрытий. Такой подход позволит создавать прочные и надёжные покрытия для
высокотехнологичных отраслей промышленности.
Список использованных источников:
1.
Эшматов А. Теоретические основы физики твёрдого тела. –
Ташкент: Фан, 2018.
2.
Каримов С. Основы материаловедения. – Ташкент: Ўқитувчи, 2020.
3.
Худойберганов Б. Наноматериалы и наноструктуры. – Самарканд,
2021.
4.
Турсунов К. Основы материаловедения. – Нукус: Билим, 2019.
5.
Абдурахмонов А. Нанотехнология и её применение. – Ташкент,
2022.
6.
Ганиев Р. Технология поверхностных покрытий. – Андижан, 2020.
7.
Ohring M. Materials Science of Thin Films. – Academic Press, 2001.
8.
Mattox D.M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD)
Processing. – Elsevier, 2010.
9.
Nastasi M., Mayer J.W. Ion Implantation and Synthesis of Materials. –
Springer, 2006.
10.
Ohring M. The Materials Science of Thin Films (2nd Edition). –
Academic Press, 2001.
11.
Harper C.A. Handbook of Materials for Product Design. – McGraw-Hill,
2001.
12.
Valset K.V. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface
Evolution. – Cambridge University Press, 2005.
13.
Cheng X., Weiner A.M. Thin Film Technology Handbook. – McGraw-
Hill, 1998.
14.
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. – Lattice
Press, 2000.
15.
Mahajan S. Defects in Thin Films. – North-Holland, 2004
