Obrabotka Metallov 2011 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (52) 2011 62 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ На рис. 2 представлены концентрационные профи- ли алюминия, формирующиеся при ионной имплан- тации в образцах титана с различным размером зерна. При имплантации в (мезо)поликристаллические мате- риалы ( d ср равно 15 и 38 мкм) толщина имплантиро- ванного слоя составляет 90 … 100 нм, что согласуется с теоретическим расчетам [5]. Средний проективный пробег алюминия в (мезо)поликристаллическом тита- не при ускоряющем напряжении 60 кВ и средним заря- дом Al ионов 1,7 составляет 80 … 90 нм. Существенное изменение толщиныимплантированного слоя наблюда- ется для наноструктурного и мелкозернистого состоя- ний. Так, для мелкозернистого материала ( d ср = 1,4 мкм) толщина имплантированного слоя составляет 150 нм, а для наноструктурного состояния – 220 нм. Согласно данным Ожэ-спектроскопии макси- мальная концентрация алюминия равна 28 … 33 ат. %, и ее значение практически не зависит от зеренного состояния мишени (рис. 3). Однако с увеличением размера зерна титана происходит смещение макси- мума концентрации алюминия от облученной по- верхности на большие глубины (рис. 2, 3). Для мате- риалов с размером зерна/элементов структуры 0,08 и 1,4 мкм максимум расположен на глубине 90 … 80 нм от облученной поверхности. Для образцов титана в (мезо)поликристаллическом состоянии (15 и 38 мкм) максимум на значительно меньшей глубине – 40 нм. При этом профиль внедренного алюминия приобре- тает более размытый вид по глубине материала при увеличении среднего размера зерна мишени. Зависи- мость глубины локализации максимума имплантиро- ванной примеси от размера зерна повторяет зависи- мость толщины имплантированного слоя (рис. 3). Наблюдаемые зависимости связаны со значи- тельным вкладом диффузионных процессов. Кро- ме того, ряд физических процессов, таких как рас- пыление ионным пучком, ионное перемешивание, Рис. 2. Концентрационные профили распределения Ti, Al, O и C по глубине (y) ионно-легированного слоя от облученной поверхности. Средний размер зерен мишени, мкм: а – 0,08; б – 1,4; в – 15; г – 38 Рис. 3. Зависимость глубины локализации максимальной концентрации примесей от об- лученной поверхности ( 1 ), толщины имплан- тированного слоя ( 2 ) и максимальной концен- трации внедренного алюминия ( 3 ) от среднего размера зерна исходной титановой мишени радиационно-стимулированная диффузия и терми- ческая диффузия, диффузия вдоль мигрирующих и статических протяженных структурных дефектов, могут оказывать влияние на концентрационные про- фили ионно-легирующих элементов. Теоретический анализ перечисленных особен- ностей массопереноса приведен в работах [6, 7]. При интерпретации наблюдаемых закономерностей учи- тывается энергетически неоднородный дискретный состав пучка, представленного тремя компонентами, и распыление ионами поверхностного слоя мишени. Путем моделирования установлено, что распределе- ние по глубине поверхностного слоя имплантируе- мых ионов алюминия в титане происходит преимуще- ственно по двум механизмам. Первоначально, когда доза внедренных ионов еще мала (≤ 10 16 ион/см 2 ), а концентрация генерируемых дефектов относитель- но низка, примесь распределяется преимущественно статистически, т.е. формирование состава мишени определяется статистикой упругих и неупругих атом- ных соударений. Профиль в этом случае аппроксими- руется функцией распределения Пирсона 4-го типа с учетом полиэнергетического характера пучка. С уве- личением дозы облучения и концентрации генерируе- мых ионным пучком дефектов структуры начинают сказываться диффузионные процессы. Сформирован- ный статистически на первоначальном этапе концен- трационный профиль выступает в качестве начальной функции в диффузионных уравнениях массопереноса. В образцах с относительно малыми размерами зерен (средний размер 0,08 и 1,4 мкм) существенный вклад в перераспределение внедряемых ионов по объему мишени дает радиационно-стимулированная диффу- зия, в том числе и зернограничная. В (мезо)поликри- сталлических образцах (средний размер 15 и 38 мкм) основной вклад дает объемная диффузия и диффузия по мигрирующим протяженным дефектам, форми- рующимся и перестраивающимся в процессе ионной имплантации. Широкие максимумы в концентрацион- ных профилях алюминия, удаленные от поверхности,