Исследование тонких плёнок оксида алюминия на титане
advertisement
X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 217 REFERENCE 1. Pichugin V. F., Eshenko E. V., Surmenev R. A., Shesterikov E. V., Tverdokhlebov S. I., Ryabtseva M. A., Sokhoreva V. V., Khlusov I. A. Application of high-frequency magnetron sputtering to deposit thin calcium-phosphate biocompatible coating s on a titanium surface,2006 2. P.G. De Gen Wetting: statistics and dynamics. – М., 1987. – 151 p. 3. [Electronic resource]. – access mode: http://www.jenoptik.com/Internet_EN_HOMMEL- ETAMIC_T1000basic/. – 26.02.2013 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА ТИТАНЕ Чэнь Ле, Ван Ао, В.С. Сыпченко Научный руководитель: профессор, д.ф.-м.н, Н.Н. Никитенков Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, 634050 E-mail: chenliedisplay@163.com STUDY OF ALUMINUM OXIDE THIN FILMS ON TITANIUM Chen Lie, Wang Ao, V.S. Sypchenko Scientific Supervisor: Prof., Dr. N. N. Nikitenkov Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, 634050 E-mail: chenliedisplay@163.com The thin films gained by magnetron sputtering on nanocrystalline specimens of titanium saturated in hydrogen explored by layer-by-layer SIMS and the Thermo-stimulated gas release methods. It is determined: a) as a result of magnetron sputtering are gained the films layer wise nonhomogeneous on chemical composition, b) Titanium can store hydrogen up to what temperature by coating of aluminum oxide, in other words, to determine the temperature at which the destruction of thin films. Титан ВТ-6 в нанокристаллическом (НК) состоянии хорошо абсорбирует водород [1]. Это указывает на перспективность использования данного материала в качестве накопителя (аккумулятора) водорода. Создание таких накопителей является одной из нерешенных проблем водородной энергетики. При больших концентрациях водород со временем выходит из металла в окружающую среду, что является недопустимым с точки зрения эффективного хранения водорода. Одним из способов предотвращения такого выхода является создание барьера для водорода на поверхности насыщенного материала. В рамках разработки защитных покрытий (от проникновения водорода) исследовалось покрытие AlxO1-x, полученное методом магнетронного напылением на образцы титана с нанокристаллической (НК) структурой (средний размер зерна ~100 нм). Предпосылкой этому послужили литературные данные, в которых указано, что крупнокристаллический титан, нержавеющая сталь, обычная углеродистая сталь с нанесённой на них пленкой алюминия, обладают очень низкой адсорбционной способностью к молекулам водорода и других газов. Кроме этого, такая пленка, практически, полностью перекрывает поступление в металл водорода из окружающей среды, что как считают авторы [2] связано с наличием на ее поверхности плотного слоя AlxO1-x толщиной порядка 1–2 нм, образующегося после соприкосновения поверхности пленки с атмосферным кислородом. Этот слой окисла образует значительный барьер, который, непреодолим для водорода. Таким РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 г. ФИЗИКА X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ 218 «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» образом, данная пленка может служить хорошим щитом для адсорбции и десорбции водорода. Целью настоящей работы является исследование проникновения водорода из нанокристаллического титана через покрытие оксида алюминия, которое по некоторым данным [2] является хорошим барьером для водорода. Материалы и методика эксперимента. Эффективным способом получения нанокристаллических металлов является измельчение зерна до нанокристаллических размеров (d≤100нм). К настоящему времени разработан ряд способов формирования нанокрокристаллической структуры в металлических поликристаллах воздействием интенсивной пластической деформации [3]. Образцы НК титана ВТ-6, использованные в данном эксперименте, получены методом, сочетающим равноканальное угловое прессование (восемь проходов при температурах 673–573К) и холодную деформацию на 75%. Образцы для исследований изготавливались нарезанием пластин (1051мм) из массивных образцов НК титана методом искровой резки. Насыщение из водородной плазмы является одним из наиболее простых способов насыщения. При соответствующем подборе способа получения и параметров плазмы этот способ может стать наиболее чистым (беспримесным). Для насыщения образцов использовались следующие параметры: температура образцов T=450 °C, давление в камере P=3∙10-1 торр, время насыщения t=75 мин. Насыщение водородом из газовой фазы при нагревании (Метод Сивертса), для насыщения образцов использовались следующие параметры: температура образца T=500 °C, давление P=2 атм, время насыщения t=2 ч. Осаждение пленок оксида алюминия на подложки из НК титана производилось магнетронным напылением на установке «Яшма-2»[4]. Дополнительная ионная очистка поверхности образцов в камере магнетрона производилась при следующих режимах: U=2500В, I=0,25А. После очистки в камеру добавлялся кислород и магнетронная система выводилась в рабочий режим: P = 10-3 торр, U = 800 В, I = 10 А. Общее время напыления составило 1400 с. Толщина пленки контролировалась с помощью кварцевого измерителя толщины и составила 400 нм. Методом термо-стимулированное газовыделение (ТСГВ) исследовалось относительное содержание газов с помощью масс-спектрометра в вакуумной (P = 1,5·10-6 Рис. 1. Спектры выделения водорода из исходного и насыщенного титана с покрытием AlxO1-x . торр) при линейном нагреве образца (1 °С/с). Распределения элементного состава тонкоплёночных систем производилось методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на установке МС-7201М. Результаты и обсуждение. На рис.1 представлены температурные спектры выделения водорода из образцов титана (исходного и насыщенного водородом разными методами) с покрытием AlxO1-x. Как видно на рис. 1 для исходного образца появляются пики водорода при температуре 533, 845 и 930 °С. Значит, что когда темпеатура достигает 533 °С структура поверхности титана разрушается, в тоже время эффективно выходит водород из поверхности титана, чего не наблюдается на образцах после насыщения. По той же причине, стоит обратить внимание, что на графиках после плазменного насыщения водородом и методу Сивертса, можно видеть, что при достижении 700 °С эффективность выделения водорода постепенно увеличивает, это говорит о том, что структура тонких плёнок AlxO1-x начинает разрушаться, а при достижении температур ~900 °C она (пленка) уже разрушаются полностью РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 г. ФИЗИКА X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ 219 «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» На рис. 2 представлены распределения элементного состава в пленках оксида алюминия на подложке НК титана полученные методом вторично-ионной масс-спектрометрии. Из рис. 2а видно, что в исходных пленках AlхO1-х (подложка образца не насыщена водородом) на поверхности образца уже присутствует водород, концентрация которого убываетк границе пленка-подложка. Рис. 2. Распределения элементного состава в пленках на основе оксида алюминия, полученные методом вторичноионной масс-спектрометрии, образец: а – не насыщенный водородом, b - насыщенный водородом из ВЧ плазмы, Т = 450°С, Р= 0,1торр, t = 90 мин. После насыщения титана в течение 90 мин и нанесения пленки Al2O3 (рис. 2b) в объёме пленки на толщине от 200 до 300 нм в распределении водорода появляется плато и при достижении d=550 нм наблюдается возрастание интенсивности водорода. Кроме того, сравнение рис. 2а и 2b выявляет, что в случае насыщенного водородом титана, отношение интенсивностей AlO+/Al+ заметно меньше этого отношения для пленки в случае ненасыщенного образца за счет уменьшения выхода ионов AlO+. Заметим также, что выход ионов AlO+ в зависимости от глубины слоя в случае пленки на насыщенном образце НК титана имеет волнообразный (периодический) характер с максимумами и минимумами. Это указывает на некоторую слоистость плёнки, возникающую при её нанесении на насыщенный водородом образец. Выводы. Таким образом, совокупность результатов, полученных методами ТСГВ и ВИМС позволяет утверждать: а) титан может сохранить водорода в температурном интервале 533–900 °C с помощью покрытия оксида алюминия. б) в результате магнетронного нанесения получаются пленки послойно неоднородные по химическому составу. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Никитенков Н.Н., Тюрин Ю.И., Сигфуссон Т.И., Сыпченко В.С. и др. Особенности плазменного насыщения нанокристаллических и крупно-кристаллических образцов титана водородом и дейтерием // Известия РАН. – 2012. – Т.76 – №6. – С. 803– 806. 2. Ларин М.П., Быстров В.В.. Напыление тонкопленочных металлических покрытий на поверхности сверхвысоковакуумных и криогенных систем для снижения их адсорбционной способности и степени черноты // Журнал Вакуумная техника и технология. – 2003. – Т. 13. – № 4. – С. 221-230. 3. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. – Новосибирск: Наука, 2001. – 213 с. 4. Ананьин П.С., Баинов Д.Д., Косицын Л.Г., Кривобоков В.П., Легостаев В.Н., Юдаков С.В. Плазменная установка для нанесения покрытий на поверхность твердых тел "Яшма-2" // Приборы и техника эксперимента. 2004. – №4. – С. 137 - 141. РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 г. ФИЗИКА
