ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПЫЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ Ni-P С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АТОМНО-ЭМИССИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА С ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ GDS 850 A

Conducted a review of the literature regarding the determination of cathodic sputtering rate for Ni-P coating and investigation of crater shape produced as a result of result of cathode etching in glow discharge lamp. The values of coating sputtering rate, main methods for determining the sputtering rate and its factors as well as the techniques of investigation into the ion etching crater shape depending on the parameters of the glow discharge were presented.During the research of the sputtering characteristics, the samples of Ni-P electrolytic coating on conducting substrate from 29 NK-alloy were made.  Using the X-Ray electron-probe microanalysis the uniformity of chemical composition was studied.By utilizing a glow discharge atomic-emission spectrometer “GDS850 A” on the coating material the craters were obtained at different values of amperage and DC discharge voltage (gas pressure is constant). Craters were studied by mechanical profilometer with a diamond needle. As a result, a new quantitative method for classifying the deviation from the plane of the bottom of the crater was suggested. Optimum operating conditions for flat-bottomed craters at different operating conditions of the analysis were selected.         In addition, the sputtering rate of the coating material was determined by weighing and measuring the volume of the crater. It is noted that the weighing method has significantly higher error and does not take into account the features of the sputtering material. Sputtering rate values that were obtained by using the volume crater method are comparable to the data described in the scientific literature.         Defined sputtering rate values for Ni-P coating with respect to the substrate material.  These values correlate well with the data presented by the developer of standard samples for the stratified analysis.Key words: glow discharge, direct current, sputtering rate, nickel-phosphorus, crater shape, atomic-emission spectrometry(Russian)DOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2014.18.1.005  A.L. Chicherskaya, A.A. PupyshevUral Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Ekaterinburg,  Russia FederationВыполнен обзор литературы по послойному анализу покрытий никель-фосфор методом атомно-эмиссионной спектрометрии с тлеющим разрядом. Особое внимание уделено подбору оптимальных значений операционных параметров разряда и способу определения скорости распыления материала.Изготовлены образцы покрытий никель-фосфор путем электролитического нанесения на подложку из сплава 29 НК в ванне химического никелирования. С помощью рентгеновского электронно-зондового микроанализа доказана однородность химического состава покрытий.С использованием атомно-эмиссионного спектрометра с тлеющим разрядом GDS850 Aв режиме постоянного тока на образцах покрытий получены кратеры катодного травления при постоянном давлении газа и различных операционных параметрах разряда (сила тока и напряжение). На механическом профилометре с алмазной иглой проведено изучение формы кратеров в зависимости от операционных условий катодного распыления. Предложен способ численной оценки плоскостности дна кратера, позволяющий подобрать оптимальные условия для послойного анализа покрытия никель-фосфор.Измерены значения скорости распыления сплава методами взвешивания образцов и измерения размеров кратеров. Проведено определение коэффициента распыления материала покрытия относительно сплава 29 НК. Полученные значения скорости и коэффициентов распыления подтверждаются данными, представленными в литературе.Ключевые слова: атомно-эмиссионная спектрометрия, тлеющий разряд постоянного тока, гальваническое покрытие Ni-P, скорость распыления, форма кратера.DOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2014.18.1.005

The sputtering rate of elements in DC glow discharge, used in atomic emission spectrometry

Численные значения скорости катодного распыления материалов необходимы для проведения послойного анализа и получения мультиматричных градуировочных зависимостей в методе атомно-эмиссионной спектрометрии с тлеющим разрядом. В работе измерены скорости катодного распыления в тлеющем разряде постоянного тока для 26 элементов. Сопоставление с опубликованными данными показало хорошую согласованность результатов и подтвердило необходимость проведения таких измерений для конкретных условий анализа. Установлено, что значение скорости катодного распыления элементов сложным образом зависит от их физико-химических характеристик. Рассмотрена связь скоростей катодного распыления с различными физико-химическими свойствами элементов: атомным номером, атомной массой, температурами плавления и кипения, энергией сублимации и энергией кристаллической решетки. Показана периодическая зависимость значений скорости распыления элементов от их атомного номера и атомной массы, что подтверждается литературными данными. В соответствии с теорией распыления твердых тел П. Зигмунда и полуэмпирическим уравнением коэффициента распыления установлено, что скорость катодного распыления материала зависит от его энергии сублимации, т.е. определяется в первую очередь значениями его атомного радиуса, температуры плавления и плотности. Найденная взаимосвязь подтверждена статистическими расчетами методами линейной и нелинейной регрессии. Полученная зависимость скорости катодного распыления от физико-химических характеристик металла позволяет прогнозировать значение скорости распыления материала, выявлять ошибочные измерения, оценивать границы применимости метода анализа.The numerical values of the cathode sputtering rate of the materials are needed to conduct the layered analysis and produce multi-matrix calibration dependencies using the method of atomic emission spectrometry glow discharge. In the current work the cathode sputtering rate in DC glow discharge was measured for 26 elements. A comparison with published data showed good consistency of the results and confirmed the need for such measurements for the specific conditions of the analysis. It was determined that the values of the cathode sputtering rate of elements are dependent on their physicochemical characteristics in a complex manner. The relationship between the cathode sputtering rate of elements with their physical and chemical properties such as atomic number, atomic weight, melting and boiling points, the sublimation energy and the energy of the crystal lattice was studied in a great detail. The periodic dependence of the values of the sputtering rate of elements from their atomic number and atomic mass was demonstrated and also confirmed by the published data. According to the P. Sigmund’s theory of sputtering solids and semi-empirical equation of the sputtering coefficient it was found that the cathode sputtering rate of the material depends on the energy of sublimation i.e. it is determined by the values of its atomic radius, melting point and density. The found relationship was confirmed by the statistical calculations using both linear and non-linear regression. The discovered dependence of the cathode sputtering rate from the physicochemical characteristics of the metal allows predicting the velocity dispersion of the material, identify erroneous measurements and evaluate the limits of applicability of the analysis method

Sputtering characteristics determination of Ni-P electrolytic coating by glow discharge atomic-emission spectrometer GDS 850 A

Выполнен обзор литературы по послойному анализу покрытий никель-фосфор методом атомно-эмиссионной спектрометрии с тлеющим разрядом. Особое внимание уделено подбору оптимальных значений операционных параметров разряда и способу определения скорости распыления материала. Изготовлены образцы покрытий никель-фосфор путем электролитического нанесения на подложку из сплава 29 НК в ванне химического никелирования. С помощью рентгеновского электронно-зондового микроанализа доказана однородность химического состава покрытий. С использованием атомно-эмиссионного спектрометра с тлеющим разрядом GDS 850 A в режиме постоянного тока на образцах покрытий получены кратеры катодного травления при постоянном давлении газа и различных операционных параметрах разряда (сила тока и напряжение). На механическом профилометре с алмазной иглой проведено изучение формы кратеров в зависимости от операционных условий катодного распыления. Предложен способ численной оценки плоскостности дна кратера, позволяющий подобрать оптимальные условия для послойного анализа покрытия никель-фосфор. Измерены значения скорости распыления сплава методами взвешивания образцов и измерения размеров кратеров. Проведено определение коэффициента распыления материала покрытия относительно сплава 29 НК. Полученные значения скорости и коэффициентов распыления подтверждаются данными, представленными в литературе.Conducted a review of the literature regarding the determination of cathodic sputtering rate for Ni-P coating and investigation of crater shape produced as a result of result of cathode etching in glow discharge lamp. The values of coating sputtering rate, main methods for determining the sputtering rate and its factors as well as the techniques of investigation into the ion etching crater shape depending on the parameters of the glow discharge were presented. During the research of the sputtering characteristics, the samples of Ni-P electrolytic coating on conducting substrate from 29 NK-alloy were made. Using the X-Ray electron-probe microanalysis the uniformity of chemical composition was studied. By utilizing a glow discharge atomic-emission spectrometer “GDS 850 A” on the coating material the craters were obtained at different values ​​of amperage and DC discharge voltage (gas pressure is constant). Craters were studied by mechanical profilometer with a diamond needle. As a result, a new quantitative method for classifying the deviation from the plane of the bottom of the crater was suggested. Optimum operating conditions for flat-bottomed craters at different operating conditions of the analysis were selected. In addition, the sputtering rate of the coating material was determined by weighing and measuring the volume of the crater. It is noted that the weighing method has significantly higher error and does not take into account the features of the sputtering material. Sputtering rate values that were obtained by using the volume crater method are comparable to the data described in the scientific literature. Defined sputtering rate values for Ni-P coating with respect to the substrate material. These values correlate well with the data presented by the developer of standard samples for the stratified analysis