Self-organization of quasi-equilibrium stationary condensation in accumulative ion-plasma devices

We consider both theoretically and experimentally self-organization process of quasi-equilibrium steady-state condensation of sputtered substance in accumulative ion-plasma devices. The self-organization effect is shown to be caused by self-consistent variations of the condensate temperature and the supersaturation of depositing atoms. On the basis of the phase-plane method, we find two different types of the self-organization process to be possible. Experimental data related to aluminum condensates are discussed to confirm self-organization nature of quasi-equilibrium steady-state condensation process.Comment: 14 pages, 3 figure

Studium nízkotlakého systému HCPJ pro depozici tenkých vrstev Ti02

Název práce: Studium nízkotlakého systému HCPJ pro depozici tenkých vrstev TiO2 Autor: Mgr. Roman Perekrestov Katedra / Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu Vedoucí doktorské práce: doc. Mgr. Pavel Kudrna, Dr. Abstrakt: Plazmatické systémy jsou v současnosti široce využívané pro depozice tenkých vrstev jak pro komerční řešení tak i pro výzkumné účely. Zejména tam je pak potřebná detailní znalost parametrů plazmatu v těchto systémech nejen pro zajištění reprodukovatelnosti, ale i pro cílené ovlivňování vlastností deponovaných tenkých vrstev. Cílem disertační práce bylo studium parametrů plazmatu s ohledem na růst a vlastnosti tenkých vrstev vznikajících v systému plazmatické trysky s dutou katodou. Zkoumaným experimentálním zařízením byla plazmatická tryska, která pracovala v stejnosměrném režimu. Pro diagnostiku výboje byla používána Langmuirova sonda, kvadrupólový hmotnostní a optický spektrometr. Teplotu neurálního plynu ve výboji měřil teploměr s optickým vláknem. Růst nanočástic z plynné fáze byl studován pomocí rozptylu světla laserového paprsku. Pro diagnostiku tenkých vrstev Ti/TiO2 bylo použito metod XPS, SEM, AFM, TEM, XRD a EDX. Fotovoltaická účinnost TiO2 byla testována na barvivem senzitizovaném solárním článku. Klíčová slova: plazmová tryska, Langmuirova sonda, nanočástice, oxid titaničitýTitle: The investigation of low pressure HCPJ system for TiO2 film deposition Author: Mgr. Roman Perekrestov Department / Institute: Department of Surface and Plasma Science Supervisor of the doctoral thesis: doc. Mgr. Pavel Kudrna, Dr. Abstract: Plasma sources are widely used for deposition of thin films for both commercial solutions as well as for research purposes. In particular, information about plasma parameters in such systems is of a great importance not only to ensure reproducibility, but also for the targeted influence on properties of deposited thin films. The aim of the dissertation was the study of plasma parameters with respect to the growth and properties of thin films deposited by means of HCPJ sputtering system. The investigated plasma system was plasma jet powered in DC mode. The diagnostics of the discharge was carried out by means of a cylindrical Langmuir probe, quadrupole mass and optical spectrometer. Neutral gas temperature in discharge was measured by an optic-fibre thermometer. The growth of nanoparticles in a gas phase was studied using scattering of laser beam light. For the diagnostics of Ti/TiO2 thin films were used XPS, SEM, AFM, TEM, XRD and EDX methods. The photovoltaic performance of TiO2 thin films was tasted in dye-sensitized solar cells. Keywords: plasma jet, Langmuir...Katedra fyziky povrchů a plazmatuDepartment of Surface and Plasma ScienceMatematicko-fyzikální fakultaFaculty of Mathematics and Physic

Селективні процеси при знижених коефіцієнтах конденсації

Дисертація присвячена вивченню і систематизації механізмів структуроутворення конденсатів в умовах прояву фазової і просторово розподіленої селективностей, залежних від хімічного складу пар, що осаджуються, і наближення до фазової рівноваги в системі пара-конденсат. Створено новий клас іонних розпилювачів, за допомогою яких можна наносити покриття на плоскі поверхні і внутрішні поверхні труб при знижених коефіцієнтах конденсації. Визначені закономірності прояву селективних процесів при стаціонарному осадженні слабкопересичених парів Ti, Cr, Cu і Al у високочистому інертному середовищі, а також закономірності проявів фазової та просторово розподіленої селективностей за умов стаціонарного осадження металів та вуглецю за допомогою самоузгоджених розпилювальних систем усередині пустотілого катода, що визначає формування різних за "архітектурою" нано- і мікроструктур та росту мікрокристалів різних алотропів вуглецю. Встановлені закономірності прояву фазової селективності при формуванні шарів системи Ti-C. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3452Диссертация посвящена изучению и систематизации механизмов структурообразования конденсатов в условиях проявления фазовой и пространственно распределенной селективностей, зависимых от химического состава осаждаемых паров и условий конденсации с малыми коэффициентами. Создан новый класс ионных самосогласованных распылителей, при помощи которых можно наносить слои на плоские поверхности с различной степенью близости к фазовому равновесию в системе пар- конденсат. Разработана математическая модель, позволяющая производить расчеты распределения толщины и химического состава слоев на подложках в зависимости от распределения ионного пучка над поверхностью составной мишени и геометрических характеристик распылительных систем на базе магнетронного распылителя с кольцевой зоной эрозии. Экспериментально установлено, что зарождение на ростовой поверхности с малой плотностью кристаллических зародышей, дальнейший объемный рост которых определяется исключительно диффузионной коалесценцией, а также равновероятным поступлением паров на различные грани равновесных по форме нанокристаллов, определяет формирование статистически однородных монослоев слабо связанных друг с другом нанокристаллов Cr, Ti, Cu или Al, переходящих в трехмерные лабиринтные слои. При стационарной конденсации металлов с малыми коэффициентами при помощи самосогласованных распылительных систем проявление структурной селективности в виде формирования трехмерных лабиринтных слоев усиливается с уменьшением напряженности электрического поля над ростовой поверхностью, а также при более эффективном объемном диффузионном поле и повышении температуры конденсации, а наиболее типичное проявление полевой селективности наблюдается в виде формирования столбчатых структур или в образовании отдельных, выступающих над ростовой поверхностью частей конденсата, как правило, имеющих монокристаллическое строение. При осаждении слабопересыщенных титаноуглеродных паров с соответствующим соотношением составляющих и в условиях предельно низких парциальных давлений (~8·10-8Па) остаточных химически активных газов происходит образование нового бикарбида и алмазной фазы в виде глобулярных за формой структур, причем новое соединение в виде TiC2 является метастабильным по отношению к алмазу и образуется при внедрении в отдельные междоузлия ГЦК-решетки TiC атомов углерода. Эффективность процессов карбидизации и соответствующее формирование сверхтвердых слоев TiC1-x при ионном распылении C и Ti в необходимых пропорциях в основном определяется аккумуляцией ростовой поверхностью энергии, которая выделяется на ней под действием вторичных электронов, отрицательных ионов, высокоэнергетических атомов, а также при фазовом переходе пар-конденсат. Снижение коэффициента конденсации при переходе паров Ti в конденсированное состояние путем дополнительной ионизации распыленного вещества при помощи полого катода, а также использование в качестве рабочего газа разреженной атмосферы воздуха существенно повышают проявление фазовой селективности в виде формирования слоев рутила или анатаза. Использование стационарного осаждения С внутри полого катода на подложки из Ti, а также переход TiC2 → алмаз способствовали совмещению фазовой и пространственно распределенной селективностей в виде формирования отдельных микрокристаллов алмазов и других аллотропов С. Осаждение С в высокочистой инертной среде и одновременное введение в конденсат незначительного количества Ti (~3 ат.%), а также интенсивное облучение ростовой поверхности потоком электронов приводят к образованию слоев в виде слабо связанных друг с другом нанокристаллов алмаза. Изменяя условия перехода С в конденсированное состояние внутри полого катода путем варьирования геометрических характеристик распылительной системы, реализованы фазовые селективности в виде формирования слоев графита, чаоита или β-карбина, которые, в свою очередь, имеют различную "архитектуру". При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3452The thesis is devoted to analysis and systematization of mechanisms of the condensates structure formation under conditions of phase and spatially distributed selectivities appearance, the selectivities being depending on the deposited vapor chemical composition and the level of kinetic nonequilibrium of the stationary process of their transfer to condensed state. The new kind of ionic sputterers is developed. Using them it is possible to deposit coverings onto flat surfaces and internal pipe surfaces under different levels of kinetic nonequilibrium of substance transfer to condensed state. The regularities of selective processes appearance at stationary deposition of weakly supersaturated Ti, Cr, Cu, and Al vapors in high-purity inert environment are determined. The regularities of appearance of phase and spatially distributed selectivities under conditions of metals and carbon stationary kinetically super-nonequilibrium condensation with self-consistent sputtering systems inside hollow cathode are also fixed, the selectivities appearance leading to various "architecture" nano- and microstructures formation as well as to different carbon allotropes microcrystal growth. The regularities of phase selectivity appearance at Ti-C system layers formation are determined. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/345

Математична модель плазмово-дугового синтезу вуглецевих нанотрубок

Інтерес до вуглецевих нанотрубок (ВНТ) не загасає від початку їх отримання плазмово-дуговим методом. З того часу з’явились нові підходи до синтезу ВНТ, такі як хімічне осадження з газової фази, лазерна абляція, використання металевих нанокаталізаторів, їх поєднання. В порівнянні із новими методами, плазмово-дуговий залишається на належному місці, оскільки дозволяє отримувати нанотрубки з меншою кількістю дефекті

Розпилювальний пристрій для нанесення покриттів у вакуумі

Изобретение касается ионно-плазменной техники и пленочной микроэлектроники и может быть применено для нанесения покрытий и пленок в вакууме на плоские поверхности подкладок. Распыляющее устройство для нанесения покрытий в вакууме содержит анод, катод и водоохлаждаемую магнитную систему. Анод имеет герметический цилиндрический немагнитный корпус, внутри которого расположена магнитная система в виде одной секции постоянного магнита цилиндрической формы, к нижнему торцу которой и соосно к ней присоединен фокусирующий магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала в форме срезанного конуса. Нижняя часть герметического цилиндрического корпуса анода приварена к фокусирующему магнитопроводу. Кроме того, внутри герметического цилиндрического корпуса анода установлена трубка для подвода воды непосредственно к магнитной системе, и на верхней его части установлены два патрубка для подачи и отвода воды, соответственно. Катод имеет пустотелый корпус в виде срезанного конуса, на котором установлена верхняя распыляемая часть в виде сплошного диска с отверстиями, симметричными относительно оси устройства. Корпус катода прикреплен к его пустотелой основе, которая опирается на пустотелый держатель. Внутри держателя расположена трубка для подачи воды, а держатель и основа корпуса катода соединены трубкой для отвода воды. Внутри пустотелого корпуса катода на его основе расположены подкладки, вблизи поверхности которых расположена заслонка, и в нижней части самого корпуса катода выполнено отверстие перемещения заслонки. Устройство позволяет охлаждать подкладки в стабильном процессе нанесения покрытия, формировать покрытие легкоплавких материалов и максимально снизить в них содержание нежелательных примесей. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/10993The invention concerns ion-plasma technique and film microelectronics and can be used for application of coatings and films in vacuum on flat surfaces of linings. A spraying device for application of coatings in vacuum contains anode, cathode and water-cooled magnetic system. The anode has an air-tight cylindrical nonmagnetic body into which inside the magnetic system is located in the form of one section of constant magnet of cylindrical form, to the lower butt end of which and axially thereto the focusing magnetic conductor is connected and which made in the form made from magnetically soft material in the form of truncated cone. The lower part of air-tight cylindrical body of anode is welded to the focusing magnetic conductor. In addition, inside the air-tight cylindrical body of anode the tube is set for supplying water directly to the magnetic system, and on its upper part two fittings are set for supplying and discharge of water, accordingly. The cathode has a hollow body in the form of truncated cone, on which the upper spraying part is set in the form of continuous disk with openings, and symmetrically relative to the axis of device. The body of cathode is fixed on its hollow basis which is supported by hollow holder. Inside the holder the tube is located for supplying water, and the holder and basis of body of cathode are connected by tube for withdrawing water. Inside the hollow body of cathode on its basis, linings are located, and near-by the surface of which shutters are located, and in the lower part of the cathode body itself an opening is made for moving the shutter. The device allows to cool linings in the stable process for application of coating, to form the coating of fusible materials and maximally reduce the content of undesirable admixtures in them. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/1099

Formation of Porous ZnO Nanosystems for Potential Use in Sensor Electronics

The semiconducting ZnO is a very promising material for applications in UV light emitters, optical de-tectors, solar cells, piezoelectric transducers, transparent electronics, gas sensors etc. It is known that physical properties, and as a result areas of applications, are strongly determined by morphology and size of the material’s structural elements. Therefore, the development of a technology that allows formation of nanoporous metal oxide structures with a high surface to volume ratio is of great interest nowadays. The aim of this work was to develop technology for selective formation of porous ZnO nanosystems and to de-termine the relationship between morphological characteristics of the layers obtained and their optical and electrical sensor properties with the aim of potential applications in optoelectronics and sensor electronics. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3519

Formation of Porous ZnO Nanosystems for Potential Use in Sensor Electronics

The semiconducting ZnO is a very promising material for applications in UV light emitters, optical de-tectors, solar cells, piezoelectric transducers, transparent electronics, gas sensors etc. It is known that physical properties, and as a result areas of applications, are strongly determined by morphology and size of the material’s structural elements. Therefore, the development of a technology that allows formation of nanoporous metal oxide structures with a high surface to volume ratio is of great interest nowadays. The aim of this work was to develop technology for selective formation of porous ZnO nanosystems and to de-termine the relationship between morphological characteristics of the layers obtained and their optical and electrical sensor properties with the aim of potential applications in optoelectronics and sensor electronics. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3519

Закономірності структуроутворення та фізичні властивості багатошарових композитів на основі W, Ta, Нf, Ti, Mo, Сr, Al та С

New fabrication technique of multilayered composite coatings on inner surface of pipes is developed which is based on ion–plasma sputtering of rod–like target composed of various metals and graphite. It is established that gradient change of elemental composition in the direction Сr→W→Mo→Ta→Hf→Ti→C→Ti/Al→C is accompanied by transition from metal mixture carbide to titanium carbide with the grain sizes of ~ 8–15 nm. It is found that increase in microhardness up to ~ 26 GPa is caused by additional surface heating by thermal radiation from the ion–heated rod and by elemental composition of the composite layers.Запропонована нова технологія отримання багатошарових композитів на внутрішній поверхні труби шляхом іонного розпилення стрижня, складеного з різних металів та графіту.  Установлено, що за умови градієнтної зміни елементного складу композиту у напрямку Сr →W→ Mo→ Ta →Hf →Ti→C→ Ti/Al →C відбувається перехід від карбіду суміші металів з середніми розмірами зерен декілька одиниць нанометрів до ТіС із розмірами зерен ~ 8–15 нм. З’ясовано, що підвищення мікротвердості до ~ 26 ГПа визначається додатковим розігрівом поверхні нарощування тепловим випромінюванням розігрітого іонами стрижня та елементним складом прошарків композиту

Self-organization of quasi-equilibrium steady-state condensation in accumulative ion-plasma devices

We consider both theoretically and experimentally self-organization process of quasi-equilibrium steady-state condensation of sputtered substance in accumulative ion-plasma devices. It has been shown that the self-organization effect is caused by self-consistent variations of the condensate temperature and the supersaturation of depositing atoms. Two possible types of self-organization process have been found out on the basis of the phase-plane method. The aluminium condensation experimental data confirming the self-organization nature of quasi-equilibrium steady-state condensation are discussed. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/306

Получение высокопористых структур металлов в условиях стационарной неравновесной конденсации

Предложен принципиально новый технологический подход получения высокопористых металлических слоев при стационарной неравновесной конденсации паров внутри полого катода. Необходимыми условиями проявления подобного рода пространственно распределенной селективности зарождения и роста конденсатов являются реализация только одноатомных критических зародышей и наличие критической энергии связи адатома с ростовой поверхностью, ниже которой процесс формирования конденсата происходит с пренебрежимо малой вероятностью. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/435