Установлено, что обработка композиционных покрытий на основе углерода и титана ионами азота существенно диспергирует структуру покрытий ( размер образования снижается почти в 10 раз). После отжига морфология покрытий становиться более однородной

Бекаревич, Р.В.

Пилипцов, Д.Г.

Руденков, А.С.

Repository of Gomel State University

Проблемы физики, математики и техники, № 3 (4), 2010 
 
© Пилипцов Д.Г., Руденков А.С., Бекаревич Р.В., 2010                    31 
  
ФИЗИКА
УДК 546.26;539.23 
МОРФОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА, 
ПОДВЕРГНУТЫХ ОБРАБОТКЕ ИОНАМИ АЗОТА 
Д.Г. Пилипцов, А.С. Руденков, Р.В. Бекаревич 
Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, Гомель 
 
THE MORPHOLOGY OF THE CARBON BASED COMPOSITION COATINGS 
PROCESSED BY NITROGEN IONS 
D.G. Piliptsov, A.S. Rudenkov, R.V. Bekarevich 
F. Scorina Gomel State University, Gomel 
 
Установлено, что обработка композиционных покрытий на основе  углерода  и  титана  ионами азота  существенно 
диспергирует структуру покрытий (размер образований снижается почти в 10 раз). После отжига морфология покры-
тий становиться более однородной. 
 
Ключевые слова: композиционные покрытия, ионная обработка, топография,  структурные образования. 
 
It was determined, that the processing of composition coatings on the basis of carbon and titanium by ions of nitrogen essen-
tially disperses the structure of coating (the size of formation becomes 10 times less). After annealing of coatings the morphol-
ogy becomes more homogeneous. 
 
Keywords: composition coatings, ion processing, morphology, structure formation. 
 
 
Введение 
Бомбардировка ускоренными ионами под-
ложки и поверхности покрытия сопровождается 
проявлением целого ряда явлений (распыления, 
образования точечных и линейных дефектов кри-
сталлической решетки, ускорения диффузии, 
локальным нагревом), которые вызывают изме-
нения в структуре и свойствах поверхностных 
слоев [1]. Для управления структурой и свойст-
вами покрытий наибольший интерес представ-
ляют следующие особенности ионно-плазменной 
обработки: 
1. Удаление с поверхности адсорбирован-
ных слоев химических соединений при бомбар-
дировки ионами высоких энергий.  
2. Активация диффузионных процессов в 
поверхностных слоях под действием ионов . 
3. Диспергирование структуры покрытия.  
Эффективно также применение ионной бом-
бардировки для травления верхних деформиро-
ванных слоев и полировки поверхности [2]. Из-
менение топографии поверхности обычно осу-
ществляется с помощью скользящих пучков мед-
ленных ионов с энергией от 100 до 700 эВ. Под 
действием ионов происходит преимущественное 
разрушение границ зерен, которые проявляются 
на распыляемой поверхности в виде впадин. Зер-
нистая структура выявляется даже у тех веществ, 
для которых химическое травление не дает ре-
зультатов, например, сплавов на основе алюми-
ния. Ионное травление эффективно при выявле-
нии структуры составляющих сплавов, минера-
лов и особенно многокомпонентных диэлектри-
ческих и полупроводниковых систем (ситаллов, 
углеграфитов, резины, нейлона).  
При ионной бомбардировке поверхности 
композиционных покрытий на основе углерода и 
металла неуглеродными ионами (азота, аргона) 
помимо перечисленных эффектов происходит 
вытравливание sp2-гибридизированного углерода 
[3]. Особый интерес представляет изучение про-
цессов, протекающих при ионной обработке в 
условиях возможного протекания химического 
взаимодействия ионов с атомами мишени. Таким 
образом, при ионной обработке композиционных 
покрытий на основе углерода и металла возмож-
ны существенные изменения топографии по-
верхности, что требует детального изучения. 
Основной целью данной работы является 
изучение морфологии, композиционных угле-
родных покрытий, подвергнутых обработке 
низкоэнергетическими ионами азота. 
 
1 Методика исследования 
Основными объектами исследования яви-
лись композиционные системы на основе угле-
рода и титана. Для получения композиционных 
углеродных покрытий была использована уста-
новка вакуумного напыления PVM-D, содержа-
щая ионный источник «АИДА», с помощью ко-
торого можно производить очистку и нагрев 
подложек, обработку растущего покрытия иона-
ми азота; источник плазмы стационарного ка-
тодно-дугового разряда с металлическим като-
дом, источник плазмы импульсного катодно-
дугового разряда с катодом из графита, исполь-
зуемым для нанесения углеродных покрытий, а 
также дозатор рабочего газа, позволяющий кон-
тролировать давление рабочего газа в вакуумной 
Д.Г. Пилипцов, А.С. Руденков, Р.В. Бекаревич 
 
камере. Схема устройства для ионной обработки 
представлена на рисунке 1.  
 
 
Рисунок 1 – Схема устройства, предназначенного 
для синтеза композиционных углеродных по-
крытий с последующей их обработкой ионами 
азота: 1 – импульсный источник углеродной 
плазмы, 2 – источник плазмы стационарного ка-
тодно-дугового разряда с титановым  катодом,  
3 – ионный источник «АИДА»,  
4 – специальная оснастка, 5 – подложки 
 
Очистка поверхности кремниевых подложек 
5 производилась с помощью ионного источника 
3. В качестве рабочего газа использовался аргон. 
Давление рабочего газа 2⋅10-2 Па.  Энергия ионов 
аргона 350 эВ. Ток накала – 8 А, ток соленоида – 
0,4 А, ток анода – 3 А. Время обработки состав-
ляло 20 минут.   
Композиционные покрытия формировались 
из плазмы импульсного катодно-дугового разря-
да с катодом из графита 1 (напряжение накопи-
теля составляло 300 В, число импульсов – 3600, 
частота следования 20 Гц) и с одновременным 
электродуговым испарением титана с помощью 
испарителя 2 (ток дуги 70 А).  
Ионная обработка композиционного угле-
родного покрытия осуществлялась с помощью 
ионного источника «АИДА», установленного в 
верхней части камеры под углом 45º к направле-
нию плазменного потока углеродного источника. 
Обработка ионами азота композиционного по-
крытия происходила при следующих парамет-
рах: давление рабочего газа 4⋅10-2 Па, ток накала 
– 8 А, энергия ионов азота – 350-400 эВ, ток ано-
да – 2 А, ток соленоида 0,3 А. Обработка произ-
водилась в течении 8, 15 и 30 минут. 
Изучение морфологии покрытий проводи-
лось   методом   атомно-силовой   микроскопии  
(АСМ) в режимах измерения топографии и фазо-
вого контраста с помощью прибора Solver по 
методике, описанной в работах [4], [5]. Приме-
нение динамического полуконтактного метода 
позволяет с достаточной точностью исследовать 
морфологические и относительные механические 
характеристики поверхностей различной физи-
ческой природы. 
 
2 Результаты и их обсуждение 
Поверхность композиционного покрытия  
Ti+С, не подвергнутого ионной обработке, пред-
ставляет собой систему образований со средним 
диаметром у основания порядка 130 нм и высо-
той 10 нм (рисунок 2, а).  
Как видно из рис. 2, б, в, г, дисперсность 
покрытия, обработанного ионами азота, значи-
тельно увеличивается; латеральный размер от-
дельных структурных образований составляет 
15-20 нм, высота не более 3 нм. При этом уста-
новлено, что время ионной обработки неодно-
значно влияет на параметры шероховатости по-
верхностных слоев (таблица 1). 
Видно, что при времени ионной обработки  
15 минут высота структурных  образований и 
шероховатость поверхности имеют минимальное 
значение. Интерес представляет оценка влияния 
отжига на морфологию титансодержащих угле-
родных покрытий, подвергнутых обработке ио-
нами азота. Нагрев в вакууме таких покрытий, по 
данным работ [3], [4], инициирует процессы об-
разования карбидов и нитридов титана, дисперс-
ных фаз внедрения. Результаты  исследования 
топографии образцов после отжига средствами 
АСМ представлены на рисунке 3. 
Установлено, что после отжига структура 
поверхностного слоя становиться более одно-
родной, снижается высота структурных образо-
ваний и их размер. Из анализа изображений  фа-
зового контраста следует, что площадь светлых 
участков возрастает (размер и плотность темных 
частиц снижается), что свидетельствует об уве-
личении твердости поверхности.  
 
Выводы 
Установлено, что после обработки титансо-
держащих углеродных покрытий ионами азота 
высота структурных образований и шерохова-
тость поверхности существенно уменьшается. 
Отжиг покрытий в вакууме повышает структур-
ную однородность и способствует сглаживанию 
поверхности. 
 
Таблица 1 – Результаты статистической обработки данных АСМ композиционных покрытий Ti+C 
Шероховатость Ra, нм Средняя высота образований, нм Тип 
 покрытия 
Время ионной 
обработки, мин до отжига после отжига до отжига после отжига 
нет 2,03 – 9,9 – 
8 0,37 0,206 3,3 2,6 
15 0,17 0,216 1,2 2,5 Ti+C 
30 0,31 0,194 1,8 1,1 
                   Проблемы физики, математики и техники, № 3 (4), 2010 32 
Морфология композиционных покрытий на основе углерода, подвергнутых обработке ионами азота 
 
 
а) 
 
б) 
 
в) 
 
г) 
 
                                         I                                                                                   II 
Рисунок 2 – АСМ изображение поверхности композиционного покрытия Ti+C исходного (а) и обрабо-
танного ионами азота в течение 8 минут (б), 15 минут  (в), 30 минут (г), площадь сканирования 1х1 мкм:  
I – топология; II – фазовый контраст 
 
Проблемы физики, математики и техники, № 3 (4), 2010 33
Д.Г. Пилипцов, А.С. Руденков, Р.В. Бекаревич 
 
а) 
 
б) 
 
в) 
 
                                        I                                                                                    II 
Рисунок 3 – АСМ изображение поверхности композиционного покрытия Ti+C  после отжига, 
обработанного ионами азота в течение 8 минут (б), 15 минут  (в), 30 минут (г), 
площадь сканирования 1х1 мкм: I – топология; II – фазовый контраст 
 
ЛИТЕРАТУРА 
1. Барвинок, В.А. Физические основы и ма-
тематическое моделирование процессов вакуум-
ного ионно-плазменного напыления / В.А. Бар-
винок, В.И. Богданович. – М. : Машиностроение, 
1999. – 309 с. 
2. Гасанов, И.С. Плазменная и пучковая тех-
нология / И.С. Гасанов. – Баку : Элм, 2006. – 
174 с. 
3. Белошенко, В.А. Получение углерод-
азотных покрытий, модифицированных нитри-
дом титана / В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, 
Б.Е. Шкуратов // Журнал технической физики. – 
2004. – Т. 74. – С. 131–133. 
4. Структура и механические свойства ле-
гированных углеродных покрытий / А.В. Рогачев 
[и др.] // Теоретические и технологические осно-
вы упрочнения и восстановления изделий маши-
ностроения : Сб. научн. трудов. – Минск : ПГУ, 
2001. – С. 227–230. 
5. Chizik, S.A. Scanning probe microscopy as a 
method of control of structure, geometry and physi-
cal surface properties / S.A. Chizik // Computers 
methods and inverse problems in nondestructive 
testing and diagnostics. – Minsk. – 1995. – P. 332–
335. 
 
Поступила в редакцию 14.07.10. 
 
 
                   Проблемы физики, математики и техники, № 3 (4), 2010 34 


The morpholody of the carbon based compasition coatings processed by nitrogen ions

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of Gomel State University