Фізичні основи формування структури, складу та властивостей плівок боридів та боридонітридів перехідних металів

Abstract

У роботі вперше встановлено закономірності формування структури, складу та властивостей плівок бориду і боридонітридів перехідних металів. Показано, що для плівок диборидів перехідних металів має місце широкий спектр структурних станів від аморфноподібного до нанокристалічного з розміром нанокристалітів від 1 до 40 нм. Систематизовано дослідження впливу розмірного чинника на склад та фізико-механічні характеристики синтезованих плівок. Найбільш характерною особливістю формування структури плівкових покриттів диборидів перехідних металів є формування нанокристалічної (стовпчастої) структури з текстурою роста площиною (00.1) з характерним розміром нанокристалітів від 20 до 50 нм. Зменшення розміру нанокристаліту приводить до втрати деяких елементів симетрії й формування аморфно-кристалічних плівок із характерним розміром 5–10 нм. Подальше зменшення приводить до втрати кристалічності і формування аморфноподібних плівок із ближнім впорядкуванням близько 1 нм. Досліджено роль об'ємної, поверхневої та пружної складових загальної зміни енергії Гіббса на процес кристалізації наноструктурних плівок диборидів перехідних металів. Зроблено висновок про визначальний внесок вільної поверхневої енергії. На підставі вимірювання контактних кутів змочування проведено оцінювання вільної поверхневої енергії для плівок диборидів перехідних металів різного структурного стану – від аморфноподібного до нанокристалічного. Встановлено законо-мірність між структурою, складом, нанотвердістю та вільною поверхневою енергією як енергетичною характеристикою поверхні. На підставі досліджень запропоновано модель формування нанокристалічних надтвердих плівок диборидів перехідних металів, згідно з яким формування плівок відбува-ється за донорно-акцепторним механізмом. Залежно від енергетичних умов відбувається формування плівкових конденсатів у такій послідовності: аморфноподібний, аморфно-кристалічний, нанокристалічний текстурований стан. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/36669

В работе впервые установлены закономерности формирования структуры, состава и свойств пленок боридов и боридонитридов переходных металлов. Показано, что для пленок диборидов переходных металлов имеет место широкий спектр структурных состояний от аморфноподобного до нанокристаллического с размером нанокристаллитов от 1 до 40 нм. Систематизированы исследования влияния размерного фактора на состав и физико-механические характеристики синтезированных пленок. Показано, что наиболее характерной особенностью структуры пленочных покрытий диборидов переходных металлов является формирование нанокристаллической (столбчатой) структуры с текстурой роста плоскостью (00.1) с характерным размером нанокристаллитов от 20 до 50 нм. Уменьшение размера нанокристаллита приводит к потере некоторых элементов симметрии и формированию аморфно-кристаллических пленок с характерным размером 5–10 нм. Дальнейшее уменьшение приводит к потере кристалличности и формированию аморфноподобных пленок с ближним упорядочением около 1 нм. Описаны физические процессы формирования структуры, состава и свойств пленок диборидов переходных металлов в аморфноподобном, аморно-кристаллическом и нанокристаллическом состояниях при магнетронном распылении (ПТ и ВЧ). Показано, что основными факторами являются энергия падающих частиц, зависящая от приложенного потенциала смещения, и температура подложки, исследована их роль. Исследована роль объемной, поверхностной и упругой составляющих общего изменеия энергии Гиббса на процесс кристаллизации наноструктурных пленок диборидов переходных металлов. Сделан вывод об определяющем вкладе свободной поверхностной энергии. На основании измерения контактных углов смачивания проведена оценка свободной поверхностной энергии для пленок диборидов переходных металлов различно-го структурного состояния – от аморфноподобного до нанокристаллического. Установлена закономерность между структурой, составом, нанотвердостью и свободной поверхностной энергией как энергетической характеристикой поверхности (мДж/м2). Предложена модель формирования сверхтвердых нанокристаллических пленок диборидов переходных металлов, согласно которому формирование «сверхсте-хиометрических» сильнотекстурированных пленок происходит по донорно-акцепторному механизму. В зависимости от энергетических условий происходит формирование пленочных конденсатов в следующей последовательности: аморфное, аморфно-кристаллическое, нанокристаллическое текстурированное состояние. При низкоэнергетическом воздействии происходит образование аморфноподобного состояния с ближним упорядочением менее 1 нм. При увеличении энергии до 28 мДж/м2 в аморфной матрице формируются нанокристаллы размером 5–10 нм, соответствующие фазе диборида переходного металла. Это критический размер кристалла, при котором он еще сохраняет все присущие данному типу кристалла элементы симметрии, при этом происходит формирование sp2-связей, чем и можно объяснить резкое повышение твердости аморфно-кристаллических пленок по сравнению с аморфноподобными. Плёнки столбчатой структуры с текстурой роста пло-костью (00.1), обладающие наибольшими значениям твёрдости, имели наибольшее значение общей свободной поверхностной энергии γобщ 44,0 мДж/м2. Наибольший вклад вносит полярная компонента σР поверхностной энергии, которая отвечает за донорно-акцепторное взаимодействие на межфазной границе «плёнка – жидкость», что является логическим объяснением образования дополнительной химической связи в плёнках диборидов переходных металлов по донорно-акцепторному механизму. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/36669

In the work the conformities to law of forming of structure, composition and properties of films of boride and boro-nitrides of transitional metals are set at first. It is shown that for the films of diborides of transitional metals a wide spectrum of the structural states from the аmorphous to the nanocrystalline with the size of nanocristalites of from 1 to 40 nm takes place. The researches of influence of the size factor are on the composition and physical and mechanical descriptions of the synthesized films are systematized. The most characteristic feature of forming of structure of pellicle coverages of diborides of the transitional metals is forming of nanocrystalline (columnar) structure with the texture of increase a plane (00.1) with the characteristic size of nanocristalites from 20 to 50 nm. The reduction at the size of nanocristalite results to the loss of some elements of symmetry and the forming of amorphously-crystalline films with the characteristic size of 5-10 nm. The further reduction results in the loss of crystalline and the forming of аmorphous films with the near organization of about 1 nm. The investigational role of volume, superficial and resilient constituents of general change of Gibbs’s energy of on the process of crystallization of nanostructural films of di-borides of transitional metals. The conclusion drawn as to the qualificatory deposit of free superficial energy. On the basis of measuring of pin corners of moistening the conducted estimation of free superficial energy for the films of diborides of transitional metals of the different structural state – from аmorphous to nanocrystalline is made. The conformity to law between a structure, composition, nanohardness and free superficial energy is set , as by the power description of the surface. On the basis of researches the offered model of forming of nanocrystalline super-hard films of diborides of transitional metals, according to that the forming of films takes place after a donor-acceptor mechanism. Depending on the power terms there is the forming of pellicle runbacks in the next sequence: аmorphous → the amorphously-crystalline → nanocrystalline state. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/36669