Practice Aspects of Deposition of Nanostructured Composite NaCl-Fe Films by EB-PVD on a Rotating Substrate

Abstract

Метод EB-PVD поєднує можливості інтенсивного керованого випаровування різноманітних матеріалів у вакуумі з наступною конденсацією отриманого парового потоку на охолоджуваній підкладці/виробі та характеризується широкими можливостями використання різноманітних технологічних схем, а також контролю та автоматизації параметрів проведення даного технологічного процесу. У роботі розглянуто деякі особливості використання технологічної схеми проведення EB-PVD процесу з периферичним відносно осі обертання підкладки розташуванням джерел випаровуваних матеріалів для отримання композиційних матеріалів NaCl-Fe, перспективних для застосування у медицині. Використання шайби з комплексом похилих парових каналів при випаровуванні NaCl забезпечило рівномірність розподілу товщини отримуваних плівок NaCl по радіусу підкладки з діаметром 400 мм, що обертається, із середнім відхиленням не більше ± 5 %. Розглянуте у роботі геометричне співвідношення направленостей парових потоків випаровуваних матеріалів на підкладці, що обертається, дозволило отримати якісні композиційні матеріали NaCl-Fe з відхиленням концентрації металевої складової, що не перевищує 8-10 %. Периферійне розташування джерел пари дозволило зменшити відстань між джерелами випаровуваних матеріалів та поверхнею осадження основи до 230 мм. Таким чином досягнуто збільшення товщини плівки до 300-400 мкм. Структура композиційних плівок NaCl-Fe, отриманих методом EB-PVD на обертовій підкладці, представляє собою чергування збагачених NaCl та Fe шарів різної товщини, яка залежить від швидкості обертання підкладки. Із збільшенням швидкості обертання підкладки відзначається зменшення загальної товщини одиничного композиту NaClFe. Результати рентгенофазового аналізу отриманих композитів NaCl-Fe виявили, що залізо перебуває у вигляді оксиду – магнетиту Fe3O4 (FeO∙Fe2O3) у матриці NaCl. При цьому розмір кристалітів Fe3O4 в плівках NaCl-16,4-19,0 % Fe не змінюється з товщиною збагачених Fe шарів та становить 8 ± 1 нм. Наведені у роботі результати експериментальних досліджень підтверджують можливість ефективного використання фізичних процесів випаровування та конденсації на підкладках, що обертаються, різних матеріалів у вакуумі для отримання нанорозмірних матеріалів.

EB-PVD combines the feasibility of controlled intensive evaporation of nonorganic materials in vacuum with subsequent deposition of vapor on the substrate/product. This method is characterized by wide capabilities of various technological setups and precise control of technological process parameters. The paper considers peculiarities of the EB-PVD technological setup for obtaining nanostructured NaCl-Fe materials for medical applications. A technological setup with a peripheral to the substrate rotation axis arrangement of vapor sources is employed. The use of a disk with a complex of inclined vapor channels on a vapor source ensures a uniform thickness distribution of thick NaCl films along a rotating substrate with an average thickness deviation of ± 5 %. The geometric ratio of the directions of vapors of source materials on a rotating substrate allows to obtain qualitative nanostructured NaCl-Fe materials. The relative deviation of the concentration of the metal component does not exceed 8-10 %. The peripheral arrangement of vapor sources made it possible to reduce the distance between the sources of evaporating materials and the substrate deposition surface to 230 mm. Thus, an increase in the film thickness up to 300-400 μm is achieved. The structure of composite NaCl-Fe films by EB-PVD on a rotating substrate is an alternation of NaCl and Fe enriched layers of different thickness that depends on the rotation speed of the substrate. An increase in the substrate rotation speed decreases the thickness of the deposited film layers. The results of X-ray phase analysis of the deposited composite NaCl-Fe films reveal that Fe in the form of magnetite oxide Fe3O4 (FeO∙Fe2O3) is included in the NaCl matrix. The size of the obtained Fe3O4 crystallites in the analyzed composite NaCl-Fe films, obtained on a rotating substrate for an Fe content of 16.4-19.0 %, does not change with the thickness of the Fe layers and is 8 ± 1 nm. The presented results of experimental studies demonstrate the effective application of EB-PVD for obtaining various composite nanomaterials on rotating substrates.