№ 11 (2023)

Экспериментально изучено воздействие облучения ионами водорода, гелия, азота и неона со средней энергией 0.8 кэВ на морфологию поверхности при магнетронном распылении высокомодульного углеродного волокна из полиакрилонитрила. Во всех случаях на поверхности формировался вискероподобный рельеф. Наибольшая высота вискеров получалась при облучении ионами азота и неона, наименьшая высота и пониженная плотность вискеров была при облучении ионами водорода. Сравнение с облучением углеродного волокна из полиакрилонитрила ионами инертных газов и азота с энергией 10–30 кэВ показывает, что вискероподобная морфология дополняет разнообразие ионно-индуцированных морфологий поверхности волокна. Полученные результаты обсуждены в рамках существующих моделей образования ионно-индуцированных морфологических элементов на поверхности графитоподобных материалов. Предполагается наличие порога по числу радиационных смещений, создаваемых в поверхностном слое, приводящего к наблюдаемому качественному различию ионно-индуцированной морфологии при низких и высоких энергиях ионов. Проведенные оценки профилей смещений для случая облучения ионами водорода показывают кратно меньшее число смещений, чем для других ионов, что коррелирует с наблюдаемыми в проведенном эксперименте различиями вискеризации выбранными ионами и факторами развития вискеров.

Методом рентгенографии исследовано влияние свободного объема на процессы кристаллизации аморфных сплавов Fe₇₈Si₁₃B₉ и Al₈₇Ni₈Gd₅. Для исследования влияния свободного объема проводили деформирования аморфных сплавов двумя способами: ультразвуковой обработкой и многократной прокаткой. После деформации на аморфные сплавы было нанесено защитное покрытие. Показано, что нанесение защитного покрытия с большей энергией образования вакансий по сравнению с энергией образования вакансий в исследуемых аморфных сплавах является эффективным способом сохранения свободного объема в аморфной фазе, поскольку в таком случае свободному объему термодинамически невыгодно мигрировать из аморфной фазы в материал покрытия. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предварительная деформация аморфных сплавов приводит к увеличению количества свободного объема. Увеличение количества свободного объема и его сохранение с помощью защитного покрытия способствует существенному ускорению процессов кристаллизации аморфных сплавов Fe₇₈Si₁₃B₉ и Al₈₇Ni₈Gd₅. Полученные результаты расширяют существующие представления о процессах кристаллизации аморфных сплавов, а также указывают на возможность получения материалов с различными структурными характеристиками и, как следствие, с разными физико-химическими свойствами.

Предложены способы и установлены критерии подготовки поверхности наноструктурированных термоэлектрических материалов для нанесения тонко- и толстопленочных омических контактов. Установлены параметры механического и химического способов обработки поверхности термоэлектрических материалов перед нанесением контактов. Исследованы шероховатость и морфология поверхности образцов термоэлектрических материалов и полученных пленок. Установлены критерии и оптимальные значения шероховатости поверхности термоэлектрических материалов. Определены режимы получения тонко- и толстопленочных контактов. Тонкопленочные контакты (толщиной до 300 нм) получали магнетронным напылением Ni. Толстопленочные контакты формировали химическим и электрохимическим осаждением Ni. Полученные пленки содержали различное количество никеля в составе. Удельное электрическое сопротивление пленок Ni, полученных химическим осаждением, значительно выше, чем для пленок Ni, полученных электрохимическим осаждением. Удельное контактное сопротивление системы металл–термоэлектрический материал в случае нанесения пленок Ni магнетронным напылением оказалось наименьшим среди рассмотренных образцов. А в случае нанесения контактов химическим осаждением сравнимо с таковым для пленок Ni, сформированных электрохимическим осаждением. Адгезионная прочность пленок Ni, полученных различными способами, имеет высокие значения, превосходящие отраслевой стандарт для пленочных покрытий в микроэлектронике. По электрофизическим свойствам и адгезионной прочности все полученные омические контакты удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конструкции эффективных термоэлементов.

Проведено исследование образцов монокристалла кремния, покрытого нанослоями золота. Образцы получены двумя методами: напылением золота с использованием пучка Xe⁺ с начальной энергией 7 кэВ и методом термического осаждения. Выполнен предварительный анализ образцов на основе расшифровки энергетических спектров отраженных протонов с начальной энергией 25 кэВ. Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (Angle Resolved XPS) определены толщины покрытий золота на кремнии. Анализ образцов с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии выполнен на основе сравнения интенсивностей максимумов Au 4f и Si 2p, измеренных при разных углах детектирования фотоэлектронов. Вычисления, выполненные традиционными методами, указывают на заметную зависимость расчетной толщины золотого покрытия от угла визирования для случая монослойных и субмонослойных покрытий. Показано, что подобное расхождение возможно, если золото осело на кремний в виде кластеров, образовав островки, а не в форме сплошного однородного покрытия. Обсуждена возможность движения островков из золота относительно кремния в верхних слоях кремния, которые были подвержены протонной бомбардировке под скользящими углами к поверхности.

Несмотря на наметившуюся в последнее время активность в области исследований свойств систем, образующихся при адсорбции атомов металлов на поверхности оксидов, многие вопросы фундаментального характера остаются открытыми. Выяснение фундаментальных особенностей поведения систем рассматриваемого типа позволит улучшить технологическую основу практической разработки и применения существующих материалов. В связи с этим, в настоящей работе в сверхвысоком вакууме с использованием методов диагностики поверхности выполнено исследование системы Ni/Al₂O₃/Mo(110). Методами рентгеновской фотоэлектронной и электронной оже-спектроскопии, спектроскопии обратного рассеяния ионов низкой энергии, инфракрасной фурье-спектроскопии показано, что электронные и адсорбционные свойства нанокластеров никеля на поверхности оксида алюминия существенно зависят от размера кластера. Свойства кластеров размером не более 2 нм определяются формированием поляризованной в сторону оксидной подложки связи на границе раздела Ni/Al₂O₃. С ростом кластера происходит деполяризация этой связи с перераспределением электронной плотности на латеральные связи между атомами Ni. Такая размерная зависимость позволяет настраивать свойства кластеров металлов и металлооксидной системы в целом, например, для достижения требуемых электронных и адсорбционно-реакционных параметров.

Представлены результаты испытаний и рабочие характеристики сверхпроводящего соленоида с косвенным охлаждением на основе криокулеров, который будет использоваться на экспериментальной станции терагерцовой спектроскопии лазера на свободных электронах в Институте ядерной физики. Сверхпроводящий соленоид был рассчитан на магнитное поле 6.5 Тл при диаметре обмотки 102 мм и длине 0.5 м. Диаметр теплого канала 80 мм доступен для экспериментов по терагерцовой спектроскопии. Использовался сверхпроводящий провод Cu/NbTi = 1.4. В конструкции реализованы пассивные методы защиты при внезапном переходе в нормальное состояние за счет секционирования и вторичных связанных контуров. Требуемую однородность поля 0.5% обеспечивали применением железного ярма и дополнительных боковых обмоток. Криогеника соленоида основана на двух криокулерах Sumitomo HI. Соленоид и железное ярмо охлаждаются второй ступенью криокулера, с которой они соединены с помощью медных пластин. Подробно описана технология изготовления соленоида. Соленоид был испытан в погружном криостате с жидким гелием и собственном криостате. Его характеристики удовлетворяют требованиям экспериментальной станции. Полученное поле 7.3 Тл больше расчетного за счет переохлаждения криокулерами до 3.6 К. Магнитное поле измеряли как в погружном криостате при 4.2 К, так и в проектном криостате – результаты соответствовали проектным расчетам. Время охлаждения соленоида составляет 13 дней. Произошли только два перехода в нормальное состояние – при 5.6 и 7.3 Тл.

Представлено новое поколение ультракомпактных и высоковакуумных охлаждаемых трансфокаторов на основе преломляющих линз для задач коллимации, транспорта и фокусировки жесткого рентгеновского излучения. Трансфокатор представляет собой оптическое устройство способное изменять положение фокуса в зависимости от количества рентгеновских преломляющих линз, которые выставлены по оптическому пути прохождения рентгеновского излучения. Конструкционные особенности представленного устройства позволяют управлять отдельными оптическими элементами независимо друг от друга, обеспечивая более гибкую настройку фокусного расстояния для широкого круга приложений. Малые габаритные размеры и небольшой вес устройств позволяют интегрировать их на любую станцию синхротронного излучения.

Экспериментальные станции на источниках синхротронного излучения могут предъявлять разные и даже взаимоисключающие требования к используемому рентгеновскому пучку. В некоторых случаях требуются пучки с минимально возможным поперечным сечением для реализации зондовых методов исследования образцов в режиме картографирования. Для решения задач радиационной обработки материала или изготовления коммерческого продукта с использованием подходов рентгеновской литографии необходим рентгеновский пучок сравнительно большой площади, обеспечивающий равномерное поле экспонирования. На разрабатываемой для источника синхротронного излучения “СКИФ” экспериментальной станции, получившей наименование “X-Techno”, станет возможным формировать пучки синхротронного излучения размером в горизонтальной плоскости до 100 мм и различным спектральным составом. Такие пучки будут применяться поочередно в одной из трех исследовательских камер станции для исследования радиационных эффектов в материалах, а также формирования структур в области микро- и нано размеров. Конструкция станции позволит изучать физико-химические свойства материалов под действием рентгеновского излучения в спектральном диапазоне от 2 до 70 кэВ.