Search academic texts

Registration Number

0824U000450, PhD dissertation

Title

The formation of combined flows of activated particles in plasma systems with crossed EH fields for the synthesis of nanostructured coatings

Author

Nina Yefymenko,

popup.head Oleksandr Zykov
popup.opponent Anatoly Kuzmichev
popup.opponent Vadym O. Makhlai
popup.review Valerii Lisovskiy
popup.review Serhiy Lytovchenko

Status

Доктор філософії, 105, Прикладна фізика та наноматеріали

Date

21-02-2024

Description

Дисертаційну роботу присвячено дослідженням процесів генерації та транспортування потоків іонів, електронів і хімічно активних частинок в кластерній іонно-плазмовій системі (КІПС) та в комбінованій магнетронній іонно-променевой / плазмовій системах (МІПС) зі схрещеними ЕН полями для синтезу складно-композиційних наноструктурних покриттів. На першому етапі роботи було проведено експериментальні дослідження інтегральних характеристик магнетронного та ВЧ індукційного розрядів в КІПС. Також були виміряні локальні параметри плазми і потоків заряджених частинок (температури і густини електронів і іонів); визначенні енергетичні спектри іонів і просторові розподіли густини іонного струму. Було синтезовано одношарові і багатошарові покриття з оксидів алюмінію та танталу і вивчено іх фізичні та трибологічні властивості, визначено оптимальне «технологічне вікно» та зроблено рекомендації щодо отримання стехіометричних покриттів з пентооксиду тантала в КІПС. Також, на основі досліджень плазми проведено оснащення КІПС додатковим обладнанням для контролю і моніторингу в часі ключових параметрів технологічного процесу нанесення покриттів на зразки та медичні вироби для імплантології. Другий етап роботи було присвячено комплексним експериментальним і технологічним дослідженням новітньої комбінованої магнетронної іоннопроменевої системи (МІПС). В МІПС магнетронний розряд було поєднано з джерелом іонів холлівського типу, налаштованому на роботу в прискорювальному режимі. В цьому режимі було сформовані щільні, надтверді покриття з високою внутрішню напругою типу ТіN та α Al2O3. Було доведено можливість контролювати кінетику росту стехіометричних покриттів з Al2O3 при знижених температурах і отримати аморфні або нанокристалічні (розміром 10-12 нм) плівки з γ та α фазами оксиду алюмінія. Було продемонстровано переваги МІПС перед магнетронним розрядом, а саме: - зниження тиску робочого газу для запалювання розряду в 1,5-2 рази; - зменьшення напругу магнетронного розряду на (50-100) В і стабілізація його роботи при тисках газу, менших за 1 мТорр; - можливість компенсації струму іонного пучка потоком електронів з магнетронної плазми і синтезу тонких діелектричних плівок без пошкоджень; - можливість проводити реактивний іонно-плазмовий синтез стехіометричних покриттів при параметрах поза зони пасивації мішені магнетрона. Також в результаті проведених досліджень отримано послідовний синтез аморфної, γ - та α – фаз оксиду алюмінію за участю іонного бомбардування в МІПС при температурі зразків меншої 500° С. На третьому етапі роботи було експериментально досліджено іонноплазмову модифікацію МІПС, яка призначена для синтезу покриттів з низькою енергією іонів (10-100) еВ додаткового бомбардування, але з високою густиною струму до 20 мА/см2 . Цей діапазон параметрів іонного бомбардування є необхідним для нанесення покриттів без внутрішніх напружень на термочутливі матеріали. Було експериментально доведено можливість формування при анодного шару електронів в плазмовому режимі роботі джерела іонів холлівського типу без розжарювального катоду завдяки інжекції електронів з магнетронного розряду. Вперше експериментально встановлено самоузгоджене керування напругою при анодного шару електронів в джерелі іонів холлівського типу в плазмовому режимі за допомогою магнітного поля. Таким чином, в комбінованій МІПС отримано направлений компенсований іон-електронний потік з керованою енергією іонів в діапазоні (30-500) еВ і густиною струму до 30 мА/см2 . На четвертому етапі роботи було розроблено феноменологічну просторовоусереднену модель комбінованого газового розраду в ЕН полях, яка побудована на загально визнаних в фізиці газового розряду і низькотемпературної плазми величинах. Було виявлено енергетично оптимальний режим роботи системи з максимальним струмом при мінімальній напрузі розряду та визначено параметри, які впливають на величину катодного і анодного падіння потенціалу. В цілому модель, якісно та кількісно пояснює основні характеристики роботи комбінованої МІПС від зовнішніх параметрів: тиску робочого газу, електричної потужності та магнітного поля. Таким чином експериментально доведено і теоретично обґрунтовано нову концепцію комбінованої МІПС. Тематика роботи і отримані результати становлять інтерес не тільки для фундаментальної фізики газового розряду і низькотемпературної плазми в магнітному полі, а є актуальними для розробки нової генерації іонно-плазмового обладнання для мікро- і нанотехнологій.