Структурирование магнетронных нанопленок Zr при отжиге T_D < T_an < T_m в атмосфере

Цель исследования. Комплексная характеризация деградации магнетронных нанопленок из Zr при атмосферном отжиге при температуре до T_an = 973 К, удовлетворяющей условию T_D < T_an < T_m (выше температуры Debye T_D, но ниже температуры плавления  T_m), и качественное описание процессов кластеризации как металлического циркония, так и его окислов.

Методы. Магнетронное распыление мишени из Zr в режиме постоянного тока (мощность  300 Вт, время распыления  300 с, рабочий газ  Ar, расход  0,7 л/ч). Магнетронные нанопленки наносились в установке МВУ ТМ – «Магна Т» на кремниевые подложки (с ИК-подогревом – до 403 К, ионная очистка 60 мА в течение  120 с). Характеризация магнетронных нанопленок осуществлялась методами: рентгенофазового анализа и отжига (T_an) на воздухе в термоячейке AntonPaar (с шагом100 К до 973 К), атомно-силовой микроскопии  и комбинационного (рамановского) рассеяния света (КРС). Фрактальная размерность (D) МН определялась по методу Хаусдорфа – Безиковича. 

Результаты. Гранулометрическое распределение по размерам нанокластеров в пленках из Zr при всех температурах T_an носило гауссов характер. Рассчитаны размеры области когерентности (L) и относительные изменения микродеформаций (ε) по дифрактограммам. Изучены химические структурные изменения при отжиге нанопленок из циркония как по РФА, так и КРС. Установлены температуры фазовых структурных переходов и связанных с ними химических превращений по АСМ изображениям поверхности МН. Заключение. Деградационные изменения, регистрируемые при комплексном использовании наноинструментальных методов при анализе МН (в частности, из Zr) как в исходном состоянии сразу же после МР, так и после отжига в атмосфере с температурами отжига вплоть до T_an =  973 К (T_D < T_an < T_m), показали практическую значимость получаемых количественных параметров, таких как размер кристаллитов, микродеформации, текстуры, фрактальной размерности и шероховатости их поверхности.

1. Young P., Jin Z. Influence of noble metals on the electronic and optical properties of the monoclinic ZrO2: A first principles study // Vacuum. 2021. Vol. 187. P. 110112–1101116.

2. Study of microstructure and nanomechanical properties of Zr films prepared by pulsed magnetron sputtering / S. Akash, P. Kuppusamia, R. Thirumurugesana, R. Ramaseshan, M. Kamruddin, S. Dash, V. Ganesan, E. Mohandas // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257. P. 9909–9914. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.06.106.

3. Layer protecting the surface of zirconium used in nuclear reactors / P. Ashcheulov, R. Skoda, J. Skarohlid, A. Taylor, F. Fendrych, I. Kratochvílová // Recent Patents on Nanotechnology. 2016. Vol. 10, no. 1. P. 59-65.

4. Zirconium alloys for orthopaedic and dental applications / A. Mehjabeen, T. Song, W. Xu, H. P. Tang, M. Qian // Adv. Eng. Mater. 2018. Vol. 20. P. 1-21. http://doi.org/10.1002/-adem.201800207.

5. Optimization of sputtered zirconium thin films as an infrared reflector for use inspectrally-selective solar absorbers / B. Usmani, V. Vijay, R. Chhibber, A. Dixit // Thin Solid Film. 2017. Vol. 627. P. 17-25.

6. Luo H., Gao F., Billard A. Tunable microstructures and morphology of zirconium films via an assist of magnetic field in HiPIMS for improved mechanical properties // Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 374. P. 822–832. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.06.072.

7. Structural and optical properties of thin zirconium oxide films prepared by reactive direct current magnetron sputtering / S. Venkatara, K. Oliver, W. Hansjorg, D. Robert, R. Jayavel, W. Matthias // Journal of applied physics. 2002.Vol. 92, no. 7. P. 3599–3607. http://doi.org/10.1063/1.1503858.

8. Investigation of various properties for zirconium oxid films synthesized by sputtering / S. P. Uttkarsh, H. P. Kartik, V. C. Kamlesh, K. C. Amit, K. R. Sushant // Procedia Technology. 2016. Vol. 23. P. 336–343. http://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.03.035.

9. Khojier K., Savaloni H., Jafari F. Structural, electrical, and decorative properties of sputtered zirconium thin films during post-annealing process // J. Theor. Appl. Phys. 2013. Vol. 7, no. 55. Р. 1-7. http://doi.org/10.1186/2251-7235-7-55.

10. Наноструктурирование ZrO2 при импульсной лазерной абляции / А. П. Кузьменко, М. А. Пугачевский, В. Э. Дрейзин, А. Н. Чаплыгин, А. С. Чекаданов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 2 (41), ч. 1. С. 113– 119.

11. Formation of ideally ordered porous anodic zirconia by anodization of vacuum deposited Zr on molds / K. Toshiaki, T. Touko, Y. Takashi, M. Hideki // J. Vac. Sci. Technol. B. 2021, Vol. 39, no. 2. P. 1–4 (020601). http://doi.org/10.1116/6.0000864.

12. Degradation and structure evolution in corrosive LiOH solution of microarc oxidation coated Zircaloy-4 alloy in silicate and phosphate electrolytes / Y. M. Wang, W. Feng, Y. R. Xing, Y. L. Ge, L. X. Guo, J. H. Ouyang, D. C. Jia, Y. Zhou // Applied Surface Science. 2018. Vol. 43. P. 2–12. http://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.04.226.

13. Zeta potential of microarc oxidation film on zirlo alloy in different aqueous solutions / K. Wei, L. Chen, Y. Qu, Z. Yifan, J. Xiaoyue, X. Wenbin, Z. Jinlong // Corros. Sci. 2018. Vol. 143. P. 129-135.

14. Arun S., Arunnellaiappan T., Rameshbabu N. Fabrication of the nanoparticle incorporated PEO coating on commercially pure zirconium and its corrosion resistance // Surf. Coat. Tech. 2016. Vol. 305. P. 264-273.

15. Oxidation of sputtered Zr thin film on Si substrate / Tedi Kurniawan, Kuan Yew Cheong, Khairunisak Abdul Razak, Zainovia Lockman., Nuruddin Ahmad // J. Mater. Sci: Mater. Electron. 2011. Vol. 22. P. 143-150. http://doi.org/10.1007/s10854-010-0103-1.

16. Alireza H. Structural and optical characterization of ZrO2 thin films grown on silicon and quartz substrates // J. Theor. Appl. Phys. 2016. Vol. 10. P. 219–224. http://doi.org/10.1007/s40094-016-0218-8.

17. Магнетронные одно- и мультислойные нанопленки из Nb, C и Si / А. П. Кузьменко, Тант Син Вин, Мьо Мин Тан, Нау Динт // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. T. 9, № 4. C. 30–52.

18. Процессы деградации при нагревании на воздухе в магнетронных нанопленках Ni и Cr / A. П. Кузьменко, А. Е. Кузько, Нау Динт, Мьо Мин Тан, Р. Т. Кануков // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. T. 2, № 19. С. 153–165.

19. Деградация магнетронных нанопленок Hf и Mo в условиях атмосферного отжига / А. П. Кузьменко, Тант Син Вин, Мьо Мин Тан, Нау Динт, А. Г. Беседин // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. T. 10, № 3. C. 86–104.

20. Валюхов С. Г., Стогней О. В., Филатов М. С. Влияние условий магнетронного напыления на структуру жаростойких наноструктурированных покрытий из диоксида циркония ZrO2 // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. Вып. 11, № 668. С. 97–105. http://doi.org/10.18698/0536–1044–2015–11–97–105.

21. Influence of nanoparticle additions on structure and fretting corrosion behavior of micro-arc oxidation coatings on zirconium alloy / L. Zheng-Yang, C. Zhen-Bing, C. Xue-Jun, L. Rui-Rui, Y. Zhong-Bo, Z. Min-Hao // Surface & Coatings Technology. 2021. Vol. 410. P. 1–15. http://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126949

22. Afterglow and thermoluminescence of ZrO2 nanopowders / P. Laurits, K. Valter, U. Kathriin, M. Hugo, S. Ilmo // Cent. Eur. J. Phys. 2014. Vol. 12, no. 6. P. 415-420. http://doi.org/10.2478/s11534-014-0456-9.

23. Торхов Н. А., Новиков В. А. Фрактальная геометрия поверхностного потенциала электрохимически осажденных пленок платины и палладия // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43, № 8. С. 1109-1116.

24. Prajapati C. S., Sahay P. P. Alcohol-sensingcharacteristics of spray deposited ZnO nano-particle thin films // Sensors and Actuators B. 2011. Vol. 160. P. 1043–1049.