Формирование наноструктурированных антифрикционных тонкопленочных покрытий MoSex(Ni,C) методом импульсного лазерного осаждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Романов, Роман Иванович

• Романов, Роман Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Романов, Роман Иванович

3.1. Введение.

3.2. Химический состав Мс^е* покрытий и его распределение по поверхности подложки при варьировании условий ИЛО.^

3.3. Структурно-фазовое состояние тонкопленочных Мо8ех покрытий.

3.4. Свойства тонкопленочных МоБе^ покрытий.

3.5. Выводы.

4. ИМПУЛЬСНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ И КОМПОЗИТНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ Мо8ех(№)-С.

4.1. Введение.

4.2.Трибологические свойства многослойных и композитных

МоЗе^^О-С покрытий.

4.3. Структурно-фазовые характеристики композитных Мо8е*(№)-С покрытии.

4.4. Выводы.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ДИСЕЛЕНИДА

МОЛИБДЕНА.

5.1. Введение.

5.2. Описание математической модели движения лазерного факела из Мо8е2 мишени в газовой среде заданного состава и давления.

5.3. Расчет основных физических характеристик осаждаемого атомарного потока при формировании Мо8ел(№)-С покрытий.

5.4. Анализ процессов, определяющих формирование химического состава и структурного состояния покрытий на основе диселенида молибдена при импульсном лазерном осаждении.

5.5. Выводы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Романов, Роман Иванович

Основные выводы по работе можно сформулировать следующим образом:

1. Показано, что химический состав покрытий МоБе* при импульсном лазерном осаждении зависит от особенностей испарения мишени, динамики разлета облака и поверхностных процессов. Основной причиной уменьшения содержания селена в покрытиях является его селективное распыление.

2. Установлено, что применение буферного газа позволяет влиять на химический состав и структуру покрытий МоБе*. Подбором давления буферного газа можно получать покрытия стехиометрического состава Мо8е2.

3. Выявлено влияние бомбардировки покрытий высокоэнергетичными ионами и атомами Мо и Бе на их текстуру: при увеличении числа смещений на атом от 1 до 2 изменение текстуры от (001) к (100) происходит вследствие возникновения случайной ориентации кристаллитов из-за высокой концентрации дефектов и более быстрого роста кристаллитов в направлении (100).

4. Показано, что структура композитных покрытий Мо8ех(№)-С состоит из наноразмерных включений фаз 2//-Мо8е2 и аморфного углерода. При увеличении концентрации углерода размер зерен диселенида молибдена уменьшается, а доля Бр -гибридизированых состояний атомов С растет.

5. Установлено, что наименьшим средним коэффициентом трения (0,04) обладают покрытия диселенида молибдена с текстурой (001) и составом, близким к стехиометрическому.

6. Установлено, что трибологические свойства многослойных покрытий Мо8ех(№)/аморфный углерод улучшаются с уменьшением толщины слоев и при переходе к композитному покрытию. При увеличении содержания углерода в композитных покрытиях до 50 ат.% коэффициент трения не увеличивается, а износостойкость повышается в несколько раз в зависимости от условий испытаний. 7. Показано, что хорошие трибологические свойства покрытий Мо8ел(№)-С, сформированных за экраном, обеспечиваются бомбардировкой из углеродного лазерного факела при концентрации углерода не менее 50 ат.%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведен достаточно широкий комплекс экспериментальных исследований по выявлению закономерностей роста покрытий на основе диселенида молибдена при использовании метода импульсного лазерного осаждения. Эти исследования показали, что характер физических процессов, определяющих рост МоЗе* покрытий при импульсном лазерном осаждении, заметно отличается от характера процессов в случае применения традиционного ионно-плазменного осаждения таких покрытий. Основная отличительная особенность метода ИЛО заключается в энергетическом спектре импульсного лазерно-инициированного потока вещества и высокой энергетике атомов, в том числе ионизованных, в этом потоке, который используется для формирования пленок. При воздействии импульсного лазерного излучения на мишень Мо8е2 в выбранных режимах облучения доминировал, вероятно, тепловой механизм эрозии материала мишени, который дополнялся лазерно-инициированной ионизацией испаренного вещества мишени.

В силу особых теплофизических и механических свойств материала мишени Мо8е2 лазерное воздействие вызывало не полностью конгруэнтное испарение и образование частиц микронных, субмикронных и нанометровых размеров. Взаимодействие лазерного излучения с испаренным веществом вызывало его ионизацию и, как следствие, ряд последующих процессов, включающих кулоновское ускорение ионной компоненты и ее частичную рекомбинацию. В результате совокупности всех этих факторов в лазерном факеле из мишени Мо8е2 присутствовали атомы Мо и 8е, а также ионы этих элементов первой и второй зарядности, которые имели достаточно сложные скоростные распределения.

Применение ряда экспериментальных методов позволило получить необходимую информацию для определения скоростных распределений атомов при разлете лазерного факела из Мо8е2 мишени в вакуумных условиях. Измерение скоростных распределений атомов при реализации

ИЛО в буферном газе представляло более сложную задачу. Для этой цели разработана математическая модель, использующая в качестве начальных параметров результаты экспериментальных исследований лазерного факела в вакуумных условиях.

В результате экспериментальных исследований и применения компьютерного моделирования динамики лазерного факела из мишени Мо8е2 установлены основные физические характеристики атомарного потока, осаждающегося на подложку при формировании покрытий Мо8ех методом ИЛО в вакууме и в буферном газе, в том числе в случае использования специального дискового экрана. Этот экран устанавливался между мишенью и подложкой и защищал ее от осаждения крупных частиц микронных и субмикронных размеров. В эрозионном факеле из мишени Мо8е2(№) присутствовали капли жидкой фазы и твердые частицы материала мишени.

В работе проведен комплекс исследований сформированных покрытий на основе диселенида молибдена. Исследованы структурно-фазовое и химическое состояния покрытий, а также их плотности, внутренние механические напряжения и трибологические свойства. Особое внимание уделялось решению проблемы качественного улучшения трибо-механических свойств путем формирования нанокомпозитных покрытий Мо8ех(№)-С. При формировании покрытий варьировались условия их осаждения, обеспечивающие существенное изменение основных физических параметров осаждаемого атомарного потока. Применение математического моделирования динамики лазерного факела в реализованных экспериментальных условиях позволило выявить основные факторы, оказывающие влияние на характеристики покрытия при изменении условий осаждения. Такие результаты необходимы для разработки конкретных технических требований к технологическим процессам, применяемым для получения самосмазывающихся покрытий для различных практических применений в высокотехнологических отраслях промышленности.

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в [6279].

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Романов, Роман Иванович, 2011 год

1. C.Donnet, A.Erdemir Historical developments and new trends in tribological and solid lubricant coatings // Surf. Coat. Tech. 2004. Vol. 180-181. P.76-84.

2. Pulsed laser deposition of thin films, edited by D.B.Chrisey and G.K.Hubler (Wiley, New York, 1994).

3. О.Б.Ананьин, Ю.В.Афанасьев, Ю.А.Быковский, О.Н.Крохин Лазерная плазма Физика и применение. М.гМИФИ, 2003.

4. Ю.А.Быковский, В.Н.Неволин Лазерная масс-спектрометрия. М.: Энергоатомиздат. 1985.

5. В.Н.Неволин, В.Ю.Фоминский, А.Л.Смирнов Особенности разлета эрозионного факела и формирование пленок MoSx при импульсном лазерном осаждении в буферном газе // Перспективные материалы. 2001. №1. С.82-86.

6. W.E.Jamison. Structure and bonding effects on the lubricating properties of crystalline solids // ASLE Transactions 1972. Vol.14. No.4.P.296-305.

7. T.Kubart, T.Polkar, L.Kopecky, R.Novak, D.Novakova Temperature-dependence of tribological properties of MoS2 and MoSe2 coatings // Surf. Coat. Tech. 2005. Vol.193. P.230-233.

8. D.G.Teer New solid lubicating coatings // Wear.2001.Vol. 251. P.1068-1074.

9. J.Wang, W.Lauwerens, E.Wieers, L.M.Stals, J.He, J.-P.Celis. Structure and tribological properties of MoSx coatings prepared by bipolar DC magnetron sputtering//Surf. Coat. Tech.2001. Vol.139. No.139. P.143-152.

10. N.M.Renevier, J.Hamphire, V.C.Fox, J.Witts, T.Allen, D.G.Teer Advantages of using self-lubricating, hard, wear-resistant MoS2-based coatings // Surf. Coat. Tech.2001. Vol. 142-144. P.67-77.

11. S.D.Walck, J.S.Zabinski, M.S.Donley, J.E.Bultman Evolution of surface topography in pulsed-laser-deposited thin films of MoS2 // Surface and Coatings Technology. 1993. Vol.62. P.412-416.

12. D.V.Shtansky, T.A.Lobova, V.Yu.Fominski, S.A.Kulinich, I.V.Lyasotsky, M.I.Petrzhik, E.A.Levashov, J.J.Moore Structure and wear behavior of WSex,

13. WSex/TiN, WSex/TiCN and WSex/TiSiN coatings // Surface and Coatings Technology. 2004. Vol. 183. P.328-336.

14. J.J.Devadasan, C.Sanjeeviraja, M.Jayachandran Electrosynthesis and characterization of n-WSe2 thin films // Material Chemistry and Physics. 2002. Vol. 77. P.397-401.

15. Т.А.Лобова, А.Л.Лобов, Д.В.Троян, В.Н.Недбайло Порошковый антифрикционный материал на основе железа, содержащий добавки порошков дихалькогенидов тугоплавких металлов // Патент № RU 2114207.

16. H.Dimigen, H.Hubsch, P.Willich, K.Reichelt Stoichiometry and friction properties of sputtered MoSx layers // Thin Solid Films 1985. Vol.129. P.79.

17. H.Shin, H.J.Doerr, C.V.Dechpandey, B.Dunn Effect of deposition variables on the properties of molybdenum sulfide films prepared by the activated reactive evaporation technicue // Surface and Coatings Technology. 1989. Vol. 39/40. P.683.

18. L.E.Seitzman, R.N.Bolster, I.L.Singer Effects of temperature and ion-to-atom ratio on the orientation of IBAD MoS2 coatings // Thin Solid Films 1995. Vol.260. P.143-147.

19. W.Sun, P.Gribi, F.Levy Low-energy ion bombardment indused anisotropy in sputtered MoS2x thin films // J.Phys.D:Appl.Phys.l989. Vol.22. P. 1210.

20. K. J. Wahl, D.N.Dunn, I.L.Singer Effects of implantation on microstructure, endurance and wear behavior of IBAD MoS2 // Wear 2000. Vol.237. P. 1-11.

21. O.B.Anarf in, Yu.A.Bykovskii, Yu.V.Eremin, A.A.Zhuravlev, O.S.Lyubchenko, I.K.Novikov, S.P.Frolov Interaction of one and two lobes of laser-prodused plasma with rarefied gas // Laser Physics 1992. Vol.2.No5.P.59.

22. В.В.Млынский Масс-спектральное и спектральное исследование динамики разлета лазерной плазмы в фоновый газ. Диссертация. М. 1992.

23. А.А.Чиликин, Л.Х.Крюков, И.К.Новиков, В.Ю.Фоминский, О.Б.Ананьин Масс спектрометрия многокомпонентной лазерной плазмы // Научная сессия МИФИ-2003. Сборник научных трудов, том 4, с. 202.

24. J.Krasa , A. Lorusso , D. Doria, F.Belloni, V.Nassini, K.Rohlena Time-offlight profile of multiply-charged ion currents produced by a pulse laser // Plasma Phys. Cotrol. Fusion. 2005. Vol. 47. P.l339-1349.

25. L.Torrisi, D.Margarone Investigations on pulsed laser ablation of Sn at 1064 nm wavelength // Plasma Sources Sci. Technol. 2005. Voll5. P.635-641.

26. Yu.A.Bykovskii, S.M.SiFnov, E.A.Sotnichenko, B.A.Shestakov Mass-spectrometric investigation of the neutral particles of a laser plasma // Sov.Phys.JETP 1987. Vol.66 (2). P.285-289.

27. A.M.Haghiri-Gosnet, F.R.Ladan, C.Mayeux, H.Launois, M.C.Joncour Stress and microstructure in tungsten sputtered thin films // J.Vac.Sci.Technol. A 1989. Vol. 7(4). P.2663-2669.

28. J.Moser, H.Liao, F.Levy The tribological behavior of type II textured MX2 (M=Mo,W; X=S,Se) films // J. Phys. D : Appl. Phys. 1990. V.23. P. 624.

29. J.Moser, F.Levy Random stacking in MoS2x sputtered thin films // Thin Solid Films. 1994. V.240. P.56.

30. J.A.Spirko, M.L.Neiman, A.M.Oelker, K.Klier Electronic structure and reactivity of defect MoS2 1 .Relative stabilities of clusters and edges, and electronic surface states // Surface Science 2003.Vol.542. P. 192-204.

31. T.Polcar, M.Evaristo, M.Stueber, A.Cavaleiro Mechanical and tribological properties of sputtered Mo-Se-C coatings // Wear. 2009. Vol.266. P.393-397

32. L.Brewer, E.I.Lamoreaux Molybdenum: Physicochemical Properties of its Compounds and Alloys // Atomic Energy Review. Special Issue N 7. Vienna: International Atomic Energy Agency, 1980.

33. A.S.Ferrari, J.Robertson Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon // Physical Review B61. P.14095-14107.

34. A.S.Ferrari, J.Robertson Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 2004, V362< P.2477-2512

35. P.J.Fallon, V.S.Veerasamy, C.A.Davis, J.Robertson, G.A.J.Amaratunga, W.I.Milne, J.Koskinen. Properties of filtered-ion-beam-deposited diamondlike carbon as function of ion energy // Physical Review B48. P.4777-4782.

36. G.A.Bird Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Clarendon Press. Oxford. 1994.

37. А.Грас-Марти, Г.М.Урбассек, Н.Р.Ариста, Ф.Флорес, под ред. Взаимодействие заряженных частиц с твердым телом. М.«Высшая школа», 1994.

38. J.F.Ziegler, J.P. Biersack Stopping and Range of Ions in Solids. Pergamon, New York. 1985.

39. Ч.Киттель Введение в физику твердого тела. М. «Наука», 1978.

40. Y.Kudriavtsev, A. Villegas, A.Godines, R. Asomosa Calculation of the surface binding energy for ion sputtered particles // Applied Surface Science 2005.Vol.239. P.273-278.

41. V.Yu.Fominski, V.N.Nevolin, R.I.Romanov, I.Smurov Ion-assisted deposition of MoSx films from laser-generated plume under pulsed electric field // J. Appl Phys.2001. Vol.89. No.2.P.1449-1457.

42. V.Fominski, V.Nevolin, R.Romanov, A.Smirnov, W.Scharff Atomic mixing and chemical bond formation in MoSx/Fe thin-film system deposited from a laser plume in a high-intensity electrostatic field // Thin Solid Films. 2002. Vol.422/1-2. P.39-47.

43. В.Н.Неволин, В.Ю.Фоминский, Р.И.Романов, А.Л.Смирнов, Н.П.Мацнев Структурообразование и трибологические свойства покрытий MoSex, формируемых импульсным лазерным осаждением // Перспективные материалы. 2004. №6.С.70-77.

44. V.Yu.Fominski, V.N.Nevolin, R.I.Romanov, V.I.Titov, W.Scharff Tribological properties of pulsed laser deposited WSex(Ni)/DLC coatings // Tribology Letters. 2004. V.17.No.2. P.289-294.

45. V.Yu.Fominski, R.I.Romanov, A.V.Gusarov, J.-P.Celis Pulsed laser deposition of antifriction thin-film MoSex coatings at the different vacuum conditions // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol.201. P.7813-7821.

46. А.Г.Гнедовец, В.Ю.Фоминский, Р.И.Романов, Н.П.Мацнев Компьютерное моделирование роста тонкопленочных покрытий при импульсном лазерном осаждении при разных давлениях инертного газа // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. №9. С.3-9.

47. В.Н.Неволин, В.Ю.Фоминский, А.Г.Гнедовец, Р.И.Романов, И.В.Костычев Компьютерное моделирование импульсного лазерно-инициированного потока атомов при нанесении покрытий в вакууме и инертном газе // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. №6. С.3-12.

48. В.Ю.Фоминский, Р.И.Романов, А.Г.Гнедовец, В.Е.Кошманов Импульсное лазерное осаждение тонкопленочных покрытий с применением капельной заслонки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. №12. С.41-47.

49. В.Н.Неволин, В.Ю.Фоминский, А.Г.Гнедовец, Р.И.Романов Исследование и моделирование роста твердосмазочных покрытий MoSex при импульсном лазерном осаждении // Журнал технической физики. 2009. Т.79.Вып.1.С.118-124.

50. В.Н.Неволин, В.Ю.Фоминский, А.Г.Гнедовец, Р.И.Романов Особенности импульсного лазерного осаждения тонкопленочных покрытий с применением противокапельного экрана // Журнал технической физики. 2009. Т.79. Вып.11. С.120-127.