Ученые ТПУ нашли решение фундаментальной проблемы ионной имплантации

Ученые Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета провели цикл исследований и экспериментально доказали возможность глубокой ионной имплантации в металлы и сплавы. Это стало возможным благодаря предложенному и разработанному политехниками методу синергии высокоинтенсивной имплантации ионов и энергетического воздействия пучка высокой плотности мощности на поверхность.

До этого применение ионной имплантации для модификации свойств металлов и сплавов ограничивалось фундаментальной проблемой малых толщин модифицированного слоя.

Исследования поддержаны двумя грантами Российского научного фонда (№22–19–00051 и №22–79–10061). Результаты работы ученых опубликованы в журналах Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (Q1, IF: 1,4), Vacuum (Q1, IF: 4) и MDPI (Q1, IF:2,9).

Ионная имплантация — это метод, позволяющий изменять элементный и фазовый составы, микроструктуру и эксплуатационные свойства различных материалов (полупроводников, металлов, диэлектриков) за счет внедрения элементов периодической системы Менделеева в твердое тело. Этот метод начал развиваться в середине XX века и нашел промышленное применение для направленного изменения свойств полупроводников. Однако из-за малого проективного пробега ионов в твердом теле и незначительной толщины ионно-легированного слоя практическое применение метода для улучшения эксплуатационных свойств металлов и сплавов было ограничено.

Для решения фундаментальной проблемы ученые Томского политеха предложили собственный метод — метод синергии высокоинтенсивной имплантации ионов и энергетического воздействия импульсно-периодического пучка высокой плотности мощности и субмиллисекундной длительности на поверхность модифицируемого материала. Политехники провели цикл экспериментов на ускорителе «Радуга-5М» по имплантации ионов в кремний, алюминий, сплав циркония и ниобия, нержавеющую сталь, титан, сталь 40Х и сталь 40Х13. Для этого они впервые в мире получили в лаборатории импульсно-периодические пучки ионов металлов и газов с плотностью тока до нескольких ампер на квадратный сантиметр. Это на три порядка превышает токи, используемые при обычной имплантации ионов. Исследования показали, что даже при высокоинтенсивной имплантации ионов низкой энергии можно увеличить глубину ионно-легированного слоя до нескольких сотен микрометров.

Александр Рябчиков, заведующий научной лабораторией высокоинтенсивной имплантации ионов ТПУ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое ионная имплантация? Как происходит этот процесс?

— Ионная имплантация — это метод изменения элементного состава, микроструктуры и свойств приповерхностных слоев различных материалов. Он реализуется путем облучения поверхности твердого тела ускоренными ионами. Формирование пучков ускоренных ионов осуществляется в специальных устройствах, называемых источниками ионов, или имплантерами. Ускорение ионов осуществляется в электрических полях с амплитудой до нескольких сотен тысяч вольт. В процессе имплантации ионы проникают в твердое тело. Глубина проникновения (пробега) ионов в твердое тело зависит от энергии ионов, материала мишени и сорта ионов. При энергиях ионов 100000 эВ средний проективный пробег ионов обычно не превышает нескольких десятков нанометров.

Ионное легирование приповерхностного слоя материалов сопровождается изменением его элементного состава, формированием новых фаз, модификацией микроструктуры и, как следствие, может приводить к улучшению свойств поверхности. Во многих практических применениях именно свойства поверхности определяют эксплуатационные характеристики материалов, деталей и изделий.

— В каких сферах используют ионную имплантацию? Приведите несколько примеров.

— Широкое практическое применение ионная имплантация нашла в технологиях направленного и хорошо контролируемого ионного легирования полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы оказались очень чувствительными к легирующей примеси, и для изменения их свойств (например, проводимости) используются флюенсы, обычно не превышающие 10 в пятнадцатой степени ионов на квадратный сантиметр.

Металлы и сплавы оказались менее чувствительны, и для модификации их приповерхностных свойств потребовалось увеличить флюенс ионного облучения на несколько порядков, примерно до 10 в семнадцатой степени ионов на квадратный сантиметр. В связи с необходимостью существенного увеличения флюенса ионного облучения были разработаны ионные источники непрерывного и импульсно-периодического действия на существенно большие токи. Многолетние исследования особенностей и закономерностей имплантации ионов металлов и газов в конструкционные материалы различного назначения показали возможность существенного улучшения микроструктуры и свойств ионно-легированного слоя, таких как износостойкость, микротвердость, усталостная прочность, коррозионная стойкость и др.

Практическое применение ионная имплантация в металлы и сплавы нашла применительно к улучшению трибологических свойств деталей пар трения. Однако в целом широкого практического применения технологии ионной имплантации в металлы и сплавы пока не получили.

— Зачем нужно увеличивать толщину модифицированного слоя?

— Главный недостаток, ограничивший применение ионной имплантации для направленного изменения элементного состава, микроструктуры и эксплуатационных свойств металлов и сплавов, обусловлен малым пробегом ионов в твердом теле. В случае полупроводниковых материалов для увеличения толщин ионно-легированных слоев используют имплантеры с большей энергией ионов. Высокая себестоимость микросхем и малые флюенсы ионного облучения привели к созданию экономически выгодных технологий модификации полупроводниковых материалов.

В случае металлов и сплавов, когда требуется увеличение флюенса на несколько порядков по сравнению с полупроводниками, применение сложных ускорителей на энергии ионов в несколько сотен и даже тысяч кэВ представляется экономически бесперспективным. Более того, рассматривая возможность увеличения толщин ионно-легированных слоев до нескольких микрометров и даже десятков микрометров, становится очевидным невозможность реализации глубокого ионного легирования металлов и сплавов за счет увеличения энергии ионов.

Ионно-модифицированные слои с толщинами в несколько десятков нанометров оказываются малоэффективными для практических применений по улучшению коррозионной стойкости изделий. Они не выдерживают значительных нагрузок применительно к режущему и штамповому инструментам. Тонкие слои не могут защитить, например, топливные элементы энергетических установок от проникновения водорода.

Альтернативный метод улучшения эксплуатационных свойств металлов и сплавов, основанный на ионно-плазменном осаждении покрытий, недостаток которого связан с проблемой адгезии покрытия и матричного материала, показывает необходимость формирования слоев с толщинами в несколько микрометров. Такие же толщины, предположительно, будут эффективны и для практического применения изделий с ионно-модифицированными приповерхностными слоями.

— Какие перспективы метод синергии открывает для практического применения ионной имплантации?

— Метод высокоинтенсивной имплантации ионов, особенно в условиях одновременного импульсно-периодического энергетического воздействия пучка высокой плотности мощности при субмиллисекундной длительности импульса, обеспечивает возможность увеличения глубины ионного легирования различных материалов в 100–1000 раз. Причем импульсно-периодическое энергетическое воздействие пучка на поверхность само по себе обеспечивает улучшение микроструктуры приповерхностного слоя и, что особенно важно, не приводит к ухудшению структуры и свойств во всем объеме обрабатываемого материала.

— Легко ли будет внедрить этот метод в производство?

— Этот метод, несомненно, найдет свое место в условиях развитой промышленной индустрии.

— Как, на ваш взгляд, будет развиваться эта технология?

— Это пока далеко не технология. В результате наших исследований получены закономерности, доказывающие правомерность выдвинутых нами идей и позволяющие сформулировать научные основы нового метода модификации поверхности твердого тела имплантацией ионов.

В последующем необходимо будет разработать научные основы различных технологий. На основе имеющегося задела по созданию специального источника ионов провести ОКР и создать опытный образец и в последующем решить задачу проектирования и создания специализированной установки с отработкой технологий.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки