Нанотехнологии и наноматериалы

Ion implantatsiyasi
Usul material yuzasiga yuqori energiyali ionlarni kiritishga asoslangan. Jarayon ion nurli tezlatgichlar (implantatorlar) yordamida 10-4 ... 10-3 Pa tartibli vakuumda amalga oshiriladi. Ushbu qurilmalar (4.25-rasm) bir yoki bir nechta ion manbalarini o'z ichiga oladi, bunda material plazmaning ionlangan holatiga o'tkaziladi. Implantatsiya qilingan ionlar elektr yoyi usuli, termal bug'lanish usullari (shu jumladan lazerli bug'lanish), porlash oqimi bilan birlashtirilgan va boshqalar bilan yaratilishi mumkin. Hosil bo'lgan ionlar tahlil va ajratish tizimiga kiradi, bu erda kiruvchi aralashmalarning ionlari asosiy nurdan ajratiladi. Ajratilgandan so'ng, ion nurlari markazlashtiruvchi linzalar yordamida tezlatgichga kiradigan nurga to'planadi, bu erda ionlar elektr maydonida yuqori energiyaga tezlashadi.
O'zgartirilgan materialga tushganda, ionlar energiyasiga qarab 5-500 nm chuqurlikka kiritiladi. Shartli ravishda 2-10 keV ion energiyasi bilan past energiyali ion implantatsiyasi va 10-400 keV ion energiyasi bilan yuqori energiyali implantatsiya farqlanadi. Implantatorning konstruktsiyasiga qarab, ion nurlari nuqtasining diametri
qayta ishlangan materialning yuzasi 10 dan 200 mm gacha bo'lishi mumkin va o'rtacha ion oqimining qiymati 1-20 mA [103-106]. Ion nurlanish dozasining qiymati odatda 1014-1018 sm-2 ni tashkil qiladi.
Bombardimon ionlari modifikatsiya qilinayotgan materialning sirt qatlamlari bilan oʻzaro taʼsirlashganda murakkab jarayonlarning butun majmuasi sodir boʻladi [103, 106, 109]. Materialning yuzasiga ionlarning haqiqiy implantatsiyasi (penetratsiyasi) bilan bir qatorda, xususan, yuzadan porlash, to'qnashuv kaskadlarining rivojlanishi, sirt qatlamida material atomlarining kaskad (ballistik) aralashuvi, radiatsiya stimulyatsiyasi kabi jarayonlar. diffuziya, metastabil fazalarning shakllanishi, radiatsiya bilan stimulyatsiya qilingan segregatsiya (sirt qatlamida material atomlarining qayta taqsimlanishi), imtiyozli püskürtülmesi, Gibbs adsorbsiyasi (erkin energiyaning kamayishi tufayli sirt tarkibining o'zgarishi), qizish va boshqalar. Bular o'rtasidagi bog'liqlik. jarayonlar implantatsiya qilingan ionlarning turiga, modifikatsiya qilinadigan materialga va ishlov berish rejimiga bog'liq.

Guruch. 4.25. Ion implantatsiyasi usulining diagrammasi: 1- ion manbalari, 2- ion oqimi, 3- ionlarni tahlil qilish va ajratish tizimi, 4- fokuslash tizimi, 5- ion tezlatgich, 6- ionli nurni barqarorlashtirish va skanerlash tizimi, 7- ionli nur, 8 - vakuum kamerasi, 9- o'zgartiriladigan material, 10- o'zgartiriladigan material ushlagichi (namunalar).

Modifikatsiyalangan sirt nano qatlamlarini yaratish usuli sifatida ion implantatsiyasining asosiy afzalliklari: sirtdagi materiallarning deyarli har qanday birikmasini olish qobiliyati.

nano qatlam, qattiq fazadagi komponentlarning eruvchanlik chegaralaridan mustaqilligi (ya'ni, termodinamik cheklovlar tufayli normal sharoitda imkonsiz bo'lgan bunday qotishmalarni olish mumkin), modifikatsiyalangan materialning past haroratlari va sezilarli o'zgarishlarning yo'qligi. asosiy materialning o'lchamlari, tuzilishi va xususiyatlari, aniq interfeyslarning yo'qligi, yopishish muammosining yo'qligi, ishlov berish chuqurligining boshqarilishi, jarayonning yaxshi takrorlanishi va barqarorligi, vakuumdagi jarayonning yuqori tozaligi, murakkab sirt nanostrukturalarini yaratish qobiliyati. ishlov berilgan sirt ustida ion nurini yuqori aniqlikdagi skanerlash, turli materiallarning ionlarini bir vaqtning o'zida yoki ketma-ket joylashtirish imkoniyati.
Usulning kamchiliklari quyidagilardan iborat: materiallarni faqat ion nurlarining to'g'ridan-to'g'ri ta'sir qilish zonasida sirtga ishlov berish imkoniyati, ionlarning materialga kirishining kichik chuqurligi (ayniqsa, past energiyalarda), sirtni sochish jarayonlarining borishi, asbob-uskunalar va qayta ishlashning yuqori narxi va murakkabligi, ion implantatsiyasi paytida yuzaga keladigan jarayonlarning butun majmuasini boshqarishning murakkabligi, etarli bilim va qiyinchilik.


Ion nuri aralashtirish
Ushbu usulda allaqachon qo'llaniladigan sirt qatlami bo'lgan materialning tarkibi ion nurlanishiga ta'sir qiladi. Sirtni bombardimon qilgan inert gaz ionlari qatlam va asosiy materialning sirt atomlarini muvozanat holatidan chiqarib yuboradi, bu esa atom to'qnashuvlarining kaskadlarini keltirib chiqaradi [103, 109]. Natijada, sirt qatlami va taglik orasidagi chegara loyqa bo'lib, aralashtirish sodir bo'ladi. Ushbu usul ion implantatsiyasining qotishma elementining maksimal konsentratsiyasini chayqash effekti bilan cheklash, ion energiyasini, ion nurlanishining vaqtini va dozalarini kamaytirish imkoniyati kabi kamchiliklarni bartaraf etishga imkon beradi.
Jarayon 10-3 ... 10-2 Pa vakuumda amalga oshiriladi. Argon yoki ksenon ko'pincha inert gaz sifatida ishlatiladi. Atom raqamlari yuqori bo'lgan ionlardan foydalanish aralashtirish jarayonlarining samaradorligini oshirishga olib keladi [103].


Lazerli guruh usullari
Ushbu usullar yordamida nanostrukturaviy holatga an'anaviy texnologiyalar yordamida olingan metall materiallar yoki mahsulotlarning yupqa sirt qatlamlarida, moddaning lazer bilan o'zaro ta'sirida erishiladi.
yuqori zichlikdagi nurlanish [106,1177,118]. Energiya zichligi 103 ... 1010 Vt / sm2 va zarba vaqti 10-2 ... 10-9 s bo'lgan impulsli lazer nurlanishi ishlatiladi. Ba'zi hollarda, 10-3 ... 10-8 s radiatsiya bilan materialning o'zaro ta'sir qilish vaqtini ta'minlaydigan nurni skanerlash tezligi bilan energiya zichligi 105 ... 107 Vt / sm2 bo'lgan CO2 lazerlarining uzluksiz nurlanishi ham qo'llaniladi. Lazer nurlanishi ta'sirida qalinligi 0,1 ... 100 mkm bo'lgan materialning sirt qatlami juda tez eriydi va keyin 104 ... 108 K / s sovutish tezligi bilan qotib qoladi. Bunday holda, metall materialning asosiy qismi termal effektning qisqa muddati tufayli qizib ketmaydi va issiqlikni olib tashlashning yuqori sur'atlarini ta'minlaydi. Yuqori sovutish tezligi nanokristalli yoki hatto amorf tuzilishga erishishga imkon beradi.
Lazerli qotishma yoki lazer implantatsiyasi eritiladigan sirt qatlamiga qotishma moddalarni qo'shimcha ravishda kiritish bilan bog'liq. Bunday kirish qotishma moddaning yupqa plyonkasini qayta ishlanayotgan material yuzasiga oldindan cho'ktirish orqali ham, gaz oqimidagi kukun zarralarini (shu jumladan nanozarrachalarni) lazer nurlanishining ta'siri zonasiga yuborish orqali ham amalga oshirilishi mumkin. . Bunday holda, qotishma ikkita asosiy maqsadga erishishi mumkin:
1.kimyoviy tarkibi va shuning uchun asosiy metalldan farq qiladigan xossalari bilan o'zgartirilgan sirt qatlamini yaratish; 2. Eritilgan sirt qatlamining qotib qolish jarayonida nanostrukturali yoki amorf holatning shakllanishiga yordam berish.

2.