Радиационно-стойкие наноструктурированные покрытия

1.

Министерство образования Республики Беларусь
УО «Национальный детский технопарк»
Радиационно-стойкие
наноструктурированные
покрытия
Авторы: Приходько Иван и Микитюк Ивана
Руководитель: Злоцкий Сергей Владимирович
Образовательное направление:
«Наноиндустрия и нанотехнологии»
Минск - 2023

2.

Введение
В последнее время интерес к нанотехнологиям существенно возрос, так как
обнаружилось, что при достижении размера кристаллов ниже определенной
пороговой величины происходит существенное изменение свойств. Эти эффекты
наблюдаются при формировании характерных элементов структуры (как правило,
кристаллических зерен) со средним размером не более 100 нм. Одним из основных
факторов, определяющих эксплуатационные характеристики конструкционных
материалов и изделий, является структурно-фазовый состав поверхностного слоя.
Поэтому целенаправленное изменение этого состава (модификация) позволяет
существенно улучшить требуемые эксплуатационные характеристики материалов и
изделий. Одним из наиболее распространённых и эффективных методов
модификации поверхностного слоя материалов является нанесение защитных и
функциональных покрытий с помощью плазменных технологий. Специфические
требования к свойствам поверхности в таких приложениях как микроэлектроника,
биомедицина и др. поставили качественно новые задачи к технологиям создания
функциональных покрытий.
2

3.

Актуальность
Разработка перспективных материалов, устойчивых к
высоким дозам облучения и аккумуляции газов
(продуктов трансмутации He и/или H) является
актуально в связи с развитием атомной энергетики.
Помимо
многослойных
пленок,
имеющих
кристаллическую/кристаллическую структуру, большой
практический интерес представляют многослойные
пленки с кристаллической/аморфной структурой.
Помимо не смешиваемости составных элементов, важна
высокая прочность многослойной структуры для
предотвращения распухания в радиационной среде.
3

4.

Цель
Целью настоящей работы является исследование эрозии
поверхности различных многослойных пленок ZrN/Si3N4
после облучения ионами He2+ с энергией 40 кэВ и
флюенсами
до
1,1´1018
см-2
и
сравнение
их
радиационной стойкости с пленками ZrN.
4

5.

Задачи
• Провести аналитический обзор литературы;
• Исследовать состав и структуру исходных покрытий
ZrN/Si3N4;
• Провести моделирование радиационных повреждений
в покрытиях;
• Исследовать структуру покрытий ZrN/Si3N4, после
облучения низкоэнергетическими ионами гелия.
5

6.

Методы исследования
Рентеноструктурый анализ;
Растровая электронная микроскопия;
Просвечивающая электронная микоскопия;
Моделирование в SRIM.
6

7.

Электронная микроскопия
Методы микроскопии служат для получения информации о
наноструктуре материалов - размеры частиц, из которых состоят
материалы, наблюдать границы разделов, т. е. исследовать структуру
различных веществ и материалов. Принципы действия сильно
разняться для разных микроскопов. Они включают прохождения
электронов через образец (просвечивающая электронная
микроскопия), отражение электронов от образца (отражающая
электронная микроскопия, микроскопия медленных электронов,
сканирующая электронная микроскопия) и ионов (полевая ионная
микроскопия) и сканирование поверхности электронным пучком
(сканирующая электронная микроскопия) или зондирующей иглой
(сканирующая электронная микроскопия, силовая атомная
микроскопия).
7

8.

Объекты исследования
Объект: ZrN/Si3N4 пленки на (100) Si подложке
Метод реактивного магнетронного распыления
Параметры напыления:
Давление: p0 6 10-6 Па
• Мишени: Zr, Si3N4
• Рабочее давление Ar : 0,21 Па
• Напряжение смещения: -60 В
• Температура подложки: 300°C
• Толщина пленок: 250-300 нм
Ионное облучение : He2+ (40 кэВ)
Доза: 3×1017 см-2 – 1,1×1018 см-2
8

9.

Исследования
9

10.

Состав и структура пленок ZrN/Si3N4
Метод рентгеноструктурного анализа (XRD)
Постоянная толщина слоя ZrN (10 нм)
fMeN
0.5
ZrN/Si3N4 (10nm/5nm)
111
200
0.67
ZrN/Si3N4
(10nm/1nm)
ZrN/Si3N4
(10nm/0.4nm)
0.91
0.38
ZrN/Si3N4 (5nm/5nm)
0.5
ZrN/Si3N4 (10nm/5nm)
ZrN/Si3N4
(20nm/5nm)
200
0.33
ZrN/Si3N4 (10nm/10nm)
0.29
ZrN/Si3N4 (3nm/5nm)
111
ZrN/Si3N4 (10nm/20nm)
fMeN
ZrN/Si3N4 (2nm/5nm)
Intensity (arb. units)
Si3N4
Intensity (arb. units)
Постоянная толщина слоя Si3N4 (5 нм)
ZrN/Si3N4
(40nm/5nm)
0.96
32
34
36
38
2 (Deg.)
40
42
0.8
0.89
ZrN
ZrN
30
0.67
44
30
32
34
36
38
2 (Deg.)
40
42
44