Лаборатория ионно-кластерных технологий

Новый способ определения размеров газовых кластеров

Основное направление исследований – фундаментальные исследования и развитие технологических приложений ускоренных газофазных ионно-кластерных пучков. По сравнению с традиционными ионными пучками, ускоренные кластерные пучки обладают рядом уникальных преимуществ, что позволяет применять их в разнообразных технических областях:

- получение сверхгладких (с шероховатостью до 0,001 мкм) поверхностей любых веществ и покрытий (в том числе сверхтвердых) с сохранением структуры обрабатываемых материалов; актуально в силовой электронике, при производстве оптических элементов и т.д.;

- формирование тонких пленок и покрытий методом кластер-ион-ассистированного осаждения, что позволяет получать высококачественные структуры с хорошей адгезией, высокой однородностью и прочностью без нагрева подложки;

- приповерхностная имплантация на сверхмалые глубины (до 100 нм) с высокими концентрациями и малым повреждением обрабатываемого материала; актуально в микро- и наноэлектронике для получения наноразмерных полупроводниковых структур;

 В ОПФ работы с ускоренными ионно-кластерными пучками проводятся на экспериментальном стенде ЛЭМПУС-1и лабораторном стенде КЛИУС.

К настоящему времени:

Разработан и отлажен абсолютно новый экспериментальный способ определения размеров газовых кластеров, основанный на измерении поперечного профиля полной интенсивности газодинамического пучка. Благодаря большой интенсивности сверхзвукового пучка, предложенный способ не требует использования сложного высокочувствительного оборудования. Данный способ применим для определения среднего размера кластеров в сверхзвуковых потоках любых чистых газов и, при некоторых условиях, в газовых смесях. При этом не требуется построения специальных моделей либо определения эмпирических констант. Эффективность метода подтверждена измерениями размеров кластеров в потоках разных газов (Ar, CO₂, N₂) и газовой смеси 10%С₂Н₄+90%Не при истечении из сверхзвуковых конических сопел. Метод позволяет определять размеры кластеров в диапазоне 50 – 2000. Корректность полученных результатов подтверждена сравнением с результатами других авторов, полученными другими экспериментальными методами, а также оценками по эмпирическим зависимостям с использованием безразмерного параметра подобия конденсации. Подана заявка на патент.

Выполнены  экспериментальные исследования влияния ускоренного ионно-кластерного пучка аргона на морфологию поверхности различных материалов: металлов (медь, нержавеющая сталь), диэлектриков (оптическое стекло, плавленый кварц). Характеристики поверхности материалов до и после облучения анализировались с помощью атомно-силовой микроскопии. Изучено воздействие ионно-кластерного пучка на основные параметры шероховатости поверхности материалов: амплитудная (среднеквадратичная шероховатость R_q) и латеральная (спектральная плотность мощности PSD). Показано, что в зависимости от начального качества поверхности и дозы облучения обработка ионно-кластерным пучком позволяет значительно уменьшить среднеквадратичную шероховатость R_q. В частности, при близкой дозе облучения (~10¹⁷ класт.ионов/см²) среднеквадратичная шероховатость поверхности изначально плохо полированной меди уменьшилась почти на два порядка, с 193 нм до 2,3 нм, зеркальной нержавеющей стали – с 10 нм до 3 нм, полированного оптического стекла – с 2,5 нм до 0,6 нм. Установлено, что величина достигаемой минимальной шероховатости ограничивается физико-химической анизотропией обрабатываемого материала. Так для нержавеющей стали микрогранулометрическая структура разнородных химических легирующих компонентов приводит к ограничению шероховатости R_q на уровне 2–5 нм при характерном размере измеряемой области свыше 10 мкм. В то же время шероховатость R_q на размере менее 10 мкм уменьшается до 0,8 нм и демонстрирует тенденцию к дальнейшему понижению с увеличением дозы. Шероховатость полированного оптического стекла при облучении однократной дозой ионно-кластерного пучка была понижена до 0,6 нм благодаря низкой начальной шероховатости и хорошей изотропией свойств материала.

Показано, что обработка поверхности материалов ускоренным ионно-кластерным пучком позволяет получать сверхгладкие поверхности различных материалов с субнанометровой (менее 1 нм) шероховатостью. При этом, шероховатость поверхности значительно понижается на различных пространственных  частотах: низкие частоты с латеральными размерами свыше 1 мм, средние частоты с размерами 1 мкм – 1 мм и высокие частоты с размерами 1 нм – 1 мкм.

Зависимостиспектральной плотности мощности от пространственной частоты нержавеющей стали до и после обработки ионно-кластерным пучком.

Зависимость шероховатости поверхности нержавеющей стали на различных масштабах от дозы облучения.

Спектральные функции плотности мощности шероховатости поверхности плавленого кварца КУ-1 до и после обработки

                               Спектральные функции плотности мощности шероховатости поверхности стекла до и после обработки

Зав. лаборатории Коробейщиков Н.Г.