Особенности формирования пленок системы С60–Bi при осаждении молекулярных и низкоэнергетичных ионных потоков (стр. 6 )

1.7. Вакуумно-дуговой метод формирования ионных потоков

Поскольку ионноплазменные методики синтеза металлофуллеренов предполагают использование потоков частиц с достаточно низкими энергиями, то при выборе источников ионов для этих целей особое внимание следует уделить энергетическому спектру генерируемых ими потоков. В целом, требования к источникам должны быть следующие [51]:

1. Энергии частиц в потоке не должны превышать нескольких сотен электронвольт.

2. Ионный источник должен давать пучок ионов определенного состава, т. е. заданной массы и заряда.

3. Ионный пучок, извлекаемый из источника, должен обладать заданной средней энергией ионов и допустимой величиной разброса их скоростей.

4. Работа ионного источника не должна нарушать вакуумных условий.

5. Ионный источник должен работать в стационарном режиме со стабильными значениями тока ионного пучка.

С учетом этих требований для низкоэнергетичного облучения фуллерита в качестве источника ионов наиболее предпочтительны вакуумно-дуговые устройства.

Дуга – это разряд в газе или паре с падением напряжения в катодной области порядка минимального потенциала ионизации того газа или пара, в котором этот разряд происходит [52].

Важными характеристиками плазмы является энергетическое и зарядовое распределение. Кинетические энергии различных зарядов одинаковы. Зарядовое распределение и кинетическая энергия ионов не зависит от условий горения дуги и определяются только характеристиками материала катода [53].

Для зажигания вакуумной дуги необходим достаточно большой электрический ток. Необходимая для этого величина критического тока является статистической величиной и сильно зависит от материала электродов. Чем меньше ток, тем в среднем короче время горения дуги. В большинстве случаев возникновение вакуумной дуги происходит так, как идеализированно показано на рис. 1.14.

Пар, необходимый для горения дуги, поставляется множеством очень подвижных катодных пятен, которые хаотически перемещаются по отрицательному электроду. Плотность тока в каждом из этих небольших пятен чрезвычайно высока и часто достигает значений 106 А/см2 и более.

Рис. 1.14. Принципиальная схема вакуумной дуги [52].

Часто то, что визуально воспринимается как одно пятно, оказывается совокупностью большого числа небольших активных участков, весь комплекс которых можно заставить быстро двигаться под действием поперечного магнитного поля. В катодных пятнах возникают струи металлического пара, обладающие скоростями до 1000 м/с. В этих струях, являющихся основным источником пара в вакуумной дуге, один удаленный атом металла может приходиться примерно на каждые десять эмитированных электронов. В вакуумных дугах некоторые из этих атомов могут ионизироваться и превращаться в положительные ионы, обладающие настолько большой энергией, что, несмотря на тормозящее действие электрического поля, они способны достичь анода.

После возникновения дуги пространство между электродами быстро заполняется диффузной плазмой, состоящей из частично ионизированного металлического пара. При больших токах эта плазма распространяется в объем, окружающий электроды и их держатели. При малых токах положительный электрод равномерно собирает своей поверхностью электронный ток из плазмы. Экраны и диэлектрические поверхности также собирают заряды из плазмы и приобретают плавающий потенциал.

Вакуумно-дуговой разряд в парах металла, из которого изготовлен катод, генерирует потоки высокоионизированной плазмы с энергией ионов в десятки электронвольт. Ионный поток, который может быть извлечен из плазмы разряда, составляет 8–10% от разрядного тока. При контакте потока с охлаждаемой подложкой на ее поверхности конденсируется слой катодного материала. Толщина этого слоя (пленки, покрытия) пропорциональна плотности ионного потока на подложку и времени экспозиции. Высокая степень ионизации плазмы вакуумной дуги (для некоторых материалов достигающей почти 100%) позволяет с помощью магнитных полей управлять движением плазменных потоков (фокусировать, отклонять, транспортировать), а с помощью электрического поля (прикладывая отрицательный потенциал к подложке) – регулировать в широких пределах энергию конденсируемых ионов.

Наличие в конденсируемых плазменных потоках частиц в виде капель и твердых осколков (макрочастиц) катодного материала является серьезным недостатком вакуумно-дуговой технологии покрытий, который в ряде случаев сводит на нет все ее преимущества.

Известны два основных пути снижения концентрации МЧ в плазменных потоках и, следовательно, в осаждаемых конденсатах. Один из них основан на снижении интенсивности генерирования МЧ катодными пятнами. Чаще всего это достигается повышением скорости перемещения катодных пятен в сильном магнитном поле, переводом дуги в импульсный режим, выбором определенных сортов материала для изготовления катода, а также комбинацией этих приемов. Другой путь снижения концентрации МЧ в потоках эрозионной плазмы основан на пространственном разделении траекторий этих частиц и заряженных компонентов потока – ионов электронов [54].

Принцип очистки плазмы от МЧ с помощью магнитного фильтра заключается в следующем. Между катодом и подложкой размещается некая преграда, исключающая прямую видимость между этой подложкой и активной поверхностью катода, являющейся источником эрозионной плазмы с МЧ. Такой преградой может служить экран или стенки изогнутой трубы – плазмовода. МЧ, двигаясь прямолинейно, наталкиваются на эту преграду и не попадают на подложку, в то время как ионная компонента плазменного потока с помощью магнитного поля определённой конфигурации направляется на подложку в обход преграды. Вследствие того, что не все МЧ полностью теряют кинетическую энергию даже при нескольких последовательных столкновениях со стенками плазмоведущего канала, заметная их часть проходит до выхода плазмовода и, следовательно, до подложки. Очевидно, что эффективность очистки плазмы в таком случае тем выше, чем длиннее плазмовод, чем он уже, и чем больше угол его суммарного изгиба. Но при этом непременно возрастают потери полезной (ионной) компоненты транспортируемого потока, производительность системы падает, а сложность её изготовления и стоимость возрастают. Указанные недостатки отсутствуют в криволинейных фильтрах «открытой архитектуры».

В таком фильтре отсутствует плазмовод в обычном представлении (изогнутая труба). Его роль исполняют витки однослойного соленоида, создающего криволинейное транспортирующее магнитное поле, и изогнутого на требуемый угол (рис. 1.15). Соленоид изготавливают из медной трубки, охлаждаемой водой. Питание соленоида целесообразно осуществлять путем подключения его последовательно с дуговым разрядным промежутком источника плазмы. Значительная часть МЧ в таком фильтре уходит из системы через зазоры между витками соленоида, а вероятность их рикошетирования существенно снижена.

Рис. 1.15. Источник плазмы с криволинейным фильтром «открытой архитектуры» [54].

1.8. Постановка задачи диссертационного исследования

Анализ литературы показал, что не смотря на большое количество работ посвященных синтезу, изучению структуры и свойств материалов на основе фуллерена, ряд вопросов, тем не менее, остается не достаточно изученным и по-прежнему является актуальным.

Так, одним из наиболее интересных и перспективных направлений является синтез металлофуллеренов, в структуре которых атомы металлов, заполняя различного типа пустоты в матрице кристалла фуллерита, располагаются с периодичностью, несвойственной данным веществам в чистом виде. Причем, особый интерес представляют металлофуллерены с клатратной структурой, образованные на основе переходных металлов (Bi, Sb, Sn), химически слабо взаимодействующих с фуллереном. Свойства таких систем должны определяться в основном изменениями в фононных спектрах фуллереновой и металлической подсистем, а не переносом заряда с атомов металла на фуллеритовую матрицу, как в фуллеридах на основе щелочных, щелочноземельных и редкоземельных элементов. Однако, на сегодняшний день достоверных данных о существовании металлофуллереновых клатратов, сформированных при помощи традиционных методов совместного осаждения паров компонентов в вакууме, не имеется. Весьма перспективными для легирования фуллерита атомами переходных металлов могут быть ионноплазменные методы, с помощью которых можно осуществить имплантацию ионов как в решетку фуллерита, так и во внутримолекулярную полость молекул С60. Однако, на сегодняшний день экспериментальные данные по облучению фуллерита носят достаточно разрозненный характер, что не позволяет выработать некие критерии выбора параметров ионного облучения для его целенаправленной модификации. Таким образом, спектр процессов, протекающих в фуллерите при ионной бомбардировке, и механизмы их возникновения являются весьма актуальным предметом исследований. Ключевой задачей при этом является определение условий, при которых ионная бомбардировка не вызывала бы разрушения углеродного каркаса молекул С60, поскольку фрагментация молекул фуллерена является нежелательным процессом при легировании фуллерита ионами металлов.

Также следует отметить, что ионное облучение поверхности сопровождается целым рядом сложных процессов, таких как распыление, отражение ионов, очистка поверхности от загрязнений и создание активных центров зарождения. Протекание указанных процессов может влиять на скорость осаждения металлофуллереновых конденсатов. В этой связи, представляется важным исследовать процессы конденсации, как однокомпонентных, так и двухкомпонентных потоков сублимированных молекул фуллерена и ускоренных ионов металла.

Изучение соответствующих явлений целесообразно проводить на модельной системе С60–Bi, так как висмут химически инертен по отношению к углероду, что при исследовании процессов взаимодействия ускоренных частиц с фуллеритом позволяет исключить из рассмотрения возможность образования химических соединений между металлом и молекулой фуллерена. Кроме того, висмут представляет самостоятельный интерес с точки зрения возможности формирования металлофуллереновых клатратов на основе переходных металлов.