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.
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 20 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 сплавам было ограничено.
«Сегодня для улучшения свойств металлов и сплавов широко применяются методы ионно-плазменного осаждения покрытий. Однако этот метод, по сравнению с ионной имплантацией, имеет недостаток, связанный с проблемой адгезии покрытия к матричному материалу. Обычная ионная имплантация свободна от этого недостатка, но небольшой пробег ионов существенно ограничивает ее промышленное применение», — поясняет руководитель исследования, заведующий научной лабораторией высокоинтенсивной имплантации ионов ТПУ, профессор Александр Рябчиков.
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.
«Для решения фундаментальной проблемы увеличения толщины модифицированного слоя необходимо было также обеспечить сохранность микроструктуры и свойств во всем объеме материала при воздействии высоких температур. Именно здесь мы применили свой новый метод — объединить в один процесс высокоинтенсивную имплантацию ионов и импульсно-периодическое энергетическое воздействие самого пучка с высокой импульсной плотностью мощности при субмиллисекундной длительности на поверхность облучаемого материала. Исследования показали, что воздействие таких пучков на поверхность обеспечивает ее разогрев в течение импульса, усиливает радиационную диффузию и в конечном итоге позволяет формировать ионно-легированные слои с толщинами в несколько микрометров. После окончания импульса температура приповерхностного слоя резко уменьшается за счет отвода тепла внутрь материала, что в ряде случаев может даже способствовать улучшению микроструктуры материала за счет эффекта сверхзакалки. Уверен, метод синергии открывает принципиально новые перспективы практического применения ионной имплантации для направленного улучшения микроструктуры и свойств различных материалов», — добавляет Александр Рябчиков.
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 Metals (Q1, IF: 2,9).
