Анотація до роботи:

Воронов Д. Л. Фазові перетворення в багатошарових плівкових системах Sc/Si і Sc/W/Si/W. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, Харків, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню процесів силіцидоутворення, що проходять у багатошарових періодичних покриттях Sc/Si і Sc/W/Si/W з періодом 20 – 35 нм в інтервалі температур 403 – 1243К.

Виявлено, що формуванню рівноважних сполук у покриттях ScSi передує зародження і ріст метастабільних фаз: аморфного скандій-кремнієвого сплаву складу ScSi, який утворюється за схемою твердофазної аморфізації, метастабільного кристалічного силіциду Sc₃Si₅. Реакція аморфізації проходить за дифузійною кінетикою; переважним дифузантом є кремній. Дифузія кремнію через шар аморфного скандій-кремнієвого сплаву характеризується низькими значеннями енергії активації (0.6 еВ) і передекспоненціального множника.

Дифузійні бар'єри, отримані нанесенням шарів вольфраму товщиною 0.2 1.4 нм між шарами кремнію і скандію, не змінюють послідовність формування силіцидів скандію, але сповільнюють процеси міжшарової взаємодії в покриттях Sc/W/Si/W як на етапі вакуумного осаджування покрить, так і при наступному нагріванні. Дифузійні бар'єри з номінальною товщиною вольфраму більш 0.6 нм якісно змінюють кінетику твердофазної аморфізації: після того, як процеси силіцидоутворення в бар'єрних шарах завершуються, і їхня товщина стабілізується, параболічний закон росту аморфного силіциду ScSi змінюється лінійним.

У дисертаційній роботі вирішена задача щодо встановлення суті закономірностей фазових перетворень у багатошарових плівкових покриттях Sc/Si і Sc/W/Si/W. Продемонстровано ефективність застосування досліджених покрить для створення рентгенооптичних елементів, визначена температурний інтервал стабільності рентгенівських дзеркал. У результаті комплексного застосування таких методів дослідження як просвічувальна електронна мікроскопія, рентгеноструктурний фазовий аналіз, малокутова рентгенівська дифракція в сполученні з комп'ютерним моделюванням та ін. отримані такі наукові і практичні результати.

1. Установлено, що в багатошарових періодичних покриттях Sc/Si з періодом 20 – 35 нм при нагріванні в інтервалі температур 403 – 1243К відбувається формування проміжних сполук (у тому числі і метастабільних фаз) у такій послідовності:

- За температур 403 – 523К в результаті реакції твердофазної аморфізації, що продовжується до повної витрати полікристалічного скандію, утворюється аморфний скандій-кремнієвий сплав, склад якого близький до складу силіциду ScSi.

- У міру підвищення температури до 703К система здійснює перехід у напрямку метастабільної рівноваги між аморфним скандій-кремнієвим сплавом і кремнієм, котра реалізується за істотно більшого ступеня перемішування Sc і Si, ніж допускає рівноважна фазова діаграма для масивних систем. При цьому склад аморфного сплаву зсувається в напрямку силіциду Sc₃Si₅.

- За температур вище 703К відбувається формування метастабільного кристалічного силіциду Sc₃Si₅, який утворюється за механізмом поліморфної кристалізації без зміни складу і концентраційного розшарування аморфного скандій-кремнієвого сплаву.

- При додатковій термічній активації дифузійних процесів (вище 973К) метастабільний силіцид Sc₃Si₅ зазнає евтектоїдного розпаду на рівноважну суміш силіциду ScSi і кремнію.

- Вище температури евтектоїдного перетворення (1198К) відбувається повторний синтез силіциду Sc₃Si₅ відповідно до рівноважної фазової діаграми.

2. Ріст аморфного силіциду ScSi підлягає дифузійній кінетиці. Дифузія характеризується низькими значеннями енергії активації (0.6 еВ) і передекспоненціального фактора. Протягом процесу аморфізації спостерігається зменшення дифузійної константи росту аморфного силіциду, що відбувається за рахунок передекспоненціального фактора без помітної зміни енергії активації.

Дифузія має яскраво виражений асиметричний характер: парціальний коефіцієнт дифузії кремнію є набагато більший ніж парціальний коефіцієнт дифузії скандію.

3. Утворення силіцидів скандію в покриттях Sc/W/Si/W відбувається в тій же послідовності, що й у покриттях Sc/Si. На початкових стадіях відпалу одночасно з ростом аморфного силіциду скандію відбуваються процеси силіцидоутворення у шарах, котрі містять вольфрам, що призводить до росту товщини бар'єрних шарів і закінчується утворенням дисиліциду вольфраму WSi₂.

4. Дифузійні бар'єри на основі вольфраму (номінальна товщина вольфраму 0.2 – 1.4 нм) перешкоджають процесам хімічної і дифузійної взаємодії скандію і кремнію, які призводять до утворення аморфних перемішаних зон товщиною 3 – 4 нм на етапі осадження багатошарового покриття Sc/Si. При збільшенні номінальної товщини вольфраму від 0 до 0.6 нм товщина перемішаних зон у покриттях Sc/W/Si/W зменшується з 3 – 4 до 0 нм відповідно.

5. Дифузійні бар'єри істотно впливають на кінетику реакції твердофазної аморфізації. Міра і характер цього впливу залежить від товщини і структури бар'єрних шарів. Несуцільні бар'єрні шари (h_W^ном. ~ 0.25 нм) сповільнюють ріст силіциду ScSi. При цьому зберігається параболічний закон росту силіциду ScSi. Суцільні бар'єрні шари (h_W^ном. ~ 0.6 нм) не тільки ще сильніше гальмують швидкість аморфізації, але й якісно змінюють закон росту силіциду ScSi. У міру того як закінчуються процеси силіцидоутворення в самих бар'єрних шарах, параболічний закон росту ScSi змінюється лінійним.

6. На створених покриттях Sc/Si досягнуті рекордні коефіцієнти відбиття (35 - 45 %) м'якого рентгенівського випромінювання в діапазоні довжин хвиль 35 – 50 нм. Запропоновано і реалізовано спосіб підвищення термічної стійкості покрить без істотного зниження відбивної здатності, заснований на введенні в покриття дифузійних бар'єрів на основі вольфраму, що забезпечує розширення температурного інтервалу, у якому можлива експлуатація рентгенівського дзеркала, на 100 – 150 градусів.

Публікації автора:

1. Влияние основных структурных параметров на рентгенооптические свойства многослойных покрытий Sc/Si в диапазоне длин волн 35-50 нм / В.В.Волобуев, Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, Ю.П. Першин, А.Г. Пономаренко, В.А. Севрюкова, А.И. Федоренко, А.В. Виноградов, В.Е. Левашов // Наноструктурные материалы. - Киев: Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича. – 1998. - С. 141-161.

2. Layer interaction in multilayer Sc/Si and Sc/W/Si/W coatings / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, A.V. Pen`kov, Yu.P.Pershin, A.I. Fedorenko // Functional Materials. - 1999. - Vol. 6, № 5. - P. 856-859.

3. Fedorenko A.I., Pershin Yu.P., Poltseva O.V., Ponomarenko A.G., Sevryukova V.S., Voronov D.L., Zubarev E.N. Structure of Sc/Si multilayer mirrors in as-deposited state and after annealing // Journal of x-ray science and technology. - 2001. - № 9. - P. 35-42.

4. Структура, термическая стойкость и оптические свойства многослойных рентгеновских зеркал Sc/Si и Sc/W/Si/W / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин, А.Г. Пономаренко, А.В. Виноградов, Ю.А. Успенский, Д.Сили // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2002. - № 1. - С. 6 - 9.

5. Особенности силицидообразования в многослойной пленочной системе Sc/Si / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2002. - № 2. - С. 75-79.

6. Diffusion barriers in Sc/Si multilayers / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, Yu.P. Pershin, A.I. Fedorenko, V.E. Levashov, A.V. Vinigradov, I.A. Artioukov. // Abstracts of the 5-th International conference on the physics of X-ray mulyilayer structures. - Chamonix Mont-Blanc (France). - 2000. - P. 13.15.

7. Структура и особенности формирования многослойных пленочных композиций Sc/Si Sc/W/Si/W / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин // Тезисы докладов IX Национальной конференции по росту кристаллов. – Москва (Россия). - 2000 г. – С. 529.

8. Структура, термическая стойкость и оптические свойства многослойных рентгеновских зеркал Sc/Si и Sc/W/Si/W / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин // Материалы совещания "Рентгеновская оптика - 2001". - Нижний Новгород (Россия). - 2001 г. – С. 48 - 54.

9. Кинетика реакции твердофазной аморфизации в многослойной пленочной системе Sc/Si / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин // Материалы 5-й Международной конференции "Физические явления в твердых телах". – Харьков (Украина). - 2001 г. – С. 92.

10. Влияние диффузионных барьеров на кинетику реакции твердофазной аморфизации в многослойных покрытиях Sс/W/Si/W / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин // Сборник докладов 14-го Международного симпозиума "Тонкие пленки в оптике и электронике". – Харьков (Украина). – 2002 г. – Ч. 2. – С. 158 – 162.