1.Тонкие пленки и покрытия, основные определения, этапы исследований поверхности и тонких пленок. Предмет изучения курса “Физика тонких пленок и покрытий ” - структура и свойства тонких пленок, покрытий и межфазных слоев, физико-химические основы методов их нанесения. Основными понятиями курса являются: Покрытие - тонкий слой вещества, находящийся на поверхности конденсированной фазы и имеющий с ней различную природу или структуру. Пленка- слой вещества, контактирующий с газовой фазой с обеих сторон. Межфазные слои- слои, находящиеся на границе раздела и разделяющие конденсированные фазы, имеющие специфические свойства. Тонкие плёнки — тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра до нескольких микрон. Тонкие плёнки могут быть твёрдыми или жидкими. Состав, структура и свойства тонких плёнок могут отличаться от таковых для объемной фазы, из которой образовалась тонкая плёнка. Определение толщины тонких пленок часто проводят методами, основанными на измерении интенсивности отражённого света. Нанесение тонких плёнок на подложку может осуществляться различными методами, наиболее часто используемые методы: химическое и плазмохимическое осаждение из газовой фазы, процессы вакуумного напыления, в том числе, вакуумное термическое распыление, магнетронное распыление вакуумно-дуговое нанесение.

2.Классификация пленок и их основные параметры Конденсированные объекты, в зависимости от их формы, геометрических размеров можно условно классифицировать на: одномерные; двухмерные; трехмерные.

Одномерные объекты– микрочастицы конденсированной фазы, свойства которых зависят от их размера, по крайней мере, в 2-х направлениях. Двухмерные - тонкие пленки и покрытия, свойства которых зависят от их размера в одном из направлении. Трехмерные - твердые тела и жидкости в больших объемах, свойства которых не зависят от размеров тел. Например, плотность жидкости в ведре или стакане одинакова и поэтому жидкость в таком количестве следует рассматривать как трехмерный объект.

В зависимости от способа получения покрытий их разделяют на три группы:

1. Покрытия, формируемые из газовой фазы. В данную группу входят покрытия, осаждаемые из газовой фазы, генерация которой осуществляется, как правило, в результате: ионного распыления вещества в вакууме;) испарения в вакууме;

2. Покрытия, формируемые из жидкой фазы. В эту группу входят: лакокрасочные покрытия; покрытия, образованные при монолитизации расплавов вещества;

3. Покрытия, при осаждении которых в качестве исходного материала используются вещества в твердом состоянии. Они образуются, например, в результате припекания или приклеивания фольги, переноса вещества при трении и т. д.

3. Закономерности образования и роста вакуумных покрытий,формируемых из газовой фазы. Элементарные процессы, протекающие на поверхности при образовании покрытий, в значительной степени зависят от условий и режимов формирования тонкопленочной системы, технологии нанесения покрытий. В случае осаждения покрытия в вакууме из газового потока кинетика роста покрытий, их структура и свойства зависят от следующих основных параметров: 1. Давления остаточных газов в вакуумной камере. Достаточно обосновано эмпирическое правило: чем выше давление в камере, тем ниже качество покрытия.2. Плотности потока падающих на поверхность атомов j. При возрастании j, как правило, происходит более интенсивное зародышеобразование конденсированной фазы и повышается сплошность покрытия, увеличивается его адгезионная прочность и коррозионная стойкость.3. Температуры поверхности подложки. При ее повышении формируется покрытие с более равновесной структурой. Однако при этом снижается его сплошность и скорость осаждения. Изменение температуры покрытия после его нанесения может быть причиной полиморфных превращений, которые, в общем случае, оказывают сложное влияние на их структуру и свойства.

4.Стадии и механизмы роста покрытий при их осаждении из газового потока

В случае осаждения покрытия из газовой фазы, из атомарного потока. Кинœетика их роста͵ структура и следовательно св-ва зависят от следующих базовых параметров:1. Давление остаточных газов в вакуумной камере. Таким образом среду воздуха заменяют на другую или вообще убирают (высокий вакуум).2. Плотность потока падающих на поверхность атомов. При возрастании плотности потоков происходит более интенсивное зародышеобразование и повышается сплошность покрытия, увеличивается его адгезионная прочность.3. Температура поверхности подложки.При повышении температуры подложки, формируется покрытие с более равновесной стр-рой, однако, скорость осаждения и сплошность покрытия в тонких слоях снижается. Последующая термообработка (после нанесения покрытия) может кардинально изменять структуру покрытия и его св-ва.4. Степень ионизации и энергия падающих атомовкак правило повышение степени ионизации и энергии падающих атомов, вначале способствует повышению функциональных св-в покрытия, в частности повышения адгезионной прочности, дальнейшее увеличение энергии падающих атомов приводит к структурным дефектам.Размер кристаллитов исходя из температуры конденсации. Размер кристаллитов растёт. При этом зависимость не является линœейной, с начало идёт линœейный рост, потом он степенной а затем рост кристаллитов замедляется, при этом чем толще покрытие, тем размер кристаллитов больше. Таким образом варьируя температурой подложки можем менять толщину покрытия

5. Адсорбция и образование зародышей конденсированной фазы

В результате взаимодействия атомов потока с поверхностью, протекающих при этом процессов энергообмена определенная их часть адсорбируется. При этом плотность адсорбированных атомов n_а, ат./м², зависит от плотности потока атомов j, ат./(м²с), взаимодействующих с поверхностью, и определяется вероятностью десорбции атомов. Вероятность десорбции атомов

Ŵ= n_а/t_а,

где t_а=t_оexp(E_а/kT)– время жизни в адсорбированном состоянии, t_о=10^-13…10^-12с; E_а– энергия связи с поверхностью; k – постоянная Больцмана.

Тогда изменение плотности адсорбированных атомов за дифференциальное малое время dt

dn_а= jdt - n_аdt/t_a.

Уравнение составлено на основании закона сохранения массы: количество адсорбированных атомов равно разности числа атомов jdt, поступающих на поверхность за время dt, и атомов, перешедших за это время обратно в газовую фазу.

Решением дифференциального уравнения при начальном условии n_a(t=0) = 0 является выражение

Для начальных стадий осаждения (t<<ф_a) можно принять, что

Тогда на основании получим n_a=jt . Таким образом, при малых временах осаждения наблюдается линейное возрастание плотности адсорбированных атомов в процессе осаждения.

6. Коалесценция (от лат. coalesco — срастаюсь, соединяюсь) — слияние частиц (например, капель или пузырей) внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности тела^[1].

Коалесценция сопровождается укрупнением капель (пузырей) и обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения. Это самопроизвольный процесс (сопровождается уменьшением свободной энергии системы).

В жидкой дисперсионной среде коалесценции часто предшествует коагуляция.

При коалесценции распределение частиц по размеру описывается распределением Лившица-Слезова