Этапы развития исследований структуры и свойств поверхностей, покрытий, пленок.
Поверхностные слои реального твердого тела имеют сложное строение и в
самом простом случае могут быть предоставлены следующей схемой:
слой адсорбированных молекул газовой фазы оксидная пленка (стойкое химическое соединение)
дефектный слой материала (микротрещины, структур- ные дефекты, дефекты обработки и т.д.)
основной металл
Рис. 1. Структура приповерхностных слоев.
Таким образом, поверхность реального тела следует рассматривать как много- слойную систему. Межфазные слои в композиционных материалах имеют до- лее сложное строение и, как правило, определяют их физико-химические свой- ства.
В истории изучения свойств поверхности, тонких пленок условно выделяют три основных этапа:
Первый этап- изучение поверхности реальных тел.
Основной вывод этапа - свойства поверхности определяется адсорбированны-
ми слоями, структурой и составом находящейся на ней оксидной пленки.
Второй этап - исследование атомарно чистых поверхностей, получение кото- рых стало возможным, главным образом, благодаря развитию вакуумной тех- нике.
На практике атомарно чистые поверхности получают с помощью следующих основных методов:
1) раскол кристаллов в вакууме;
2) нанесение в высоком вакууме тонкого слоя на подложку.
В ряде случаев используют специальные методы очистки, например:
1) ионное или электронно-лучевое травление в вакууме или защитной среде;
2) нагрев до высоких температур в защитной среде или высоком вакууме. Однако травление или нагрев могут вызывать изменение кристаллической структуры поверхностных слоев, и при этом нагрев даже до достаточно высо- ких температур не позволяет полностью удалить хемосорбированные слои. Основные результаты второго этапа:
- установлено, что атомарно чистые поверхности – особые объекты, имеющие
специфическое строение и свойства;
- определены фундаментальные характеристики структуры, поверхностных электронных и фононных состояний.
Фононы - это кванты энергии упругих колебаний решетки.
Экситоны - квазичастицы, которые можно рассматривать как самосогласованно перемещающиеся электроны и дырки.
На поверхности образуются поверхностные фононы и поверхностные эксито- ны, получившие название сурфонов.
- закончено формирование представлений о поверхностных слоях чистых ма- териалов, как слоях с особыми физическими свойствами.
Третий этап (50-60-ые годы) характеризуется интенсивными исследования- ми межфазных слоев многослойных систем в композитах, их изменений при
различных внешних воздействиях. В настоящее время благодаря появлению и развитию большого числа методов физико-химического анализа особенно ак- тивно изучаются поверхности раздела в композиционных материалах.
Например, достаточно подробно изучена структура систем Si-SiO2.В част- ности, установлено образование промежуточных слоев переменного состава SiOx (х < 2).
Успехи современного материаловедения в значительной степени определе- ны результатами исследований этих межфазных слоев.
Тонкие пленки и их классификация.
Конденсированные объекты, в зависимости от их формы, геометрических
размеров можно условно классифицировать на:
1) одномерные;
2) двухмерные;
3) трехмерные.
Одномерные объекты – микрочастицы конденсированной фазы (кластеры,
островки, микрокапли), свойства которых зависят от их размера, по крайней мере, в 2-х направлениях.
Двухмерные - тонкие пленки и покрытия, свойства которых зависят от их раз- мера в одном из направлений (толщины пленки или покрытия).
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 покры- тия, осаждаемые из газовой фазы, генерация которой осуществляется, как пра- вило, в результате:
а) ионного распыления вещества в вакууме;
б) испарения в вакууме;
в) проведения химических транспортных реакций;
г) пиролиза сложных химических соединений;
д) диспергирования полимеров или олигомеров в результате действия на них концентрированного потока энергии (электронов, ионов, электромагнитно-
го излучения).
Образование покрытия происходит при взаимодействии частиц газовой фазы с поверхностью подложки.
2. Покрытия, формируемые из жидкой фазы. В эту группу входят:
а) лакокрасочные покрытия;
б) покрытия, образованные при монолитизации (затвердевании) расплавов вещества;
в) покрытия, осаждаемые из газокапельной фазы, например, методами плазменного, газопламенного, электродугового напыления;
г) пленки Лэнгмюра-Блоджет;
д) электролитические покрытия и т. д.
3. Покрытия, при осаждении которых в качестве исходного материала ис- пользуются вещества в твердом состоянии. Они образуются, например, в ре- зультате припекания или приклеивания фольги, переноса вещества при трении и т. д.
В зависимости от природы материала различают следующие покрытия:
а) металлические;
б) полупроводниковые;
в) керамические;
г) полимерные;
е) композиционные, которые в свою очередь разделяют на однослойные, многослойные, комбинированные и т. д.