Структурные превращения в никеле при имплантации ионов N⁺ и постимплантационных отжигах

Abstract

C использованием методов электронной дифракции, электронной микроскопии, обратного резерфордовского рассеяния ионов Не⁺, термодесорбционной спектроскопии проведены исследования структурных превращений в пленках никеля, облученных ионами N⁺. С ростом дозы облучения наблюдался плавный переход ГЦК-структуры никеля в ГПУ-фазу α-Ni₃N с параметрами решетки а=0.266 нм и с=0.430 нм. Завершение перехода после достижения концентрации имплантированного азота, соответствующей стехиометрическому соотношению Ni₃N, свидетельствует о химической природе наблюдаемого структурного изменения. В процессе нагрева прослеживалось изменение структуры, что позволило наблюдать четыре структуры нитрида никеля: 1) α-Ni₃N с неупорядоченным расположением атомов азота (ГПУ-фаза с параметром решетки а=0.266 нм и с=0.430 нм); 2) β-Ni₃N с упорядоченным расположением атомов азота (две гексагональные решетки с параметрами а=0.266 нм, с=0.430 нм и а=0.466 нм, с=0.43 нм); 3) нитрид никеля Ni₄N, имеющий структуру примитивной кубической решетки с параметром а=0.377 нм; 4) нитрид никеля Ni₈N, имеющий структуру ГЦК с параметром а=0.725 нм

Із використанням методів електронної дифракції, електронної мікроскопії, зворотнього резерфордовского розсіювання іонів Не⁺ та термодесорбційної спектроскопії проведені дослідження структурних перетворень у плівках нікелю, опромінених іонами N⁺. З ростом дози опромінення спостерігався плавний перехід ГЦК- структури нікелю в ГПУ-фазу α-Ni₃N з параметрами ґратки а=0.266 нм і з=0.430 нм. Завершення переходу після досягнення концентрації імплантованого азоту, що відповідає стехіометричному співвідношенню Ni₃N, свідчить про хімічну природу структурного перетворення, що спостерігається. У процесі нагрівання також спостерігалися структурні перетворення, що дало можливість спостерігати чотири cструктури нікелю: 1) α- Ni₃N з неупорядкованим розташуванням атомів азоту (ГПУ-фаза з параметрами ґратки а=0,266 нм і b=0,430 нм); 2) β-Ni₃N з упорядкованим розташуванням атомів азоту (дві гексагональних ґратки з параметрами а=0,266 нм, с=0,430 нм і а=0,466 нм, с=0,43 нм); 3) нітрид нікелю Ni₄N, що має структуру примітивної кубічної ґратки з параметром а=0,377 нм; 4) нітрид нікелю Ni₈N зі структурою ГЦК із параметром а=0,725 нм.

Structural transformations in nickel films exposed to N⁺ ions were investigated through the use of electron diffraction, electron microscopy, Rutherford backscattering (RBS) of He⁺ ions, thermal desorption spectroscopy (TDS). With an increasing exposure dose, there occurred a smooth transition of the fcc structure of Ni to the hcp phase α-Ni₃N with the lattice parameters a=0.266 nm and c=0.430 nm. The completion of the transition was observed once the implanted nitrogen concentration corresponding to the stoichiometric ratio of Ni₃N was attained, this giving evidence for the chemical nature of the structural change observed. During annealing, structure variations were traced, enabling one to observe the following four nickel nitrides: 1) α-Ni₃N with a disordered arrangement of nitrogen atoms (hcp-phase with a=0.266 nm and c=0.430 nm), 2) β-Ni₃N with an ordered arrangement of nitrogen atoms (two hexagonal lattices: one with a=0.266 nm, c=0.430 nm, and the other with a=0.466 nm and c=0.43 nm), 3) Ni₄N having a primitive cubic lattice structure with a=0.377 nm, 4) Ni₈N having the fcc structure with a=0.725 nm