Комп’ютерне моделювання іонної імплантації хрому, молібдену та титану в поверхню нержавіючої сталі

В.В. Гончаров ¹, канд. хім. наук, О.О. Чорний ², канд. техн. наук,
І.С. Скарга-Бандурова ³, д-р. техн. наук, В.Д. Самойлов ¹, д-р. техн. наук
¹ Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України
Україна, 03164, Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15
Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
² ТОВ Науково-виробнича фірма «МІКРОХІМ»
Україна, 93001, Луганська обл., Сєвєродонецький р-н,
м. Рубіжне, вул Почаївська, 11
Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
³ Oxford Brookes University Wheatley Campus, Oxford, OX33 1HX, UK
Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Èlektron. model. 2022, 44(1):81-92

https://doi.org/10.15407/emodel.44.01.081

АНОТАЦІЯ

Створено дослідні зразки за допомогою імплантації у двох режимах іонів Cr, Mo, Ti у нержавіючу сталь марки 12Х18Н10Т. Досліджено мікроструктуру методом оптичної мікроскопії. Визначено середню шорсткість поверхні, хвилястість і коефіцієнт шорст­кості та показано їх залежність від дози легування. Проведено моделювання проник­нення іонів в матеріал за допомогою програм SRIM та RIO. Наведено концентраційні профілі розподілу іонів. За допомогою моделей розраховано проективні пробіги, коефі­цієнти розпилення та товщину розпиленого шару. Показано, що коефіцієнти розпилення залежать від пробігу іонів, а товщина розпиленого шару — від дози легування. Показано різницю в профілях розподілу іонів між програмами SRIM та RIO. За допомогою RIO проведено моделювання імплантації іонів титану з кінетичною енергією 1 кеВ та вста­новлено створення нанорозмірної поверхневої плівки. Показано, що програмне забезпе­чення RIO, на відміну від SRIM, дає можливість враховувати процеси, які відбуваються одночасно з імплантацією і впливають на остаточний результат поверхневих характе­ристик (шорсткості, хвилястості).

КЛЮЧОВІ СЛОВА:

комп’ютерне моделювання, іонна імплантація, іони, модифікування.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Pogrebnjak A., Webster R. F., Tilley R. D. et al. Formation of Si-Rich Interfaces by Radiation-Induced Diffusion and Microsegregation in CrN/ZrN Nanolayer Coating // ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13 (14), pp. 16928—16938.
2. Yang Hai, Wei Cui, Yemao Lin et al. Surface modification of graphite by ion implantation for promoting the electrochemical property in Li-ion batteries // Applied Surface Science, 2019, Vol. 484, pp. 726—731.
3. Heloisa A. Acciari, Dener P.S. Palma, Eduardo N. Codaro et al. Surface modifications by both anodic oxidation and ion beam implantation on electropolished titanium substrates // Ibid, 2019, Vol. 487, pp. 1111—1120.
4. Ryabchikov A.I., Kashkarov E.B., Shevelev A.E. et al. Surface modification of Al by high-intensity low-energy Ti-ion implantation: Microstructure, mechanical and tribological properties // Surface and Coatings Technology, 2019, Vol. 372, pp. 1—8.
5. Huiping Zhu, Zhiguang Wang, Minghuan Cui et al. Temperature dependent surface modification of T91 steel under 3.25MeV Fe-ion implantation // Applied Surface Science, 2015, Vol. 326, pp. 1—6.
6. Loho T., Leveneur J., Kennedy J. Effects of surface topography and chemistry modifications of stainless steel through ion implantation on icephobicity // Procedia Manufacturing, 2019, Vol. 30, pp. 231—238.
7. Yingling Li, Minxia Li, Yoshio Utaka et al. Effect of copper surface modification applied by combined modification of metal vapor vacuum arc ion implantation and laser texturing on anti-frosting property // Energy and Buildings, 2020, Vol. 223, pp. 110—132.
8. Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Korneva O.S. et al. Modification of the microstructure and properties of martensitic steel during ultra-high dose high-intensity implantation of nitrogen ions // Surface and Coatings Technology, 2020, Vol. 388, pp.125—557.
9. Honcharov V., Zazhigalov V.A., Sawlowicz Z. et al. Structural, catalytic and thermal properties of stainless steel WITh Nanoscale surface layer. // Nanophysics, Nanomaterials, Interface Studies, and Applications. NANO 2016. Springer Proceedings in Physics. Springer, Cham, 2017, Vol. 195, pp. 355-364. DOI: 10.1007/978-3-319-56422-7_26. Режим досту­пу: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-56422-7_26.
10. Zazhigalov V.A., Honcharov V., Bacherikova I. et al. Formation of Nanodimensional Layer of Catalytically Active Metals on Stainless Steel Surface by Ionic Implantation. // Theoretical and Experimental Chemistry, 2018, Vol. 54, pp. 128—137. DOI: 10.1007/s11237-018-9556-8. Режим доступу: https://link.springer.com/article/10.1007/s11237-018-9556-8.
11. Volker Häublein, Heiner Ryssel, Lothar Frey, Purity of Ion Beams: Analysis and Simulation of Mass Spectra and Mass Interferences in Ion Implantation // Advances in Materials Science and Engineering, 2012, Vol. 2012, Article ID 610150, 9 p. DOI: 10.1155/2012/ 610150. Режим доступу: https://www.hindawi.com/journals/amse/2012/610150/.
12. Lei Liu, Zongwei Xu, Rongrong Li, et al. Molecular dynamics simulation of helium ion implantation into silicon and its migration // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2019, Vol. 456, pp. 53—59.
13. Qiang Kang, Xudong Fang, Chen Wu, et al. Modification mechanism of collaborative ions implanted into 4H-SiC by atomic simulation and experiment // International Journal of Mechanical Sciences, 2021, Vol. 212, pp.106—832.
14. Firestein K.L., Kvashnin D.G., Sheveyko A.N., et al. Structural analysis and atomic simulation of Ag/BN nanoparticle hybrids obtained by Ag ion implantation // Materials & Design, 2016, Vol. 98, pp. 167—173.
15. Li Ji, Lei Liu, Zongwei Xu, et al. Molecular dynamics simulation on the effect of dislocation structures on the retention and distribution of helium ions implanted into silicon // Nanotechnology and Precision Engineering, 2020, Vol. 3, Issue 2, pp. 81—87.
16. Particle interactions with matter [Електроний ресурс]. Web-сайт James F. Ziegler. Режим доступу: http://www.srim.org/SRIM/SRIMLEGL.htm. (14.01.2022).
17. Agarwal S., Lin Y., Li C., et al. On the use of SRIM for calculating vacancy production: Quick calculation and full-cascade options, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B // Beam Interactions with Materials and Atoms, 2021, Vol. 503, pp. 11-29. DOI: 10.1016/j.nimb.2021.06.018. Режим доступу: https://www.sciencedirect.com/ science/article/abs/pii/S0168583X
18. Kaniukov E., Kutuzau M., Bundyukova V., et al. SRIM Simulation of Carbon Ions Interaction with Ni Nanotubes // Materials Today: Proceedings, 2019, Vol. 7, Part 3, pp. 872—877.
19. Cherny AA, Maschenko SV, Honcharov VV, Zazhigalov V.A. Nanodimension layers on stainless steel surface synthesized by ionic implantation and their simulation. // Nanoplasmonics, Nano-Optics, Nanocomposites and Surface Studies, 2015, Vol. 167, pp. 203-213. DOI: 10.1007/978-3-319-18543-9_12. Режим доступу: https://link.springer.com/chapter/ 10.1007/978-3-319-18543-9_12.
20. Gwyddion [Електронний ресурс]. Free SPM (AFM, SNOM/NSOM, STM, MFM,…) data analysis software. Режим доступу: http://gwyddion.net/ (14.01.2022).
21. Suzuki K. Ion Implantation and Activation // Bentham Science Publishers, 2018, Vol. 2. 171 p.
22. Мрочек Ж.А., Логвин В.А. Ионная имплантация и структурно-фазовое состояние материалов. Минск: БНТУ, 2012, 205 с.

Повний текст: PDF