Пескоструйный аппарат на атомном уровне

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 6 января 2023 г., 11:27:43 MSK
  • 0 комментариев
  • 31 просмотр
Модифицирование поверхностей путем распыления на них частиц - этот метод, называемый "распылением", незаменим в науке о поверхности. Однако, если поверхность не является идеально гладкой и правильной, трудно предсказать результат процесса распыления. Теперь ученым удалось объяснить влияние частиц на шероховатые поверхности во время распыления, что имеет значение для исследований термоядерного синтеза и даже астрофизики.

Если вы хотите удалить слой краски с металлической поверхности, вы можете использовать пескоструйную машину: на поверхность наносится бесчисленное количество песчинок, и получается чистый металл. "Распыление" можно представить очень похожим образом - только гораздо меньшего размера, в атомном масштабе. Поверхность облучается ионами, то есть заряженными атомами, что позволяет, например, удалять микроскопические примеси.

Если вы имеете дело с идеальными поверхностями, где все поверхностные атомы расположены точно в гладкой плоскости, установленные теоретические модели могут довольно легко предсказать эффекты ионной бомбардировки. Но на практике это происходит очень редко. Для сложных, шероховатых поверхностей трудно сказать, сколько материала будет удалено во время распыления. Вычислительная модель, разработанная исследователями из TU Wien, теперь позволяет простым способом охарактеризовать шероховатость поверхности и, таким образом, правильно описать процесс распыления даже для более сложных образцов.

Удаление или нанесение тонких слоев

"Напыление поверхностей ионной бомбардировкой - очень популярный и универсальный метод", - говорит проф. Фридрих Аумайр из Института прикладной физики Венского университета. "С одной стороны, его можно использовать для очень точного удаления материала, например, в полупроводниковых технологиях, для создания идеально чистых поверхностей. Однако, с другой стороны, его также можно использовать для избирательного испарения любого материала, который затем наносится на другую поверхность, например, для получения сверхотражающих линз для очков или покрытий из твердых материалов на специальных инструментах." Чтобы использовать нужное количество материала в этом процессе, необходимо очень подробно разбираться в процессе распыления.

То же самое относится и к исследованиям в области ядерного синтеза: при поиске чрезвычайно стойких материалов для внутренней стенки будущего термоядерного реактора необходимо уметь рассчитать, сколько материала удаляется из камеры реактора при постоянной бомбардировке ионами высокой энергии. Это также послужило первоначальной мотивацией для данного исследования, которое финансировалось Европейской программой термоядерных исследований EUROfusion и в котором также приняли участие коллеги из Университета Уппсалы, Центра Гельмгольца в Дрездене и Института физики плазмы Макса Планка в Грайфсвальде. Исследованные эффекты также важны в астрофизике, где поверхности горных пород, например, на Луне или на планете Меркурий, подвергаются бомбардировке заряженными частицами солнечного ветра и, таким образом, разрушаются и изменяются в результате процессов распыления.

Важен угол удара

"Количество материала, выбитого с поверхности образца ионной бомбардировкой, зависит от двух основных факторов, помимо энергии снаряда: угла, под которым ионы ударяются о поверхность, и шероховатости поверхности", - говорит Кристиан Купак, первый автор текущего исследования. "Мы искали способ охарактеризовать шероховатость поверхности таким образом, чтобы вы могли точно определить, сколько материала удаляется во время распыления".

Шероховатость поверхности изменяет локальный угол столкновения частиц, а также возникают эффекты затенения: на некоторые участки поверхности ионы вообще не попадают. Кроме того, удаленный материал может быть повторно отложен в определенных местах, подобно мусору в горной местности. Это еще больше снижает эффективность распыления.

Совсем по-другому были исследованы образцы шероховатой поверхности в Вене. Используя современные методы микроскопии с высоким разрешением, сначала была проанализирована шероховатость образцов, затем они подверглись бомбардировке ионами и результаты эксперимента были сопоставлены с модельными расчетами. "В конце концов, нам удалось определить единственный параметр, который очень надежно описывает процесс распыления", - говорит Кристиан Купак. "Это показатель среднего наклона поверхности". То, насколько высоки отдельные возвышения на шероховатой поверхности, не играет существенной роли. Шероховатость в нанометровом масштабе имеет весьма схожие эффекты с шероховатостью порядка миллиметров, при условии, что угловое распределение отдельных участков поверхности в обоих случаях одинаково. "Вопрос не в том, насколько высока средняя гора на поверхности, а просто в том, насколько она крута", - объясняет Кристиан Купак. "Мы смогли показать, что наш параметр описывает конечный результат процесса распыления намного лучше, чем другие параметры шероховатости, которые использовались до сих пор".

Исследовательская группа из TU Wien теперь будет использовать новый метод определения характеристик поверхности как в термоядерных исследованиях, так и в астрофизических исследованиях. В промышленных приложениях новый метод моделирования мог бы обеспечить большую надежность и точность.

Комментарии

0 комментариев