УДК 539.371, 538.911

ДВУСЛОЙНЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ, ПОЛУЧЕННЫЙ ПРИ ПОМОЩИ НАПРАВЛЕННОЙ АМОРФИЗАЦИИ ИОННЫМ ПУЧКОМ

 

В. С. Афонина¹, В. В. Коледов¹, В. Г. Шавров¹, В. А. Дикан², А. В. Иржак^2,3, А. П. Каманцев¹

1 - Институт радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН

2 - Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

3 - Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

 
Статья получена 15 января 2015 г. 
 

Аннотация. Исследовано воздействие высокоэнергетичным фокусированным пучком ионов Ga⁺ на поверхность отожженных быстрозакаленных из расплава (БЗР) лент Ti₂NiCu. Получены аморфно-кристаллические композиты на основе материала с ЭПФ при помощи локального ионного облучения. Продемонстрировано, что аморфизованный слой может быть образован двумя видами воздействия - непосредственно бомбардировкой поверхности и при переосаждении распыленного материала. Созданы образцы композитных микроактюаторов методом модификации поверхности БЗР сплава высокоэнергитичным фокусированным пучком ионов. Продемонстрирована обратимая деформация микроактюаторов при нагреве и охлаждении, характерная для материалов с ЭПФ.

Ключевые слова: эффект памяти формы, двуслойный композит, аморфизация, Ti₂NiCu, микроактюатор, фокусированный ионный пучок.

Abstract. The interaction of a focused ion beam of Ga⁺ with the  surface of the annealed rapidly quenched from the melt ribbons of the Ti2NiCu alloys was investigated. The amorphous-crystalline composites and microactuators based on rapidly quenched shape memory alloy Ti₂NiCu are obtained by Focused Ion Beam (FIB) treatment and studied. It is demonstrated that the amorphized layer may be formed by two types of impact: direct bombardment of the surface and material redeposition. Shape memory effect is demonstrated by reversible bending deformation during heating and cooling of the composites.

Key words: shape memory effect, bilayer composite, amorphization, Ti₂NiCu, microactuator, focused ion beam.

 

Введение

Исследования воздействия фокусированным ионным пучком (ФИП) на поверхность твердых тел при локальном ионном травлении давно изучаются и применяется во многих технологических процессах, в том числе известен и процесс аморфизация кристаллического материала при облучении [1, 2]. Однако, этот эффект рассматривается, главным образом, как негативный, и работы, в основном, направлены на его уменьшение. В данной работе впервые предложено использование ФИП для намеренной аморфизации с целью создания функциональных аморфно-кристаллических композитов. В последнее время начали появляться работы, в которых рассматривается возможность намеренной аморфизации поверхности при облучении фокусированным ионным пучком [3]. Однако, использование такой методики для создания приборов, в том числе микромеханических, в общедоступных источниках авторам не известно. При этом новый эффект – достижение функциональных свойств достигается при помощи известных методик ФИП.

В последние годы методами ФИП создан новый класс микромеханических устройств на основе композитов сплавов с ЭПФ, рекордных по миниатюрности. Продемонстрирована возможность их применения в микросистемной технике и нанотехнологии для манпулирования реальными микрообъектами различной природы. Создание микромеханических устройств на основе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) является актуальной задачей, начиная 90-х годов прошлого века [4]. При создании таких устройств используются материалы с ЭПФ, полученные при помощи осаждения на различные подложки. При этом качество осажденных слоев (состав, структура) значительно уступает  аналогичному объемному материалу. Ранее авторами для создания микромеханических устройств был продемонстрирован другой подход [5-12] - формирование актюаторов в объемном материале с уже заданной микро- или наноструктурой и заданным ЭПФ. Пример такого устройства приведен на Рис. 1.

 

Рис. 1. Нанопинцет на основе композита с ЭПФ.

 

Цель данной работы – изучение процесса взаимодействия высокоэнергетичного фокусированного пучка ионов Ga+ с поверхностью сплава Ti2NiCu с ЭПФ, создание и исследование двуслойных аморфно-кристаллических композитов на основе материалов с ЭПФ при помощи локального ионного облучения, а также создание и испытание элементов МЭМС и НЭМС на основе функциональных аморфно-кристаллических композитов с рекордно малыми размерами.

 

1. Методика эксперимента

Для намеренной аморфизации поверхности образца было предложено две геометрии эксперимента – при нормальном и касательном направлении падения пучка к аморфизуемой поверхности. Схема эксперимента приведена на Рис. 2.

Рис. 2. Схема аморфизации поверхности при облучении в нормальном (а) и касательном (б) направлении.

 

При облучении в геометрии нормального падения пучка аморфизация происходит при бомбардировке поверхности высокоэнергитичными ионами за счет внедрения и перемешивания атомов приповерхностных слоев. Толщина такого аморфизированного при облучении ионами Ga⁺ с энергией 40 кэВ составляет 40 нм при однократном облучении. При сканировании поверхности ионным пучком по схеме, приведенной на рис.2 а, можно достичь толщины направленной аморфизации до 100 – 200 нм за счет локального травления и переосаждения. Аморфизированные слои толщиной до 0,5 мкм можно получать при направленном переосаждении распыленного материала, как показано на рис.2 б. В предложенной схеме растравливаемая поверхность находится вблизи поверхности, на которую происходит переосаждение, а рост аморфного слоя направлен перпендикулярно пучку ионов.

Композиты, состоящие из аморфизованного при ФИП обручении слоя и кристаллической подложки были получены по обеим схемам: при нормальном падении пучка (Рис. 3) и при касательном, вследствие переосаждения (Рис. 4).

На Рис. 3 поверхность облучалась ионным пучком в нормальном к поверхности сплава направлении. Толщина аморфизованного слоя составляет не более 30 нм, однако неравномерное по площади облучение позволило увеличить это значение до 80 нм.

 

Рис. 3. Аморфизация поверхности сплава Ti2NiCu в геометрии нормального падения пучка ионов к аморфизуемой поверхности.

 

На Рис. 4 поверхность облучалась ионным пучком в касательном к аморфизуемой поверхности сплава направлении. Синими стрелками указано направление падения пучка ионов. При облучении происходит распыление поверхности, находящейся левее линии облучения. Часть распыленного материала осаждается на находящуюся вблизи поверхность в направлении указанном красной стрелкой. Переосажденная область обведена красным контуром.

 

Рис. 4. Аморфизация поверхности сплава Ti2NiCu в геометрии касательного падения пучка ионов к аморфизуемой поверхности при переосаждении.

 

На Рис. 5 представлен действующий прототип микропинцета, в котором исполнительный элемент выполнен из двуслойно-кристаллического композита. Испытания прототипа микропинцета проводились по методике [7-8]. Для термоактивации микроустройства использован полупроводниковый инжекционный полупроводниковый лазер, размещенный в вакуумной камере прибора ФИП FEI FIB Strata 201. При комнатной температуре микропинцет имеет прямолинейную форму (см. Рис. 5 а). При включении лазера, излучение разогревает иглу наноманипулятора Omnoprobe, на которую укреплен микропинцет. Наблюдается многократная обратимая термоуправляемая изгибная деформация микропинцета (см. Рис. 5).

 

Рис. 5. Прототип микропинцета на основе аморфно-кристаллического композита из сплава Ti2NiCu, обработанного . а –холодное состояние; б – нагретое состояние

 

Выводы

1) При экспериментальном изучении процесса взаимодействия фокусированного пучка ионов Ga₊ c поверхностью БЗР сплава T2NiCu с ЭПФ наблюдается изменение поверхностного слоя сплава по структуре и составу. Толщина этого слоя составляет 30 ‑ 80 нм при нормальном падении галлиевого пучка для выбранных режимов облучения. При скользящем угле падения пучка толщина измененного слоя достигает 0,5 мкм.

2) Показано, что создание композитных аморфно-кристаллических структур при помощи локального ионного облучения возможно. Максимальная толщина аморфизованного слоя наблюдается при нормальном к поверхности угле падения пучка ионов.

3). Аморфные слои, полученные при переосаждении сплава могут достигать значительных толщин – 0,5 мкм и более. Толщину такого слоя можно контролировать с точностью до 15 нм, задавая время переосаждения, силу ионного тока и ускоряющее напряжение.

4) Созданы методом ФИП и тестированы при активации нагревом композитные слоистые аморфно-кристаллические микроактюаторы  в размерами 25х2х4 мкм. Управляемая многократная относительная деформация функционального материала превышает 1,2 %.

Исследование выполнено в Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН при поддержке гранта РФФИ (проект №14-07-31179).

 

Литература

1.       S. Rajsiri, B.W. Kempshall, S.M. Schwarz, L.A. Giannuzzi // FIB Damage in Silicon: Amorphization or Redeposition? Microsc. Microanal. 2002. V.8. (Suppl. 2). Р. 50.

2.       F.A. Stevie et al // Application of focused ion beam lift-out specimen preparation to TEM, SEM, STEM, AES and SIMS analysis. Surf. Interface Anal. 2001. V. 31. P. 345.

3.       A. Joshi-Imre, S. Bauerdick // Direct-Write Ion Beam Lithography. Journal of Nanotechnology. 2014. 170415 (26).

4.       W.L. Benard, H.Kahn, A.H. Heuer, M.A. Huff // Thin-film shape-memory alloy actuated micropumps. Journ. Microelectromechanical Systems. 1998. V.7. № 2. P.245.

5.       D.Zakharov, G.Lebedev, V.Koledov, P.Lega, D.Kuchin, A.Irzhak, V.Afonina , E.Perov, A.Shelyakov, V.Pushin, V Shavrov // An enhanced composite scheme of shape memory actuator for smart systems. Physics Procedia. 2010. V.10. P. 58.

6.     V.Afonina, D.Zakharov, G.Lebedev, A.Irzhak, A.Mashirov, V.Kalashnikov, V.Koledov,A.Shelyakov, D.Podgorny, N.Tabachkova, V.Shavrov// Submicron-sized actuators based on enhanced shape memory composite material fabricated by FIB-CVD. Smart Materials and Structures. 2012. V. 21. 052001.

7.       A. Irzhak, V. Koledov, D. Zakharov, G. Lebedev, A. Mashirov, V. Afonina, K. Akatyeva, V. Kalashnikov, N. Sitnikov, N. Tabachkova, A. Shelyakov, V Shavrov  // Development of laminated nanocomposites on the bases of magnetic and non-magnetic shape memory alloys: Towards new tools for nanotechnology. Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 586 (SUPPL. 1). P. S464.

8.       D. Zakharov, G. Lebedev, A. Irzhak, V. Afonina, A. Mashirov, V. Kalashnikov , V. Koledov, A. Shelyakov, D. Podgorny, N. Tabachkova, V. Shavrov. Submicron-sized actuators based on enhanced shape memory composite material fabricated by FIB-CVD. Smart Materials and Structures. 2012. V. 21. № 5. Р. 052001.

9.       A.V.Shelyakov, N.N. Sitnikov, V.V. Koledov, D.S. Kuchin, A.I. Irzhak, N.Yu. Tabachkova // Melt-spun thin ribbons of shape memory TiNiCu alloy for micromechanical applications. International Journal of Smart and Nano Materials. 2011. V. 2. P. 68.

10.  A.V. Shelyakov, N.N. Sitnikov, A.P. Menushenkov, V.V. Koledov, A.I. Irzhak // Nanostructured thin ribbons of a shape memory TiNiCu alloy. Thin Solid Films. 2011. V. 519. № 15. Р. 5314.

11.  A.V. Irzhak, D.I. Zakharov, V.S. Kalashnikov, V.V. Koledov, D.S. Kuchin, G.A. Lebedev, P.V. Lega, E.P. Perov, N.A. Pikhtin, V.G. Pushin, I.S. Tarasov, V.V. Khovailo, V.G. Shavrov, A.V. Shelyakov // Actuators based on composite material with shape-memory effect. Journal of Communications Technology and Electronicsю 2010. V. 55. P. 818.

12.  A.V. Irzhak, V.S. Kalashnikov, V.V. Koledov, D.S. Kuchin, G.A. Lebedev, P.V. Lega, N.A. Pikhtin, I.S. Tarasov, V.G. Shavrov, A.V. Shelyakov // Giant reversible deformations in a shape-memory composite material. Technical Physics Letters. 2010. V. 36. № 4. 2010.