Formation of submicron conical morphology of the surface of nanometer-thick films of the Al–Fe alloy under various conditions of ion-assisted deposition on glass
- Authors: Tashlykova I.I.1
-
Affiliations:
- Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics
- Issue: No 3 (2024)
- Pages: 88-104
- Section: Articles
- URL: https://consilium.orscience.ru/1028-0960/article/view/664677
- DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096024030144
- EDN: https://elibrary.ru/hdsizw
- ID: 664677
Cite item
Abstract
The morphology, topography and wetting with distilled water of Al–1.5 at. % Fe alloy films with a thickness 25–90 nm, formed on glass by ion-assisted deposition using a resonance ion source of vacuum electric arc plasma, have been studied. Using scanning probe microscopy, it is shown that, depending on the mode and the time of deposition, the modification of films is accompanied by changes in longitudinal and transverse roughness parameters, as well as parameters – dimensionless complexes, the measurement of which makes it possible to quantitatively describe the processes of coning in the Al–Fe alloy/glass system. Thus, the arithmetic mean roughness of the films increases with deposition time in the range 20–40 nm. Under self-irradiation conditions, a transition from island-like film growth to layer-by-layer film growth was detected. The influence of the substrate topography on the longitudinal step parameters of the film topography has been established. The size and surface density of the microdroplet fraction particles are studied by scanning electron microscopy. The frequency distributions of the microdroplet fraction by size are satisfactorily approximated by the lognormal distribution. It is found that in the mode of irradiation with intrinsic ions, 60–70% of the microparticles have a size of up to 0.8 μm. For the first time, a double Gaussian function was used to approximate the distribution histograms of local maxima and minima of the film relief, which made it possible to increase the accuracy of the description compared to the normal law. The effectiveness of this approach in analyzing the structure formation of nanometer films at various stages of growth has been demonstrated. Using the bi-Gaussian surface model, the role of topographic characteristics in controlling the wetting of modified coatings is revealed. The mechanism of heterogeneous wetting of hydrophilic films in the Cassie mode with contact angles ranging 50°–80° is discussed. It is found that in the potential mode, with an increase in the deposition duration to 10 h, the distribution of the film relief is close to the normal law, and the formation of a developed submicron conical morphology on the surface leads to blended wetting.
Full Text

About the authors
I. I. Tashlykova
Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics
Author for correspondence.
Email: iya.itb@bsuir.by
Belarus, 220013, Minsk
References
- Macleod H.A. // Optical Thin Films and Coatings / Eds. Piegari A., Flory F. Cambridge: Woodhead Publishing Ltd., 2018. P. 3. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102073-9.00001-1
- Mbam S.O., Nwonu S.E., Orelaja O.A., Nwigwe U.S., Gou X.-F. // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. № 12. P. 122001. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab52cd
- Холодкова Н.В., Холодков И.В. // Электронная обработка материалов. 2016. Т. 52. № 5. С. 75.
- McEvoy A.J., Castaner L., Markvart T. Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. Academic press: Amsterdam, 2013. 600 p.
- Rau U., Schock H.W. // Clean Electricity from Photovoltaics. V. 1. / Eds. Archer M.D, Hill R. Singapore: Imperial College Press, 2001. P. 277. https://doi.org/10.1142/p139
- Иешкин А.Е., Черныш В.С., Киреев Д.С., Сенату- лин Б.Р., Скрылева Е.А. // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49. Вып. 11. C. 34. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.11.55536.19447
- Комаров Ф.Ф., Борздов В.М., Комаров А.Ф., Жев-няк О.Г., Галенчик В.О., Миронов A.М. // Выбраныя навуковыя працы Беларускага дзяржаўнага універсітэта: Т. 4. Фізіка / Рэд. Анішчык В.М. Мн.: БДУ, 2001. С. 550.
- Афанасьева Л.Е., Измайлов В.В., Новоселова М.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 5. С. 68. https://doi.org/10.31857/S1028096021050022
- Ташлыкова-Бушкевич И.И., Столяр И.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 3. С. 23. https://doi.org/10.31857/S1028096021050022
- Исламова А.Г., Феоктистов Д.В., Орлова Е.Г. // Вестн. Тюмен. гос. ун-та. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2021. Т. 7. № 1 (25). С. 60. https://doi.org/10.21684/2411-7978-2021-7-1-60-78
- Pinomaa T., Laukkanen A., Provatas N. // MRS Bull. 2020. V. 45. P. 910. https://doi.org/10.1557/mrs.2020.274
- Лунин Л.С., Девицкий О.В., Сысоев И.А., Пащенко А.С., Касьянов И.В., Никулин Д.А., Ирха В.А. // Письма в журн. тех. физики. 2019. Т. 45. Вып. 24. С. 21. https://doi.org/10.21883/PJTF.2019.24.48797.18006
- Itoh T. Ion Beam Assisted Film Growth. Netherlands: Elsevier, 2012. 438 p.
- Шугуров А.Р., Панин А.В. // Журн. тех. физики. 2020. Т. 90. Вып. 12. С. 1971. https://doi.org/10.21883/JTF.2020.12.50417.38-20
- Комаров А.Ф. // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер. 1. Физика. Математика. Информатика. 2004. № 2. С. 23.
- Ковивчак В.С., Панова Т.В., Бурлаков Р.Б., Князев Е.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2015. № 10. С. 94. https://doi.org/10.7868/S0207352815100133
- Антонец И.В., Голубев Е.А., Щеглов В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 6. C. 85. https://doi.org/10.31857/S1028096021060030
- Измайлов В.В., Афанасьева Л.Е., Новоселова М.В. // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования: межвуз. сб. науч. тр. / Ред. Измайлов В.В. Вып. 13. Тверь: ТГТУ, 2020. № 13. С. 4.
- Афанасьева Л.Е., Измайлов В.В., Новоселова М.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 5. С. 68. https://doi.org/10.31857/S1028096021050022
- Измайлов В.В., Новоселова М.В. // Вестн. Твер. гос. тех. ун-та. Сер. Тех. науки. 2020. № 3 (7). С. 5. https://doi.org/0.46573/2658-5030-2020-3-5-13
- Lu B., Li N. // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 326. P. 168. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.11.138
- Григорьев А.Я. Физика и микрогеометрия технических поверхностей. Минск: Беларуская навука, 2016. 247 с.
- Kubiak K.J., Wilson M.C.T., Mathia T.G., Carval P. // Wear. 2011. V. 271. № 3–4. P. 523. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.03.029
- Tashlykov I.S., Kasperovich A.V., Wolf G. // Surf. Coat. Technol. 2002. V. 158–159. P. 498. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00287-6
- Kirschner J., Engelhard H., Hartung D. // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73. № 11. P. 3853. https://doi.org/10.1063/1.1511791
- Gailliard J.P. // Surface Engineering. Dordrecht: Springer, 1984. P. 32. https://doi.org/10.1007/978-94-009-6216-3_2
- Экслер Л.И. Метрологические и технологические исследования качества поверхности. Рига: Зинатне, 1976. С. 37.
- Ташлыкова-Бушкевич И.И., Мойсейчик Е.С., Лобач Р.Д., Суходольский Д.В. // Материалы и структуры современной электроники: материалы VIII Междунар. науч. конф. Минск, 2018. С. 111.
- Патент РБ № 2324. Способ нанесения покрытий. / Ташлыков И.С., Белый И.М. // Офиц. бюл. гос. пат. Ведомства Республики Беларусь, 1999. № 1. C. 30.
- Пранявичюс Л., Дудонис Ю. Модификация свойств твердых тел ионными пучками. Вильнюс: Моклас, 1980. 242 с.
- Cheng T., Auner G.W., Alkaisi M.N. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 509. https://doi.org/10.1016/0927-796X(94)90005-1
- Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводннковых приборах. М.: Атомиздат, 1969. 310 с.
- Физические процессы в облученных полупроводниках / Ред. Смирнов Л.С. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1977. 256 с.
- Thompson D.A. // Radiat. Effects. 1981. V. 56. № 3–4. P. 105. https://doi.org/10.1080/00337578108229885
- Brown I.G., Feinberg B., Galvin J.E. // J. Appl. Phys. 1988. V. 63. № 10. P. 4889. https://doi.org/10.1063/1.340429
- Sigmund P. // Appl. Phys. Lett. 1974. V. 25. № 3. P. 169. https://doi.org/10.1063/1.1655425
- Кинчин Г.Х., Пиз Р.С. // УФН. 1956. Т. 30. С. 590. http://microtm.com/sx/sxr.htm
- Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 272 с.
- Raposo M., Ferreira Q., Ribeiro P.A. // Modern Res. Educational Topics Microscopy. 2007. V. 1. P. 758.
- Ташлыкова-Бушкевич И.И., Яковенко Ю.С., Шепелевич В.Г., Ташлыков И.С. // Физика и химия обработки материалов. 2016. № 3. С. 65.
- Pawlus P., Reizer R., Wieczorowski M. // Tribol. Int. 2020. V. 152. P. 106530. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106530
- Hu S., Brunetiere N., Huang W., Liu X., Wang Y. // Tribol. Int. 2017. V. 110. P. 185. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.01.029
- Hu S., Reddyhoff T., Puhan D., Vladescu S.C., Huang W., Shi X., Dini D., Peng Z. // Langmuir. 2019. V. 35. № 17. P. 5967. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b00107
- Наследов А. IBM SPSS Statistics 20 и AMOS: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2013. 416 с.
- Аксенов И.И., Коновалов И.И., Кудрявцева Е.Е., Кунченко В.В., Падалка В.Г., Хороших В.М. // Журн. тех. физики. 1984. Т. 54. Вып. 8. С. 1530.
- Ryabchikov A.I., Sivin D.O., Bumagina A.I. // Mater. Manuf. Processes. 2015. V. 30. P. 1471. https://doi.org/10.1080/10426914.2015.1019094
- Завидовский И.А., Хайдаров А.А., Стрелецкий О.А. // Физика твердого тела. 2022. Т. 64. Вып. 12. С. 2075.
- Volmer M., Weber Α. // Z. Phys. Chem. 1926. V. 119. № 1. P. 277. https://doi.org/10.1515/zpch-1926-11927
- Афросимов В.В., Ильин Р.Н., Карманенко С.Ф., Сахаров В.И., Серенков И.Т. // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 6. С. 1070.
- Frank F.C., van der Merwe J.H. // Proc. Roy. Soc. London. A. 1949. V. 198. № 1053. P. 205. https://doi.org/10.1098/rspa.1949.0095
- Frank F.C., Van der Merwe J.H. // Proc. Roy. Soc. London. A. 1949. V. 198. № 1053. P. 216. https://doi.org/10.1098/rspa.1949.0096
- Михалкович О.М., Ташлыкова-Бушкевич И.И., Яковенко Ю.С., Куликаускас В.С., Барайшук С.М., Бобрович О.Г., Ташлыков И.С. // Взаимодействие излучений с твердым телом: матер. 11-й Междунар. конф. Минск, 2015. С. 248.
- Барайшук С.М., Туравец А.И., Долгий В.К. // Эпоха науки. 2020. № 23. С. 181. https://doi.org/10.24411/2409-3203-2020-12344
- Tashlykov I., Mikhalkovich O., Zukowski P. // Przeglad Elektrotechniczny. 2016. V. 92. № 11. P. 229.
- Колокольцев В.Н., Куликаускас В.С., Бондаренко Г.Г., Ерискин А.А., Никулин В.Я., Силин П.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2017. № 1. С. 41. https://doi.org/10.7868/S0207352817010139
- Бобрович О.Г., Ташлыков И.С., Тульев В.В., Барайшук С.М. // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 1. С. 54.
- Ташлыкова-Бушкевич И.И., Шепелевич В.Г., Амати М., Грегоратти Л., Кискинова М. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2020. № 1. С. 81. https://doi.org/10.31857/S1028096020010197
- Руднев В.С., Лысенко А.Е., Устинов А.Ю. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т. 45. №. 5. С. 546.
- Baxter S., Cassie A.B.D. // J. Text. Inst. Trans. 1945. V. 36. P. T67. https://doi.org/10.1080/19447024508659707
- Hu S., Vladescu S.C., Puhan D., Huang W., Shi X., Peng Z. // Surf. Coat. Technol. 2019. V. 367. P. 271. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.04.015
- Wenzel R.N. // Ind. Eng. Chem. 1936. V. 28. № 8. P. 988. https://doi.org/10.1021/ie50320a024
- Yen T.H., Soong C.Y. // Phys. Rev. E. 2016. V. 93. № 2. P. 022805. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.022805
- Rohrs C., Azimi A., He P. // Langmuir. 2019. V. 35. № 47. P. 15421. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03002
Supplementary files
