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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

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

Restricted Access

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

  1. 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
  2. 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
  3. Холодкова Н.В., Холодков И.В. // Электронная обработка материалов. 2016. Т. 52. № 5. С. 75.
  4. McEvoy A.J., Castaner L., Markvart T. Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. Academic press: Amsterdam, 2013. 600 p.
  5. 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
  6. 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
  7. 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.
  8. 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
  9. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Столяр И.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 3. С. 23. https://doi.org/10.31857/S1028096021050022
  10. 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
  11. Pinomaa T., Laukkanen A., Provatas N. // MRS Bull. 2020. V. 45. P. 910. https://doi.org/10.1557/mrs.2020.274
  12. 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
  13. Itoh T. Ion Beam Assisted Film Growth. Netherlands: Elsevier, 2012. 438 p.
  14. 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
  15. Комаров А.Ф. // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер. 1. Физика. Математика. Информатика. 2004. № 2. С. 23.
  16. 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
  17. 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
  18. 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.
  19. 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
  20. 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
  21. Lu B., Li N. // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 326. P. 168. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.11.138
  22. Григорьев А.Я. Физика и микрогеометрия технических поверхностей. Минск: Беларуская навука, 2016. 247 с.
  23. 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
  24. 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
  25. Kirschner J., Engelhard H., Hartung D. // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73. № 11. P. 3853. https://doi.org/10.1063/1.1511791
  26. Gailliard J.P. // Surface Engineering. Dordrecht: Springer, 1984. P. 32. https://doi.org/10.1007/978-94-009-6216-3_2
  27. Экслер Л.И. Метрологические и технологические исследования качества поверхности. Рига: Зинатне, 1976. С. 37.
  28. 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.
  29. Патент РБ № 2324. Способ нанесения покрытий. / Ташлыков И.С., Белый И.М. // Офиц. бюл. гос. пат. Ведомства Республики Беларусь, 1999. № 1. C. 30.
  30. Пранявичюс Л., Дудонис Ю. Модификация свойств твердых тел ионными пучками. Вильнюс: Моклас, 1980. 242 с.
  31. 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
  32. Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводннковых приборах. М.: Атомиздат, 1969. 310 с.
  33. Физические процессы в облученных полупроводниках / Ред. Смирнов Л.С. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1977. 256 с.
  34. Thompson D.A. // Radiat. Effects. 1981. V. 56. № 3–4. P. 105. https://doi.org/10.1080/00337578108229885
  35. Brown I.G., Feinberg B., Galvin J.E. // J. Appl. Phys. 1988. V. 63. № 10. P. 4889. https://doi.org/10.1063/1.340429
  36. Sigmund P. // Appl. Phys. Lett. 1974. V. 25. № 3. P. 169. https://doi.org/10.1063/1.1655425
  37. Кинчин Г.Х., Пиз Р.С. // УФН. 1956. Т. 30. С. 590. http://microtm.com/sx/sxr.htm
  38. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 272 с.
  39. Raposo M., Ferreira Q., Ribeiro P.A. // Modern Res. Educational Topics Microscopy. 2007. V. 1. P. 758.
  40. Ташлыкова-Бушкевич И.И., Яковенко Ю.С., Шепелевич В.Г., Ташлыков И.С. // Физика и химия обработки материалов. 2016. № 3. С. 65.
  41. Pawlus P., Reizer R., Wieczorowski M. // Tribol. Int. 2020. V. 152. P. 106530. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106530
  42. 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
  43. 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
  44. Наследов А. IBM SPSS Statistics 20 и AMOS: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2013. 416 с.
  45. 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.
  46. 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
  47. Завидовский И.А., Хайдаров А.А., Стрелецкий О.А. // Физика твердого тела. 2022. Т. 64. Вып. 12. С. 2075.
  48. Volmer M., Weber Α. // Z. Phys. Chem. 1926. V. 119. № 1. P. 277. https://doi.org/10.1515/zpch-1926-11927
  49. Афросимов В.В., Ильин Р.Н., Карманенко С.Ф., Сахаров В.И., Серенков И.Т. // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 6. С. 1070.
  50. 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
  51. 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
  52. 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.
  53. Барайшук С.М., Туравец А.И., Долгий В.К. // Эпоха науки. 2020. № 23. С. 181. https://doi.org/10.24411/2409-3203-2020-12344
  54. Tashlykov I., Mikhalkovich O., Zukowski P. // Przeglad Elektrotechniczny. 2016. V. 92. № 11. P. 229.
  55. 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
  56. Бобрович О.Г., Ташлыков И.С., Тульев В.В., Барайшук С.М. // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 1. С. 54.
  57. 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
  58. Руднев В.С., Лысенко А.Е., Устинов А.Ю. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т. 45. №. 5. С. 546.
  59. Baxter S., Cassie A.B.D. // J. Text. Inst. Trans. 1945. V. 36. P. T67. https://doi.org/10.1080/19447024508659707
  60. 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
  61. Wenzel R.N. // Ind. Eng. Chem. 1936. V. 28. № 8. P. 988. https://doi.org/10.1021/ie50320a024
  62. Yen T.H., Soong C.Y. // Phys. Rev. E. 2016. V. 93. № 2. P. 022805. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.022805
  63. Rohrs C., Azimi A., He P. // Langmuir. 2019. V. 35. № 47. P. 15421. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03002

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. AFM images of the nanorelief of the surface of thin films of the Al–1.5 at alloy. % Fe on glass obtained in passive (a, b) and ion-assisted modes at U = 3 kV deposition (c, d) for 3 (a), 6 (b, c) and 10 h (d), with corresponding histograms of the distribution of heights/depressions of nanorelief surfaces, approximated the Gaussian distribution.

Download (386KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Correlation between topographic parameters, wettability, and conditions of passive (solid symbols) and ion-assisted (open symbols and shading) deposition of thin films of Al–1.5 at. alloy. % Fe on a glass substrate, dependence of: a – arithmetic mean roughness Ra on the time of coating deposition; b – peakedness Rku from the asymmetry Rsk of the profile; c – contact angle θ and hybrid coefficient k on the arithmetic mean roughness of the films. The shape of drops of distilled water on the surface of the films is shown. Empirical values ​​of the coefficients of the equation y = ax + b and COD (R2) when approximating the data: a = 2.38 ± 1.05, b = 11.58 ± 7.1, COD = 0.72 (a); a = 9.95 ± 0.40, b = –9.60 ± 1.15, COD = 1.0 (b).

Download (125KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. On the analysis of AFM images of thin films of the Al–1.5 at alloy. % Fe deposited on glass: the cross-section profile of the nanorelief along the scanning line in Fig. 1b (a); analytically calculated histograms of the distribution of heights/depressions of the nanorelief for the cross-section profile (b) and the entire surface of the film (c) in Fig. 1b. The Ra values measured analytically, as well as the values of σ, σ1/σ2: b – 14.92 nm, 28.89, 1:4.2; c – 21.92 nm, 29.80, 1:2.5.

Download (110KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Typical SEM images of the surface of thin films of the Al–1.5 at alloy. % Fe on glass obtained in passive (a, b) and ion-assisted modes at U = 3 kV deposition (c, d) for 3 (a), 6 (b, c) and 10 h (d), with corresponding histograms of the size distribution of droplet fraction microparticles, approximated the lognormal distribution.

Download (360KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Comparison of experimental histograms of the distribution of heights/depressions of the nanorelief surface of thin films of the Al–1.5 at alloy. % Fe on glass obtained in passive (a, b) and ion-assisted modes at U = 3 kV deposition (c, d) for 3 (a), 6 (b, c) and 10 h (d), with approximating curves of the double Gaussian function with a common central value (a dashed dot).

Download (114KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. A model of the Bigauss surface of a film on a solid (dielectric) substrate, wetting of which follows the Cassi–Baxter mechanism: a – a diagram illustrating the superposition of the surface profile components and their contribution to the overall topography (curves 1 and 2 simulate the lower and upper Gaussians of a topographic nanorelief); b – a typical reference curve of the surface profile.

Download (130KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences