kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2025-3(19)-59kaz44-2035Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАСТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В НАНОСЛОИСТЫХ ПОКРЫТИЯХ (TIALSIY)N/CRN ПОСЛЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНАМИ ЗОЛОТАSTRUCTURAL AND PHASE TRANSFORMATIONS IN (TiAlSiY)N/CrN NANOLAYERED COATINGS AFTER GOLD ION IMPLANTATIONhttps://orcid.org/0000-0003-3533-242XБаймолдановаЛ. С.BaimoldanovaL. S.

Лазат Саркытбековна Баймолданова – ассоциированный профессор кафедры физики и технологий, PhD

Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск, улица Крылова, 72

Lazat Sarkytbekovna Baimoldanova – Associate Professor of the Department of Physics and Technology, PhD

Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk, Krylova Street, 72

baimoldals@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9218-6492ПогребнякА. Д.PogrebnyakA. D.

Александр Дмитриевич Погребняк – доктор физико-математических наук, профессор

Украина, Сумская область, Сумы, улица Римского-Корсакова, 2

Alexander Dmitrievich Pogrebnyak – Doctor of Physico-Mathematical Sciences, Professor 

Ukraine, Sumy Region, Sumy, 2 Rimskogo-Korsakova Street

a.d.pogrebnjak@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6699-9097БаяндиноваМ. Б.BayandinovaM. B.

Молдир Болеухановна Баяндинова – сениор-лектор кафедры физики и технологий

Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск, улица Крылова, 72

Moldir Boleukhanovna Bayandinova – Senior Lecturer, Department of Physics and Technology

Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk, Krylova Street, 72

shohmanovamb@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6095-0129СакеноваР. Е.SakenovaR. E.

Римма Ерболатқызы Сакенова – ассоциированный профессор кафедры физики и технологий

Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск, улица Крылова, 72

Rimma Yerbolatkyzy Sakenova – Associate Professor at the Department of Physics and Technology, PhD

Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk, Krylova Street, 72

sakenova_rimma@mail.ruВосточно-Казахстанский университет имени Сарсена АманжоловаКазахстанSarsen Amanzholov East Kazakhstan UniversityKazakhstanСумский государственный университетУкраинаSumy State UniversityUkraine20250311202503(19)525533Copyright © Баймолданова Л.С., Погребняк А.Д., Баяндинова М.Б., Сакенова Р.Е., 20252025Баймолданова Л.С., Погребняк А.Д., Баяндинова М.Б., Сакенова Р.Е.Baimoldanova L.S., Pogrebnyak A.D., Bayandinova M.B., Sakenova R.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/2035

В настоящей работе исследовано влияние ионной имплантации ионами золота (Au⁻) с энергией 60 кэВ и флюенсом 1×10¹⁷ ион/см² на структурно-фазовое состояние многослойных покрытий (TiAlSiY)N/CrN, полученных методом магнетронного напыления. С целью комплексного анализа были применены методы grazing-инцидентной рентгеновской дифрактометрии (GIXRD), просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), вторичного ионного масс-спектрометрического анализа (SIMS), обратного рассеяния ионов (RBS), а также SRIM-моделирования пробега ионов. Показано, что ионная имплантация приводит к аморфизации приповерхностной зоны толщиной ~20 нм, снижению размера кристаллитов с ~8 нм до 4-5 нм и размытому межслойному перемешиванию компонентов. Установлено селективное распыление азота, превышающее в 3-4 раза значения для Ti и Al, что сопровождается локальной нестехиометрией и перераспределением легирующих элементов, таких как Si и Y. Результаты моделирования и экспериментальные данные коррелируют и указывают на существенное разрушение исходной кристаллической структуры в зоне имплантации. Полученные результаты могут быть использованы при разработке радиационно-стойких, износоустойчивых и термически стабильных защитных покрытий для эксплуатации в условиях высокоэнергетического облучения, термомеханических нагрузок и агрессивных сред.

This study investigates the effect of gold ion (Au⁻) implantation with an energy of 60 keV and a fluence of 1×10¹⁷ ions/cm² on the structural and phase state of multilayer (TiAlSiY)N/CrN coatings deposited by magnetron sputtering. To perform a comprehensive analysis, grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), secondary ion mass spectrometry (SIMS), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), and SRIM simulation of ion range were employed. The ion implantation led to the amorphization of the near-surface layer (~20 nm thick), a reduction in crystallite size from ~8 nm to 4-5 nm, and blurring of the multilayer boundaries. A significantly higher sputtering yield of nitrogen – 3-4 times greater than that of Ti and Al – was identified, resulting in local non-stoichiometry and redistribution of alloying elements such as Si and Y. The modeling results and experimental data correlate well, revealing substantial degradation of the initial crystalline structure within the implantation zone. These findings may contribute to the development of radiation-resistant, wear-resistant, and thermally stable protective coatings designed for operation under high-energy irradiation, thermomechanical loads, and aggressive environments.

нанослоистые покрытияTiAlSiY(N)/CrNионная имплантацияфазовые превращенияXRDHRTEMаморфизацияионное перемешиваниеnanolayered coatingsTiAlSiY(N)/CrNion implantationphase transformationsXRDHRTEMamorphizationion mixingReferencesRelationships between hardness, Young’s modulus and elastic recovery in hard nanocomposite coatings / J. Musil et al // Surface and Coatings Technology. – 2002. – Vol. 154, № 2-3. – P. 304-313. https://doi.org/10.1016/S0257‐8972(01)01714‐5.Relationships between hardness, Young’s modulus and elastic recovery in hard nanocomposite coatings / J. Musil et al // Surface and Coatings Technology. – 2002. – Vol. 154, № 2-3. – P. 304-313. https://doi.org/10.1016/S0257‐8972(01)01714‐5.Microstructure and physical-mechanical properties of (TiAlSiY)N nanostructured coatings under different energy conditions / K.V. Smyrnova et al // Metals and Materials International. – 2018. – Vol. 24, № 5. – P. 1024-1035. https://doi.org/10.1007/s12540‐018‐0110‐y.Microstructure and physical-mechanical properties of (TiAlSiY)N nanostructured coatings under different energy conditions / K.V. Smyrnova et al // Metals and Materials International. – 2018. – Vol. 24, № 5. – P. 1024-1035. https://doi.org/10.1007/s12540‐018‐0110‐y.The structure and properties of high‐entropy alloys and nitride coatings based on them / A.D. Pogrebnjak et al // Russian Chemical Reviews. – 2014. – Vol. 83, № 11. – P. 1027-1061. https://doi.org/10.1070/RCR4407.The structure and properties of high‐entropy alloys and nitride coatings based on them / A.D. Pogrebnjak et al // Russian Chemical Reviews. – 2014. – Vol. 83, № 11. – P. 1027-1061. https://doi.org/10.1070/RCR4407.Influence of implantation of Au⁻‐ions on the microstructure and mechanical properties of the nano‐structured multielement (TiZrHfVNbTa)N coating / A.D. Pogrebnjak et al // Physics of the Solid State. – 2015. – Vol. 57, № 8. – P. 1559-1564. https://doi.org/10.1134/S1063783415080259.Influence of implantation of Au⁻‐ions on the microstructure and mechanical properties of the nano‐structured multielement (TiZrHfVNbTa)N coating / A.D. Pogrebnjak et al // Physics of the Solid State. – 2015. – Vol. 57, № 8. – P. 1559-1564. https://doi.org/10.1134/S1063783415080259.Bolse W. Ion beam effects in thin films and nanostructures / W. Bolse // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 1994. – Vol. 91, № 1-4. – P. 68-75.Bolse W. Ion beam effects in thin films and nanostructures / W. Bolse // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 1994. – Vol. 91, № 1-4. – P. 68-75.Effect of composition and growth mechanism on the structure and mechanical properties of nitride coatings – review / W. Zhao et al // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 827. – Article 153836. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153836.Effect of composition and growth mechanism on the structure and mechanical properties of nitride coatings – review / W. Zhao et al // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 827. – Article 153836. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153836.Ziegler J.F. The stopping and range of ions in matter (SRIM) / J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. Littmark // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 2010. – Vol. 268, № 11-12. – P. 1818-1823. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091.Ziegler J.F. The stopping and range of ions in matter (SRIM) / J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. Littmark // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 2010. – Vol. 268, № 11-12. – P. 1818-1823. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091.Littmark U. Ranges of energetic ions in matter / U. Littmark , J.F. Ziegler // Physical Review A. – 1981. – Vol. 23, № 1. – P. 64-74. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.23.64.Littmark U. Ranges of energetic ions in matter / U. Littmark , J.F. Ziegler // Physical Review A. – 1981. – Vol. 23, № 1. – P. 64-74. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.23.64.Smilgies D.-M. Probing Functional Thin Films with Grazing Incidence X‐Ray Scattering: The Power of Indexing / D.-M. Smilgies // Crystals. – 2025. – Vol. 15, № 1. – Article 63. https://doi.org/10.3390/cryst15010063.Smilgies D.-M. Probing Functional Thin Films with Grazing Incidence X‐Ray Scattering: The Power of Indexing / D.-M. Smilgies // Crystals. – 2025. – Vol. 15, № 1. – Article 63. https://doi.org/10.3390/cryst15010063.Mahmood A. A review of grazing incidence small- and wide-angle X-ray scattering techniques for exploring the film morphology of organic solar cells / A. Mahmood , J.-L. Wang // Sol. RRL. – 2020. – Vol. 4. – Article 2000337. https://doi.org/10.1002/solr.202000337.Mahmood A. A review of grazing incidence small- and wide-angle X-ray scattering techniques for exploring the film morphology of organic solar cells / A. Mahmood , J.-L. Wang // Sol. RRL. – 2020. – Vol. 4. – Article 2000337. https://doi.org/10.1002/solr.202000337.Harrington G.F. Back-to-Basics Tutorial: X‐ray Diffraction of Thin Films / G.F. Harrington // Journal of Electroceramics. – 2021. – Vol. 47. – Article 108.Harrington G.F. Back-to-Basics Tutorial: X‐ray Diffraction of Thin Films / G.F. Harrington // Journal of Electroceramics. – 2021. – Vol. 47. – Article 108.https://doi.org/10.1007/s10832‐021‐00263‐6.https://doi.org/10.1007/s10832‐021‐00263‐6.How to GIWAXS: grazing incidence wide angle X‐ray scattering applied to metal halide perovskite thin films / J.A. Steele et al // Advanced Energy Materials. – 2023. – Vol. 13, № 13. – Article 2300760. https://doi.org/10.1002/aenm.202300760.How to GIWAXS: grazing incidence wide angle X‐ray scattering applied to metal halide perovskite thin films / J.A. Steele et al // Advanced Energy Materials. – 2023. – Vol. 13, № 13. – Article 2300760. https://doi.org/10.1002/aenm.202300760.Harrington G.F. Intensity corrections for grazing-incidence X‐ray diffraction of thin films / G.F. Harrington // Journal of Applied Crystallography. – 2021. – Vol. 54.Harrington G.F. Intensity corrections for grazing-incidence X‐ray diffraction of thin films / G.F. Harrington // Journal of Applied Crystallography. – 2021. – Vol. 54.Ziegler J.F. Universal scattering potential method for predicting ion ranges / J.F. Ziegler, J.P. Biersack J.M. Manoyan // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 1986.Ziegler J.F. Universal scattering potential method for predicting ion ranges / J.F. Ziegler, J.P. Biersack J.M. Manoyan // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 1986.Smyrnova K.V. Ion-induced phase transformations in nanostructured nitride coatings / K.V. Smyrnova, A.D. Pogrebnjak, V.M. Beresnev // Vacuum. – 2017. – Vol. 146. – P. 47-54. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.07.023Smyrnova K.V. Ion-induced phase transformations in nanostructured nitride coatings / K.V. Smyrnova, A.D. Pogrebnjak, V.M. Beresnev // Vacuum. – 2017. – Vol. 146. – P. 47-54. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.07.023Kelly R., Miotello A. Effects of ion implantation on the phase stability of TiN/CrN multilayers // Applied Physics Letters. – 1993. – Vol. 63, № 12. – P. 1673–1675. https://doi.org/10.1063/1.109512.Kelly R., Miotello A. Effects of ion implantation on the phase stability of TiN/CrN multilayers // Applied Physics Letters. – 1993. – Vol. 63, № 12. – P. 1673–1675. https://doi.org/10.1063/1.109512.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.