СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В НАНОСЛОИСТЫХ ПОКРЫТИЯХ (TIALSIY)N/CRN ПОСЛЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНАМИ ЗОЛОТА

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Harrington G.F. Back-to-Basics Tutorial: X‐ray Diffraction of Thin Films / G.F. Harrington // Journal of Electroceramics. – 2021. – Vol. 47. – Article 108.

12. https://doi.org/10.1007/s10832‐021‐00263‐6.

13. 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.

14. Harrington G.F. Intensity corrections for grazing-incidence X‐ray diffraction of thin films / G.F. Harrington // Journal of Applied Crystallography. – 2021. – Vol. 54.

15. 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.

16. 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.2017.07.023

17. 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.