:.

Revista de Ciencias Ouirnlcas, 15, 2, 1984

-,

"

227

s-

Variaciones estructurales en el hierro implantado con iones de boro y de carbono .~. A. FONSECA DUARTE,

V.M.

ANISHCHIK

Y

V.V.

UGLOV

Dpto. de Fisica, Universidad de Camagiiey, Cuba, y Catedra de Fisica del Estado Solido, Universidad Estatal de Bielorrusia, Minsk, URSS Recibido:

4 de sept icmb re de 1931

ABSTRACT.The present paper is devoted to an investigation of iron surface implanted with boron and carbon ions. The investigation is based upon x-ray structural analysis of the surface shells by means of a variant of the grazing incidence method. The smaller incidence angle used is established in virtue of the total external reflection condition for Co-ke radiation in iron. Implatation leads to formation of macros tress fields in the surface shells.

~

RSSUMEN. En el presente trabajo se ofrece un estudio de las capas superficiales del hierro implantado con iones de boro yde carbono par scparado y de boro mas carbono. EI estudio esta basado en el analisis estructural por rayos-x mediante el uso de angulos pequefios de mcidencia del rayo primario con Ia superficie de la muestra. EI rnetodo de incidencia rasante se rnodifico, habiendose sustituido el colimador de rendijas de Soller de la parte.del rayo difractado por un colimador de capilares de vidrio de paredes finas. EI sondeo de las capas se inici6 a partir del angulo de reflexion total externa de la radiacion Ko;del Co en el.hierro. La irnplantacion origino la aparicion .de campos dc macrotcnsioncs en las capas superficiales.

INTRODUCCION En el proceso de implantaci6n de iones en metales se observan variaclones estructurales motivadas por los propios iones que se introducen y por los defectos de radiacion, Los metodos usuales deanalisis estructural por rayos-x con enfoque segun Bragg-Brentano no pelppiten investigar dichas variaciones en las capas inmediatamente afectadas debido aTa relativamente gran penetracion de la radiaci6n-x en la muestra de manera que la informacion' que se obtiene abarca las zonas afectadas por la implantacion y zonas no afectadas por la misma. En las capas afectadas surgen niveles de deformaciones altos que conducen a la aparicion de tensiones de II genero que en las laminas delgadas son responsables de transformaciones de fase y que en general pueden llevar al estado amorfo a una muestra solida con una gran dosis de implantaci6ri. Estas modificaciones estructurales pueden revelarse con ayuda de la difraccion de rayos-x para incidencia rasante del rayo primario. El estudio de las capas afectadas puede ofrecer informacion sobre el caracter de las deformaciones estaticas promovidas en la muestra por la implantaci6n. MATERIALES

Y METODOS

El empleo de los metodos de rayos-x para la investigacion de capas superficiales de metales se dificulta debido a muchos factores entre 10s

. ~..

•• .0; •••••.

228

A. FONSECA DUARTE Y COL.

cuales se pueden mencionar la cali dad de la superficie (estado de rugosidad), la relativamente grande penetracion de la radiacion, la falta de resolucion adecuada para incidencia rasante del rayo primario dada la perdida del enfoque segun Bragg-Brentano. El estudio de la estructura de las capas superficiales de muestras metalicas es de gran interes en la tecnologia, en la fisica del estado solido y en particular en la investigacion del deterioro de radiacion. Existen diferentes metodos de rayos-x para tratar este problema; digamos: Mediante el uso de radiacion de diferentes longitudes de onda. Par ejemplo, para el hierro y radiacion K. del Cu yl espesor de capa que participa en la difraccion es de 6 a 8 p. y si pasamos a la radiacion mas blanda K. del Co ese espesor disminuye hasta 4-6 p: Observar las consecuencias en el hierro implantado con boro (4S keY 0 carbono 55 keV) mediante este metodo, no permite obtener una informacion aparte sobre la estructura de las capas inmediatamente afectadas, pues en este caso al alcance medio proyectado de los iones es aproximadamente 100 veces menor que la profundidad de penetracion de la radiacion-x. Al emplear este metodo obtenemos una informacion promediada de las modificaciones en las capas afectadas y en capas mas profundas. Mediante incidencia rasante del rayo primario y eliminacion de capas de superficie de la muestra por pulido quimico 0 electrolitico. Las desventajas de este metodo consisten en la eliminacion no hornogenea de las capas y en fa redistribucion de las tensiones existentes en el metal. Mediante incidencia rasante del rayo primario y empleo de una camara modificada de Debay-Sherrer-. Aqui la rnodificacion de la camara y el mismo metodo fotografico no resultan practices, ademas, el ensanchamien to de las lineas de interferencia dado solo por factores geometricos crece grandemente a medida que decrece el angulo de incidencia del rayo primario. Esto limita la aplicabilidad del metodo pues resultaimposible realizar mediciones para angulos menores de SOC. Yushin y cols," emplean el metodo de incidencia rasante del rayo primario en el difractometro Dron-2,Ocon los colimadores de Soller usuales. Sin embargo, para angulos inferiores a 4°C no encuentran resolucion. A su vez, hemos propuesto una variante algo distinta de este ultimo metodo". En el goniometro optico GUR-S del difractometro Dron-2,O en lugar del segundo colimador de rendijas de Soller se pone un colimador compuesto por 3S capilares de vidrio de paredes finas montados en un marco metalico. Las dimensiones (longitud y diametro) de los capilares se determinaron experimentalmente a manera de lograr que fuera minima la modificacion de la funcion instrumental debida a la perdida del enfoque para angulos pequeiios de incidencia del rayo primario y registro de tipo 202•4• Esta variante permite aumentar las posibilidades del estudio de las capas superficiales de los metales ya que se consigue que la mas pequeiia capa investigada este dada por la condicion de reflexion total externa de

IMPLANTACION IONES METALES

229

la radiacion-x, En nuestro caso, radiacion K. del Co y muestras de hierro se puede estudiar hasta una capa determinada por un angulo de O,soC. La evaluacion del espesor de capa investigada se realize por la expresion siguiente: Sen (!.Ji - e) Sen (26 - !.Ji) x= fJ. [Sen (!.Ji e) Sen (26 - !.Ji)]

+

~- angulo de incidencia 6I.t -

e-

del rayo primario, angulo de Bragg, coeficiente lineal de absorcion, correccion debida a la refraccion.

Se trabajo en el intervalo de angulos de incidencia de 0,5 a 1,5°C en el cual se tuvo en cuenta la refracci6n de la radiacion, No se considero la rugosidad superficial, pero esto tampoco se considera en los calculos del alcance medio proyectado de los iones en las muestras. Muestras policristalinas de hierro recocidas se implantaron con iones de boro de 45 keV de energia a dosis de 3.1016, 1017 Y 3.1017 ion/ern": con iones carbono de 50 keV a dosis de 1016, 5.1016 y 1017 ion/em" y de 55 KeV a dosis de 101'6 y 3.1016 ion/ern": y con iones de boro (45 KeV) y seguidamente de carbono (55 keV) a dosis integrales de 4.1016, 1,3.1017 17 y 4.10 ion/ern". Los alcances medios proyectados y su dispersion cuadratica media para los iones de boro y carbono en el hierro SO)1 538' y 264 A Y 577 Y 287 A respectivamente. Los perfiles de concentracion de iones implantados se calcularon por la expresion": n (x)

=

108

D ---

FP (x), ion/ern"

ARpy27': D - dosis de iones, ion/ern" F" (x) - valores tabulados de la funci6n de Pearson de IV tipo, A R, - dispersion cuadratica media del alcance medio proyectado Rp• Las deformaciones provocadas por los iones implant ados se determinaron mediante la variante propuesta del metodo de incidencia rasante del rayo primario. La elaboracion de los datos incluyendo el grafico de las lineas de difracci6n se realize mediante computacion electronica". El error en la determinacion del parametro de la red no paso de ±0,03%. RESULTADOS

Y DISCUSION

Los perfiles de distribuci6n de impurezas (B+ y C+) en el hierro se muestran en las figuras la, b, c y d. Las variaciones estructurales que se producen en las capas superficiales de las muestras se dan en las figuras 2a, b, c yd. Las macrotensiones relajan monotonamente hacia la pro.'fundidad y la magnitud del estado de tensiones aumenta segun aumenta la dosis de implantaci6n. El caracter de las variaciones observadas por

A. FONSECA DUARTE Y COL.

230

las lineas (220) (Fig. 2 b, c y d) corresponde y refleja mejor la forma de distribuci6n de impurezas. Se aprecian variaciones no homogeneas del parametro de la red, a profundidades pequefias disminuye, Iuego aumenta y pasa por un maximo. Teniendo en cuenta que el alcance medio proyectado es aproximadamente de 550 A, la dependencia apreciada se puede relacionar con 10s procesos de relajacion provocados por los campos de tensiones elasticas de los defectos de radiacion que se extienden hasta profundidades grandes 0--' 5000 A). n(x) ion I emJ

22 10

Ie·

20 0,5

1

rc )

,,,(xlll/l

M'rtJii~~:

(b

(C)

)

(d)

Fig. 1. Variaci6n de la concentraci6n de impurezas con la profundidad en eI hierro. (a) 50 .keV C+ Rp 525 A, LlRp 270 A; (b) 55 keY C+, n, 577 A, LlRp 287 A; (c) 45 keY B+, Rp 538 A, LlRp 264 A; (d) 45 keY B+, 55 keY C+. Las dosis de iones implantados en ion/ems fueron: 01016, l::,. 3.1016, • 5.1016,

=

=

01017,

* 3.1017,

0 (3

=

=

+ 1) • 1016,

~

(1

+ 0,3)

=

=

.1017,

•

(3 -:- 1) .1017•

=

IMPLANTACION IONES METALES

231

° \°

I!. -,%

0,4

0,3 0,2 0,1

I -0,

I (0)

Ad -,% a 0,4 0,3 0,2

-.!.~)~~ I

0

0, I

a

0

~

x 1O-~ -0, I

/

0, I 0

-°

7

'

(c)

Fig. 2. Variacion del parametro de la red con la profundidad en el hierro. El error en la determinacion de (a) no paso de ± 0,03%. Las indicaciones se corresponden con Ias de la FIg. 1. (a) linea (110), (b)' (c) y (d) linea (220).

..

-.,

En las figuras 3a, b y c se muestra el curso de la intensidad integral de las reflexiones (110) respecto a la profundidad para diferentes dosis de B+,C" y (BCY. Los valores de la intensidad integral para las muestras implantadas superan, salvo excepcion, en todas Ias profundidades y dosis, a esos mismos valores en las muestras no implantadas. Esto puede interpretarse suponiendo que ocurre un revenido de Ios defectos estimulados por el bombardeo ionico junto con la aparicion ordenada de nuevas fases de carburos y boruros de hierro que como tales no se descubren en el analisis de fase por rayos-x. En la Tabla I los valores del parametro de la red del Fe obtenidos por los medios usuales tambien hablan de variaciones estructurales debido a la implantacion, sin embargo, aqui no se puede juzgar sobre su propagacion, As! son observadas tambien por Gurov y col,", . Hay que notar que el semiancho angular de las lineas (110) para todas las combinaciones ion-muestra, dosis y profundidades se mantiene practicamente constante. En la Tabla II, a manera de ejemplo, se dan los valores del semiancho angular de esas reflexiones para el caso del (BCY· Como el ensanchamiento de esta linea esta condicionado principalmente por el fraccionamiento de los bloques (granos), se puede concluir que el bombardeo no provo co una modificacion notable del tamafio de los bloques en las muestras.

.

.

A. FONSECA DUARTE Y COL

232

0)8

0)2

o

L-~~--~---r---r---T--- 0 5 • I (J3 A 4 2 3 (a)

0,4 0)2

2

S/Se

0,8 0,6

0,4 0,2

Fig. 3. Variacion de la intensidad relativa integral (S/SII) de difraccion con la profundidad para la linea (110) del hierro. Las dosis de implantacion se indican como en la Fig. 1. S. intensidad integral a la profundidad dada, SB-intensidad integral para la posicion de Bragg simetrica, (a) 45 keY B+, (b) 55 keY C+. (c) 45 keV B+, 55 keY C+ N. 1. muestra no implantada.

CONCLUSIONES El metodo empleado para el analisis estructural por rayos-x mediante incidencia rasante del rayo primario aumenta las posibilidades del analisis no destructivo por capas des de una profundidad en las muestras determinada por .la condicion de reflexion total externa de la radiacion. »or el efecto de la implantacion aparecen campos de macrotensiones de val ores notables que se propagan y relajan hacia la profundidad de las muestras. La extension del campo de tensiones supera en 10 veces aproximadamente el alcance medio proyectado de los iones. Las deforrnaciones son debidas a .Ios defectos de radiacion y a la adicion de las impurezas de B+y de C+en el hierro. En dependencia del perfil de distribucion

IMpLANTACION IONES METALES

233

de impurezas se formaran soluciones s6lidas de variable concentraci6n que sin embargo no son suficientes para ser observadas en el analisis de fase por rayos-x. TABLA I

Pardmetro de la red del Fe determinado en posicion de Bragg simetrica para distintas dosis de implantacion Dosis (ion/cm'')

a (A) B+

N.!.

C+ 50 keY

2,8680

1016 3.1016

C+ 55 keY

(BC)+

2,8651

2,8680

2,8680

2,8651

2,8708

2,8672

2,8671

4.1016

2,8659

5.1016

2,8651

10

17

2,8677

3.1017

2,8717

2,8623

2,8669

4.1017

2,8671

TABLA II

Valores del semiancho angular (f3) de la linea de (110) del Fe antes y despues de implantado con iones de boro mds carbono. Sondeos a distintas profundidades

750

f3 X 104, rad. para las profundidades x. (A) 1430 2406 3246

N.!.

~66

171

166

178

169

4.101G

' 189

157

168

157

164

1.3.1017

166

157

165

175

180

4.101•

169

169

164

174

164

dosis (ion/ems)

5150

REFERENCIAS 1. RYBAKOVA L.M., KUKSENOVA L.I., Bosov S.V. Zavodskaya laboratoria

3, 293, 1973.

2. YUSHIN V.D., KOLEROV O.K., SKRIABINV.G. Y LOGVINOV A.N. Fizica prochnosti plastichnosti metallov y splavov, 7, 105, Kuibishev, 1979.

y

3. ANISHCHIK V.M, GUMANSKYG.A. Y FONSECADUARTEA. Conferencia sobre defectos de radiacion en metales. Academia de Ciencias de la URSS, Alma-ata 16-18 de junio de 1980. 4. VASILlEVD.M Moscu, Metallurgia,

78, 1977.

A. FONSECA

234

DUARTE

YCOL.

c.

5.. ]3URENKOV A.F., Minsk, 1980.

6.

KOMAROV F.F., KUMAJOV

M.A.

Y TEMKIN

M.M.

BGU, 65 y 133,

FONSECA DUARTE A., Couso FERNANDEZ L., GIRO Cro R., GUMANSKY G.A. Y UGLOV V.V. Revista de la Univ. de Bielorrusia, Serie I: Fisica-Matemdtica-Mectinica

(en prensa) y Centro de Calculo de la Univ. de Camagiiey. 7.

GUROV V.M.,

2, 134, 1980.

KISELEVSKY

L.I. Y LIAPIN

A.I.

Izv. AN BSSR.

Seria Fiz-Mat-Naulc.