THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
104
СИНТЕЗ КЛАСТЕРНЫХ ЧАСТИЦ
СТИХЕОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
НАНОСТРУКТУР ИОННЫМ ОСАЖДЕНИЕМ
Курбанов Р.Т1., Исаханов З.А2., Цой С. В3.
1Белорусско-Узбекский межотраслевой институт прикладных технических квалификаций
в г. Ташкент, 2 Институт ионно-плазменных и лазерных технологий им. У.А.Арифова АН
РУ, 3Студент Национального университета, Узбекистан
h ps://doi.o g/10.5281/zenodo.17738598
В работе показана возможность синтеза наноразмерных частиц стехио-
метрического состава An Bm + (n+m ≤ 12), при ионной бомбардировки границ раздела
механически состыкованных двух разнородных металлов А и В. Сделан вывод
относительно механизма образования наночастиц AnB+m , а также о возможности
использование их для получения тонких наностукрур.
Ключевые слова: кластерные частицы, ионная бомбардировка, вторичная ионно-
ионная эмиссии (ВИИЭ), изотопное обогащение, наноструктура
The possibili y o syn hesizing nanodimensional pa icles wi h a s oichiome ic
composi ion o AnBm⁺ (n + m ≤ 12) du ing ionic bomba dmen o he in e aces be ween wo
mechanically joined dissimila me als A and B is demons a ed in his wo k. Conclusions a e
d awn ega ding he mechanism o o ma ion o An Bm + nanopa icles, as well as he po en ial use
o hese pa icles o he c ea ion o hin nanos uc u es.
Keywo ds: clus e pa icles, ion bomba dmen , seconda y ion–ion emission (SIIE),
iso ope en ichmen , nanos uc u e.
Эмиссия заряженных наноразмерных частиц происходит не только при распылении
чистых одноатомных металлов, но также при ионной бомбар-дировке сплавов и соединений
[1], причем в последнем случае в масс-спектрах вторичных ионов наряду с наноразмерными
ионами типа
+
n
A
или
+
m
B
(n, m ≤ 10-15) состоящими только из атомов каждой компоненты
сплавов, обнаружи-ваются гетероатомные наночастицы, состоящие из комбинации атомов
компо-нентов сплава типа
+
mn BA
. В некоторых работах по изучению вторичной ионно-
ионной эмиссии (ВИИЭ) сплавов, последний тип ионов используется для получения
информации о стехиометрическом составе твердых сплавов, фазовых переходов [1,2], или
для определения микровключений в твердом теле [3]. Считается, что механизм образования
гетероатомных наночастиц типа
+
mn BA
из сплавов является таким же, как и механизм
образования наночастиц типа
+
n
A
или
+
m
B
из чистых металлов [1,3].
В настоящей работе исследован вопрос об образовании гетероатомных наночастиц
типа
+
mn BA
под действием ионной бомбардировки границ раздела механически
состыкованных двух металлических мишеней из переходных металлов. Исследование этого
вопроса имеет важность не только для выяснения механизма образования ионов типа
+
mn BA
, а также практическую ценность, поскольку оно, с одной стороны, позволяет
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
105
сделать вывод о справедливости использования гетероатомных наночастиц в
аналитических целях, c другой, позволяет изучать возможность получения гетероатомных
наночастиц вида
+
mn BA
без предварительного изготовления сплавов и соединений.
Эксперименты были выполнены на вторично-ионном масс-спектрометре с двойной
фокусировкой. Первичные ионы генерировались ионным источником типа дуо-плазматрон.
Энергия первичных ионов составляла 7-10 кэВ. Первичные ионы бомбардировали мишени
под углом 500, относительно нормали мишени. Измерения проводили при давлении в
камере бомбардировке по остаточному газу ~10-7 тор.
Для изготовления мишеней применялись пластинки образцов, обогащенных одним
из изотопов элементов:
CuNiNiFeFe 6360585654 ,,,,
и
,
65Cu
Процент изотопного обогащения
каждой пластинки составляет более 99%. Мишени изготавливались следующим образом:
торцевые поверхности мишеней тщательно шлифовались и состыковывались так, чтобы
расстояние между ними составляло 1-5 мкм. Подготовленные таким образом мишени –
области раздела
−Fe
54
Ni
60
,
CuNi 6358 −
,
CuCu 6565 −
и т. д. укреплялись на держателе
образцов и вводились в камеру бомбардировки. Схема эксперимента изображена на вкладке
рисунка 1. Границы раздела бомбардировались ионами
+
К
с энергией 8 кэВ при
плотностях тока на мишень ~3·10-4 А/см2. Диаметр пучка был равен ~1 мм, что существенно
больше, чем расстояние между мишенями в области раздела.
К примеру на рисунках 1 и 2 представлены участки масс-спектра ВИИЭ при бом-
бардировке области раздела изотопных мишеней
−Fe
54
Ni
58
и
CuNi 6358 −
,
соответственно.
Рис.1.Участок масс-спектра вторичных ионов границ раздела мишени
−Fe
54
Ni
58
.
Масс-спектры ВИИЭ указывают на следующие особенности образования гетероядерных
наночастиц вида
+
mn BA
:
1. В масс-спектрах ВИИЭ области раздела изотопов разнородных металлов наряду с
пиками вида
+
n
A
или
+
m
B
, состоящими из атомов одного сорта изотопа, наблюдаются пики
гетероядерных наночастиц вида
+
mn BA
, которые состоят из атомов образцов, составляющих
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
106
+
2
58Ni
+
Cи
63
Массовое число
1x
3x
30x
Ni
58
+
2
63Cи
+
NiCи
+
3
58Ni
+
CиNi2
+
2
NiCи
+
3
63Cи
+
4
58Ni
+
CиNi3
+
22CиNi
+
3
NiCи
+
4
63Cи
+
5
58Ni
+
CиNi4
+
23CиNi
+
32CиNi
+
4
NiCи
+
9
58Ni
+
CиNi8
+
36CиNi
+
54CиNi
103
104
105
106
107
108
109
интенсивность, имп./сек
+
2
58Ni
+
Cи
63
Массовое число
1x
3x
30x
Ni
58
+
2
63Cи
+
NiCи
+
3
58Ni
+
CиNi2
+
2
NiCи
+
3
63Cи
+
4
58Ni
+
CиNi3
+
22CиNi
+
3
NiCи
+
4
63Cи
+
5
58Ni
+
CиNi4
+
23CиNi
+
32CиNi
+
4
NiCи
+
9
58Ni
+
CиNi8
+
36CиNi
+
54CиNi
+
2
58Ni
+
Cи
63
Массовое число
1x
3x
30x
Ni
58
+
2
63Cи
+
NiCи
+
3
58Ni
+
CиNi2
+
2
NiCи
+
3
63Cи
+
4
58Ni
+
CиNi3
+
22CиNi
+
3
NiCи
+
4
63Cи
+
5
58Ni
+
CиNi4
+
23CиNi
+
32CиNi
+
4
NiCи
+
9
58Ni
+
CиNi8
+
36CиNi
+
54CиNi
103
104
105
106
107
108
109
интенсивность, имп./сек
103
104
105
106
107
108
109
интенсивность, имп./сек
границы раздела. Например, из рисунков 1 и 2 видно, что в масс-спектре присутствуют
ионы
+
n
Fe
,
+
n
Ni
, и
+
n
Cu
)10(n
. Наряду с этим можно обнаружить гетероатомные
заряженные наночастицы следую-щего состава:
+
FeNi
,
+
NiFe2
,
+
2
FeNi
,
+
NiFe3
,
+
23 NiFe
,
+
33 NiFe
,
+
43 NiFe
или
+
23CuNi
,
+
32CuNi
,
+
CuNi8
,
+
36CuNi
и
+
54CuNi
т. д. В общем случае
максимальное количества атомов в наночастице типа
+
mn BA
для всех видов мишеней обна-
руженных в масс-спектрах не превышал
)12(+ mn
. Отметим, что точно такие виды
ионов наблюдаются и в масс-спектрах ВИИЭ сплавов и соединений [2, 3].
2. В масс-спектрах ВИИЭ области раздела двух изотопов одного металла наблюдаются
наноразмерные ионы, которые образованы из комбинации атомов разных изотопов, как это
наблюдается в масс-спектре ВИИЭ мишеней с естественным изотопным составом [4, 5].
Например, в случае бомбардировки области раздела изотопов
CuCu 6565 −
в масс-спектре
наряду с ионами
+
n
Cu
63
,
+
n
Cu
65
)12(n
были обнаружены дополнительные ионы вида
+
+)( 6563
mn CuCu
, соответ-ствующие наночастицам, образовавшимся в результате
комбинации изотопов меди. Такие же группы ионов были обнаружены при бомбардировке
границ раздела изотопов
FeFe 5654 −
,
NiNi 6058 −
и т. д.
Рис. 2. Участок масс-спектра вторичных ионов границ раздела мишени
CuNi 6358 −
.
3. Путем перемещения бомбардирующего пучка (или мишени) в горизонтальной
плоскости можно изменить соотношение между высотами пиков ионов
+
1
A
и
+
1
B
и
увеличить интенсивность эмиссии гетероатомной наночастицы
+
mn BA
какого-либо
выбранного стехиометрического состава.
Обнаружение в масс-спектре вторичных ионов интерметаллидных соедине-ний
+
mn BA
при ионной бомбардировке области стыковки двух металлических мишеней является
интересным экспериментальным результатом, поскольку до настоящего времени при
рассмотрении вопроса об образовании наноразмерных частиц при ионной бомбардировке
состояние поверхности считалось заданным. Согласно существующим моделям,
наноразмерные ионы образуются из атомов, находящихся в соседних узлах поверхности
твердого тела. Атомы, из которых образуются интерметаллидные нано-частицы, в условиях
нашего эксперимента до бомбардировки отстоят на расстоянии, значительно
превышающем постоянную решетки.
В настоящее время обсуждается две альтернативных моделей механизма эмиссии
заряженных наночастиц при ионном распылении. Так, теоретическая разработка модели
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
107
прямой эмиссии рассматривает выбивание наночастицы как единое целое, за счет передачи
корелированного импульса группе поверх-ностных атомов [6, 7, 8]. Модель статической
рекомбинации [9] предполагает что, процесс образования наночастиц происходит в газовой
фазе, в результате парных неупругих соударений над поверхностью возбужденных атомов
и молекул, независимо распыленных в единичном каскаде столкновений.
Как представляется, полученные в настоящей работе экспериментальные результаты
более достоверно подтверждает справедливость модели образования наночастиц,
изложенной в работе [9]. В условиях данной работы, атомы наночастиц
+
mn BA
)12(+ mn
до эмиссии, находятся минимум на расстояниях 1-5 мкм, причем на разных
образцах. Этот факт опровергает вероятность реализации механизма прямого выбивания
наночастиц [6, 7]. В тоже время модель прямой эмиссии не в состояние объяснить
наблюдаемые на опыте высокий выход наночастиц, содержащих десятки и более атомов [4,
5]. В работе [5], при бомбардировке Cu и Ni ионами водорода наблюдались эмиссия
наночастиц вида
+
mn НМ
(n≤7; m≤4), с атомными массами 458 и более, где М-атом металла,
Н-атом водорода. Процесс эмиссии тяжелых ионов
+
mn НМ
невозможно обосновать с
помощью каскадной модели в условиях низкого коээффициента распыления металла (S ≤
10- атом/ион) ионами водорода.
Таким образом, эксперименты показывают, что заряженные наночастицы при ионной
бомбардировке могут образоваться с большой вероятностью из атомов, которые до
бомбардировки не были соседними в решетке, т.е. возможна реализация рекомбинационной
модели образования наночастиц
+
mn BA
, описанной в работе [9]. Возможна, что результаты
ранее опубликованных работ [4,5], также с успехом может быт объяснена в рамках модели
[9]. В связи с выше изложенным, следует проводить теоретические расчеты для более
полного обоснования резултатов данной работы.
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы, имеющие
важное практическое значение:
1. Если в масс-спектре ВИИЭ сплавов и соединений наблюдаются наноразмерные ионы
интерметаллидных соединений вида
+
mn BA
, то это еще не дает основания судить о
стехиометрическом или фазовом составе исследуемого образца.
2. При использовании метода ВИМС в количественных анализах сплавов и соединений,
следует учитывать вероятность образования ионов
+
mn BA
и внести корректировки для учета
интенсивности выхода ионов в расчетных формулах, используемых в количественном
анализе.
3. Метод ионной бомбардировки границ раздела двух разнородных металлов можно
рассматривать как способ синтеза гетероатомных наночастиц вида
mn BA
без
изготовления соответствующего сплава, а также использовать их для получения тонких
наноструктур заданными свойствами и с известным стихиометрическим составом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Черепин В.Т.. Ионный зонд, Киев. «Наукова думка», 1981г. с.152-165 «Физико-
химический анализ сплавов и соединений».
THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF
INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”,
NOVEMBER 20, 2025
108
2. Rol iques M. H., Beske H. E. “Clas e emission om Cu-Ni and Cu-Al”. Ad . Mass.
Spec om. (1988) . 7A, p.593-596.
3. Гиммельфарб Ф.А., Коварский А.В. и др. «Использование кластерных ионов для
определения субмикронных включений в твердых телах» Сб. докл.УI Всесоюзн. конф.
по взаимодейстию атомных частиц с твердым телом. Минск, (1989), с.175-177.
4. Джемилев Н.Х, Курбанов Р., «Распыление меди в виде кластеров». Известия АН СССР.
сер. физ. (1979), т.43, №3, 606-611
5. Джемилев Н.Х., Курбанов Р.Т. «Образование многоатомных ионов при бомбардировке
металлов ионами водорода» Поверхность. Физика, химия, механика,.1984. №156-61
6. Kelly R.. «Модель прямой эмиссии при распылении». Radia . E . 1984 V.80. p. 273-277.
7. Битенский И.С., Парилис Э.С. «О моделях прямого и статистического образования
кластеров при распылении» ЖТФ,1978, т.48., вып. №9, с. 1941-1948
8. Матвеев В.И. «Теория эмиссии нейтральных и заряженных кластеров при ионной
бомбардировке металла». Известия РАН. Серия физическая. 2002, том 66, №4, с. 516-
521.
9. Джемилев Н.Х. «Механизм образования молекулярных кластеров при ионном
распылении». Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные
исследования. 2012, №8, с. 28-34.
