Widok Tom 66 Nr 4 (2014)

421

www.ptcer.pl/mccm

M

T

Politechnika Krakowska, Instytut Fizyki, ul. Podchorążych 1, 30-084 Kraków e-mail: M.Tuleta@cyf-kr.edu.pl

1. Wstęp

Powierzchniowa redystrybucja sodu i innych modyfi -katorów w szkłach tlenkowych może wpływać na zmiany wielu właściwości tych szkieł, np.: na odporność chemicz-ną, twardość, powierzchniowe przewodnictwo elektryczne i współczynnik załamania światła [1-4]. Zmiany rozkładu po-wierzchniowej koncentracji sodu mogą być uzyskane m.in. przez bombardowanie powierzchni szkła wiązką jonów oraz poddawanie jej obróbce plazmowej [5,6].

W niniejszej pracy, będącej kontynuacją prac [5,6], ba-dano wpływ wiązki jonów tlenu oraz niskotemperaturowej plazmy argonowej na jony modyfi kujące sodu w szkłach tlenkowych. Do analizy powierzchni zastosowano metodę spektrometrii masowej jonów wtórnych (SIMS), pozwalającą na uzyskanie głębokościowych profi li sodu w przypowierzch-niowym obszarze próbki.

2. Eksperyment

W przeprowadzonych eksperymentach modyfi kowano powierzchnię szkła wiązką jonów tlenu oraz niskotempe-raturową plazmą argonową wytwarzaną w plazmotronie indukcyjnym opisywanym w pracy [6]. W eksperymencie z wiązką jonów używano szkła krzemianowego o che-micznym składzie wagowym: SiO2 68,00%, Na2O 11,42%,

CaO 8,22%, Al2O3 4,46%, K2O 3,00%, MgO 1,99%, B2O3

1,52%, BaO 0,60%, inne 0,79%, a w eksperymencie z pla-zmą – próbek szkła fl oat o składzie chemicznym: SiO2

Powierzchniowa redystrybucja sodu w szkłach

tlenkowych wywołana wiązką jonów i plazmą

Streszczenie

Powierzchnię złożonego szkła krzemianowego modyfi kowano wiązką jonów tlenu, a powierzchnię szkła fl oat niskotemperaturową pla-zmą argonową. Obserwowana powierzchniowa redystrybucja sodu w tych szkłach została wytłumaczona mechanicznym i polowym od-działywaniem wiązki jonów oraz termicznym i polowym odod-działywaniem plazmy na jony sodu.

Słowa kluczowe: szkło, wiązka jonów, plazma

SURFACE REDISTRIBUTION OF SODIUM CREATED BY ION BEAM AND PLASMA IN OXIDE GLASSES The surface of compound silicate glass was modifi ed by an oxygen ion beam, and the surface of fl oat glass by low-temperature argon plasma. The sodium surface redistribution observed in these glasses was explained by the mechanical and fi eld interactions of the ion beam and the thermal and fi eld interactions of the plasma with sodium ions.

Keywords: Glass, Ion beam, Plasma

72,6%, Na2O 13,0%, CaO 8,4%, MgO 4,0%, Al2O3 1,0%,

inne 1,0%. Zmodyfi kowane powierzchnie szkieł były anali-zowane metodą profi lowania głębokościowego za pomocą spektrometru masowego jonów wtórnych Cameca IMS-3F. W przypadku powierzchni złożonego szkła krzemianowego stosowano wiązkę jonów pierwotnych tlenu 18_O- _{o energii}

17 keV, kącie padania 28°i prądzie 110 nA, przemiataną w obszarze 500 μm x 500 μm zarówno podczas profi lowa-nia, jak i bombardowania wstępnego, a w przypadku po-wierzchni szkła fl oat wiązkę jonów tlenu 16_O- _{o takiej samej}

energii i kącie padania jak poprzednio oraz prądzie 160 nA, przemiataną w obszarze 250 μm x 250 μm. W obu przypad-kach jony wtórne były analizowane z centralnego obszaru o średnicy 60 μm, aby wyeliminować wpływ ścian krateru, generowanego przez jony pierwotne, na rejestrowane pro-fi le. Użycie jonów ujemnych jako wiązki jonów pierwotnych miało na celu minimalizowanie ładowania się powierzchni podczas pomiaru profi li. Mierząc za pomocą profi lometru głębokość krateru można było wyrazić czas bombardowania w jednostkach długości.

3. Rezultaty i dyskusja

W eksperymencie dotyczącym modyfi kacji powierzchni wiązką jonów próbka złożonego szkła krzemianowego była wstępnie bombardowana jonami tlenu 18_O- _{aż do}

uzyska-nia stałej intensywności jonów wtórnych poszczególnych składników szkła. Postępowanie to miało na celu określe-nie wyjściowego stanu powierzchni do dalszych badań. Po

422

M. TULETA

wstępnym bombardowaniu powierzchnia była modyfi kowa-na wiązką jonów 18_O

2+ o energii 12,5 keV, kącie padania 28°

i dozie 2·1016 _jon/cm2_{. Profi le sodu oraz implantowanego}

tlenu zmierzone po tej modyfi kacji zostały pokazane na Rys. 1. Dla porównania, stosując tę samą procedurę ekspery-mentalną zmierzono profi le sodu i implantowanego tlenu po modyfi kacji taką samą wiązką jonów jak poprzednio, lecz o dozie 1·1017 _jon/cm2_{. Otrzymany wynik został pokazany}

na Rys. 2.

Rys. 1. Profi le głębokościowe dla powierzchni złożonego szkła

krzemianowego modyfi kowanej wiązką jonów 18_O

2

+ _{o dozie}

2·1016 _jon/cm2_.

Fig. 1. Depth profi les for the surface of complex silicate glass modi-fi ed by 18_O

2+ ion beam with a dose of 2·1016 ion/cm2.

Porównanie profi li sodu pokazuje większe zmiany profi lu otrzymanego dla powierzchni modyfi kowanej wiązką jonów o większej dozie. Można to wyjaśnić zwiększoną efektyw-nością procesów preferencyjnego rozpylania i przemiesz-czania się sodu w strukturze szkła oraz ładowaniem się powierzchni w przypadku użycia większej dozy. Profi le tle-nu 18_O+ _{nie wykazują początkowego wzrostu intensywności,}

gdyż obrazują one stany powierzchni uprzednio implantowa-nych tlenem zarówno podczas wstępnego bombardowania, jak i modyfi kacji.

W eksperymencie związanym z modyfi kacją powierzchni szkła niskotemperaturową plazmą argonową próbki szkła

fl oat poddawano obróbce plazmowej w temperaturach

250°C i 370°C, w czasie 30 minut przy ciśnieniu argonu 1 Tr. Badaniami objęto próbki umieszczone w komorze pla-zmotronu w ten sposób, że na działanie plazmy wystawiona była tzw. powierzchnia atmosferyczna szkła, czyli ta, która w czasie produkcji szkła nie była w bezpośrednim kontakcie z ciekłą cyną. Otrzymane profi le sodu dla powierzchni mody-fi kowanej plazmą i dla powierzchni nie poddawanej obróbce plazmowej pokazano na Rys. 3. Są one znormalizowane do sygnału jonów wtórnych krzemu 29_Si+_{, mającego w}

przybli-żeniu stałą wartość podczas profi lowania.

Profi le pokazują duże zubożenie powierzchni w sód sięgające w temperaturze 250°C do głębokości 300 nm i w temperaturze 370°C w przeważającej części do 400 nm. Obserwowana redukcja jest spowodowana działaniem termicznym plazmy i pola elektrycznego generowanego przez plazmę na jony sodu. Mechanizm tego działania jest

Rys. 2. Profi le głębokościowe dla powierzchni złożonego szkła

krzemianowego modyfi kowanej wiązką jonów 18_O

2

+ _{o dozie}

1·1017 _jon/cm2_.

Fig. 2. Depth profi les for the surface of complex silicate glass modi-fi ed by 18_O

2+ ion beam with a dose of 1·1017 ion/cm2.

Rys. 3. Profi le głębokościowe sodu znormalizowane do krzemu dla powierzchni atmosferycznej próbek szkła fl oat poddawanych obróbce plazmowej w temperaturach 250°C i 370o_{C przez 30 min} przy ciśnieniu argonu 1 Tr oraz próbki nie poddawanej obróbce plazmowej.

Fig. 3. Sodium depth profi les normalized to silicon for the atmo-spheric surface of fl oat glass samples treated by plasma at tem-peratures of 250°C and 370°C for 30 min with argon pressure of 1 Torr and the sample not treated by plasma.

MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 4, (2014)

423

POWIERZCHNIOWAREDYSTRYBUCJASODUWSZKŁACHTLENKOWYCHWYWOŁANAWIĄZKĄJONÓWIPLAZMĄ

związany z procesami ładowania się powierzchni, migracji jonów sodu oraz jego ubytku przez parowanie i został opi-sany w pracy [6]. Większe zubożenie powierzchni w sód w wyższej temperaturze jest wynikiem większej wydajności powyższych procesów.

Na Rys. 4 przedstawiono profi le sodu otrzymane dla pró-bek poddawanych obróbce plazmowej w czasie 30 minut, temperaturze 370°C, przy różnych ciśnieniach argonu 1 Tr i 0,1 Tr. Większa redukcja sodu w przypadku plazmy gęst-szej może być wyjaśniona silniejszym działaniem polowym tej plazmy na jony sodu.

4. Podsumowanie

Powierzchnia złożonego szkła krzemianowego była mo-dyfi kowana wiązką jonów tlenu, natomiast powierzchnia szkła fl oat niskotemperaturową plazmą argonową. Stwier-dzono znacznie większe zmiany profi li sodu w przypadku modyfi kacji powierzchni szkła plazmą. Można to wyjaśnić większą efektywnością działania plazmy łączącej obróbkę cieplną z oddziaływaniem cząstek naładowanych.

Podziękowania

Autor dziękuje Prof. C. G. Pantano za umożliwienie wy-konania pomiarów w Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii i Dr C.A. Houser za pomoc w przeprowadzeniu ekspery-mentu.

Literatura

[1] Holland, L.: The properties of glass surfaces, Chapman and

Hall, London, (1966).

[2] Mazzoldi, P., Arnold, G. W.: w Ion Beam Modifi cation of

In-sulators, Mazzoldi, P., Arnold, G.W. (Eds.), Elsevier Science

Publishers B.V., Amsterdam, (1987), 195-222.

[3] Chinellato, V., Gottardi, V., Lo Russo, S., Mazzoldi, P., Nicoletti, F., Polato, P.: Optical, chemical and mechanical modifi -cations induced by ion implantation on glass surfaces,

Ra-diat. Eff., 65, (1982), 31-39.

[4] Hayashi, Y., Fukuda, Y., Kudo, M.: Investigation on chang-es in surface composition of fl oat glass – mechanisms and effects on the mechanical properties, Surf. Sci., 507-510, (2002), 872-876.

[5] Tuleta M.: Badanie powierzchni szkła wiązką jonów, Materiały

Ceramiczne /Ceramic Materials/, 65, 1, (2013), 28-30.

[6] Tuleta M.: The infl uence of plasma processing on the surface composition of fl oat glass, Vacuum, 54, (1999), 41-45.

`

Rys. 4. Profi le głębokościowe sodu znormalizowane do krzemu dla powierzchni atmosferycznej próbek szkła fl oat poddawanych obróbce plazmowej w temperaturze 370°C przez 30 min przy ciśnieniach argonu 1 Tr i 0,1 Tr oraz próbki nie poddawanej ob-róbce plazmowej.

Fig. 4. Sodium depth profi les normalized to silicon for the atmo-spheric surface of fl oat glass samples treated by plasma at a tem-perature of 370°C for 30 min with argon pressures of 1 Torr and 0,1 Torr and the sample not treated by plasma.

Otrzymano 10 grudnia 2013, zaakceptowano 25 kwietnia 2014.