"Экспериментальное исследование процесса образования тонких пленок аллотропных форм углерода и изучение из свойств Пронкин Александр Артурович

Введение к работе

Актуальность работы. Тонкие пленки аллотропных форм, углерода: АПП, карбин, графит обладают уникальными свойствами, поэтому находят широкое распространение в различных областях техники. Алмазноподобные пленки используются: для защиты режущей кромки инструментов, деталей машин (высокая твердость); для создания фотовольтаических преобразователей, работающих в ультрафиолетовом диапазоне длин волн (широкозонный полупроводник); в качестве полупроводниковых материалов при введении в углеродные пленки примесей. Графитовые пленки применяются в приемниках излучения с целью повышения эффективности радиационных характеристик. Пленки карбина используются: для нанесения покрытий на импланты в медицине с целью повысить их биологическую совместимость. Наноэлектроника и экстремальная электроника расширили спектр применений тонких пленок аллотропных форм углерода, например пленки карбина используются для создания низковольтных эмиттеров электронов. К современным пленкам предъявляются повышенные требования: химическая чистота, структурная целостность, отсутствие дефектов. Процесс развития техники стимулирует модернизацию существующих и создание новых методов получения тонких пленок аллотропных форм углерода.

Цель работы. Экспериментальное исследование процесса образования тонких пленок аллотропных форм углерода основанное на сочетании метода магнетронного распыления и различных источников радиационного потока (потока фотонов), а также изучение свойств полученных алмазоподобных пленок.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие научные задачи:

1. Разработка и создание экспериментального комплекса, в котором реализуется метод магнетронного распыления с двумя вариантами источника радиационного потока: нагретая нить и модель абсолютно черного тела (АЧТ).

2. Экспериментальное определение параметров получения тонких пленок аллотропных форм углерода: плотность и спектральные характеристики радиационного потока, температура подложки и др.

3. Исследования, направленные на повышение чистоты получаемых тонких пленок (элементный состав).

4. Идентификация полученных тонких пленок известными диагностическими методами - фазовый состав и структура поверхности.

5. Определение оптических, электрических и механических свойств полученных алмазоподобных пленок.

Научная новизна работы:

1. Впервые для осаждения пленок аллотропных форм углерода создан экспериментальный комплекс, состоящий из устройства магнетронного распыления, внешнего источника излучения - модели АЧТ и демпферного сопрягающего узла.

2. Впервые применение внешнего источника радиационного потока и диэлектрического экрана позволило получать углеродные пленки высокой чистоты.

3. Впервые предложена методика определения плотности радиационного потока и спектрального диапазона длин волн излучения достаточных для образования алмазоподобных пленок.

4. Получены новые экспериментальные данные о параметрах осаждения тонкой пленки, содержащей углерод в sp3 гибридизированном состоянии (алмазоподобная): спектральный диапазон длин волн Х.=170-255 нм, плотность потока излучения Е^і7о-255 >3-10"'Вт/м² при скорости осаждения пленки и<10 А/мин, температура подложки Т_подл= 500-750 К, давление рабочего газа Р_Аг=1-10 Па, мощность магнетрона W_Mr=84 Вт.

5. Впервые экспериментально доказано, что образование углерода в sp3 гибридизированном состоянии происходит при воздействии на растущую поверхность пленки радиационным потоком (модель АЧТ).

Практическая значимость работы:

Разработан экспериментальный комплекс на основе техники магнетронного распыления с внешним источником радиационного потока для исследования процесса осаждения тонких пленок аллотропных форм углерода.

Результаты работы могут быть использованы при создании промышленных систем нанесения метода магнетронного распыления углеродных пленок и покрытий на изделие.

По результатам независимых исследований механических свойств, осажденных методом магнетронного распыления с внешним источником радиационного потока, алмазоподобных пленок, проведенных в НИИ ФГУГП

«Южморгеология», было принято решение о их внедрении (акт о внедрении от 21 ноября 2011 г.).

Положения, выносимые на защиту:

6. Разработан и создан экспериментальный комплекс для осаждения пленок аллотропных форм углерода, состоящий из: устройства магнетронного распыления, внешнего источника излучения - модели абсолютно черного тела, защитного диэлектрического экрана и демпферного сопрягающего узла.

7. Предложена методика определения пороговой плотности радиационного потока и спектрального диапазона длин волн излучения, необходимых для образования алмазоподобных пленок.

8. На экспериментальном комплексе с внешним источником радиационного потока получены параметры осаждения пленки, содержащей углерод в sp3 гибридизированном состоянии (алмазоподобная): спектральный диапазон длин волн ^.=170-255 нм, плотность потока излучения Ej=i7o-255 >3-10 Вт/м при скорости осаждения пленки и<10 А/мин, температура подложки Т_подп = 500-750 К, давление рабочего газа Р_Аг=1-10Па, мощность магнетрона W_Mar=84 Вт.

9. Экспериментальный комплекс с внешним источником излучения (модель абсолютно черного тела) впервые позволил установить, что осаждение тонких пленок различных аллотропных форм углерода происходит в результате воздействия радиационного потока.

10. Показано, что воздействие радиационного потока от нити и модели абсолютно черного тела формирует столбчатую структуру поверхности алмазоподобной пленки. В отсутствии радиационного потока осаждаются пленки графита, поверхность которых имеет форму глобул.

11. Алмазоподобная пленка толщиной 200 нм, осажденная на подложку из стали 30, увеличивает твердость ее поверхности более чем в 2 раза.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях:

Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика». Москва. 2007, 2008гг; 5-я Курчатовская молодежная научная школа. Москва, Россия, 2007; II Международная конференция. «Наноразмерные системы» НАНСИС-2007. Киев. 2007; Международная научная конференция «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и нанострукутр». 8-Ю ноября 2008г. Харьков, Украина. ФММН-2008; XXV International conference "Equations of state

for matter" Elbrus 2010, March 1-6, 2010, Elbrus, Russia; II Международная научная конференция «Наноструктурные материалы-2010 Беларусь-Россия-Украина», 2010, Киев, Украина; Юбилейная научная конференция посвященная 50-летию создания Учреждения Российской академии наук Объединенного института высоких температур РАН, 2010, Москва, Россия; VII международная конференция «Углерод: Фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология. Конструкционные и функциональные материалы (в том числе наноматериалы) и технологии их производства. Владимир, 2010 г; VIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов". Москва, 2011 г; XXVII International conference " Physics of Extreme States of Matter" Elbrus 2012, Elbrus, Russia.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 3 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах из списка ВАК, а также 12 в других рецензируемых журналах, сборниках трудов и тезисах российских и международных конференций.

Личный вклад автора. Автором проведен обзор известных методов получения тонких пленок различных аллотропных форм углерода. Предложен и создан экспериментальный комплекс, состоящий из устройства магнетронного распыления, внешнего источника излучения - модели АЧТ и демпферного сопрягающего узла. На установке с излучателем - нагретая нить и экспериментальном комплексе получены параметры осаждения тонких пленок аллотропных форм углерода. Предложена методика определения пороговой плотности радиационного потока и спектрального диапазона длин волн излучения, необходимых для образования АПП. Исследования свойств (электрическое сопротивление, оптическое пропускание и отражение, структура поверхности тонких пленок), которые были проведены в ОИВТ РАН, выполнены автором. Пропускание и отражение АПП было измерено на модернизированном автором спектрофотометре КСВУ-23.

Объем и структура работы:

Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, из которых 1 стр. занимает приложение, иллюстрирована 63 рисунком и 7 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 145 ссылок.

Похожие диссертации на "Экспериментальное исследование процесса образования тонких пленок аллотропных форм углерода и изучение из свойств

Исследование процесса образования заряженных кластеров воды Н\+(Н/2О)п в мезопаузе масс-спектрометрическим методом в лабораторных условияхАвдиев, Евгений Георгиевич

Исследование теплофизических процессов при образовании и взаимодействии с преградой высокоскоростных капельных потоков в вакуумеПономарев Александр Николаевич

Изучение кинетических свойств водородных связей методом ядерного магнитного резонанса Голубев Николай Сергеевич

Экспериментальное исследование свойств жидких металлов и углерода при высоких температурахКоробенко Виктор Николаевич

Методы удаленного исследования свойств плазмы по параметрам радиационного теплообменаШумов Андрей Валерьевич

Экспериментальное исследование теплофизических свойств переходных металлов и сплавов на основе железа при высоких температурахТалуц Сергей Германович

Влияние фактора неоднородности на результаты теоретического и экспериментального исследования теплофизических свойств дисперсных материаловЛещинский Константин Николаевич

Экспериментальное исследование излучательных свойств и параметров сильноионизованной плазмы аргона и азота атмосферного давленияМаркин Александр Валерьевич

Акустические исследования равновесных свойств и уравнения состояния многоатомных жидкостей при высоких давлениях Мелихов Юрий Филиппович

Исследование ориентационных свойств жидких кристаллов в переменных магнитных полях акустическим методом Романов Алексей Анатольевич