Взаємозв’язок структурних особливостей вуглецевих матеріалів з їх оптичними та механічними властивостями - Автореферат

Завдяки успіхам технології синтезу штучних стабільних модифікацій вуглецю, синтетичні графіти та алмази знайшли широке застосування в електротехніці, ливарній справі, ядерних реакторах, металообробних та ріжучих інструментах. Оскільки графіт та алмаз є полярними представниками вуглецевих матеріалів, то виникла потреба у синтезі метастабільних форм вуглецю, що займали б проміжне положення між чистими sp2-графітом та sp3-алмазом. До вже відомого застосування аморфних алмазоподібних вуглецевих плівок як захисних покриттів додалися нові актуальні використання: застосування тетраедричних вуглецевих плівок для покриття жорстких магнітних дисків; створення на основі аморфних алмазоподібних матеріалів холодних катодів для дисплеїв, захисно-просвітлюючих покриттів для сонячних елементів. Вказані завдання потребують синтезу вуглецевих матеріалів із наперед заданими характеристиками, що спонукає вивчати звязок між фізичними (структурними, механічними, оптичними, електричними) властивостями та умовами отримання вуглецевих плівок. Бюджетних тем: „Оптика і спектроскопія елементарних і колективних збуджень у напівпровідникових матеріалах та наноструктурах з різною розмірністю”, що виконувалася згідно постанови Бюро фізики і астрономії НАН України № 12 від 16.11.1999 р. та „Оптичні та спектроскопічні дослідження напівпровідникових матеріалів та структур на їх основі”, що виконується згідно постанови Бюро фізики і астрономії НАН України № 11 від 27.11.2002 р.У другому розділі - „Взаємозвязок фізичних властивостей вуглецевих плівок та умов їх отримання” - розглянуто вплив попередньої обробки поверхні підложки на структурну досконалість осаджуваної плівки; визначено структурні, механічні та оптичні властивості тетраедричних вуглецевих плівок (ta-C); встановлено вплив температури конденсації та потужності магнетронного розряду на структурні та електричні властивості аморфних вуглецевих плівок. Було вивчено вплив попереднього осадження алмазних наночастинок на структурні та механічні властивості таких плівок. У плівках, отриманих з попереднім нанесенням наноалмазних прекурсорів, нанотвердість досягає значення 55 ГПА на глибині 20 нм, а у плівках, отриманих на шліфованих підкладках - 36 ГПА на глибині 50 нм. У плівках першого типу алмазний пік КРС, що повязаний з фононом T2g симетрії центру зони Бріллюена вужчий, ніж у плівках другого типу, що свідчить про більш досконалу кристалічність. При малій потужності розряду (до 50 Вт) енергія частинок, що діють на плівку, низька, і не дивлячись на тривале осадження, температура підкладки залишається низькою, тому формується плівка з розупорядкованою структурою.Триступенева модель взаємозвязку параметрів спектрів КРС та структурних трансформацій вуглецевих матеріалів Феррарі-Робертсона може бути застосована для оцінки співвідношення sp2/sp3-фаз, упорядкованості структурних елементів sp2-кластерів та оцінки їх розмірів для композитів на основі нанопористих вуглецевих матеріалів. Домінуючий вклад у процеси комбінаційного розсіювання світла в нанопористих вуглецях вносять кластери розміром 4-7 нм, що складаються зі слаборозупорядкованих sp2-шестичленних ароматичних кілець. Мікроструктура аморфних вуглецевих плівок, осаджених при кімнатній температурі на сіталові або кремнієві підкладки, являє собою хаотично розташовані та спотворені ароматичні кільця з sp2-типом звязку між атомами. Легування бором у процесі осадження вуглецевих плівок приводить до уповільнення зародження кластерів графітоподібної фази усередині аморфної sp2-фази. Введення азоту в гідрогенізованих вуглецевих плівках під час іонної імплантації сприяє трансформації обірваних sp3-звязків в sp2-ароматичні кільця та переходу спотворених ароматичних кілець в олефеїнові ланцюги.

2. Основний зміст роботи

У Висновках підсумовано основні результати дослідження впливу умов отримання та модифікації вуглецевих матеріалів на їх структурну досконалість, оптичні та механічні властивості.

1. Триступенева модель взаємозвязку параметрів спектрів КРС та структурних трансформацій вуглецевих матеріалів Феррарі-Робертсона може бути застосована для оцінки співвідношення sp2/sp3-фаз, упорядкованості структурних елементів sp2-кластерів та оцінки їх розмірів для композитів на основі нанопористих вуглецевих матеріалів.

2. Домінуючий вклад у процеси комбінаційного розсіювання світла в нанопористих вуглецях вносять кластери розміром 4-7 нм, що складаються зі слаборозупорядкованих sp2-шестичленних ароматичних кілець.

3. Попереднє нанесення алмазних нанопрекурсорів на поверхню підкладки не тільки вирішує проблему спорідненості з нею осаджуваної алмазної плівки, але й сприяє підвищенню структурної досконалості та твердості останньої.

4. Мікроструктура аморфних вуглецевих плівок, осаджених при кімнатній температурі на сіталові або кремнієві підкладки, являє собою хаотично розташовані та спотворені ароматичні кільця з sp2-типом звязку між атомами. При підвищенні температури конденсації до 200-450 °С формуються правильні шестикутні ароматичні кільця та утворюються графітові нанокластери. Аналогічна тенденція спостерігається при відпалі плівок, отриманих при кімнатній температурі, в інтервалі температур 100-300 °С.

5. Легування бором у процесі осадження вуглецевих плівок приводить до уповільнення зародження кластерів графітоподібної фази усередині аморфної sp2-фази. Завдяки меншим розмірам атоми бору заміщають атоми вуглецю і, як наслідок, формуються спотворені sp2-ароматичні кільця. Зі збільшенням температури підкладки швидкість утворення ароматичних кілець зростає, і вони все більше впорядковуються у графітні кластери, які орієнтовані паралельно підкладці.

6. Введення азоту в гідрогенізованих вуглецевих плівках під час іонної імплантації сприяє трансформації обірваних sp3-звязків в sp2-ароматичні кільця та переходу спотворених ароматичних кілець в олефеїнові ланцюги.

Список опублікованих праць за матеріалами дисертації

1. Onoprienko A.A., Artamonov V.V., Yanchuk I.B. Resistivity of non-doped and boron-doped magnetron sputtered carbon films // Functional Materials. - 2002. - vol.9,?3. - p. 540-544.

2. Konchits A.A., Valakh M.Ya., Shanina B.D., Kolesnik S.P., Yanchuk I.B., Carey J.D., Silva S.R.P. Effects of ion implantation on electron centers in hydrogenated amorphous carbon films // J. Appl. Phys. - 2003. - Vol.93. - P. 5905 - 5910.

3. Onoprienko A.A., Artamonov V.V. and Yanchuk I.B. Effect of deposition and anneal temperature on the resistivity of magnetron sputtered carbon films // Surf. Coat. Tech. - 2003. - Vol.172. - P. 189 - 193.

4. Yanchuk I.B., Valakh M.Ya., Vul’ A.Ya., Golubev V.G., Grudinkin S.A., Feoktistov N.A., Richter A., Wolf B. Raman scattering, AFM and nanoindentation characterization of diamond films obtained by hot filament CVD // Diamond and Related Materials. - 2004. - Vol.13. - P. 266-269.

5. Druz B., Zaritskiy I., Yevtukhov Y., Konchits A., Valakh M., Shanina B., Kolesnik S., Yanchuk I., Gromovoy Yu. Diamond like carbon films: electron spin resonance (ESR) and Raman spectroscopy // Diamond and Related Materials. - 2004. - Vol.13. - P. 1592-1602.

6. Valakh M., Konchits A., Shanina B., Kolesnik S., Yanchuk I., Carey D., Silva S.R.P. ESR and Raman characterization of ion implanted hydrogenated amorphous carbon films // Advances in Science and Technology. - Vol.39. - Faenza: Techna Srl. - 2003. - P. 115-121.

7. Оноприенко А.А., Артамонов В.В., Янчук И.Б. Электросопротивление нелегированных и легированных бором углеродных пленок, полученных магнетронным распылением // Тезисы докладов ІІІ Международной конференции “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. - С.-Петербург: Издательство СПБГПУ. - 2002. - С. 84.

8. Valakh M., Konchits A., Shanina B., Kolesnik S., Yanchuk I., Carey D., Silva S.R.P. ESR and Raman characterization of ion implanted hydrogenated amorphous carbon films // 10th International Ceramics Congress & 3rd Forum on New Materials. - Florence (Italy). - 2002. - SIV-2:P02.

9. Onoprienko A.A., Artamonov V.V., Yanchuk I.B. Effect of doping on the resistivity and microstructure of carbon films // Proc. of the International Conference „Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. - Vol.I. - Kyiv (Ukraine). - 2002. - Р. 270 - 271.

10. Онопрієнко О.О., Артамонов В.В., Янчук І.Б. Вплив легування атомами бору на структуру вуглецевих плівок // Матеріали VII Всеукраїнської наукової конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики”. - Київ. - 2002. - С. 164.

11. Yanchuk I.B., Valakh M.Ya., Smorgonskaya E.A., Danishevskii A.M., Gordeev S.K. Raman characterization of nanoporous carbon obtained from carbides by deep chemical etching // E-MRS Spring Meeting 2004. - Strasbourg (France). - 2004. - J-PI-15.