Публикации: Нанесение покрытий и модификация поверхности (рубрикатор)

Введение

Дизайн низкоразмерных материалов – разработка подходов, методов воздействия на структуру (инженерия дефектов субструктуры), фундаментальных основ создания компактных и (или) дискретных конденсатов с наноразмерными неоднородностями морфологии (индустрия наносистем). Фундамент успеха современного материаловедения - размерный эффект, делающий свойства низкоразмерных структур отличными от свойств объёмных материалов. Размерный эффект изменяет энергетический спектр электронной системы и большинство физических свойств тонкопленочных материалов. В современных и перспективных проектах материаловедения (нано-, микро-, оптоэлектроника) ведущую роль играют тонкопленочные структуры - двумерные объекты (гетероструктуры, мультислои, сверхрешётки), а также одно- и нуль-мерные (квантовые нити и точки). Фундаментальная проблема материаловедения - стабилизация физико-химических свойств нанообъектов. Недостаток информации о законах морфологического развития и структурирования нанодисперсных покрытий сдерживает применение многокомпонентных слоев, для производства изделий в тонкопленочном исполнении. Актуальность исследования закономерностей наноструктурирования при ассистирующем ионно-плазменном воздействии при конденсации, обусловлена потребностями фундаментальной науки и реальной перспективой создания нового класса материалов с улучшенными или принципиально новыми свойствами.

Инженерия субструктуры ионно-плазменных конденсатов

Технология создания высокой удельной поверхности (открытая макро и микропористость) вакуумных конденсатов за счет столбчатого характера получает дополнительные возможности с формированием наноструктурных элементов второй фазы; сущность изобретения[1,2] заключается в том, что в состав покрытия входит углерод в виде наночастиц (фуллерены и нанотрубки). Композиционное (оксид алюминия – углерод) покрытие с высокой открытой пористостью нанесено на алюминиевые фольги методом ВЧ-магнетронного распыления.

Дисперсные включения (нанокристаллы графита) распределены в дисперсной среде (матрица углерода) см. рис. 1 а, б. Развитая поверхность проводящей фазы – наноструктуры (углеродные нанотрубки и наноленты (рис. 1в)) в пористой матрице оксида Al. Т. е. развитие эффективной поверхности ионно-плазменного конденсата происходит за счет наноструктурированного распределения графита в аморфной матрице.

Синтез сложного соединения реализован [3] последовательной конденсацией двухкомпонентных слоев (Cu-Se и In-Se). Два технологических подхода (термическое испарение и магнетронное распыление) формируют ориентированные слои CuInSe₂, которые идентичны по фазовому составу и ориентации кристаллитов, но субструктура ионно-плазменного конденсата (сравни рис. 2 в, г), характеризуется большей дисперсностью, дефектностью и размытием текстуры. Увеличение дисперсности и дефектности конденсатов – эффект плазмы(результат бомбардировки растущего слоя электронами плазмы).

Чувствительность структуры и фазового состава пленок гидроксиапатита (ГА) к воздействию плазменного разряда обнаружена [4-6] когда над зоной эрозии мишени были синтезированы однофазные пленки нанокристаллического гидроксиапатита со стехиометрией Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ и компактной структурой, а за пределами зоны эрозии - аморфно-нанокристаллические и аморфные пленки, которые в результате различного энергетического воздействия (отжиг, воздействия электронным пучком, импульсного облучения некогерентным ЭМИ формируют нанокрикристаллы ГА.

Прямое разрешение атомных плоскостей нанокристаллитов (рис. 3) демонстрирует предельные размеры (~ 20нм) кристаллитов ГА, как в латеральном, так и в нормальном направлениях роста слоя.

ВЧ магнетронным распылением монокристаллической пластины ниобата лития на поверхностях кремния и фторфлогопита синтезированы пленочные слои, дисперсность и морфология которых, также зависит от геометрии расположения подложки относительно зоны эрозии мишени [7]. Над зоной эрозии формируются однофазные поликристаллические пленки ниобата лития с двухосной и одноосной текстурой соответственно на поверхностях фтофлогопита и окисленного кремния (рис. 4).

Слоистый характер роста наиболее свойственен пленкам с двухосной текстурой, а интенсивное развитие рельефа за счет селективного роста – одноосной.

Ионно-плазменные конденсаты Pd-ат.8%Y на поверхностях разной пористости (от прессованных из порошков соответственно микронного и субмикронного размера до монокристаллических) формируют разную толщину слоя Pd-Y (от 2 до 6мкм), объясняется конденсационно-стимулированной поверхностной диффузией атомов конденсата в пористые подложки. Заполнение пор и насыщение приповерхностного слоя пористой подложки конденсируемым материалом происходит на глубину в несколько микрометров. Происходит модификация поверхностного слоя - пористая матрица подложки насыщается материалом конденсата, который формирует нанокристаллическую структуру (рис.5).

Это открывает принципиальную возможность модификации развитой поверхности, закрытия пор и микротрещин подложки нанесением соответствующей толщины слоев ионно-плазменных конденсатов (сплавов на основе палладия). Плазменное ассистирование обеспечивает резкое увеличение подвижности адатомов на подложках с высокой удельной поверхностью (открытой пористостью). Замеченный эффект – основа инженерии нанокристаллических селективных фильтрующих мембран на пористых подложках.

Эффекты ионно-плазменного ассистирования

В несбалансированных магнетронных распылительных системах отклонение от аксиальной симметрии рабочих полей (электрическое, магнитное) создает условия для бомбардировки растущего слоя электронами либо ионами плазмы. Ионный пучок инициирует конденсацию плотных, высокотвердых и износостойких покрытий на основе оксидов, нитридов, карбидов и других соединений с высокой адгезией на межфазных границах. Функциональные свойства покрытия достигаются созданием градиентной структуры ионно-плазменного конденсата. Электронный пучок инициирует диффузию, синтез, фазовые превращения, эпитаксиальный рост, увеличение дисперсности, порообразование, развитие рельефа.

Ионно-плазменное ассистирование инициирует формирование структуры с рекордно малыми размерами кристаллитов и их границ в сравнении с другими методами создания наноструктурных материалов. К размерным эффектам следует отнести формирование аморфных нанослоев и монокристаллических вискеров в композиционных конденсатах. В ионно-плазменных конденсатах, наносимых при невысоких Тп и высокой плотности плазмы выделение второй фазы сопровождается расслоением пленки по вертикали (столбчатый рост); с увеличением Тп и снижением плотности плазмы происходит слоевой рост. Электронная бомбардировка препятствует слоевому росту пленки. Эффект плазмы через ослабление межфазного взаимодействия пленка-подложка в результате бомбардировки электронами проявляется в реализации дополнительных двухосных текстур, многоориентационного зарождения при выделении второй фазы и, как следствие, увеличении дисперсности пленки.

Для обозначения главных закономерностей ионно-плазменного ассистирования достаточно представить последовательность элементарных процессов в системе плазма-конденсат, которые проходят по схеме: 1) Электронная и ионная бомбардировка, ионизация, некогерентное ЭМИ; 2) Уменьшение порога дефектообразования; 3)Генерация вакансий и междоузельных атомов; 4) Наноструктурирование дискретных и компактных конденсатов.

В ближайшее время ожидается расширение спектра сложных ионно-плазменных покрытий и градиентных структур с наноструктурными элементами: кластеры, нанотрубки, фуллерены, квантовые нити и точки. Показана принципиальная возможность селективного заполнения нанопор металлами и их кластерный характер в треках тяжелых ионов [8], автоэмиссионные свойства углеродных нанотрубок и SiC вискеров, синтезированных с использованием частиц Ni, осажденных в ионных треках SiO₂ [9].

Список использованных источников

1. Иевлев В.М., Белоногов Е.К. и др. Патент № 2123738, Н 01 С 9/00, 9/04, (1997)
2. Иевлев В.М., Тураева Т.Л., Белоногов Е.К. и др. ФХОМ, 1, 104, (1998)
3. Иевлев ВМ, Белоногов Е.К., Харин А.Н. Неорганические материалы, 41, 1, 15, (2005)
4. Баринов С.М., Белоногов Е.К. и др. ДАН, 412, 3, 347, (2007).
5. Иевлев В. М. и др., Конденсиров. среды и межфазные границы, 9, 3, 209, (2007)
6. Иевлев В.М. и др. Физика и химия стекла, 34, 798, (2008)
7. Иевлев В.М., Калинников В.Т., Белоногов Е.К., Костюченко А.В.
8. Демьянов С Е, Петров А В, Белоногов Е. К., Изв. РАН, сер. физ., 72, 9, 1262, (2008)
9. А.В. Окотруб и др., Российские нанотехнологии, 4, № 9 –10, (2009), www.nanoru.ru