Механізми формування структури та властивостей тонких плівок на основі аморфного вуглецю, які одержують магнетронним методом

Abstract

Онопрієнко О. О. Механізми формування структури та властивостей тонких плівок на основі аморфного вуглецю, які одержують магнетронним методом. – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 2016 р. Дисертаційна робота присвячена експериментальному вивченню механізмів формування та еволюції структури та властивостей при конденсації та відпалі тонких вуглецевих плівок, одержаних магнетронним методом. Встановлено, що осадження при температурі підкладки в інтервалі 20-400 оС приводить до формування аморфних (а-С) плівок. Мікроструктуру таких плівок формують кластери малого (1-2 нм) розміру, які складаються із неупорядковано розташованих та викривлених кілець типу ароматичних Із підвищенням температури осадження в цьому інтервалі в плівках формується все більше правильних 6-атомних кілець, які розташовуються в кластерах із більшим ступенем упорядкування. При підвищенні температури конденсації вище 500 оС на підкладці одразу осаджуються плівки, які складаються із нанокристалів графіту. Відпал в інтервалі 50-650оС а-С плівок, осаджених при низькій температурі, не змінює в цілому структуру плівок, а вище 650оС в структурі плівок утворюються графітоподібні фрагменти. Твердість та пружній модуль а-С плівок знижуються із підвищенням температури конденсації, але не змінюються із температурою відпалу в інтервалі 50-650оС. Легування а-С плівок бором і кремнієм не змінює, в цілому, механізм формування їх структури, але призводить до уповільнення процесу перетворення кластерів в графітоподібні внаслідок додаткового викривлення кілець через те, що атоми бору та кремнію заміщують атоми вуглецю в кільцях. Порівняння електрохімічної поведінки різних металів, алмазних плівок, легованих бором, та одержаних в дисертаційній роботі а-С:В плівок в реакції окислення-відновлення в розчині Fe(CN)6 3-/4- показало, що а-С:В плівки є перспективними для використання в електрохімічній промисловості в якості електродів. При осадженні на підкладки при низькій температурі а-С плівок, що містять метали (Cu, Ag), атоми металу не порушують аморфну структуру плівок. Відпал в вакуумі таких плівок або осадження при високій (600 oC) температурі приводить до виділенні атомів металу в частинки як на поверхні плівок, та і в їх об'ємі. В ансамблях частинок на поверхні плівок розвивається процес коалесценції по механізму поверхневої гетеродифузії (для частинок Cu) або змішаному механізму поверхневої гетеродифузії та злиття малих частинок внаслідок їх переміщення як цілого по поверхні плівок та зіткнення.

Onoprienko A. A. Mechanisms of structure and properties formation of thin amorphous carbon based films prepared by magnetron sputtering. – Manuscript. Thesis for the degree of Doctor of Sciences in Physics and Mathematics; speciality 01.04.07 – solid state physics. – Frantsevich Institute for Problems of Materials Science NAS of Ukraine, Kiev, 2016. The work presents the results of experimental study of the mechanisms that govern the processes of structure and properties formation upon condensation and annealing in carbon films deposited by magnetron sputtering. The microstructure of films deposited at near room temperature is formed by small size (1-2 nm) clusters consisted of chaotically arranged and distorted rings of aromatic type. With increasing the condensation temperature in the range 20-400 oC more regular 6-atom rings form in the films, which are arranged more ordered. An increase in substrate temperature upon condensation above 500 oC results in change in the film formation mechanism, and the nanocrystalline graphite films deposit onto substrate. Annealing in the temperature range 50-650 oC of a-C films deposited at low substrate temperature doesn’t change in whole the film structure, whereas above 650 оС the graphite-like fragments form in the film structure. The hardness and elastic modulus of films decrease with increasing substrate temperature upon deposition, and don’t change with annealing temperature in the range of 50-650 С. Doping of a-C films with boron and silicon doesn’t change in whole the mechanism of structure formation but slows down the process of transformation clusters into graphite-like ones in the deposition temperature range 20-400 С because of additional distortion of rings by incorporated boron and silicon atoms into them. Comparison of electrochemical behavior in the salt solution of different metals and boron-doped diamond films with the а-С:В films obtained in present work have shown that the latter are prospective for application as electrodes in electrochemical industry. When depositing metal-doped (Cu, Ag) films at low substrate temperature, the metal atoms are uniformly distributed within the carbon matrix and don’t disturb its quasi-amorphous structure. Annealing in a vacuum of such films or deposition of the films at high (600 oC) substrate temperature results in precipitation of metal atoms in particles both in the film volume and on its surface. The process of coalescence develops within the particle ensemble located on the film surface by the surface hetero diffusion mechanism (for Cu particles) or by the mixed mechanism of surface hetero diffusion and simultaneous fusion of fine particles as a result of their movement as a whole onto film surface (for Ag particles).