Углеродные алмазные и алмазоподобные пленки стали объектом пристального внимания многих исследователей и в России, и в других технологически развитых странах мира. Этот интерес обусловлен замечательными физико-механическими свойствами: высокой механической прочностью и сверхбольшой теплопроводностью.

Теплопроводность наиболее интересна — у алмазных пленок она превосходит теплопроводность серебра или меди, рекордсменов среди металлов по этому показателю: 2000 Вт/м•К против 500 ВТ/м•К.

Очевидно, для современной электроники хорошо было бы использовать для подложек распиленные алмазные кристаллы, но это проблематично: промышленности требуются подложки размером не менее 25 мм, а технические кристаллы, природные или синтезированные, имеют доступные размеры не более 15 мм. В то же время алмазоподобные пленки можно получать любых размеров, в том числе точно под нужды электроники: 25 мм, 57 мм, 75 мм, 125 мм.

Алмазоподобные углеродные тонкие пленки могут иметь широкое применение: это не только теплопроводящие подложки в электронных схемах, но и теплопроводящие слои в гетероструктурах. Выдающиеся теплопроводящие свойства алмазных и алмазоподобных пленок и объемных структур могут быть также использованы в различных технических устройствах, где требуется интенсивный отвод тепла от зоны тепловыделения. Кроме того, алмазные и алмазоподобные пленки могут быть использованы в устройствах прецизионной техники в качестве упрочняющих покрытий с низким коэффициентом трения и низким износом.

В Алтайском государственном университете разработан и освоен лазерный метод испарения углеродных мишеней и конденсация углерода на подложку в виде алмазоподобных пленок.

Структурное состояние углеродных пленок зависит от режима конденсации атомов углерода на подложку. Изменяя режим, можно управлять свойствами пленки. Известно, что лазерное испарение дает преимущественно sp3-связи в конденсированном углероде. (В обычном углероде четыре валентных электрона на внешнем уровне находятся на орбиталях двух разных форм: одной сферической и четырех гантелевидных; при sp3-гибридизации все орбитали приобретают одинаковую форму.)

Для получения углеродной пленки применялось прямое испарение графитовой мишени при воздействии лазерного излучения с длиной волны 1064 нм от неодимового лазера NTS300 с конденсацией углерода на аморфную подложку из силикатного стекла. Расфокусированный лазерный пучок вводился в вакуумную камеру вакуумной установки (остаточное давление не хуже 1•10–5 мм ртутного столба), где и располагались графитовые мишени и подложки из силикатного стекла. На графитовой мишени диаметром 5 мм и толщиной около 2 мм расфокусированный лазерный пучок создавал пятно диаметром около 3 мм. Поток испаренного углерода осаждался на подложки, формируя углеродную пленку. Получалась алмазоподобная углеродная пленка размером 75х26 мм2 (рис. 1).

Рис. 1. Алмазоподобная аморфная углеродная пленка, нанесенная на подложку из силикатного стекла, полученная лазерным испарением углеродной мишени. Радужные интерференционные полосы говорят о прозрачности пленки в оптическом диапазоне длин волн, свидетельствующих о толщине пленки около 300 нм  

Рис. 1. Алмазоподобная аморфная углеродная пленка, нанесенная на подложку из силикатного стекла, полученная лазерным испарением углеродной мишени. Радужные интерференционные полосы говорят о прозрачности пленки в оптическом диапазоне длин волн, свидетельствующих о толщине пленки около 300 нм


Структурное состояние пленки определено просвечивающей электронной микроскопией и спектрами комбинационного рассеяния. На рис. 2. приведено светлопольное изображение пленки и электронограмма.

Рис. 2. Структура тонкой алмазоподобной пленки (на вставке — электронограмма от этого участка пленки)  

Рис. 2. Структура тонкой алмазоподобной пленки (на вставке — электронограмма от этого участка пленки)


Электронная микроскопия и дифракция электронов позволяют однозначно трактовать структурное состояние углеродной пленки как алмазоподобная. Но сильно размытые рефлексы свидетельствуют о крайне малых размерах алмазных кластеров и сильном искажении межатомных расстояний. Согласно современным представлениям, такая электронограмма определяет структурное состояние углеродной пленки как аморфное, так называемый ta-C (tetrahedral amorphous carbon, тетраэдрический аморфный углерод). Расшифровка электронограмм показала, что кольца (дифракционные максимумы) соответствуют дифракции от плоскостей (111) и (220) решетки алмаза. Межплоскостные расстояния имеют значения d111=0,207 нм, d220=0,119 нм. Видно, что эти значения отличаются от табличных значений для монокристалла алмаза (d111=0,205 нм и d220=0,125 нм). В случае пленки межплоскостное расстояние d111 оказывается больше, а d220 — меньше, чем у монокристалла. Но такое искажение решетки характерно для алмазоподобных тонких пленок. А спектр комбинационного рассеяния позволяет судить о высокой доле sp3-связей (алмазных связей) в пленке.

Отсутствие рефлексов графитовой фазы, то есть отсутствие выраженных графитовых кластеров, позволяет предполагать, что гексагональные кольца заполняют промежутки между алмазными кластерами, выполняя роль связующих элементов. Такая структура однородна, и ее однородность обусловлена отсутствием границ раздела.


В ходе этих исследований получены следующие патенты Российской Федерации:

1) Плотников В.А., Ярцев В.И., Соломатин К.В. Способ получения наноалмазной пленки на стеклянной подложке. Патент РФ №2614330 от 24.03.2017;

2) Плотников В.А., Демьянов Б.Ф., Макаров С.В., Ярцев В.И. Способ получения алмазоподобных тонких пленок. Патент РФ № 2668246 от 27 09.2018.

3) Плотников В.А., Макаров С.В., Шуткин А.А., Макрушина А.Н., Зырянова А.И. Способ получения алмазных тонких пленок. Патент РФ № 2685665 от 22.04.2019.

Владимир Плотников

Похожие новости

  • 27/06/2018

    В АлтГУ разрабатывают физико-математическую модель качественного улучшения свойств материалов

    ​В 2018 году физико-технический факультет Алтайского государственного университета ведет набор абитуриентов по четырем направлениям обучения, среди которых особый интерес школьники проявляют к такому направлению подготовки, как "Информатика и вычислительная техника".
    460
  • 15/01/2019

    Алтайские и китайские ученые будут реализовывать проект по обнаружению воды и льда на внеземных объектах

    ​Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова выиграл конкурс на получение гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Государственного фонда естественных наук Китая на 2019–2020 гг.
    1000
  • 12/04/2019

    АлтГУ принимает участие в масштабном космическом эксперименте

    ​Опорный Алтайский государственный университет в составе консорциума «Роботизированный кластер малоразмерных космических аппаратов» примет участие в масштабном космическом эксперименте. В проведении космического эксперимента «Отработка технологии межспутниковых каналов связи и организации функционирования группы (роя) МКА», организуемого под эгидой Ракетно-космической корпорации «Энергия» им.
    311
  • 03/07/2018

    Алтайские ученые разрабатывают компьютерную программу для прогнозов развития тромбоэмболии

    ​Ученые Алтайского государственного университета (АлтГУ) разрабатывают уникальную компьютерную программу для раннего прогнозирования развития тромбоэмболии легочной артерии. Программу планируется распространять через социальные сети, сообщили в пресс-службе вуза.
    701
  • 05/03/2018

    ​Ученые ТГУ создали алгоритм для расчета фотофизических и люминесцентных характеристик молекул

    ​Ученые кафедры оптики и спектроскопии физического факультета ТГУ с коллегами из Швеции и Финляндии создали алгоритм для расчета фотофизических и люминесцентных характеристик молекул. Благодаря этому алгоритму можно вычислять оптические, люминесцентные (светимость, квантовый выход флуоресценции) свойства молекул и веществ с использованием высокоточных методов квантовой химии.
    1066
  • 16/09/2019

    Алтайские ученые вместе с итальянцами построили дом-лабораторию с метеостанцией

    В алтайском поселке Санниково ученые строительно-технологического факультета АлтГТУ, итальянского университета из города Тренто и строительной компании COGI возвели дом-лабораторию. Скоро в него заедут новоселы.
    173
  • 08/02/2019

    От биометрических технологий до соцсетей: 10 изобретений алтайских ученых

    ​8 февраля отмечается День российской науки. Праздник был учрежден указом президента России Бориса Ельцина в 1999 году, его приурочили ко дню основания Российской Академии наук и Академического университета.
    575
  • 14/11/2018

    Алтайские ученые запатентовали рецептуру пшеничного хлеба с добавлением гриба Чага

    Группа ученых Алтайского государственного технического университета имени Ивана Ползунова предлагает включать древесный гриб Чага (трутовик скошенный) в качестве добавки при производстве пшеничного хлеба.
    1519
  • 02/06/2017

    Алтайский госуниверситет встречает молодых ученых - участников Всероссийского конкурса СНО

    ​1 июня Алтайский государственный университет встречает участников III Всероссийского конкурса студенческих научных обществ и конструкторских бюро, в котором примут участие более 60 студенческих научных объединений со всей России.
    1865
  • 17/10/2019

    НГУ – 60 лет: все только начинается

    ​Новосибирскому государственному университету исполнилось 60 лет. Новосибирский государственный университет ориентирован на подготовку кадров для науки, образования и высокотехнологических отраслей промышленности, новейших междисциплинарных направлений науки.
    307