Образование графита в алмазоподобных тонких углеродных пленках

В.А. Плотников1, Б.Ф. Демьянов2, В.И. Ярцев3, К.В. Соломатин4
1Заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики, Алтайский государственный университет, 656049, Россия, Барнаул, пр. Ленина, 61
2Профессор кафедры общей и экспериментальной физики, Алтайский государственный университет, 656049, Россия, Барнаул, пр. Ленина, 61
3Аспирант Физико-технического факультета, Алтайский государственный университет, 656049, Россия, Барнаул, пр. Ленина, 61
4Доцент кафедры общей и экспериментальной физики, Алтайский государственный университет, 656049, Россия, Барнаул, пр. Ленина, 61
Аннотация
В работе методом высокоразрешающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей образования и структуры графитовой фазы, возникающей в тонкой аморфной алмазоподобной (ta-C) углеродной пленке. Для получения тонкой углеродной пленки использовался мощный неодимовый лазер NTS300 с длиной волны 1064 нм. Углерод осаждался на стеклянной подложке из силикатного стекла в процессе прямого испарения графитовой мишени. Исследование образования графитовой фазы в пленке проводилось методом высокоразрешающей электронной микроскопии, позволяющей использовать прямое наблюдение атомной структуры тонкой пленки. Электронографический анализ показал, что в локальных областях тонкой пленки происходит фазовый переход из аморфного алмазоподобного ta-C состояния в графит. Монокристаллы графита ориентированы так, что базисная гексагональная плоскость параллельна поверхности пленки. Это связано с тем, что связи sp3 метастабильны и могут быть неустойчивы, особенно на поверхности пленки. Поэтому переход sp3 связей в sp2 связи с образованием плоских комплексов с кольцевой структурой первоначально происходит на поверхности пленки. Рост зародыша графитового кристалла в ta-C матрице увеличивает напряжение и стабилизирует алмазное состояние. Поэтому образование графитовых фаз происходит преимущественно на краях пленки. Анализ электронограмм от кристаллов графита обнаружил зависимость значений межплоскостных расстояний от ориентации плоскостей относительно края пленки. Измерение значений межплоскостных расстояний показал сложный характер напряженного состояния решетки графита в тонкой пленке. Кроме напряжений типа растяжение-сжатие, присутствуют сдвиговые напряжения, приводящие к изменению значений углов между направлениями углеродных межатомных связей.
Получена: 09 января 2017   Исправлена: 10 февраля 2017   Принята: 30 мая 2017
Просмотры: 43   Загрузки: 14
Ссылки
1.
J. Robertson. Mater. Sci. Eng. R 37, 129 – 281 (2002).
2.
M. G. Beghi, A. C. Ferrari, K. B. K. Teo, J. Robertson, C. E. Bottani, A. Libassi, B. K. Tanner. Appl. Phys. Lett. 81, 3804 – 3806 (2002).
3.
P. Zhang, B. K. Tay, C. Q. Sun, S. P. Lau. J. Vac. Sci. Technol. A 20, 1390 – 1394 (2002).
4.
B. K. Tay, D. Sheeja, S. P. Lau, X. Shi, B. C. Seet, Y. C. Yeo. Surf. Coat. Technol. 130, 248 – 251 (2000).
5.
K. W. R. Gilkes, P. H. Gaskell, J. Robertson. Phys. Rev. B. 51, 12303 – 12312 (1995).
6.
Y. Lifshitz. Diamond Relat. Mater. 8, 1659 – 1676 (1999).
7.
S. Xu, B. K. Tay, H. S. Tan, L. Zhong, Y. Q. Tu, S. R. P. Silva, W. I. Milne. J. Appl. Phys. 79, 7234 – 7240 (1996).
8.
R. Maheswaran, S. Ramaswamy, D. J. Thiruvadigal, C. Gopalakrishnan.J. Non-Crystalline Solids. 357, 1710 – 1715 (2011).
9.
A. Sikora, F. Garrelie, C. Donnet, A. S. Loir, J. Fontaine, J. C. Sanchez-Lopez, T. C. Rojas. J. Appl. Phys. 108, 113516 (2010).
10.
D. S. Lisovenko, J. A. Baimova, L. Kh. Rysaeva, V. A. Gorodtsov, A. I. Rudskoy, S. V. Dmitriev. Physica status solidi (b). 253, 1295 – 1302 (2016).
11.
N. Dwivedi, S. Kumar, H. K. Malik. J. Appl. Phys. 112, 023518 (2012).
12.
S. V. Hainsworth, N. J. Uhure. International Materials Reviews, 52, 153 – 174 (2007).
13.
A. Sikora, P. Paolino, H. Ftouni, C. Guerret-Piécourt, J.‑L. Garden, A.‑S. Loir, F. Garrelie, C. Donnet, O. Bourgeois. Appl. Phys. Lett. 96, 162111 (2010).
14.
A. M. Asl, P. Kameli, M. Ranjbar, H. Salamati, M. Jannesari. Superlattices and Microstructures. 81, 64 – 79 (2015).
15.
D. He, S. Zheng, J. Pu, G. Zhang, L. Hu. Tribology International A. 82, 20 – 27 (2015).
16.
S. A. Hevia, F. Guzman-Olivos, I. Munoz, G. Munoz-Cordovez, S. Caballero-Bendixsen, H. M. Ruiz, M. Favre. Surf. Coat. Technol. 312, 55 – 60 (2017)
17.
K. Bewilogua, D. Hofmann. Surf. Coat. Technol. 242, 214 – 225 (2014).
18.
B. F. Dem’yanov, V. A. Plotnikov, V. I. Yartsev, C. V. Solomatin. BPMS. 12 (4), 437 – 443 (2016) (in Russian) [Б. Ф. Демьянов, В. А. Плотников, В. И. Ярцев, К. В. Соломатин. ФПСМ. 12 (4), 437 – 443 (2016)]
19.
Островский В. С., Виргильев Ю. С., Костиков В. И., Шипков Н. Н. Искусственный графит. М.: Металлургия, 1986, 272 с.
20.
Шулепов С. В. Физика углеграфитовых материалов. Челябинск: Металлургия. 1990. 336 с.
21.
J. Dong, D. A. Drabold. Phys. Rev. B. 57, 15591 – 15598 (1998).
22.
P. Kelires. J. Non-Crystal. Solids. 227 – 230, (1), 597 – 601 (1998).
23.
V. I. Yartsev, B. F. Dem’yanov, V. A. Plotnikov, S. V. Makarov, C. V. Solomatin. BPMS. 12 (4), 477 – 481 (2015) (in Russian) [В. И. Ярцев, Б. Ф. Демьянов, В. А. Плотников, С. В. Макаров, К. В. Соломатин. ФПСМ. 12 (4), 477 – 481 (2015)]
24.
J. P Sullivan, T. A. Friedmann, A. G. Baca. J. Electr. Mater. 26, 1021 – 1029 (1997).
25.
M. D. Starostenkov, I. V. Loshchina, B. F. Dem’yanov. BPMS. 2 (1), 62 – 67 (2005) (in Russian) [М. Д. Старостенков, И. В. Лощина, Б. Ф. Демьянов. ФПСМ. 2 (1), 62 – 67 (2005)]
26.
E. A. Belenkov, A. I. Sheinkman. Russian Physics Journal. 34 (10), 903 – 905 (1992) (in Russian) [Е. А. Беленков, А. И. Шейнкман. Известия вузов. Физика. № 10. С. 67 – 69. 1991]
27.
E. A. Belenkov, E. A. Karnaukhov. Physics of the Solid State. 41 (4), 672 – 675 (1999) (in Russian) [Е. А. Беленков, Е. А. Карнаухов. Физика твердого тела. 41 (4), 744 – 747 (1999)]
28.
X. Li, S. Xu, P. Ke, A. Wang. Surf. Coat. Technol. 258, 938 – 942 (2014).