vestvfuВестник Северо-Восточного федерального университета имени М. К. АммосоваVestnik of North-Eastern Federal University2222-54042587-5620Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова10.25587/SVFU.2022.50.47.004vestvfu-255Research ArticleФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИPHYSICAL SCIENCESВоздействие тепловой и СВЧ-обработки на свойства аморфных алмазоподобных пленок, полученных осаждением в плазме метанаThe effect of thermal and microwave treatments on the properties of amorphous dLC-films formed by deposition in CH4 plasmaПрокопьевА. Р.ProkopevA. R.

Прокопьев Айсен Русланович – вед. инженер департамента цифровых технологий, ст. преподаватель кафедры радиофизики и электронных систем

г. Якутск

Prokopev Aisen Ruslanovich –head engineer, department of IT, senior lecturer of the Department of Radiophysics and Electronic Systems

Yakutsk

aisenprokopiev@mail.ruНеустроевЕ. П.NeustroevE. P.

Неустроев Ефим Петрович – к.ф-м.н., доцент кафедры радиофизики и электронных систем ФТИ

г. Якутск

Neustroev Efim Petrovich – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Radiophysics and Electronic Systems of the Institute of Physics and Technology

Yakutsk

neustr@mail.ruСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal UniversityRussian Federation202228062022024146Copyright © Прокопьев А.Р., Неустроев Е.П., 20222022Прокопьев А.Р., Неустроев Е.П.Prokopev A.R., Neustroev E.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestvfu.elpub.ru/jour/article/view/255

Благодаря открытию возможности синтеза двумерных материалов, таких как графен, интерес к углеродным пленкам значительно возрос в последние декады. Немаловажным фактором практического использования углеродных пленок является масштабируемость производства. Природные углеродные структуры, такие как алмаз и графит, нашли широкое применение в различных областях сферы деятельности человечества. Популярность этих материалов обусловлена уникальностью связей атомов углерода, находящихся в состояниях с sp2- (графит) и sp3-гибридизацией (алмаз). Возможность управления отношением долей атомов углерода, находящихся в состоянии spn-гибридизации, способствует получению материалов с контролируемыми свойствами. Хотя существующие методы плазменного осаждения (PECVD) позволяют контролировать рост пленочных структур, все еще остается актуальным вопрос разработки быстрой, дешевой и экологически безопасной техники для синтеза. В работе были исследованы углеродные пленки, сформированные на кремниевых подложках методом двухэтапного последовательного процесса. На первом этапе были получены аморфные углеродные пленки методом осаждения атомов углерода в плазме метана. На втором этапе часть образцов была подвергнута термообработке при температуре 700 оС в течение 30 мин. Другая часть была облучена СВЧ-волнами частотой 2,45 ГГц в течение 5 мин. Для сравнительного анализа синтезированных пленок были проведены измерения спектров комбинационного рассеяния света, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и вольтамперных характеристик. Из результатов измерений спектров КРС следует, что сформированные пленки представляют собой нанокристаллическую углеродную структуру с латеральными размерами от 5 до 10 нм. Причем в углеродных пленках, подвергнутых воздействию микроволн, отмечается высокое содержание остаточного гидрогенизированного аморфного углерода (a-C:H) и более высокое отношение С/О. Исследования влияния освещения галогеновой лампой на вольтамперные характеристики показали, что слоевое сопротивление пленок, облученных СВЧ-волнами уменьшается в 3–4 раза, в то время как в термообработанных образцах сопротивление изменяется только до 10%. В то же время, по абсолютному значению, фототоки для обоих видов образцов имеют одинаковый порядок.

Due to the discovery of the possibility of synthesizing two-dimensional (2D) materials such as graphene, interest in carbon films has increased significantly in recent decades. An important factor in the practical use of carbon films is the scalability of production. Natural carbon structures, such as diamond and graphite, have found wide application in various fields of human activity. The popularity of these materials is due to the uniqueness of the bonds of carbon atoms in the states with sp2- (graphite) and sp3-hybridization (diamond). The ability to control the ratio of the proportions of carbon atoms in the state of spn hybridization contributes to the production of materials with controlled properties. Although existing methods of PECVD make it possible to control the growth of film structures, the development of a fast, cheap, and eco-friendly technique for synthesis still remains a topical issue. Hence, in this work, the carbon films formed on silicon substrates by a two-step process were studied. The carbon atoms were deposited by the deposition in methane plasma at the first stage. At the second stage, some of the samples annealed at a temperature of 700°C for 30 minutes. The other samples were irradiated with microwave radiation at a frequency of 2.45 GHz for 5 minutes. The methods of Raman, X-ray energy-dispersive spectroscopies, and current-voltage (C-V) characteristics for a comparative analysis of the synthesized films were measured. It follows from the results of measurements of the Raman spectra that the formed films are a nanocrystalline carbon structure with crystallite size (La) from 5 to 10 nm. Moreover, in carbon films exposed to microwaves, there is a high content of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) and a higher C/O ratio. The effect of illumination with a halogen lamp on the C-V characteristics showed that the sheet resistance of films irradiated with microwave waves decreases by a 3–4 order, while in annealed samples the resistance changes only up to 10%. At the same time, in absolute values, the photocurrents for both types of samples are of the same order.

плазма метанаосаждение углеродатонкие пленкиаморфный углеродкристаллизация термообработкой и СВЧ-волнамиалмаз-графитовая структураграфеновые доменыспектры комбинационного рассеяния светавольтамперная характеристикафототокmethane plasmacarbon depositionthin filmsamorphous carboncrystallization by annealingcrystallization by microwave radiationdiamond-graphite structuregraphene domainsRaman spectrumC-V characteristicsphotocurrentРабота была выполнена при поддержке гранта РФФИ «Аспиранты» 19-32-90133 и гранта Главы РС(Я) для молодых ученых, специалистов и студентов, проект “Получение углеродсодержащих пленочных покрытий, осажденных на различные поверхности в плазме метана”.The study was carried out with the support of the Grant from RFBR “Graduate Students” 19-32-90133 and the Grant of the Head of the Republic of Sakha (Yakutia) for young scientists, specialists and students, the project “Process of Generation of Carbon-containing Film Coatings Deposited on Various Surfaces in Methane Plasma.”ReferencesJia, K. Toward the commercialization of chemical vapor deposition graphene films / K. Jia, J. Zhang, Y. Zhu //Applied Physics Reviews. – 2021. – Т. 8. – №. 4. – С. 041306.Jia, K. Toward the commercialization of chemical vapor deposition graphene films / K. Jia, J. Zhang, Y. Zhu //Applied Physics Reviews. – 2021. – T. 8. – №. 4. – S. 041306.Яфаров, Р. К. Фазовые превращения и автоэмиссионные свойства алмазографитовых структурпри ионной имплантации азота / Р. К. Яфаров, А. В. Смирнов, А. Р. Яфаров // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2019. – №. 8. – С. 82–85.Yafarov, R. K. Fazovye prevrashcheniya i avtoemissionnye svojstva almazografitovyh struktur priionnoj implantacii azota / R. K. Yafarov, A. V. Smirnov, A. R. Yafarov // Poverhnost'. Rentgenovskie, sinhrotronnye i nejtronnye issledovaniya. – 2019. – №. 8. – S. 82–85.Hirono, S. Superhard conductive carbon nanocrystallite films. / S. Hirono, S. Umemura, M. Tomita //Applied Physics Letters. – 2002. – Т. 80. – №. 3. – С. 425–427.Hirono, S. Superhard conductive carbon nanocrystallite films. / S. Hirono, S. Umemura, M. Tomita //Applied Physics Letters. – 2002. – T. 80. – №. 3. – S. 425–427.Yamamoto, S. Relationship between tribological properties and sp3/sp2 structure of nitrogenated diamond-like carbon deposited by plasma CVD. / S. Yamamoto, A. Kawana, H. Ichimura // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Т. 210. – С. 1–9.Yamamoto, S. Relationship between tribological properties and sp3/sp2 structure of nitrogenated diamond-like carbon deposited by plasma CVD. / S. Yamamoto, A. Kawana, H. Ichimura // Surface and Coatings Technology. – 2012. – T. 210. – S. 1–9.Chu, P. K. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films. / R. K. Chu, L. Li //Materials Chemistry and Physics. – 2006. – V. 96. – P. 253–277.Chu, P. K. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films. / R. K. Chu, L. Li //Materials Chemistry and Physics. – 2006. – V. 96. – P. 253–277.Неустроев, Е. П. Оптоэлектронные свойства углеродных пленок, полученных методомосаждения в плазме СН4 и последующей термообработкой / Е. П. Неустроев, А. Р. Прокопьев // Вестник СВФУ. – 2021. – № 1 (81) – C. 34–42.Neustroev, E. P. Optoelektronnye svojstva uglerodnyh plenok, poluchennyh metodom osazhdeniya v plazme SN4 i posleduyushchej termoobrabotkoj / E. P. Neustroev, A. R. Prokop'ev // Vestnik SVFU. – 2021. – № 1 (81) – C. 34–42.Neustroev, E. P. Research of Properties of a Carbon Film Formed in Methane Plasma and theFollowing Annealing. / E. P. Neustroev, A. R. Prokopyev, S. O. Semenov // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. – 2021. – V. 1079. – No 4. – P. 042086.Neustroev, E. P. Research of Properties of a Carbon Film Formed in Methane Plasma and theFollowing Annealing. / E. P. Neustroev, A. R. Prokopyev, S. O. Semenov // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. – 2021. – V. 1079. – No 4. – P. 042086.Sheka, E. F. Graphene domain signature of Raman spectra of sp2 amorphous carbons / E. F. Sheka,Y. A. Golubev, N. A. Popova // Nanomaterials. – 2020. – V. 10. – No 10. – P. 2021.Sheka, E. F. Graphene domain signature of Raman spectra of sp2 amorphous carbons / E. F. Sheka,Y. A. Golubev, N. A. Popova // Nanomaterials. – 2020. – V. 10. – No 10. – P. 2021.Cançado, L. G. General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy / L. G. Cançado, K. Takai, T. Enoki // Appl. Phys. Lett. – 2006. – 88. – 163106.Cançado, L. G. General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy / L. G. Cançado, K. Takai, T. Enoki // Appl. Phys. Lett. – 2006. – 88. – 163106.Patsalas, P. Optical properties of amorphous carbons and their applications and perspectives inphotonics / P. Patsalas // Thin Solid Films. – 2011. – V. 519. – P. 3990–3996.Patsalas, P. Optical properties of amorphous carbons and their applications and perspectives inphotonics / P. Patsalas // Thin Solid Films. – 2011. – V. 519. – P. 3990–3996.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.