Воздействие тепловой и СВЧ-обработки на свойства аморфных алмазоподобных пленок, полученных осаждением в плазме метана

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.

1. Jia, 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.

2. 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.

3. Hirono, S. Superhard conductive carbon nanocrystallite films. / S. Hirono, S. Umemura, M. Tomita //Applied Physics Letters. – 2002. – Т. 80. – №. 3. – С. 425–427.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Patsalas, P. Optical properties of amorphous carbons and their applications and perspectives inphotonics / P. Patsalas // Thin Solid Films. – 2011. – V. 519. – P. 3990–3996.