Магнетронные углеродные структуры, полученные высокочастотным магнетронным распылением в среде аргона и азота

   Цель исследования. Создание и характеризация углеродных наноструктур методом высокочастотного магнетронного распыления из углеродной мишени в аргоне на подложке из кремния и в реактивной азотной среде, получаемых на буферном слое катализатора из Ni.

   Методы. Высокочастотное магнетронное распыление на подложку из кремния при изменениях управляющих параметров: мощности времени распыления и давления рабочего газа Ar и N. Исследования выполнялись методами рентгенофазового анализа, атомно-силовой и голографической микроскопии, комбинационного (рамановского) рассеяния света.

   Результаты. Методом комбинационного рассеяния света по линиям ID 1363 и IG 1564 см-1, а также ωРДМ 308 и 227 см–1 подтверждено формирование углеродных нанотрубок, включая одностенные. По атомно-силовым микроскопическим изображениям рассчитана фрактальная размерность нанопленок, которая указывала на их 3D. По данным рентгенофазового анализа магнетронных нанопленок определены размеры области когерентности, текстурированности, микродеформации и межплоскостные деформационные искажения.

   Заключение. В углеродных магнетронных нанопленках возникают деформации обоих знаков: как сжимающие (∆а < 0), так и растягивающие (∆a > 0). Углеродные магнетронные нанопленки представлены в том числе одностенными углеродными нанотрубками, хиральность которых в среде аргона (6, 6), а в реактивной смеси из азота и аргона на буферном слое из Ni (7, 7). Обнаружено, что в высокочастотном магнетронном режиме как в инертной, так и в реактивной средах происходит формирование карбида кремния.

1. Кульбачинский В. А. Наноструктурирование и создание нанокомпозитов – перспективное направление увеличения эффективности термоэлектриков // Российские нанотехнологии. 2019. Т. 14, № 7-8. С. 30–42. doi: 10.21517/1992-7223-2019-7-8-30-42

2. Shi X. L., Zou J., Chen Z. G. Advanced thermoelectric design: from materials and structures to devices // Chemical reviews. 2020. Vol. 120, no. 15. P. 7399–7515. doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00026

3. Эйдельман Е. Д.Термоэлектрический эффект и термоэлектрический генератор на основе углеродных наноструктур: достижения и перспективы // Успехи физических наук. 2021. Т. 191, № 6. С. 561–585. doi: 10.3367/UFNe.2020.06.038795

4. Влияние температуры на термоэлектрический эффект в композиционном материале на основе углеродных нанотрубок и полианилина / А. А. Третьяков, В. М. Капралова, В. В. Лобода, И. Ю. Сапурина, Н. Т. Сударь // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2022. Т. 15, № 3. С. 143–153. doi: 10.18721/JPM.15311

5. Hung N. T., Nugraha A. R. T., Saito R. Thermoelectric properties of carbon nanotubes // Energies. 2019. Vol. 12, no. 23. P. 4561. doi: 10.3390/en12234561

6. Structure and thermoelectric properties of bismuth telluride – Carbon conposites / B. Trawinski, B. Bochentyn, N. Gostkowska, M. Lapinski, T. Miruszewski, B. Kusz // Materials Research Bulletin. 2018. Vol. 99. P. 10–17. doi: 10.1016/j.materresbull.2017.10.043

7. Metal-ceramic composite Bi2Te3-Gd: thermoelectric properties / O. N. Ivanov, M. N. Yapryntsev, A. E. Vasil’ev, M. V. Zhezhu, V. V. Khovaylo // Glass and Ceramics. 2022. Vol. 79, no. 5-6. P. 180–184. doi: 10.1007/s10717-022-00480-7

8. Влияние углеродных нанотрубок на термоэлектрические свойства сплавов Гейслера p- и n-типа / E. M. Elsehly, A. El-Khouly, Mohamed Asran Hassan, А. П. Новицкий, Д. Ю. Карпенков, Д. С. Пашкова // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56, вып. 2. С. 164–168. doi: 10.21883/FTP.2022.02.51955.28

9. Калинин Ю. Е., Макагонов В. А., Ситников А. В. Термоэлектрические свойства тонкопленочных композитов // Физика твердого тела. 2015. Т. 57, № 10. С. 1904–1912.

10. Наноструктурированные особенности и свойства магнетронной пленочной термопары Ni+ NiCr / А. П. Кузьменко, П. В. Абакумов, А. И. Колпаков, А. Е. Кузько, В. Е. Лукашов, М. Т. Мьо, С. В. Тант, Д. Нау, А. И. Жакин, Ю. А. Неручев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 8, № 2. С. 147–156.

11. Growth, characterization, and application of vertically aligned carbon nanotubes using the RF-magnetron sputtering method / M. Aleksanyan, A. Sayunts, G. Shahkhatuni, Z. Simonyan, H. Kasparyan, D. Kopecký // ACS omega. 2023. Vol. 8, no. 23. P. 20949–20958. doi: 10.1021/acsomega.3c01705

12. Ali J. Addie, Raid A. Ismail, Mudhafar A. Mohammed. Amorphous carbon nitride dual-function anti-reflection coating for crystalline silicon solar cells // Scientific Reports. 2022. Vol. 12, no. 1. P. 9902. doi: 10.1038/s41598-022-14078-0

13. Магнетронные одно- и мультислойные нанопленки из Nb, C и Si / А. П. Кузьменко, Тант Син Вин, Мьо Мин Тан, Нау Динт // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 9, № 4. С. 30–52.

14. Defect characterization in graphene and carbon nanotubes using Raman spectroscopy / M. S. Dresselhaus, A. Jorio, A. G. Souza Filho, R. Saito // Philosophical transactions of the royal society A: Mathematical, physical and engineering sciences. 2010. Vol. 368, no. 1932. P. 5355–5377. doi: 10.1098/rsta.2010.0213

15. Влияние электрических полей на процессы самоорганизации в ультрадисперсном растворе многостенных углеродных нанотрубок / А. П. Кузьменко, Тет Пьо Наинг, А. Е. Кузько, Мьо Мин Тан // Журнал технической физики. 2020. Т. 90. №. 2. С. 268–277. doi: 10.21883/JTF.2020.02.48821.2009

16. Guillen C., Herrero J. Influence of acceptor defects on the structural, optical and electrical properties of sputtered NiO thin films // Physica status solidi (a). 2021. Vol. 218, no. 16. P. 2100237. doi: 10.1002/pssa.202100237

17. Radial breathing mode of single-walled carbon nanotubes: Optical transition energies and chiral-index assignment / J. Maultzsch, H. Telg, S. Reich, C. Thomsen // Physical Review B. 2005. Vol. 72, no. 20. P. 205438. doi: 10.1103/PhysRevB.72.205438

18. Superior carbon nanotube stability by molecular filling: a single-chirality study at extreme pressures / C. Bousige, A. Stolz, S. D. Silva-Santos, Jingming Shi, M. Marques, E. Flahaut, M. Monthioux, A. San-Miguel // Carbon. 2021. Vol. 183, no. 884–892. doi: 10.1016/j.carbon.2021.07.068

19. Analyzing the Raman spectra of graphenic carbon materials from kerogens to nanotubes: what type of information can be extracted from defect bands? / P. Puech, M. Kandara, G. Paredes, L. Moulin, E. Weiss-Hortala, A. Kundu, N. Ratel, Plewa, Pellenq, M. Monthioux // Journal of Carbon Research. 2019. Vol. 5, no. 4. P. 69. doi: 10.3390/c5040069

20. Колпаков А. И., Кузьменко А. П. Характеризация углеродных нанопленок при высокочастотном магнетронном распылении // Физика и технология перспективных материалов – 2023 : сборник трудов Международной конференции. Уфа: Уфимский ун-т науки и технологий, 2023. C. 172–174.

21. Trimetallic catalyst synthesized multi-walled carbon nanotubes and their application for hydrogen storage / Sami Ullah Rather // Korean Journal of Chemical Engineering. 2016. Vol. 33. P. 1551–1556. doi: 10.1007/s11814-015-0271-z

22. Structural characterization of SiC nanoparticles / Baoxing Sun, Ruobing Xie, Cun Yu, Cheng Li, Hongjie Xu // Journal of Semiconductors. 2017. Vol. 38, no. 10. P. 103002. URL: https://www.researchgate.net/publication/320847347_Structural_characterization_of_SiC_nanoparticles

23. Effect of heat treatment on mechanical property of amorphous carbon films by magnetron sputtering / Li Yang, Yuan Chen, Zhenzhen Xu, Natuski Toshiaki, Yusong Xi, Qingqing Ni // Diamond and Related Materials. 2022. Vol. 129. P. 109328. doi: 10.1016/j.diamond.2022.109328

24. Кристаллизация и формирование карбида кремния в двухслойных аморфных пленках кремний-углерод при электронном облучении / А. И. Сидоров, Е. Я. Лекс, О. А. Подсвиров, А. Ю. Виноградов // Журнал технической физики. 2022. Т. 92, № 11. С. 1705–1710. doi: 10.21883/JTF.2022.11.53444.180-22

25. Warren B. E. X-Ray diffraction in random layer lattices // Physical review. 1941. Vol. 59. P. 693–698. doi: 10.1103/PhysRev.59.693

26. Effect of annealing temperature and thickness of magnetron sputtered Ni/Ti film on its microstructure and nanoindentation behavior / Sudhansu Patro, Kuldeep Kumar Saxena, Ajit Behera // Metal Science and Heat Treatment. 2023. Vol. 65. no. 3-4. P. 167–172. doi: 10.1007/s11041-023-00909-y