Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода

Исследовано влияние обработки сверхкритическим изопропанолом на оптические свойства пленок нитрида углерода, выращенных методом магнетронного распыления графитовой мишени на подложках из покровного стекла. Показано, что в результате обработки возросла прозрачность пленок, а также увеличилась ширина...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Изотов, А.И., Кильман, Г.В., Сироткин, В.В., Шалаев, Р.В., Прудников, А.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2017
Назва видання:	Физика и техника высоких давлений
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168135
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода / А.И. Изотов, Г.В. Кильман, В.В. Сироткин, Р.В. Шалаев, А.М. Прудников // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 22-26. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-168135
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1681352025-02-23T18:35:42Z Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода The effect of supercritical fluid treatment on the optical properties of carbon nitride films Изотов, А.И. Кильман, Г.В. Сироткин, В.В. Шалаев, Р.В. Прудников, А.М. Исследовано влияние обработки сверхкритическим изопропанолом на оптические свойства пленок нитрида углерода, выращенных методом магнетронного распыления графитовой мишени на подложках из покровного стекла. Показано, что в результате обработки возросла прозрачность пленок, а также увеличилась ширина оптической щели вследствие избирательного стравливания sp²-гибридизированного углерода. The effect of supercritical isopropanol treatment on the optical properties of carbon nitride films is studied. The films are grown by magnetron sputtering of a graphite target on cover glass substrates. As a result of treatment, the transparency of the films is increased as well as the width of the optical gap due to selective etching of the sp²-hybridized carbon. 2017 Article Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода / А.И. Изотов, Г.В. Кильман, В.В. Сироткин, Р.В. Шалаев, А.М. Прудников // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 22-26. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.15.Gh, 81.60.–j https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168135 ru Физика и техника высоких давлений application/pdf Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследовано влияние обработки сверхкритическим изопропанолом на оптические свойства пленок нитрида углерода, выращенных методом магнетронного распыления графитовой мишени на подложках из покровного стекла. Показано, что в результате обработки возросла прозрачность пленок, а также увеличилась ширина оптической щели вследствие избирательного стравливания sp²-гибридизированного углерода.
format	Article
author	Изотов, А.И. Кильман, Г.В. Сироткин, В.В. Шалаев, Р.В. Прудников, А.М.
spellingShingle	Изотов, А.И. Кильман, Г.В. Сироткин, В.В. Шалаев, Р.В. Прудников, А.М. Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода Физика и техника высоких давлений
author_facet	Изотов, А.И. Кильман, Г.В. Сироткин, В.В. Шалаев, Р.В. Прудников, А.М.
author_sort	Изотов, А.И.
title	Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода
title_short	Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода
title_full	Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода
title_fullStr	Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода
title_full_unstemmed	Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода
title_sort	влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2017
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168135
citation_txt	Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода / А.И. Изотов, Г.В. Кильман, В.В. Сироткин, Р.В. Шалаев, А.М. Прудников // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 22-26. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT izotovai vliânieobrabotkisverhkritičeskimflûidomnaoptičeskiesvojstvaplenoknitridaugleroda AT kilʹmangv vliânieobrabotkisverhkritičeskimflûidomnaoptičeskiesvojstvaplenoknitridaugleroda AT sirotkinvv vliânieobrabotkisverhkritičeskimflûidomnaoptičeskiesvojstvaplenoknitridaugleroda AT šalaevrv vliânieobrabotkisverhkritičeskimflûidomnaoptičeskiesvojstvaplenoknitridaugleroda AT prudnikovam vliânieobrabotkisverhkritičeskimflûidomnaoptičeskiesvojstvaplenoknitridaugleroda AT izotovai theeffectofsupercriticalfluidtreatmentontheopticalpropertiesofcarbonnitridefilms AT kilʹmangv theeffectofsupercriticalfluidtreatmentontheopticalpropertiesofcarbonnitridefilms AT sirotkinvv theeffectofsupercriticalfluidtreatmentontheopticalpropertiesofcarbonnitridefilms AT šalaevrv theeffectofsupercriticalfluidtreatmentontheopticalpropertiesofcarbonnitridefilms AT prudnikovam theeffectofsupercriticalfluidtreatmentontheopticalpropertiesofcarbonnitridefilms
first_indexed	2025-11-24T11:18:49Z
last_indexed	2025-11-24T11:18:49Z
_version_	1849670374278561792
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 © А.И. Изотов, Г.В. Кильман, В.В. Сироткин, Р.В. Шалаев, А.М. Прудников, 2017 PACS: 81.15.Gh, 81.60.–j А.И. Изотов, Г.В. Кильман, В.В. Сироткин, Р.В. Шалаев, А.М. Прудников ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИМ ФЛЮИДОМ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НИТРИДА УГЛЕРОДА Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина Статья поступила в редакцию 20 февраля 2017 года Исследовано влияние обработки сверхкритическим изопропанолом на оптические свойства пленок нитрида углерода, выращенных методом магнетронного распы- ления графитовой мишени на подложках из покровного стекла. Показано, что в результате обработки возросла прозрачность пленок, а также увеличилась шири- на оптической щели вследствие избирательного стравливания sp2-гибриди- зированного углерода. Ключевые слова: пленки нитрида углерода, сверхкритический флюид, ширина оптической щели Введение Сверхкритическим флюидом (СКФ) называют вещество, находящееся при температуре и давлении, превышающих критические значения. В кри- тической точке жидкая и газовая фазы становятся неразличимы. Многие фи- зические свойства СКФ (плотность, вязкость, скорость диффузии) являются промежуточными между свойствами газа и жидкости. Сегодня вещества в сверхкритическом состоянии используются для изменения характеристик традиционных материалов (полимеров, металлов и др.) и получения новых модифицированных материалов с уникальными свойствами [1,2]. Быстрое развитие СКФ-технологий обусловлено рядом особенностей, ко- торыми обладают сверхкритические среды. Во-первых, это их высокая рас- творяющая способность, очень чувствительная к изменению температуры и давления, что делает процесс полностью управляемым. Во-вторых, быстрый массоперенос, осуществляемый благодаря низкой вязкости и высокому коэффициенту диффузии, которые не свойственны жидкости в обычном со- стоянии. И, наконец, сочетание последних двух параметров с пренебрежимо малым межфазным натяжением, позволяющее СКФ сравнительно легко проникать в пористые среды. Целью настоящей работы являлось изучение влияния обработки сверх- критическим изопропанолом на свойства пленок нитрида углерода. Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 23 Спектр областей, в которых сегодня используются углеродные пленки, очень велик: микро- и наноэлектроника, биология, медицина и др. Материа- лы на основе углерода, имеющие одновременно высокую твердость, прово- димость и прозрачность, востребованы и могут применяться в промышлен- ности и в солнечной энергетике [3,4]. В связи с этим изучение структуры и свойств данных материалов (в частности, их оптических и электрических характеристик), а их модификация представляют практический интерес. Методика эксперимента Пленки CNx выращивали методом магнетронного распыления графитовой мишени в атмосфере азота на подложках из покровного стекла. Подложки предварительно очищали в смеси растворителей. Плазму создавали с помо- щью магнетрона планарной конструкции с плоским катодом и кольцевым анодом. Давление газа в камере составляло 150 mTorr. Время роста пленок не превышало 120 min. Температуру подложек варьировали от 19 до 60C. Полученные образцы обрабатывали в сверхкритическом изопропаноле при температуре 240C и давлении 55 atm в течение 20 min. Данная методика также изложена в статье [5]. Камера высокого давления для работы со сверхкритическим изопропано- лом (рис. 1) представляет собой автоклав, изготовленный из жаропрочной стали, в рабочий объем которого помещается стеклянная пробирка с подве- шенным образцом. Пробирка и рабочий объем камеры заполняются изо- пропанолом (его количество рассчитывается так же, как в работе [5]). На ав- токлав надет нагреватель с внешней теплоизоляцией. Измерение и регулировка температуры осуществляются контроллером температуры «Termotest-04/2» с диапазоном 0–1000C (погрешность ±1С). Давление контролируется манометром МТИ с диапазоном 0–250 kgf/cm 2 . Спектры пропускания пленок до и после обработки получены на спек- трофотометре Shimadzu UV-2450. Морфологию поверхности и химический состав образцов определяли методом сканирующей электронной микроско- пии (JSM-6490 LV). Толщину пленок оценивали с помощью интерференци- онного микроскопа МИИ-4. Основные результаты и их обсуждение В настоящей работе были исследованы пленки нитрида углерода, обла- дающие преимущественно графитоподобными свойствами. Они характери- зуются невысокой твердостью и слабой адгезионной способностью. Цвет образцов изменялся от серого до черного. Сканирующая электронная мик- роскопия (SEM) показала аморфную структуру пленок с характерными гло- булами на поверхности (рис. 2). Согласно кластерной модели структуры аморфного углерода, которая бы- ла развита Робертсоном [6], аморфные углеродные пленки состоят из двух встроенных друг в друга фаз: алмазо- и графитоподобной. Первая характе- ризуется sp 3 -гибридизацией атомов углерода с тетраэдрической структурой Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 24 Рис. 1. Внешний вид камеры сверхкритического флюида Рис. 2. SEM-изображение поверхности пленки до обработки СКФ и довольно большой (до 4–5 eV) запрещенной зоной. Графитоподобная фаза состоит из искаженных шестигранных колец и фрагментов графитовых плоскостей. Эта фаза характеризуется sp 2 -гибридизацией углерода, наличи- ем слабых π-связей, относительно высокой электропроводностью и запре- щенной зоной, которая невелика или вообще отсутствует (в зависимости от размеров кластера). Графитоподобные атомные кластеры распределены внутри алмазоподобной связанной матрицы. Исследованию был подвергнут образец № 600, полученный при темпера- туре подложки 49C и токе разряда магнетрона 40 mA в атмосфере чистого азота. Спектрометрия видимого диапазона показала, что у данной пленки достаточно высокий показатель поглощения в видимой области; ширина оп- тической щели Е04, которая была оценена по спектрам поглощения, состав- ляла ~ 1.7 eV. Толщина пленки, оцененная методом интерференционной микроскопии, равнялась ~ 3 μm. После обработки СКФ в течение 20 min картина существенно изменилась. На микрофотографиях поверхности образца после обработки видно частич- ное разрушение структуры пленки; микротрещины, а местами и отслаивание покрытия хорошо заметны уже при увеличении ×50 (см. рис. 3,а). Измере- а б Рис. 3. SEM-изображения поверхности пленки после обработки СКФ с увеличени- ем 50 (а) и 500 (б) Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 25 ния с помощью интерференционного микроскопа показали, что толщина пленки в результате обработки уменьшилась в среднем примерно на 0.5 μm. Спектры пропускания пленки до и после обработки показаны на рис. 4. В результате обработки прозрачность образца в целом увеличилась, хотя в ви- димой области это увеличение не слишком значительно. На спектре образца после обработки также хорошо заметно смещение края поглощения в сторо- ну более высоких энергий, что свидетельствует об увеличении ширины оп- тической щели рассматриваемого образца. Проведенная в дальнейшем оценка значения оптической щели Е04 по ве- личине энергии, при которой показатель поглощения образца α = 10 4 cm –1 (рис. 5), показала, что ширина оптической щели пленки действительно уве- личилась приблизительно на 15% (как уже было отмечено и как видно из рисунка, первоначально она составляла ~ 1.7 eV, а после обработки уве- личилась до 1.95 eV). Рис. 4. Спектры пропускания пленки № 600 до () и после (---) обработки СКФ: T – коэффициент пропускания, λ – длина волны излучения Рис. 5. Оценка ширины оптической щели пленки № 600 до () и после (---) обра- ботки СКФ: α – показатель поглощения; Е – энергия кванта; 04E , 04E – значения ширины оптической щели соответственно до и после обработки Выше сказано, что рассматриваемый материал представляет собой не- однородную метастабильную структуру, состоящую из двух различных фаз. Данная структура содержит в аморфной среде элементы, сформированные атомами C и N в sp 3 -гибридизированном состоянии, а также кластеры трех- координированных атомов C и N в sp 2 -состоянии [6]. От количества и со- отношения этих структурных составляющих в значительной мере зависят физические свойства получаемых пленочных покрытий [6,7]. В частности, на обратную зависимость между долей атомов с sp 2 -гибридизацией и шири- ной оптической щели указано в работе [8]. Учитывая это, можно сделать предположение, что увеличение ширины оптической щели образцов являет- ся результатом избирательного стравливания под влиянием сверхкритичес- кого изопропанола функциональных групп в sp 2 -состоянии. Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2 26 Заключение Предварительные исследования показывают эффективность использова- ния СКФ для обработки углеродных материалов. Обнаружено, что под воз- действием сверхкритического изопропанола структура пленок нитрида уг- лерода подвергается избирательному разрушению, предположительно в ре- зультате стравливания sp 2 -гибридизированного углерода, вследствие чего прозрачность и ширина оптической щели образцов увеличиваются. 1. Д.Ю. Залепугин, Н.А. Тилькунова, И.В. Чернышова, В.С. Поляков, Сверхкри- тические Флюиды: Теория и Практика 1, № 1, 27 (2006). 2. А.Б. Бекетова, Ж.М. Касенова, Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева №4, 249 (2012). 3. M. Sibinsski, M. Jakubowska, K. Znajdek, M. Sloma, B. Guzowski, Optica Applicata 41, 375 (2011). 4. H. Zhu, J. Wei, K. Wang, D. Wu, Solar Energy Materials & Solar Cells 93, 1461 (2009). 5. С.П. Губин, Е.Ю. Буслаева, Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика 4, № 4, 73 (2009). 6. J. Robertson, E.P. O’Reilly, Phys. Rev. B35, 2946 (1987). 7. Р.В. Шалаев, А.М. Прудников, В.Н. Варюхин, В.Н. Турка, А.А. Яковец, И.В. Жи- харев, Б.В. Беляев, В.А. Грицких, ФТВД 16, № 3, 88 (2006). 8. А.Я. Колпаков, И.В. Суджанская, М.Е. Галкина, И.Ю. Гончаров, А И. Поплавс- кий, С.С. Манохин, Российские нанотехнологии 6, № 3–4, 43 (2011). A.I. Izotov, G.V. Kilman, V.V. Sirotkin, R.V. Shalaev, A.M. Prudnikov THE EFFECT OF SUPERCRITICAL FLUID TREATMENT ON THE OPTICAL PROPERTIES OF CARBON NITRIDE FILMS The effect of supercritical isopropanol treatment on the optical properties of carbon nitride films is studied. The films are grown by magnetron sputtering of a graphite target on cover glass substrates. As a result of treatment, the transparency of the films is increased as well as the width of the optical gap due to selective etching of the sp2-hyb- ridized carbon. Keywords: carbon nitride films, supercritical fluid, width of optical gap Fig. 1. Supercritical fluid camera Fig. 2. SEM-image of the film surface before the SCF treatment Fig. 3. SEM-images of the film surface after the SCF treatment; with magnification ×50 (а) and ×500 (б) Fig. 4. The transmission spectra of film № 600 before () and after (---) the SCF treatment: Т is the transmittance, λ is the wavelength Fig. 5. Estimation of the optical gap width of film № 600 before () and after (---) the SCF treatment:  is the absorption coefficient; E is the quantum energy; 04E and 04E are the values of the optical gap before and after processing, respectively Введение Методика эксперимента Основные результаты и их обсуждение Заключение A.I. Izotov, G.V. Kilman, V.V. Sirotkin, R.V. Shalaev, A.M. Prudnikov

Влияние обработки сверхкритическим флюидом на оптические свойства пленок нитрида углерода

Репозитарії

Схожі ресурси