Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы
Исследованы состав и структура многокомпонентных плёнок, сформированных с помощью вакуумно-дугового источника с локализацией разряда
 вблизи рабочей поверхности катода, изготовленного из стандартных сплавов. При нанесении в прямом потоке в плёнках сохраняется табличный состав, плотность, эле...
Saved in:
| Published in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75951 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных
 многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы / Л.С. Осипов, Д.Ю. Полоцкий, С.А. Беспалов, М.С. Сницар, В.И. Невмержицкий// Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 1. — С. 73-80. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860266467628417024 |
|---|---|
| author | Осипов, Л.С. Полоцкий, Д.Ю. Беспалов, С.А. Сницар, М.С. Невмержицкий, В.И. |
| author_facet | Осипов, Л.С. Полоцкий, Д.Ю. Беспалов, С.А. Сницар, М.С. Невмержицкий, В.И. |
| citation_txt | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных
 многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы / Л.С. Осипов, Д.Ю. Полоцкий, С.А. Беспалов, М.С. Сницар, В.И. Невмержицкий// Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 1. — С. 73-80. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Исследованы состав и структура многокомпонентных плёнок, сформированных с помощью вакуумно-дугового источника с локализацией разряда
вблизи рабочей поверхности катода, изготовленного из стандартных сплавов. При нанесении в прямом потоке в плёнках сохраняется табличный состав, плотность, электропроводность и другие физико-технические характеристики материала катода.
Досліджено склад і структуру багатокомпонентних плівок, сформованих за
допомогою вакуумно-дугового джерела з локалізацією розряду поблизу робочої поверхні катоду, виготовленого зі стандартних стопів. При нанесенні у
прямому потоці в плівках зберігається табличний склад, густина, електропровідність та інші фізико-технічні характеристики матеріалу катоду.
Composition and structure of the multicomponent films are investigated in the
case when they are fabricated by the vacuum-arc source with the discharge located
near the working surface of the cathode made of the standard alloys. The
table composition, density, electric conductivity and other physical and technical
specifications of the cathode material are saved when the deposition occurs
in the direct flow.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:00:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
73
PACS numbers: 52.80.Pi, 68.35.Ct, 68.37.Ef, 68.37.Ps, 81.15.Gh, 82.80.Ms, 85.40.Sz
Ионно-плазменное
нанесение
наноструктурированных
многокомпонентных
покрытий
на
термолабильные
материалы
Л. С. Осипов, Д. Ю. Полоцкий, С. А. Беспалов, М. С. Сницар*,
В. И. Невмержицкий*
Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины,
бульв. Акад. Вернадского, 36,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
*Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт»,
просп. Победы, 37,
03056 Киев, Украина
Исследованы состав и структура многокомпонентных плёнок, сформиро-
ванных с помощью вакуумно-дугового источника с локализацией разряда
вблизи рабочей поверхности катода, изготовленного из стандартных спла-
вов. При нанесении в прямом потоке в плёнках сохраняется табличный со-
став, плотность, электропроводность и другие физико-технические харак-
теристики материала катода.
Досліджено склад і структуру багатокомпонентних плівок, сформованих за
допомогою вакуумно-дугового джерела з локалізацією розряду поблизу ро-
бочої поверхні катоду, виготовленого зі стандартних стопів. При нанесенні у
прямому потоці в плівках зберігається табличний склад, густина, електроп-
ровідність та інші фізико-технічні характеристики матеріалу катоду.
Composition and structure of the multicomponent films are investigated in the
case when they are fabricated by the vacuum-arc source with the discharge lo-
cated near the working surface of the cathode made of the standard alloys. The
table composition, density, electric conductivity and other physical and tech-
nical specifications of the cathode material are saved when the deposition oc-
curs in the direct flow.
Ключевые слова: нанотехнологии, вакуумно-технологическое оборудова-
ние, ионно-плазменный реактор, вакуумно-дуговой источник, геликонный
разряд, ВЧ-магнетронный разряд.
(Получено 29 ноября 2013 г.)
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2014, т. 12, № 1, сс. 73–80
2014 ІМÔ (Інститут металофізики
ім. Ã. В. Êурдюмова НАН Óкраїни)
Надруковано в Óкраїні.
Ôотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
74 Л. С. ОСИПОВ, Д. Ю. ПОЛОЦÊИЙ, С. А. БЕСПАЛОВ и др.
Многокомпонентные плёнки на сегодня являются одними из
наиболее востребованных функциональных покрытий, обеспечи-
вающих повышенные эксплуатационные характеристики изделий,
как из металлов, так и из пластмасс. Одним из наиболее дешёвых, а
поэтому претендующим на массовое применение, может быть ме-
тод, который позволяет сохранить в плёнке состав расходной ми-
шени, изготовленной из стандартного сплава, обладающего необхо-
димыми физико-техническими характеристиками.
Известные вакуумные методы нанесения плёнок и покрытий, та-
кие как термические, электронно-лучевые, вакуумно-дуговые ис-
парители и магнетронные распылительные системы, вызывают
фракционирование расходного материала и не обеспечивают сохра-
нение его состава в плёнке. В случае испарителей это связано с вре-
мяпролетными эффектами для компонент с разной массой, а для
магнетронных систем — обусловлено эффектом селективного рас-
пыления, при котором с большей скоростью распыляются лёгкие
компоненты мишени. В этой связи выполнены разработка и иссле-
дование гибридной разрядной геликонно-дуговой ионно-
плазменной системы многофункциональной установки (рис. 1). Она
предназначена для нанесения многослойных и многокомпонентных
каталитических слоёв, выращивания углеродных наноструктур, а
также для формирования покрытий с уникальными физико-
техническими характеристиками. [1, 2]. Отличительной особенно-
стью этой разрядной системы является то, что в ней воздействие на
подложку и массоперенос осуществляется заряженной компонент-
ной плазмы с широким диапазоном регулировки энергетических
характеристик (плотности потока и энергии ионов в потоке) и про-
странственного распределения параметров. В результате открыва-
ется возможность эффективного управления технологическими
процессами. Ôормирование плёнки за счёт массопереноса преиму-
щественно в виде заряженной компоненты в ускоренном потоке
Рис. 1. Ãибридная геликонно-дуговая ионно-плазменная система.
ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОÊРЫТИЙ НА МАТЕРИАЛЫ 75
плазмы материала расходного электрода магнитоактивированного
вакуумно-дугового источника создаёт предпосылки для достиже-
ния требуемого результата.
Для обеспечения адгезии плёнок к металлическим или пластмас-
совым подложкам последние предварительно обрабатывались в
плазме геликонного источника, входящего в состав гибридной ге-
ликонно-дуговой ионно-плазменной разрядной системы и работа-
ющего в режиме вторичного разряда [3]. При этом плотность тока
ионов аргона в потоке плазмы составляла порядка 10 мА/см2.
Эксперименты выполнялись с катодами, изготовленными из ла-
туни, бронзы, нихрома, хромоникелевой нержавеющей стали и из
сплавов алюминия. Измерения плотности и электропроводности
плёнок дали значения, соответствующие табличным данным для
объёмного переплавленного материала. Химический и спектраль-
ный анализы показали, что также и состав многокомпонентных
плёнок соответствует материалу расходного электрода. Для объяс-
нения этих обстоятельств были выполнены детальные исследова-
ния состава и структуры многокомпонентных плёнок, сформиро-
Рис. 2. Масс-спектр монолита катода.
76 Л. С. ОСИПОВ, Д. Ю. ПОЛОЦÊИЙ, С. А. БЕСПАЛОВ и др.
ванных в различных условиях.
Исследования состава плёнок нихрома методом времяпролетной
масс-спектрометрии с лазерным источником ионов, результаты ко-
торых приведены на рис. 2, 3, подтвердили, что плёнки, сформиро-
ванные с помощью магнитоактивированного вакуумно-дугового ис-
точника, имеют тот же состав, что и материал катода источника.
Процентное соотношение компонент по спектру определяется по
отношению площадей спектральных кривых, нормированному на
атомные веса компонент. Плёнки нихрома наносились в тех же ре-
жимах, в которых формировались нанокластеры железа для после-
дующего выращивания углеродных наноструктур [4]. При этом
определяющим фактором наноструктурирования плёнок являлся
массоперенос в виде ионной компоненты с энергией ионов в диапа-
зоне 10–200 эВ. То есть формирование плёнок происходило в прин-
ципиально неравновесных условиях. А диапазон размеров нанооб-
разований в плоскости и по высоте определялся, главным образом,
энергией ионов в потоке плазмы материала покрытия и изменялся в
пределах от единиц до десятков нанометров.
Рис. 3. Масс-спектр плёнки нихрома в прямом потоке.
ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОÊРЫТИЙ НА МАТЕРИАЛЫ 77
Ôормирование наносимых плёнок на субатомном уровне как раз
и определяет их характеристики, соответствующие табличным
значениям объёмного материала. Характерный пример структуры
Рис. 4. Структура поверхности плёнки нихрома при потенциале подложки
–15 В.
Рис. 5. Масс-спектр плёнки нихрома, нанесённой в повёрнутом потоке.
78 Л. С. ОСИПОВ, Д. Ю. ПОЛОЦÊИЙ, С. А. БЕСПАЛОВ и др.
поверхности плёнки нихрома, исследованной с помощью атомного
силового микроскопа, приведён на рис. 4.
Следует отметить, что, как видно из данных рис. 5, при нанесе-
нии плёнки нихрома плазменным потоком, повёрнутым с помощью
магнитного поля на 45 градусов, происходит обеднение плёнки бо-
лее тяжёлой компонентой, то есть никелем.
Исследования с помощью времяпролетной масс-спектрометрии и
рентгеноспектрального анализа подтвердили, что и при нанесении
плёнок хромоникелевой нержавеющей стали их состав также вос-
производит материал расходного электрода. Но при этом в структу-
ре плёнок проявляются некоторые особенности. При толщинах
плёнки до 1–2 мкм её шероховатость воспроизводит состояние по-
верхности подложки (рис. 6, б), в том числе и при нанесении на по-
лированную подложку монокристаллического кремния. Однако
при формировании плёнок нержавеющей стали толщиной более 4–
5 мкм их шероховатость, как видно из данных рис. 6, а, возрастает
до значений Ra порядка 0,5 мкм, даже для зеркально полирован-
ных подложек с шероховатостью Ra меньше 0,05 мкм.
Такое поведение шероховатости плёнки при увеличении её тол-
щины не является универсальным. Например, при формировании с
помощью использованного вакуумно-дугового источника плёнок
нитрида алюминия на стекле они имеют прозрачность более 85% в
а
б
Рис. 6. Шероховатость (мкм) поверхности плёнок нержавеющей стали при
толщине плёнки более 4 мкм (а) и меньше 2 мкм (б) при шероховатости
подложки Ra0,04 мкм.
ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОÊРЫТИЙ НА МАТЕРИАЛЫ 79
видимом диапазоне длин волн вплоть до толщины 200 мкм.
Изучение структуры плёнок хромоникелевой нержавеющей ста-
ли с помощью сканирующего туннельного микроскопа показало,
что, несмотря на высокую интегральную шероховатость, регистри-
руемую микропрофилометром, поверхность толстых плёнок (с
толщиной более 4 мкм) имеет тонкую структуру. При этом, как
видно из СТМ-фотографий рис. 7, характерный размер тонкой
структуры возрастает от 40–50 нм во впадине до 100–150 нм на буг-
ре поверхности плёнки. Такое поведение структуры в процессе ро-
ста плёнки связано, по-видимому, с включением двух процессов
при формировании толстой плёнки — затенения областей, отстаю-
щих в росте, и самораспыления выступов высокоэнергетичными
ионами материала плёнки. Это может объяснить возникновение
микроучастков плёнки различной толщины (повышенная шерохо-
ватость) и нивелирование тонкой структуры выступов.
Такая тонкая структура плёнок нержавеющей стали согласуется
с тем фактом, что при толщине более 5 мкм плёнки хромоникелевой
нержавеющей стали 12Х18Н10Т, нанесённые на чёрную сталь мар-
ки 30ХÃСА, обеспечивают коррозионную стойкость с оценочным
балом 8–10 по ÃОСТ 9.311-87, что превышает коррозионную стой-
кость покрытия гальваническим цинком.
Таким образом, использованный метод нанесения многокомпо-
нентных плёнок с помощью магнитоактивированного вакуумно-
дугового источника с локализацией разряда у рабочей поверхности
катода обеспечивает сохранение в плёнке состава материала рас-
ходного катода и формирует наноструктурированные покрытия с
Рис. 7. СТМ-фотографии и структура поверхности плёнок нержавеющей
стали во впадине (левые рисунки) и на бугре (правые рисунки) при общей
шероховатости Ra0,5 мкм.
80 Л. С. ОСИПОВ, Д. Ю. ПОЛОЦÊИЙ, С. А. БЕСПАЛОВ и др.
физико-техническими характеристиками, соответствующими объ-
ёмному переплавленному материалу.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А. Шпак, Э. Руденко, И. Êороташ, В. Семенюк, Ê. Шамрай, В. Одиноков,
Ã. Павлов, В. Сологуб, Наноиндустрия, № 4: 12 (2009).
2. Л. Осипов, Э. Руденко, В. Семенюк, И. Êороташ, В. Одиноков, Ã. Павлов,
В. Сологуб, Наноиндустрия, № 2: 4 (2010).
3. И. Êороташ, В. Одиноков, Ã. Павлов, Д. Полоцкий, Э. Руденко, В. Семенюк,
В. Сологуб, Наноиндустрия, № 4: 14 (2010).
4. И. Êороташ, В. Одиноков, Ã. Павлов, Д. Полоцкий, Э. Руденко, В. Семенюк,
В. Сологуб, Наноиндустрия, № 1: 10 (2011).
REFERENCES
1. A. Shpak, Eh. Rudenko, I. Korotash, V. Semenyuk, K. Shamray, V. Odinokov,
G. Pavlov, and V. Sologub, Nanoindustriya, No. 4: 12 (2009) (in Russian).
2. L. Osipov, Eh. Rudenko, V. Semenyuk, I. Korotash, V. Odinokov, G. Pavlov,
and V. Sologub, Nanoindustriya, No. 2: 4 (2010) (in Russian).
3. I. Korotash, V. Odinokov, G. Pavlov, D. Polotskiy, Eh. Rudenko, V. Semenyuk,
and V. Sologub, Nanoindustriya, No. 4: 14 (2010) (in Russian).
4. I. Korotash, V. Odinokov, G. Pavlov, D. Polotskiy, Eh. Rudenko, V. Semenyuk,
and V. Sologub, Nanoindustriya, No. 1: 10 (2011) (in Russian).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75951 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:00:56Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Осипов, Л.С. Полоцкий, Д.Ю. Беспалов, С.А. Сницар, М.С. Невмержицкий, В.И. 2015-02-06T14:16:15Z 2015-02-06T14:16:15Z 2014 Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных
 многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы / Л.С. Осипов, Д.Ю. Полоцкий, С.А. Беспалов, М.С. Сницар, В.И. Невмержицкий// Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 1. — С. 73-80. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 52.80.Pi,68.35.Ct,68.37.Ef,68.37.Ps,81.15.Gh,82.80.Ms,85.40.Sz https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75951 Исследованы состав и структура многокомпонентных плёнок, сформированных с помощью вакуумно-дугового источника с локализацией разряда
 вблизи рабочей поверхности катода, изготовленного из стандартных сплавов. При нанесении в прямом потоке в плёнках сохраняется табличный состав, плотность, электропроводность и другие физико-технические характеристики материала катода. Досліджено склад і структуру багатокомпонентних плівок, сформованих за
 допомогою вакуумно-дугового джерела з локалізацією розряду поблизу робочої поверхні катоду, виготовленого зі стандартних стопів. При нанесенні у
 прямому потоці в плівках зберігається табличний склад, густина, електропровідність та інші фізико-технічні характеристики матеріалу катоду. Composition and structure of the multicomponent films are investigated in the
 case when they are fabricated by the vacuum-arc source with the discharge located
 near the working surface of the cathode made of the standard alloys. The
 table composition, density, electric conductivity and other physical and technical
 specifications of the cathode material are saved when the deposition occurs
 in the direct flow. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы Article published earlier |
| spellingShingle | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы Осипов, Л.С. Полоцкий, Д.Ю. Беспалов, С.А. Сницар, М.С. Невмержицкий, В.И. |
| title | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы |
| title_full | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы |
| title_fullStr | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы |
| title_full_unstemmed | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы |
| title_short | Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы |
| title_sort | ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентныхпокрытий на термолабильные материалы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75951 |
| work_keys_str_mv | AT osipovls ionnoplazmennoenanesenienanostrukturirovannyhmnogokomponentnyhpokrytiinatermolabilʹnyematerialy AT polockiidû ionnoplazmennoenanesenienanostrukturirovannyhmnogokomponentnyhpokrytiinatermolabilʹnyematerialy AT bespalovsa ionnoplazmennoenanesenienanostrukturirovannyhmnogokomponentnyhpokrytiinatermolabilʹnyematerialy AT snicarms ionnoplazmennoenanesenienanostrukturirovannyhmnogokomponentnyhpokrytiinatermolabilʹnyematerialy AT nevmeržickiivi ionnoplazmennoenanesenienanostrukturirovannyhmnogokomponentnyhpokrytiinatermolabilʹnyematerialy |