Способ упорядоченного осаждения наноструктурированных углеродных тонких пленок в постоянном электрическом поле Российский патент 2021 года по МПК C23C14/28 B82B3/00 C30B23/02 C23C30/00 

Изобретение относится к области создания наноструктурированных покрытий, состоящих из углеродных материалов и может использоваться в получении поверхностей с изменяемыми морфологическими свойствами и управляемым пространственным островковым распределением на поверхности подложки.

Известно изобретение «СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НАНОПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОДЛОЖКУ» (Патент RU № 2681587 C23C 14/48, C23C 14/35, B82B3/00). Изобретение относится к способу нанесения нанопленочного покрытия на подложку и может быть использовано для получения нанопокрытий на поверхностях различных подложек при невысокой температуре. Осуществляют импульсно-плазменное напыление с лазерным поджигом. Используют импульсный режим работы эксимерного ультрафиолетового лазера и собственные ионы материала мишени для создания рабочей плазмы. Используют ультрафиолетовое излучение с прецизионно низкой мощностью для начального поджига при создании рабочей плазмы и используют импульсный режим работы источника питания магнетрона с временем работы меньше, чем частота следования лазерных импульсов. Техническим результатом изобретения является улучшение оптических и структурных свойств напыляемых покрытий за счет использования плазмы из собственных ионов распылительной мишени и использования прецизионно низкой мощности лазерного излучения.

Наряду с тем, что способ позволяет создавать нанопокрытия с необходимыми авторам параметрами, недостатком является отсутствие контролирующего/управляющего параметра, позволяющего пространственно ориентировать наноструктуры и задавить их топологию.

Известно изобретение «ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ СПОСОБ СИНТЕЗА ВЫСОКОТВЕРДЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ И УСТРОЙСТВО» (Патент RU № 241673 C2 МПК, C23C 4/12(2006.01), C23C 16/48(2006.01), C23C 16/513(2006.01). Изобретение относится к технологиям получения высокотвердых защитных и функциональных покрытий и может быть использовано для покрытия поверхностей деталей машин и механизмов, трубопроводов и насосов, элементов корпусов, функциональных и несущих металлоконструкций. Согласно способу, формируют поток рабочего газа, содержащего несущий газ и химически активные реагенты, который направляют на обрабатываемую поверхность при давлении не ниже 0,5 атм. При этом на этот поток воздействуют лазерным импульсно-периодическим излучением таким образом, чтобы в фокусе лазерного луча образовалась лазерная плазма. Устройство для реализации способа включает реакционную камеру со средством позиционирования обрабатываемого объекта и входами для потока газа и лазерного излучения, источник рабочего газа, средство формирования потока рабочего газа в реакционной камере, импульсно-периодический лазер, а также средство доставки лазерного излучения в реакционную камеру и фокусировки луча. Изобретение относится к технологиям получения микро- и/или наноструктурированных защитных и функциональных покрытий на поверхностях деталей машин и механизмов, трубопроводов и насосов, элементов корпусов, функциональных и несущих металлоконструкций, отвечающих за основные характеристики, межремонтный и полный ресурс конечного продукта или технической системы. Технический результат - повышение износостойкости, ударопрочности, химической и коррозионной устойчивости покрытий.

Недостатком способа является то, что несмотря на управляемое осаждение из плазменного облака, он не позволяет создать детерминированную наноструктуру с заранее заданными параметрами оптико-электрических свойств.

Известно изобретение «УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ» (RU № 135638 U1 МПК B82Y 40/00(2011.01), C23C 14/46(2006.01), H01L 21/00(2006.01). Устройство относится к лазерной технике и технике вакуумного напыления, в частности к устройствам, применяемым для создания наноструктурированных материалов, а именно, для роста пленок, многослойных тонкопленочных структур и синтеза наночастиц полупроводников, диэлектриков, металлов, полимеров и биосовместимых материалов методом импульсного лазерного осаждения. Технической задачей полезной модели является создание универсального устройства для синтеза наноструктурированных материалов методом импульсного лазерного осаждения.

Недостатком устройства является исключительно геометрический контроль распространения плазмы. В данном устройстве есть возможность менять угол распределения плазменного облака, но не распределение её объеме распространения.

Известно изобретение «СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НАНОПОКРЫТИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ» (RU № 2 371 379 C1 МПК B82B 3/00(2006.01), C23C 14/34(2006.01). Изобретение относится к плазменному способу и устройству получения нанопокрытий, в частности пленок из окислов, карбидов и других соединений, и может применяться в радиоэлектронной, авиационной, энергетике и других отраслях промышленности. Изобретение позволит повысить энергию наносимых частиц материала нанопокрытия и улучшить адгезию покрытия с подложкой, расширить компонентный состав покрытия. Способ состоит в плазменном распылении наносимого вещества на подложку в вакуумной камере. На подложку осаждают наночастицы, полученные при испарении мишени в плазме импульсного сильноточного разряда, пинчующейся под действием собственного магнитного поля. Мишень формируют из свободно падающего мелкодисперсного порошка, который подают в зону испарения из резервуара, расположенного вне вакуумной камеры. Устройство состоит из вакуумной камеры, анода и катода, разделенных изолятором, источника питания, держателя подложек. Вакуумная камера выполнена симметричной относительно вертикальной оси, а вне вакуумной камеры по ее оси установлен резервуар с мелкодисперсным порошком, соединенный с вакуумной камерой пролетной трубой, в верхней части которой расположен электромагнитный затвор, а в нижней - вакуумный затвор.

Несмотря на высокую степень энергетичности наносимых частиц материала наносимого покрытия, устройство не позволяет управлять распределением плазменного облака в объеме, в реальном масштабе времени.

Техническим результатом изобретения является повышение качества осажденного слоя и обеспечение возможности контролируемого/упорядоченного осаждения с изменением структуры осажденного слоя благодаря тому, что созданную высоко энергичную плазму можно контролировать с помощью наведенного постоянного электрического поля высокой напряженности в области её распространения (между проводящей металлической сеткой и подложкой). Такой способ позволяет фокусировать и рассеивать плазменный пучок, варьируя степенью напряженности электрического поля и полярностью электродов.

Описание способа (Фиг. 1): Между прозрачной подложкой (2) (полированное кварцевое стекло и стекло К8, шероховатость поверхности Ra = 2,06 нм) и углеродной мишенью (4) (спектрально чистый графит марки СЭУ, стеклоуглерод марки СУ-2000, пирографит ПГИ) помещается металлическая сетка (3) с размером ячейки 100мкм. Общее расстояние от мишени до подложки возможно изменять от 1 мм до 5 мм. Расстояние от металлической сетки до мишени варьируется в пределах 0.5 мм - 2.5 мм. Проводящие контакты прикреплялись к поверхности мишени и металлической сетки. На поверхность мишени подавался отрицательный потенциал, на сетку - положительный, что создавало тормозящую разность потенциалов U для потока ионизированных атомов. Дополнительно, использование сетки позволяет осуществлять разбиение единого потока аблированных частиц на множество отдельных источников.

Проведенные измерения позволяют показать, что морфологические свойства осажденного слоя сильно зависят от расстояния между подложкой и мишенью и ускоряющего напряжения на сетке между ними. Во всех случаях использование сетки приводит к осаждению с ярко выраженной периодической структурой (Фиг. 2), шаг которой зависел от расстояния между сеткой и подложкой.

Структура осажденного слоя, меняется в зависимости от расстояния между подложкой и сеткой и разности потенциалов между сеткой и мишенью. При напряжении до 800 В и варьировании расстояния между сеткой и подложкой в пределах 1.5 мм-2 мм (и расстоянии от сетки до мишени в 1 мм) в процессе осаждения формируются углеродные нановолокна (Фиг. 3).

Увеличение напряжения между сеткой и мишенью до U = 1000 В приводит к формированию осаждений из массива углеродных нанотрубок (Фиг. 4).

Для пояснения механизма управления лазерно-индуцированным плазменным облаком было реализовано математическое моделирования эксперимента осаждения. Соответствие модельных и экспериментальных результатов объективно. Результаты моделирования распределения частиц на подложке, при прохождении потока аблированных частиц через пространство анода-сетки (Фиг. 5). Проведенное моделирование демонстрирует изменение морфологии осажденного слоя в зависимости от условий эксперимента. Как видно из представленных результатов на качество и структур осажденного слоя влияют время воздействия, напряженность электрического поля и интенсивность лазерного воздействия. Использование методов кинетики и молекулярной динамики позволит в дальнейшем моделировать процесс формирования углеродных нанотрубок.

Данный способ демонстрирует возможность получения прозрачных наноструктурированных углеродных покрытий, состоящих из углеродных нанотрубок и/или наноструктурированных массивов углеродных наночастиц при лазерном напылении. Полученные нанопокрытия могут быть использованы для изготовления проводящих прозрачных слоев на поверхности стеклянной поверхности, в том числе и для гибких дисплеев.

Продемонстрирована возможность получения в лазерном эксперименте наноструктур с различной морфологией, управляемой за счет изменений условий эксперимента. Для решения задачи синтеза вертикально ориентированных нанотрубок возможно использовать стекла с предварительно напыленным прозрачным слоем, например, оксида цинка и вытравленной матрицей.

Изобретение относится к способу упорядоченного осаждения наноструктурированных углеродных тонких пленок в постоянном электрическом поле. Между прозрачной твердой подложкой и углеродной мишенью помещают металлическую сетку, создают между углеродной мишенью и металлической сеткой разность потенциалов. Осаждение аблированных частиц на подложку осуществляют в постоянном электрическом поле напряженностью 10⁵-10⁸ В/м. В процессе осаждения изменяют полярность и величину разности потенциалов между углеродной мишенью и металлической сеткой и расстояние от углеродной мишени до фокусирующей сетки и от сетки до подложки. Данный способ позволяет получать пленки заранее детерминированной морфологии согласно варьируемым условиям осаждения, что активно влияет на оптические и электрофизические свойства получаемых метаповерхностей. 5 ил.

Способ осаждения наноструктурированных углеродных тонких пленок на прозрачную твердую подложку, включающий лазерное воздействие на углеродную мишень и осаждение аблированных частиц на прозрачную твердую подложку, отличающийся тем, что между прозрачной твердой подложкой и углеродной мишенью помещают металлическую сетку, создают между углеродной мишенью и металлической сеткой разность потенциалов, при этом осаждение аблированных частиц на подложку осуществляют в постоянном электрическом поле напряженностью 10⁵-10⁸ В/м, при этом в процессе осаждения наноструктурированных углеродных пленок изменяют полярность и величину разности потенциалов между углеродной мишенью и металлической сеткой и расстояние от углеродной мишени до фокусирующей сетки и от сетки до подложки, причем расстояние от мишени до подложки изменяют от 1 мм до 5 мм, а расстояние от металлической сетки до мишени – от 0,5 мм до 2,5 мм.