СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ АПУ-N, ПОЛУЧЕННЫХ КАТОДНО-ДУГОВЫМ ОСАЖДЕНИЕМ ПРИ ИОННОМ АССИСТИРОВАНИИ

Игорь Петрович Акула; Михаил Юрьевич Хома

doi:10.36773/1818-1112-2025-137-2-50-55

Авторы

Игорь Петрович Акула ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси» https://orcid.org/0009-0003-6929-8335
Михаил Юрьевич Хома ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси» https://orcid.org/0009-0009-7031-5781

DOI:

https://doi.org/10.36773/1818-1112-2025-137-2-50-55

Ключевые слова:

алмазоподобный углерод, катодно-дуговое осаждение, ионное ассистирование, структура покрытия, фазовый состав, твердость, электрическое сопротивление

Аннотация

Особенность азота легко встраивается в структуру алмаза, замещая атомы углерода, делает его наиболее подходящим элементом для модификации механических, трибологических и электрических свойств алмазоподобных углеродных пленок и покрытий. В настоящей работе исследовано влияние состояния азота на фазовый состав, структуру и свойства покрытий алмазоподобного углерода, полученных методом катодно-дугового осаждения. Азот в процессе осаждения покрытий алмазоподобного углерода подавался в вакуумную камеру как в молекулярном виде, так и ионизированном виде из ионно-лучевого источника. Установлено, что наблюдается существенный рост содержания азота в покрытии алмазоподобного углерода в случае его допирования азотом в ионизированном состоянии. Наличие азота в структуре алмазоподобного углерода приводит к образованию химических связей C-N в конфигурации как с sp², так и с sp³, связанными с атомами углерода. Рост энергии ионов азота стимулирует увеличение содержания sp² гибридизированных атомов углерода в сформированных покрытиях со структурой ароматических колец. Установлено, что в полученных аморфных покрытиях АПУ-N присутствуют трех- и четырехкоординированные атомы углерода, а количество четырехкоординированных атомов углерода и степень беспорядка в трехкоординированных атомах углерода зависят от условий осаждения покрытий. Полученные покрытия обладают высокой твердостью до 4500 кгс/мм², что позволяет отнести их к классу сверхтвердых материалов. Присутствие азота в составе покрытия позволяет изменять его удельное электрическое сопротивление в широких пределах, а также трибологические характеристики в условиях сухого трения. Полученный тонкопленочный материал является перспективным для получения структур с требуемой электропроводимостью, в том числе для изготовления детекторов ионизирующих излучений.

Биографии авторов

Игорь Петрович Акула, ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси»

Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории наноматериалов и ионно-плазменных процессов ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси», Минск, Беларусь.

Михаил Юрьевич Хома, ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси»

Научный сотрудник, лаборатория наноматериалов и ионно-плазменных процессов ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси», Минск, Беларусь.

Библиографические ссылки

Nitrogen-doped CVD diamond: Nitrogen concentration, color and internal stress / A. M. Zaitsev, N. M. Kazuchits, V. N. Kazuchits [et al.] // Diamond and Related Materials. – 2020. – Vol. 105. – Paper 107794.

Effects of nitrogen incorporation on N-doped DLC thin film electrodes fabricated by dielectric barrier discharge plasma: Structural evolution and electrochemical performances / M. Nilkar, F. E. Ghodsi, S. Jafari [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 853. – Paper 157298.

Nitrogen-doped diamond-like carbon as optically transparent electrode for infrared attenuated total reflection spectroelectrochemistry / N. Menegazzo, M. Kahn, R. Berghauser [et al.] // Analyst. – 2011. – Vol. 136. – P. 1831–1839.

Nitrogen doping for adhesion improvement of DLC film deposited on Si substrate by Filtered Cathodic Vacuum Arc (FCVA) technique / D. Bootkul, B. Supsermpol, N. Saenphinit [et al.] // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 310. – P. 284–292.

Liu, A. Y. Prediction of new low compressibility solids / A. Y. Liu, M. L. Cohen // Science. – 1989. – Vol. 245. – P. 841–845.

Корсунский, Б. Л. На пути к нитриду углерода / Б. Л. Корсунский, В. И. Пепекин // Успехи химии. – 1997. – № 11. – С. 1003–1014.

Muhl, S. A review of the preparation of carbon nitride ﬁlms / S. Muhl, J. M. Me´ndez // Diamond and Related Materials. – 1999. – Vol. 8. – P. 1809–1830.

Zhang, Y. Crystalline carbon nitride films formation by chemical vapor deposition / Y. Zhang, Z. Zhou, H. Li // Applied Physics Letters. – 1996. – Vol. 68. –P. 634–636.

Freire, F. L. Amorphous hydrogenated carbon-nitrogen films deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition / F. L. Freire // Japan Journal of Applied Physics. – 1997. – Vol. 36, N 7B. – P. 4886–4892.

Structural investigation of two carbon nitride solids produced by cathodic arc deposition and nitrogen implantation / A. R. Merchant, D. G. McCulloch, D. R. McKenzie [et al.] // Journal of Applied Physics. – 1996 – Vol. 79. – P. 6914–6919.

Amorphous carbon and carbon nitride films prepared by filtered arc deposition and ion assisted arc deposition / J. P. Zhao, X. Wang, Z. Y. Chen [et al.] // Materials Letters. – 1997. – Vol. 33. – P. 41–45.

Preparation of CNx films by ion beam assisted filtered cathodic arc deposition / C. Spaeth, M. Kühn, U. Kreissig, F. Richter // Diamond and Related Materials. – 1997. – Vol. 6. – P. 626–630.

Hartmann, J. Characterization of carbon nitride produced by high-current vacuum arc deposition / J. Hartmann, P. Siemroth, J. Schultrich // Journal of Vacuum Science Technology A. – 1997. – Vol. 15. – P. 2983–2987.

X-ray diffraction studies of the effects of N incorporation in amorphous CNx materials / J. K. Walters, M. Kuhn, C. Spaeth [et al.] // Journal of Applied Physics. – 1998. – Vol. 83. – P. 3529–3534.

Optical emission spectroscopy of the nitrogen arc in an arc-heated beam source used for synthesis of carbon nitride films / N. Xu, Y. Du, Z. Ying [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1997. – Vol. 30. – P. 1370–1376.

Optical and mechanical properties of amorphous CN ﬁlms / S. Lee, S. Jin Park, Soo-ghee Oh [et al.] // Thin Solid Films. – 1997. – Vol. 308–309. – P. 135–140.

Modeling studies of amorphous carbon / D. Beeman, J. Silverman, R. Lynds, M. R. Anderson // Physics Review B. – 1984. – Vol. 30, Iss. 2. – P. 870–875.

Dillon, R. O. Use of Raman Scattering to Investigate Disorder and Crystallite Formation in As-Deposited and Annealed Carbon Films / R. O. Dillon, J. A. Woolam, V. Katkanant // Physical Review B. – 1984. – Vol. 29. – P. 3482–3489.

Preparation of carbon nitride thin ﬁlms by ion beam assisted deposition and their mechanical properties / M. Kohzaki, A. Matsumuro, T. Hayashi [et al.] // Thin Solid Films. – 1997. – Vol. 308–309. – P. 239–244.

Preparation and properties of high density, hydrogen free hard carbon films with direct ion beam or arc discharge deposition / J. P. Hirvonen, J. Koskinen, R. Lappalainen, A. Anttila // Materials Science Forum. – 1990. – Vol. 52. – P. 197–216.