Наноразмерные углеродные покрытия, получаемые импульсным вакуумно-дуговым методом, применяемые для повышения эксплуатационных характеристик изделий микромеханики

Автoры: А.И. Пoплавcкий, А.Я. Кoлпакoв, М.Е. Галкина, И.Ю. Гoнчарoв.
Белгoрoдcкий гocударcтвенный универcитет.

Облаcти применения cверхтвердых углерoдных пoкрытий, пoлучаемых иoннo-плазменными метoдами, oпределяетcя их выcoкoй микрoтвердocтью, низким коэффициентом трения, химичеcкой инертноcтью, прозрачноcтью в инфракраcном диапазоне излучения, биоинертноcтью, уникальными эмиccионными характериcтиками и т.д. [1, 2].

Одной из наиболее перcпективных облаcтей применения тонких углеродных покрытий является нанотехнология, но для этого требуется решить ряд сложных научных задач, направленных на снижение внутренних напряжений в покрытии, разработать методы управления их электропроводностью и т.д.

Импульсный вакуумно-дуговой метод [3] имеет ряд преимуществ перед стационарным методом получения сверхтвердых углеродных покрытий. Он позволяет получать существенно большие плотности плазмы и, кроме того, регулировать величину энергии  ионов без приложения ускоряющего потенциала к подложке, что приводит к увеличению величины внутренних напряжений и степени шероховатости получаемых покрытий [4]. Особое значение эти преимущества имеют в случае применения наноразмерных углеродных покрытий на изделиях микромеханики.

С учетом вышесказанного в данной работе были решены задачи, связанные с совершенствованием аппаратного обеспечения для получения наноразмерных углеродных покрытий, исследован комплекс их свойств, отработаны режимы нанесения покрытий на микрозонды (кантилеверы) сканирующих зондовых микроскопов, выпускаемых компанией «Нанотехнология — МДТ», проведены испытания, показавшие существенное улучшение их эксплуатационных характеристик. Кроме того, проведены фундаментальные исследования зависимости коэффициента абляции графита в катодных пятнах импульсного вакуумно-дугового разряда от величины заряда емкостного накопителя [5].

В результате проведенной работы были получены следующие результаты:

• •  модернизирован катодный узел импульсного вакуумно-дугового источника углеродной плазмы с целью получение легированных металлом углеродных покрытий и определены его характеристики;
• •    получены зависимости коэффициента абляции графита в катодных пятнах импульсного вакуумно-дугового разряда, показавшие существенные преимущества импульсного метода;
• •    определено влияние ускоряющего потенциала на величину внутренних напряжений и морфологию поверхности наноразмерных углеродных покрытий;
• •    исследованы свойства углеродных покрытий, легированных азотом, алюминием, вольфрамом толщиной 70 нм на кремнии;
• •    отработаны режимы нанесения наноразмерных углеродных покрытий на кантилеверы типа DCP20, применяемые в проводящих методиках сканирующей зондовой микроскопии.

Таблица 1. Свойства углеродных покрытий, полученных импульсным вакуумно-дуговым методом, легированных различными элементами

Рис. 1. Сканы поверхности (5x5 мкм) углеродного покрытия, легированного азотом (а) и вольфрамом (б), полученные в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (верхние) и в режиме отображения сопротивления растекания (нижние)

В табл. 1 приведены свойства углеродных покрытий, полученных импульсным вакуумно-дуговым методом, легированных различными элементами.

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что путем легирования углеродных покрытий можно в широких пределах изменять их физико-механические характеристики.

На рис. 1 приведены результаты исследований морфологии поверхности углеродных покрытий толщиной 70 нм, легированных азотом (C:N) и вольфрамом (C:W) методами сканирующей зондовой микроскопии. Необходимо отметить значительное уменьшение количества нановыступов и их высоты в случае легирования углеродного покрытия вольфрамом. Степень шероховатости покрытия C:W в три раза меньше, чем покрытия C:N. Кроме того, покрытие C:W обладает существенно большей электропроводностью и более однородно по своим электрическим характеристикам, изменение величины электропроводности по поверхности на порядок ниже для покрытий C:W по сравнению с покрытиями C:N.

Литература
1.    Lifshitz Y. Diamond-like carbon — present status // Diamond and Related Materials. 1999. V. 8. P. 1659-1676.
2.    Стрельницкий B.E. Вакуумно-дуговой синтез алмазоподобных пленок: история, последние разработки, применение, перспективы // Вопросы атомной науки и техники. Сер. «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (82)». 2002. № 6. С. 125— 133.
3.    Галкина М.Е., Колпаков А.Я., Сафронова О.В., Суджанская И.В. Способ формирования сверхтвердого легированного углеродного покрытия на кремнии в вакууме // Патент РФ. № 2342468.
4.    Колпаков А.Я., Галкина М.Е., Гонгаров И.Ю., Суджанская КВ., Поплавский А.И. Влияние внутренних напряжений на морфологию поверхности твердых наноразмерных углеродных покрытий // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 9—10. С. 95—99.
5.    Камышангенко Н.В., Ковалева М.Г., Колпаков А.Я., Поплавский А.И. Влияние величины заряда емкостного накопителя на процесс абляции графита в импульсном вакуумно-дуговом разряде //Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 5. С. 30—31.