ФОРМИРОВАНИЕ ГРАФИТОПОДОБНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОВОЛНОВОЙ ПЛАЗМЫ

В работе рассмотрен процесс формирования углеродных покрытий, с характеристиками близкими к алмазоподобным, методом плазмохимического осаждения из газовой фазы на установке ПМ-6, разработанной в лаборатории водородных и плазменных технологий в филиале ИАЭ НЯЦ РК. Впервые на установке ПМ-6 реализована возможность получения углеродных покрытий. Исследовано влияние таких технологических параметров, как мощность СВЧ-разряда, состав газовой смеси и температура кремниевой подложки на морфологию, фазовый состав и физико-механические свойства получаемых покрытий. Морфология и элементный состав покрытий изучались с применением сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и энергодисперсионного анализа (ЭДС), фазовый состав определялся методом рентгенофазового анализа (РФА), а твердость методом Виккерса.

Установлено, что повышение мощности плазменного разряда до 1,1 кВт и увеличение температуры кремниевой подложки способствуют росту доли углерода в покрытии (до 86±5,6 ат.%) и улучшению его равномерности осаждения. Рентгенофазовый анализ показал формирование тонких углеродных слоев с преимущественно графитоподобной структурой. После получения покрытий твердость поверхности достигла 1137 HV, что в два раза превышает показатель твердости исходной кремниевой подложки (416 HV). Результаты подтверждают возможность управляемого синтеза графитоподобных углеродных покрытий посредством оптимизации параметров плазмохимического осаждения.

1. Lugo, D.C., Silva, P.C., Ramirez, M.A., Pillaca, E.J.D.M., Rodrigues, C.L., Fukumasu, N.K., Corat, E.J., Tabacniks, M.H., Trava-Airoldi, V.J. «Characterization and tribologic study in high vacuum of hydrogenated DLC films deposited using pulsed DC PECVD system for space applications». Surface and Coatings Technology, 332 (2017): 135–141.

2. Liao, T.T., Zhang, T.F., Li, S.S., Deng, Q.Y., Wu, B.J., Zhang, Y.Z., Zhou, Y.J., Guo, Y.B., Leng, Y.X., Huang, N. Biological responses of diamond-like carbon (DLC) films with different structures in biomedical application //Materials Science and Engineering: C. – 2016. – Vol. 69. – P. 751–759.

3. McMaster, S.J., Kosarieh, S., Liskiewicz, T.W., Neville, A., Beake, B.D. Utilising H/E to predict fretting wear performance of DLC coating systems //Tribology International. – 2023. – Vol. 185. – Art. 108524.

4. Vahidi, A., Ferreira, F., Oliveira, J. Comparative study of dry high-temperature tribological performance of hydrogen-free and hydrogenated DLC films deposited by HiPIMS in DOMS mode // Tribology International. – 2024. – Vol. 195. – Art. 109639.

5. Lugscheider, E., Bobzin, K., Bärwulf, S., Hornig, T. Oxidation characteristics and surface energy of chromium-based hard coatings for use in semisolid forming tools //Surface and Coatings Technology. – 2000. – Vol. 133– 134. – P. 540–547.

6. PalDey, S., Deevi, S. Single layer and multilayer wear resistant coatings of (Ti,Al)N //Materials Science and Engineering A. – 2003. – P. 58–79.

7. Chen, Z., Peng, G., Chen, P., Xia, Y., Li, G. Investigation of the tribological behavior of chromium aluminum silicon nitride coatings via both scratch sliding test and FEM simulation //AIP Advances. – 2019. – Vol. 9(2).

8. Khamseh, S., Nose, M., Kawabata, T., Saiki, A., Matsuda, K., Terayama, K., Ikeno, S. Effect of Deposition Conditions on the Structure and Properties of CrAlN Films Prepared by Pulsed DC Reactive Sputtering in FTS Mode at High Al Content //Materials Transactions. –2008. – Vol. 49(9). – P. 2082–2090.

9. Balmer, R.S., Brandon, J.R., Clewes, S.L., Dhillon, H.K., Dodson, J.M., Friel, I., Inglis, P.N., Madgwick, T.D., Markham, M.L., Mollart, T.P., Perkins, N., Scarsbrook, G.A., Twitchen, D.J., Whitehead, A.J., Wilman, J.J., Woollard, S.M. Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications //Journal of Physics: Condensed Matter. – 2009. – Vol. 21(36). – Art. 364221.

10. Rani, R., Panda, K., Kumar, N., Sankaran, K.J., Ganesan, K., Lin, I.-N. Tribological properties of ultrananocrystalline diamond films in inert and reactive tribo-atmospheres: XPS depth-resolved chemical analysis //Journal of Physical Chemistry C. – 2018. – Vol. 122. – P. 8602–8613.

11. Auciello, O. Novel biocompatible ultrananocrystalline diamond coating technology for a new generation of medical implants, devices, and scaffolds for developmental biology //Biomaterials, Medical Applications. – 2017. – Vol. 1. – P. 1–11.

12. Tamor, M.A., Vassell, W.C. Raman “fingerprinting” of amorphous carbon films //Journal of Applied Physics. – 1994. – Vol. 76(6). – P. 3823–3830.

13. Wagner, J., Wild, C., Pohl, F., Koidl, P. Optical studies of hydrogenated amorphous carbon plasma deposition //Applied Physics Letters. – 1986. – Vol. 48(2). – P. 106–108.

14. Schwander, M., Partes, K. A review of diamond synthesis by CVD processes //Diamond and Related Materials. – 2011. – Vol. 20. – P. 1287–1301.

15. Butler, J.E., Sumant, A.V. The CVD of nanodiamond materials //Chemical Vapor Deposition. – 2008. – Vol. 14. – P. 145–160.

16. Konicek, A.R., et al. Influence of surface passivation on the friction and wear behavior of ultrananocrystalline diamond and tetrahedral amorphous carbon thin films //Physical Review B. – 2012. – Vol. 85.

17. Choi, J., Nakao, S., Kim, J., Ikeyama, M., Kato, T. Corrosion protection of DLC coatings on magnesium alloy //Diamond and Related Materials. – 2007. – Vol. 16(4). – P. 1361–1364.

18. Cho, K.-J., Ryu, J.-T., Baek, Y.-G., Ikuno, T., Honda, S., Katayama, M., Hirao, T., Oura, K. Fabrication and Characteristics of Amorphous Carbon Films Grown in Pure Methane Plasma by using RF PECVD //Japanese Journal of Applied Physics. – 2003. – Vol. 42. – P. 1744–1748.

19. Priyanto, B., Saleh, M., Tunmee, S., Euaruksakul, C., Cahyono, Y., Triwikantoro, T., Darminto, D. Fabrication of amorphous carbon thin film from CH4 using PECVD //Materials Science Forum. – 2019. – Vol. 966. – P. 95– 99.

20. ISO 6507-1:2005. Metallic materials – Vickers hardness test – Part 1: Test method //International Organization for Standardization (ISO). –2005.

21. Hassan, M., Qayyum, A., Ahmad, S., Mahmood, S., Shafiq, M., Zakaullah, M., Lee, P., Rawat, R.S. DLC coating on stainless steel by pulsed methane discharge in repetitive plasma focus //Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 303. – P. 187–195.

22. Miakonkikh, A., Kuzmenko, V. Formation of Black Silicon in a Process of Plasma Etching with Passivation in a SF6/O2 Gas Mixture //Nanomaterials. – 2024. – Vol. 14. Art. 945.