Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке



Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке
Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке

 


Владельцы патента RU 2614330:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к технологиям получения износостойких, прочностных тонких алмазных пленок методом вакуумной лазерной абляции и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и создания наноструктурных материалов. Тонкую наноалмазную пленку получают на стеклянной подложке путем распыления материала мишени импульсным лазером в вакууме, при этом в качестве мишени используют таблетки из детонационного наноалмаза, а в качестве источника импульсного лазерного излучения используют лазер с длиной волны 1064 нм серией от 13 до 20 импульсов, с энергией импульса от 3,8 до 5,8 Дж и длительностью от 1 до 1,5 мс. Процесс сопровождается диспергированием конгломератов детонационного наноалмаза до единичных нанокристаллов и очисткой от примесей в ходе высокоэнергетического воздействия лазерным импульсом. Полученная пленка представляет собой двумерный поликристаллический наноалмазный агрегат. 9 ил., 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к технологиям получения износостойких, прочностных тонких алмазных пленок методом вакуумной лазерной абляции и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий.

Известен способ получения тонких пленок карбида кремния методом вакуумной лазерной абляции, который может быть использован для получения тонкопленочных покрытий и активных слоев тонкопленочных приемников УФ-излучения в микроэлектронике. Способ получения пленки включает распыление керамической мишени лазерным лучом в условиях высокого вакуума без добавок газообразных реагентов на нагретую до 25-350°С подложку, расположенную на расстоянии 100 мм от мишени. Распыление мишени осуществляют в течение 1-20 мин с помощью лазера с энергией накачки 15-20 Дж при сканировании лазерного луча по поверхности керамической мишени [1]. Недостатки способа: длительное до 20 минут время воздействия на мишень, опасность графитизации наноалмазного материала мишени.

Известен способ получения алмазоподобных покрытий комбинированным лазерным воздействием, взятым за прототип [2]. Способ реализуется путем комбинированного лазерного воздействия на материал мишени, выполненной из графита высокой чистоты (более 99.9%), сначала коротковолновым (менее 300 нм) импульсным излучением, в качестве которого используют излучение KrF-лазера с длиной волны 248 нм и удельной энергией 5⋅107 Вт/см2, затем длинноволнового лазерного излучения газового СO2-лазера или твердотельного волоконного лазера.

Алмазоподобное покрытие получают в вакууме путем распыления материала мишени за счет абляции при воздействии импульсным лазером и последующим воздействием на газоплазменное облако длинноволновым (более 1 мкм) лазерным излучением газового СO2-лазера или твердотельного волоконного лазерного излучателя.

Согласно этому способу последующее воздействие на газоплазменное облако длинноволновым (более 1 мкм) лазерным излучением естественно увеличивает кинетическую энергию частиц облака, что приводит к увеличению алмазной фазы в получаемом покрытии.

Недостатки способа: требуется сложное лазерное оборудование и многоэтапный вариант реализации, что существенно усложняет получения покрытий или пленок, выход алмазной составляющей ниже 100%.

Задача изобретения получение тонкой алмазной пленки на основе детонационного наноалмаза на стеклянной подложке вакуумной лазерной абляцией.

Сущность изобретения

Способ получения тонкой алмазной пленки на стеклянной подложке на основе детонационного наноалмаза вакуумной лазерной абляцией мишени, где в качестве мишени используются спрессованные таблетки из детонационного наноалмаза, а в качестве источника импульсного лазерного излучения используют лазер серией 13-20 импульсов с энергией импульса от 3,8 до 5,8 Дж, длительностью импульса от 1 до 1,5 мс (миллисекунды) и с длиной волны 1064 нм.

Предлагается получать алмазные пленки на стеклянной подложке в вакууме путем воздействия от 13 до 20 импульсами лазерного излучения лазера на основе алюмо-иттриевого граната с длиной волны 1,064 мкм на мишень, изготовленную из порошка детонационного наноалмаза в виде таблетки диаметром 5 мм и толщиной 2-3 мм на прессе при давлении 6 кг/мм2 и помещенную также в вакуум.

Способ реализуется следующим образом.

1. Готовят мишени - таблетки из порошка детонационного наноалмаза диаметром 5 мм и толщиной 2-3 мм с помощью прессформы и пресса с усилием до 500 кг (давление 6 кг/мм2).

2. Размещают в вакууме с остаточным давлением 10-5 мм рт.ст. мишени и закрепленные стеклянные подложки из силикатного стекла.

3. Воздействуют на поверхность мишени серией 13-20 импульсов лазерного излучения лазера на основе алюмо-иттриевого граната с энергией импульса 3,8-5,8 Дж в зависимости от необходимой плотности наноалмазного вещества на поверхности подложки.

Воздействием импульсами лазерного излучения в вакууме на мишень из нанокристаллов детонационного наноалмаза осуществляют перенос нанокристаллов детонационного алмаза и внедрение на стеклянную подложку методом лазерной абляции, и это позволяет избежать превращения наноалмаза в графит.

Воздействие импульсами лазерного излучения решает следующие проблемы.

Во-первых, перенос вещества мишени на подложку осуществляется именно методом лазерной абляции.

Во-вторых, нагрев мишени в вакууме серией 13-20 импульсов осуществляет частичную очистку нанокристаллов от летучих примесных соединений методом термодесорбции.

В-третьих, лазерное воздействие осуществляет диспергирование наноалмазных конгломератов путем нарушения связи между наночастицами в поле лазерного импульса.

В-четвертых, воздействие последовательности лазерных импульсов не позволяет веществу мишени перегреваться до критической температуры выше 1000 0С, что препятствует графитизации наноалмазной таблетки.

Осуществление изобретения достигается следующим образом.

Пример 1

Из исходного порошка детонационного наноалмаза, изготовленного по ТУ 84-112-87 (изготовитель ФНПЦ «Алтай»), прессованием на гидравлическом прессе готовят образцы цилиндрической формы диаметром 5 мм и высотой 2-3 мм и проводят рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ. На рентгенограмме наноалмаза (фиг. 1) видны наиболее яркие рефлексы алмаза (111), (220) и (311).

Уширение рефлексов обусловлено малым размером нанокристаллов или ростом микронапряжений, приводящих к изменению межплоскостных расстояний отражающих плоскостей. В ковалентных ультрадисперсных кристаллах величина микродеформации Δd/d не может быть большой, так как велики модули упругости алмаза. Основной вклад в уширение рефлексов вносит малый размер кристаллов детонационного наноалмаза. В этой связи размеры областей когерентного рассеяния D определяются по упрощенной формуле, согласно которой уширение связанно только с эффектом дисперсности.

где:

D - размер областей когерентного рассеяния

λ - длина волны рентгеновского излучения в

θ - угол дифракции рентгеновских лучей для плоскости (hkl)

β - физическое уширение рентгеновского рефлекса

В таблице 1 представлены данные рентгенографического анализа рефлексов детонационного наноалмаза, приведенных на фиг. 1. Размер нанокристаллов детонационного наноалмаза, рассчитанный по формуле (1), составляет 4,5 нм.

Пример 2

Из исходного порошка нанокристаллов детонационного наноалмаза готовят спрессованные образцы цилиндрической формы в виде таблетки (как в примере 1) и проводят гравиметрический и масс-спектроскопический анализ. В ходе нагрева детонационный наноалмаз выделяет большое количество летучих соединений, об этом свидетельствует убыль массы образца в процессе отжига (фиг. 2).

При нагреве образца до температуры 900°С последний теряет около 20% своей массы. Кроме того, процесс нагрева сопровождается экзо- и эндотермическими эффектами, свидетельствующими о протекании реакции на поверхности нанокристаллов детонационного наноалмаза.

Для определения молекулярного состава летучих примесей проводят масс-спектрометрический анализ образцов - нанокристаллов детонационного наноалмаза на приборе термического анализа Luxx 409, совмещенного с масс-спектрометром Aelos 403. Нагрев осуществляется в атмосфере аргона со скоростью 10°С/мин до температуры 900°С. В табл.2 представлены данные масс-спектрометрических измерений, десорбция примесей наблюдается по всему интервалу температур, от +30°С до +(900-950)°С (фиг. 2). Выделяющиеся летучие вещества представлены широким спектром молекулярных соединений, такими как вода, водород, азот, сероводород, углеводороды, двуокись углерода и серы, при нагреве детонационного наноалмаза в вакууме происходит его частичная очистка.

Пример 3

Спрессованные образцы детонационного наноалмаза (таблетки) помещают в вакуумный объем установки по воздействию лазерного излучения на основе алюмо-иттриевого граната с длиной волны 1,064 мкм на вещество (фиг. 3). Лазерный пучок (1) (импульсы) направлен через фокусирующую линзу (2), в вакуумный объем (3), на мишень из детонационного наноалмаза (4). В результате воздействия лазерного излучения на мишень происходит диспергирование исходных конгламератов детонационного наноалмаза и его распыление в вакуумном объеме (3) в виде направленного потока (5) на закрепленную стеклянную подложку (6). Остаточное давление в вакуумном объеме достигает 10-5 мм рт.ст. Энергия импульса составляет 3,8 Дж, длительность импульса - 1 мс, число импульсов - 20. В ходе воздействия лазерными импульсами наблюдается перенос вещества мишени (таблетки) на подложку за счет абляции. На фиг. 4 приведена структура подложки после лазерной абляции мишени детонационного наноалмаза. Согласно данным фиг.4 плотность детонационного наноалмаза на подложке составляет величину 0,0041 частиц/мкм2.

Распределение частиц по размеру для данных параметров импульса приведено на (фиг. 5), преобладают маломасштабные конгламераты со средним размером частиц 5 мкм. Это свидетельствует о частичном диспергировании исходных конгломератов наночастиц лазерным импульсом.

В условиях абляции мишени одновременно происходит разрушение (измельчение) исходных конгломератов частиц и очистка наноалмаза в связи со значительным повышением температуры и эффекта динамического воздействия лазерного импульса.

Пример 4

Как и в примере 3, спрессованные таблетки из детонационного наноалмаза помещают в вакуумную установку по воздействию лазерного излучения на вещество. Увеличение энергии импульса до 5,8 Дж и длительности импульса до 1,5 мс (миллисекунд) не меняет условия абляции, однако для получения примерно такой же плотности наноалмазных конгломератов, как в примере 3, нужно осуществить воздействие на мишень уже 13 лазерными импульсами. На (фиг. 6) приведена микроструктура алмазной пленки, откуда следует, что несколько увеличивается количество переносимого на подложку вещества (плотность частиц составляет 0,0054 частиц/мкм2), но уменьшается число импульсов до 13 для получения тонкой алмазной пленки на стеклянной подложке на основе детонационного наноалмаза данной плотности.

Распределение конгломератов наноалмаза по размерам (фиг. 7) свидетельствует об уменьшении размера конгломератов (максимум распределения приходится на 4 мкм) при увеличении энергии импульса до 5,8 Дж.

Пример 5

Спрессованные таблетки (как и в предыдущих примерах) подвергают воздействию импульсами лазерного излучения. Энергию импульса увеличивают до 6,6 Дж, а длительность импульса - до 10 мс. Как следует из данных (фиг. 8), перенос детонационного наноалмаза на подложку существенно изменяется.

Плотность частиц на подложке уменьшается до величины 0,0026 частиц/мкм2. Распределение конгломератов наночастиц по размерам свидетельствует о существенном увеличении размеров агрегатов частиц в пленке (фиг. 9) по сравнению с предыдущим примером. Максимум распределения приходится на размер 5 мкм, но у распределения имеется большой «хвост» из крупных конгломератов частиц наноалмаза (крупные конгломераты размером до 27 мкм).

Таким образом, увеличение энергии и длительности импульсов привело к ухудшению условий абляции мишени детонационного наноалмаза. По-видимому, часть мелких конгломератов испарилось в связи с длительностью процесса и высокой энергией лазерного импульса.

Из приведенных примеров следует, что в ходе лазерного воздействия происходит нагрев и диспергирование исходных конгломератов наночастиц. В ходе нагрева осуществляется очистка наноалмаза от летучих примесных соединений. Реализуемый эффект лазерной абляции позволяет получить тонкую алмазную пленку на стеклянной подложке на основе детонационного наноалмаза, представляющую собой двумерный поликристаллический наноалмазный агрегат.

Литература

1. Гусев А.С., Михнев Л.В., Рындя С.М., Бондаренко Е.А.

Заявка: 2007112699/02, 06.04.2007. Способ получения тонких пленок карбида кремния методом вакуумной лазерной абляции.

2. Григорьянц А.Г., Мисюров А.И., Шупенев А.Е.

Патент РФ №2516632 от 20.05.2014 // БИ 14 // Способ получения алмазоподобных покрытий комбинированным лазерным воздействием.

Значение физического уширения, положения основных рефлексов и размер частиц наноалмаза.

Масс-спектрометрические данные процесса десорбции детонационного наноалмаза.

Способ получения тонкой наноалмазной пленки на стеклянной подложке, включающий в себя распыление материала мишени импульсным лазером в вакууме, отличающийся тем, что в качестве мишени используют таблетки из детонационного наноалмаза, а в качестве источника импульсного лазерного излучения используют лазер с длиной волны 1064 нм серией от 13 до 20 импульсов, с энергией импульса от 3,8 до 5,8 Дж и длительностью от 1 до 1,5 мс.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области средств получения высоких динамических давлений и температур и может быть использовано для проведения химических реакций, изменения кристаллической структуры твердых тел при высоком давлении и температуре, в частности для получения искусственных алмазов (алмазного порошка), для сжатия DT-льда с целью получения нейтронного источника, для осуществления инерциального термоядерного синтеза.

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к переработке кремнистых пород при получении полупроводниковых материалов, которые могут быть использованы для изготовления солнечных коллекторов и элементов электронной техники.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выращиванию волокон из расплава. Способ получения монокристаллических волокон из тугоплавких материалов включает размещение в вакуумной камере питателя исходного материала в виде прутка, подачу лазерного излучения на поверхность исходного материала и вытягивание исходного материала с образованием волокна, при этом при подаче лазерного излучения на поверхность исходного материала лазерный луч сканируют в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с частотами f1=f2, равными 200÷300 Гц, с амплитудой A, равной 1,5-5 B, где B - наибольший размер держателя питателя исходного материала.

Изобретение относится к технологиям повышения износостойких, прочностных и антифрикционных свойств металлорежущего инструмента, внешних поверхностей обшивки авиационных и космических летательных аппаратов, оптических приборов и нанотехнологиям.

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных физических исследований кинетики роста кристаллов.

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных исследований кинетики роста кристаллов.

Изобретение относится к технологии неорганических веществ и материалов. .
Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к переработке кремнистых пород для получения полупроводникового кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов и в электронной технике.

Изобретение относится к синтезу нанообъектов различных химических элементов и их соединений, которые могут быть использованы в электронных компонентах, катализаторах, в медицине, строительстве и т.д.

Изобретение относится к области средств получения высоких динамических давлений и температур и может быть использовано для проведения химических реакций, изменения кристаллической структуры твердых тел при высоком давлении и температуре, в частности для получения искусственных алмазов (алмазного порошка), для сжатия DT-льда с целью получения нейтронного источника, для осуществления инерциального термоядерного синтеза.

Изобретение относится к технологии производства цветных алмазов, которые могут быть использованы в оптике и для ювелирных целей. Монокристаллический CVD-синтетический алмазный материал содержит множество слоев, которое включает, по меньшей мере, две группы слоев, различающиеся по их составу дефектов и цвету, причем тип дефектов, концентрация дефектов и толщина слоев для каждой из упомянутых, по меньшей мере, двух групп слоев являются такими, что если окрашенный монокристаллический CVD алмазный материал перерабатывают в алмаз с круглой бриллиантовой огранкой, содержащий площадку и калету и имеющий глубину от площадки до калеты более 1 мм, то алмаз с круглой бриллиантовой огранкой имеет однородный цвет при рассматривании невооруженным глазом человека в стандартных окружающих условиях наблюдения в, по меньшей мере, направлении через площадку до калеты; упомянутые, по меньшей мере, две группы слоев содержат первую группу слоев, содержащих легирующую примесь бора в концентрации, достаточной для получения синей окраски, и вторую группу слоев, содержащих более низкую концентрацию легирующей примеси бора, первая группа слоев содержит некомпенсированную легирующую примесь бора в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5,00 ppm, а вторая группа слоев содержит легирующую примесь изолирующего замещающего азота в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5 ppm, причем показатель качества (FM) видимости индивидуальных слоев составляет не более 0,15 и рассчитывается как произведение: FM=толщина (мм) слоев для первой группы слоев × толщина (мм) слоев для второй группы слоев × концентрация (ppm) твердотельного бора в первой группе слоев × глубина (мм) круглой бриллиантовой огранки.

Изобретение относится к способам обработки поверхности алмаза для его использования в электронной технике СВЧ. Способ включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей в инертной среде, с заданной скоростью, вблизи температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, при этом металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.

Изобретение относится к неорганическому синтезу искусственных алмазов размером до 150 мкм, которые могут найти промышленное применение в производстве абразивов и алмазных смазок, буровой технике.

Изобретение относится к области получения синтетических алмазов и может быть использовано в качестве детекторов ядерного излучения в счетчиках быстрых частиц, а также в ювелирном деле.

Изобретение относится к области технологии тонкопленочных материалов и может быть использовано при создании пассивных и активных элементов микро- и оптоэлектронных устройств.
Изобретение относится к поликристаллическому алмазу для использования в различных инструментах. Поликристаллический алмаз характеризуется тем, что содержит алмазные спеченные зерна, имеющие средний диаметр зерна более 50 нм и менее 2500 нм, чистоту 99% или более и диаметр зерна D90, составляющий (средний диаметр зерна + средний диаметр зерна × 0,9) или менее, причем поликристаллический алмаз обладает пластинчатой структурой и имеет твердость 100 ГПа или более.

Изобретение относится к технологии обработки монокристаллического CVD-алмазного материала. Описан способ введения NV-центров в монокристаллический CVD-алмазный материал.

Изобретение относится к процессу синтеза множества синтетических монокристаллических алмазов. Способ включает формирование множества затравочных подушек, каждая из которых содержит множество затравочных монокристаллов алмаза, прикрепленных к инертному держателю или внедренных в него, загрузку источника углерода, металлического катализатора и множества затравочных подушек в капсулу, при этом, по меньшей мере, часть источника углерода располагается на расстоянии менее 0,1 мм от затравочных монокристаллов алмаза, загрузку капсулы в пресс высокого давления и высокой температуры (ВДВТ) и подвергание капсулы циклу ВДВТ-роста для выращивания монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза, причем цикл ВДВТ-роста включает инициирование ВДВТ-роста монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза путем увеличения давления и температуры, поддержание ВДВТ-роста монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза посредством управляемого давлением процесса роста путем управления и поддержания давления и температуры и прекращение ВДВТ-роста монокристаллического алмазного материала на множестве затравочных монокристаллов алмаза путем уменьшения давления и температуры, при этом множество затравочных монокристаллов алмаза остаются прикрепленными к инертным держателям или внедренными в них во время цикла ВДВТ-роста.

Изобретение относится к технологии обработки алмаза и может быть использовано в микроэлектронной технике СВЧ. Способ обработки поверхности алмаза включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей до температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, причем металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.

Изобретение относится к нанесению покрытий путем проведения неравновесных процессов распыления в вакууме ионным пучком. Может использоваться для создания автоэмиссионных катодов, упрочнения рабочих кромок режущего инструмента, в частности хирургического, защиты от химически агрессивных сред и повышенных температур, требующих химической инертности и биосовместимости покрытий, высокой твердости и низкого трения, высокой теплопроводности покрытий.
Наверх