Влияние режимов нанесения наноструктурированных нитридных и карбонитридных покрытий на их структуру, оптические и электрофизические свойства

  • Станислав Валерьевич Константинов Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Фадей Фадеевич Комаров Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Игорь Викторович Чижов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Валерий Александрович Зайков Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Дмитрий Владимирович Жигулин «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Методом реактивного магнетронного распыления с использованием различных режимов нанесения сформированы наноструктурированные нитридные (TiAlCuN) и карбонитридные (TiAlCuCN) покрытия. Изучены структура, морфология, оптические и электрофизические свойства полученных покрытий, такие как толщина пленки (h), средняя шероховатость (Sa), коэффициент солнечного поглощения (αs), коэффициент излучения (ε0), отношение коэффициента солнечного поглощения к коэффициенту излучения (αs/ε0), равновесная температура (Tр), коэффициент фототермического преобразования (η), поверхностное сопротивление (R□), удельное сопротивление (Rуд), плазменная длина волны (λp), концентрация электронов (N) и подвижность носителей заряда (μ). Установлено, что данные покрытия являются электропроводящими. Введение углерода в состав покрытия TiAlCuN приводит к измельчению его структуры, формированию преимущественно глобулярной морфологии, делая материал более однородным по поверхности и глубине. Покрытия, нанесенные с использованием мишени, состоящей из 46 ат. % Ti, 46 ат. % Al, 8 ат. % Cu, имеют бóльшие коэффициент солнечного поглощения (на 32 %), коэффициент излучения (на 69 %) и коэффициент фототермического преобразования (на 31 %), меньшие отношение коэффициента солнечного поглощения к коэффициенту излучения (на 21 %) и равновесную температуру (на 50 %), чем образцы, полученные посредством распыления мишени, включающей 69 ат. % Ti, 23 ат. % Al, 8 ат. % Cu. Установлено, что добавление меди в состав нитрида TiAlN при оптимальных условиях нанесения приводит к уменьшению удельного сопротивления покрытия TiAlCuN в 4,0 –7,5 раза по сравнению с таковым покрытия TiAlN. Полученные наноструктурированные покрытия TiAlCuN и TiAlCuCN перспективны для использования в качестве терморегулирующих покрытий для корпуса, систем и устройств малых космических аппаратов.

Биографии авторов

Станислав Валерьевич Константинов, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; ведущий научный сотрудник лаборатории элионики

Фадей Фадеевич Комаров, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, академик НАН Беларуси, профессор; заведующий лабораторией элионики

Игорь Викторович Чижов , Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий. Научный руководитель – С. В. Константинов

Валерий Александрович Зайков, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший научный сотрудник кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Дмитрий Владимирович Жигулин, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

начальник сектора физико-технического анализа государственного центра «Белмикроанализ»

Литература

  1. Komarov FF, Konstantinov SV, Chizhov IV, Zaikov VA, Zubar TI, Trukhanov AV. Nanostructured TiAlCuN and TiAlCuCN coatings for spacecraft: effects of reactive magnetron deposition regimes and compositions. RSC Advanced. 2023;13(27):18898–18907. DOI: 10.1039/D3RA02301J.
  2. Konstantinov SV, Komarov FF, Chizhov IV, Zaikov VA. Structural-phase states and micromechanical properties of nanostructured TiAlCuN coatings. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2023;67(2):101–110. Russian. DOI: 10.29235/1561-8323-2023-67-2-101-110.
  3. Konstantinov SV, Wendler E, Komarov FF, Zaikov VA. Radiation tolerance of nanostructured TiAlN coatings under Ar+ ion irradiation. Surface and Coatings Technology. 2020;386:125493. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125493.
  4. Komarov FF, Konstantinov SV, Zaikov VA, Pil’ko VV. Effects of proton irradiation on the structural-phase state of nanostructured TiZrSiN coatings and their mechanical properties. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2021;94(6):1609–1618. DOI: 10.1007/s10891-021-02442-2.
  5. Konstantinov SV, Komarov FF. Effects of nitrogen selective sputtering and flaking of nanostructured coatings TiN, TiAlN, TiAlYN, TiCrN, (TiHfZrVNb)N under helium ion irradiation. Acta Physica Polonica A. 2019;136(2):303–309. DOI: 10.12693/APhysPolA.136.303.
  6. Konstantinov SV, Komarov FF, Pilko VV, Kukareko VA. Wear resistance and radiation tolerance of He+-irradiated magnetron sputtered TiAlN coatings. High Temperature Material Processes. 2014;18(1–2):135–141. DOI: 10.1615/HighTempMatProc.2015015569.
  7. Uglov VV, Abadias G, Zlotski SV, Kvasov NT, Saladukhin IA, Malashevih AA. Blister formation in ZrN/SiN multilayers after He irradiation. Surface and Coatings Technology. 2018;344:170–176. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.095.
  8. Popović M, Novaković M, Pjević D, Vaňa D, Jugović D, Tošić D, et al. Investigating on the microstructure and optical properties of Au, Ag and Cu implanted TiN thin films: the effects of surface oxidation and ion-induced defects. Journal of Alloys and Compounds. 2024;976:173046. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.173046.
  9. Uglov VV, Abadias G, Zlotski SV, Saladukhin IA, Cherenda NN. Surface blistering in ZrSiN nanocomposite films irradiate with He ions. Surface and Coatings Technology. 2020;394:125654. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125654.
  10. Veszelei M, Veszelei E. Optical properties and equilibrium temperatures of titanium-nitride- and graphite-coated Langmuir probes for space application. Thin Solid Films. 1993;236(1–2):46–50. DOI: 10.1016/0040-6090(93)90640-B.
  11. Xu Ke, Du Miao, Hao Lei, Mi Jing, Yu Qinghe, Li Shijie. A review of high-temperature selective absorbing coatings for solar thermal applications. Journal of Materiomics. 2020;6(1):167–182. DOI: 10.1016/j.jmat.2019.12.012.
  12. Klimovich IM, Komarov FF, Zaikov VA. Influence of substrate heating and bias potential on the Ti – Al – C – N coatings optical characteristics. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2018;62(4):415–422. Russian. DOI: 10.29235/1561-8323-2018-62-4-415-422.
  13. Wainstein DL, Vakhrushev VO, Kovalev AI. Control of optical properties of metal-dielectric planar plasmonic nanostructures by adjusting their architecture in the case of TiAlN/Ag system. Journal of Physics: Conference Series. 2017;857:012054. DOI: 10.1088/1742-6596/857/1/012054.
  14. Brodskii AM, Urbakh MI. [The effect of the microscopic structure of metal surfaces on their optical properties]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1982;138(3):413–453. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.0138.198211b.0413.
  15. An L, Ali ST, Søndergaard T, Nørgaard J, Tsao Y-C, Pedersen K. Optimization of TiAlN/TiAlON/Si3N4 solar absorber coatings. Solar Energy. 2015;118:410–418. DOI: 10.1016/j.solener.2015.05.042.
  16. Jyothi J, Biswas A, Sarkar P, Soum-Glaude A, Nagaraja HS, Barshilia HC. Optical properties of TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSiO tandem absorber coatings by phase-modulated spectroscopic ellipsometry. Applied Physics A. 2017;123(7):496. DOI: 10.1007/s00339-017-1103-2.
  17. Lengauer W, Binder S, Aigner K, Ettmayer P, Guillou A, Debuigne J, et al. Solid state properties of group IVb carbonitrides. Journal of Alloys and Compounds. 1995;217(1):137–147. DOI: 10.1016/0925-8388(94)01315-9.
Опубликован
2024-05-16
Ключевые слова: реактивное магнетронное распыление, наноструктурированные покрытия TiAlCuN и TiAlCuCN, оптические свойства, электрофизические свойства, космическое материаловедение
Как цитировать
Константинов, С. В., Комаров, Ф. Ф., Чижов , И. В., Зайков, В. А., & Жигулин, Д. В. (2024). Влияние режимов нанесения наноструктурированных нитридных и карбонитридных покрытий на их структуру, оптические и электрофизические свойства. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 69-83. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/6097
Выпуск
№ 2 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2024 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).