Металло-углеродные пленки на основе линейно

Кочаков В.Д.,1 Новиков Н.Д.,1 Яблоков М.Ю.,2
Ерёмкин А.В.,1 Васильев А.И.1 
1
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
2
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ МЕТАЛЛАМИ ПЛЕНОК УГЛЕРОДА В sp1
СОСТОЯНИИ
Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП проект № 2.1.1/1016.
Структура и свойства пленок линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) в состоянии sp1
описаны в обзорной работе [1; 2]. На основании многочисленных исследований сделан
вывод, что пленка ЛЦУ представляет собой кристалл из кумуленовых цепочек углерода
гексагональной структуры с расстоянием между цепочками ~ 5 Ǻ [3]. На рисунке 1
представлена модель пространственного расположения кумуленовых цепочек углерода
относительно подложки (а) и модель межцепочечного пространства в пленке ЛЦУ (в).
Рисунок 1. Модель пленки линейно-цепочечного углерода
Указанные расстояния между молекулами цепочечного углерода предполагают
наличие только Ван-дер-Ваальсовых сил между ними. Похожая ситуация наблюдается в
кристаллах графита между слоями графенов, чем воспользовались ученые для внедрении
(интеркалировании) атомов других веществ с целью получения новых свойств материалов
на основе углерода в sp2 состоянии. В случае пленок ЛЦУ внедрение можно осуществить
с поверхности.
Эксперименты по внедрению в межцепочечное пространство пленки ЛЦУ атомов
других элементов ранее осуществлялось путем их допирования в процессе синтеза. Этим
способом были получены пленочные материалы со свойствами диэлектриков,
полупроводников и металлов, на основе которых выполнены элементы пассивной и
активной электроники.
В данном сообщении представлен материал о новом способе модификации пленок
ЛЦУ с целью получения пленочных материалов с новыми физико-химическими
свойствами. Эксперименты проводились на образцах, которые готовились по схеме
показанной на рисунке 2.

Кочаков В.Д., Новиков Н.Д., Яблоков М.Ю., Ерёмкин А.В., Васильев А.И., 2009 г.
Рисунок 2. Структура объекта исследования
На подложку (стекло, кварц, ситалл, кремний, слюда и т.д.) в вакууме напылялся
слой металла заданной толщины. Поверх слоя металла ионно-плазменным методом
синтезировалась пленка ЛЦУ с регулируемой толщиной. Таким образом, исходный объект
исследования представлял собой пространственно разнесённые пленки металла и пленки
ЛЦУ. Далее объект подвергался отжигу, как на воздухе, так и в вакууме при температурах
350°С – 450°С.
Эксперименты проводились с пленками металлов Al, Ti, Ni, Ag, Cd, Cu, Te, Sn. По
результатам проведенных экспериментов можно выделить две основные особенности,
проявляющиеся при термообработке указанных двухслойных систем.
Изменение прозрачности.
На рисунке 3, в качестве примеров, приведены пленочные системы теллур – ЛЦУ (а)
и кадмий – ЛЦУ (б) до и после отжига.
Рисунок 3. Системы Te – ЛЦУ (а) и Cd – ЛЦУ (б) на стекле. 1-до отжига, 2-после
отжига
Спектры пропускания указанных систем получены на спектрофотометре Lambda –
25 и представлены на рисунках 4 и 5.
Рисунок 4. Спектр пропускания пленочной системы Te – ЛЦУ
Рисунок 5. Спектр пропускания пленочной системы Cd – ЛЦУ
На рисунке 5 маркером выделена длина волны 600 нм. Приведенные на графике
цифры свидетельствуют, что при термообработке процент пропускания в диапазоне 600 –
1100 нм увеличился в восемь раз.
Изменение морфологии поверхности в сторону увеличения зернистости.
Данное утверждение иллюстрируется рисунком 6. Топография поверхностей
получена на приборе Femtoskan в атомно-силовом режиме.
Электрофизические характеристики представленных в данной статье систем при
отжиге изменились. Так пленка теллур-ЛЦУ после отжига не проводит электрический ток,
а пленка кадмий-ЛЦУ осталась проводящей. Её сопротивление увеличилось в 52,5 раза
(с 40 Ом до 2,1 кОм).
Как следует из приведенных результатов экспериментов, при отжиге двухслойных
металл-углеродных систем образуется однородное пленочное покрытие. Однородность
полученной пленки можно объяснить взаимным проникновением двух материалов за счет
термодиффузии. Если между углеродом в sp1 состоянии и атомом металла нет
химического взаимодействия, то это проникновение подходит под определение –
интеркаляция (по аналогии с графитом в котором углерод находится в sp2 состоянии).
Рисунок 6. Топографии поверхности образцов до (1) и после (2) отжига
При нагреве до 450°С в полимерной цепочке ЛЦУ возможен разрыв π-связи,
который может сопровождаться реакцией присоединения атома металла. С целью
выяснения данного обстоятельства были получены спектры РЭФС указанных образцов.
Спектры приведены на рисунке 7.
теллур
573,3 Эв
1220
1200
1180
1160
1140
1100
570
кадмий
575
580
585
275
590 Эв
280
285
1500
405,7 Эв
290
295 Эв
285,4 Эв
углерод
1450
412,5 Эв
игтенсивность
2200
интенсивность
285,4 Эв
углерод
1120
565
2400
1240
584,1 Эв
интенсивность
интенсивность
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
2000
1800
1600
1400
288,6 Эв
1350
1300
1250
1400
395
400
405
410
415
420
Эв
425
275
280
285
290
295 Эв
Рисунок 7. Спектры РЭФС пленок Te-ЛЦУ и Cd- ЛЦУ после отжига
Атомные концентрации элементного состава исследованных пленок указаны в
таблице 1.
Таблица 1
Проведенный анализ полученных спектров РЭФС с применением литературных
данных по химическому сдвигу свидетельствует о реакции присоединения теллура к
углеродной цепочке через кислород (С-ОTe -285,4 Эв) и кадмия (С-ОCd -285,4 Эв; СООMe -288,8 Эв). Однако литературные данные свидетельствуют, что теллур и кадмий с
углеродом непосредственно не взаимодействуют. В данном утверждении
предполагается, что взаимодействие отсутствует с углеродом в sp2 состоянии. В наших
опытах применялись пленки на 99% состоящих из углерода в sp1 состоянии [4].
Литература
1. V.Babaev, M.Guseva, V.Khvostov, N.Novikov, P.Flood, Carbon Material with Highly
Ordered Linear-Chain Structure, in “POLYYNES - Synthesis, Properties, Applications”, edr.
Fr.Cataldo, CRC press, USA, pp.219-252, 2005
2. Weigi Luo, W. Windl. Carbon. 2009, Vol. 47. P. 367-383.
3. Н.Д. Новиков, В.Г. Бабаев, М.Б. Гусева, В.В. Хвостов, Д.Н. Новиков. Вестники
московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2002. № 2. С.57-60
4. Guseva M.B., Babaev V.G., Novikov N.D. PCT Patent. International Application Number
PCT/IB96/01487. December 18 (1996); WO 97/25078, July 17 (1997). US Patent 6.454.797 B2,
US Patent 6.335.350 Bl.