.

Научно-производственное предприятие
«Композитные материалы и технологии»

Санкт-Петербург

ПPЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНА
ДЛЯ ОБДИРКИ В ТАНДЕМНЫХ УСКОРИТЕЛЯХ

А.В. Васин 1, Л.А. Матвеева 1, Г.Н. Козерацкая 2, А.В. Русавский2, Ю.И. Тоцкий2, И.Н. Вишневский2
1 Институт физики полупроводников НАН Украины,
2 Институт ядерных исследований НАН Украины

Рассмотрена проблема радиационной сопротивляемости углеродной пленки для обдирки. Дан краткий обзор экспериментальных данных, представленных в литературе, а также собственных экспериментальных данных, полученных авторами. В статье рассматривается возможность использования композитных углеродных пленок на основе фуллерена для создания пленки для обдирки. Предложены некоторые технологические решения по приготовлению таких пленок. Рамановское рассеяние и атомно-силовая микроскопия были использованы для исследования свойств фуллереновых и композитных пленок, получаемых испарением фуллеренового порошка C60. Номер в физико-астрономической классификации Американского физического института (PACS) 29.17.+w1.

Введение

Твердая пленка для обдирки (SSSF) для тандемных ускорителей имеет некоторые преимущества в сравнении с газовыми мишенями. Например, использование твердой пленки для обдирки обеспечивает более высокий средний уровень заряда ионов и, следовательно, более высокую выходную энергию и, что важнее, более высокую интенсивность пучка при определенном уровне энергии. Углеродная пленка для обдирки обычно используется для обдирки, т.к. обладает устойчивостью при высоких температурах в вакууме и имеет хорошую электрическую и тепловую проводимость. Для поддержания низкого уровня многократного рассеяния, необходимо использовать материалы с низким значение Z. Углерод имеет одно из наиболее низких значений Z, а также может быть преобразован в тонкую пленку для выполнения поставленной задачи.

Но есть и очень важный недостаток. Углеродные пленки имеют ограниченное время жизни при радиационном воздействии. Уровень наносимого радиацией вреда пропорционален интенсивности ионного пучка и массе ионов. Факторы, ограничивающие срок жизни пленки: (i) увеличение толщины пленки и (ii) стягивание пленок в районе облучения [1], что приводит к разрыву обдирного материала. Как будет показано ниже, все эти факторы являются следствием восстановления структуры углеродных пленок стимулирующим облучением.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

До конца 70-х годов прошлого века основными технологиями, использовавшимися для приготовления автономных углеродных пленок, были испарение графита пучком электронов и с помощью электрической дуги. Но в 1979 году в результате сотрудничества групп Лаборатории Дэрсбери и Агентства Атомной Энергии получил развитие метод химического парофазного осаждения для получения гидрогенизированных углеродных пленок для обдирки [1-3]. Длительность жизни таких пленок была увеличена благодаря фактору порядка. В то же время было проведено систематическое исследование эффекта облучения на восстановление структуры в гидрогенизированных аморфных углеродных пленках [4, 5]. Был сделан вывод, что при бомбардировке ионами активируется тепловой процесс графитизации (упорядочивание структуры в аналогичную графитовой). Авторы объясняют улучшенную радиационную сопротивляемость таких пленок тем, что происходит модификация ближнего порядка при бомбардировке ионами во время процесса осаждения.

В 80-х годах в Мюнхенском техническом университете исследователи провели сравнительное комплексное изучение воздействия особенностей ближнего порядка (таких как распределение ориентации графитоподобных нанокристаллитов ) на радиационную сопротивляемость углеродных пленок для обдирки [6, 7]. Структура кристаллитов графита в высшей степени анизотропна. Атомы углерода очень плотно расположены в базовых плоскостях («графеновые листы») и скреплены сильными ковалентными связями. Но «графеновые листы» соединяются друг с другом слабыми ван-дер-ваальсовскими связями. Межатомное расстояние в «графеновых листах» составляет 0,14 нм в то время как расстояние между «графеновыми листами» составляет более 0,3 нм. Уровень анизотропности был измерен по соотношению отражения дифракции электронов I002/I100. Также был предложен и обоснован механизм разрушения пленок для обдирки под воздействием бомбардировки тяжелыми ионами. Обычные методы осаждения, такие как испарение пучком электронов или электрической дугой, приводят к формированию пленок со структурой имеющей в большинстве случаев ориентацию «графеновых листов» в графитоподобных кристаллитах параллельно плоскости пленки. При ионной бомбардировке рассеяние энергии ионов из-за силы сопротивления приводит к нагреванию углеродного материала в области облучения и вследствие этого, к процессу графитизации. Благодаря наличию начальной структуры графитизированная область также имеет желаемую ориентацию. Скопление междоузлий между «графеновыми листами» и диффузия пустот по границе нанокристаллитов приводит к известному уже эффекту увеличения вдоль оси C и сжатию в базовой плоскости [8]. Очевидно, углеродные пленки, имеющие структуру графитоподобных нанокристаллитов по оси C перпендикулярно плоскости самой пленки будут подвержены силе сжатия и в конце концов разрушатся. Если ориентация графитоподобных нанокристаллитов является равнонаправленной, то тогда эффект анизотропных изменений в объеме графитоподобных нанокристаллитов будет скомпенсирован.

Эта группа ученых разработала метод лазерной абляции для осаждения углеродных пленок и доказала, что эти пленки имеют почти изотропную структуру и повышенную радиационную сопротивляемость по сравнению с методом химического парофазного осаждения [6].

В предыдущей нашей работе было показано, что уровень изотропности аморфных углеродных структур может успешно варьироваться путем изменения интенсивности ионной бомбардировки во время процесса осаждения [9].

Но сама природа предоставляет нам полностью изотропный углеродный материал. Это фуллерен. Фуллерен – общее название для целой группы близких к углероду молекул, которые были открыты около 10 лет назад [10]. Наиболее стабильными из них являются молекулы C60 и C70, имеющие 60 и 70 атомов углерода соответственно (Рис. 1). В твердом состоянии эти молекулы существуют в форме кубических молекулярных кристаллов (фуллеритов). Эта структура в высшей степени изотропна по сравнению с графитоподобными структурами обычных аморфных углеродных пленок. Хотелось бы измерить потенциал использования подобного материала для создания пленок для обдирки, но при этом возникает несколько проблем

  1. Фуллерены имеют низкую температуру сублимации (около 500°C). Это упрощает процесс испарения, но известно, что температура облучаемой зоны пленки для обдирки может достигать 1000°C и поэтому чистые фуллереновые пленки не могут быть эффективны при данной температуре.
  2. Несмотря на большие достижения в развитии технологии производства фуллеренов в массовом количестве, их коммерческая доступность по-прежнему невысока (примерно 35-45 долларов США за грамм чистого порошка C60).

Fig. 1. Fulleren molecules C60 and C70.

Первую проблему можно решить двумя путями. Можно составить «послойную» структуру: аморфный углерод/фуллерен/ аморфный углерод (Рис. 2). Благодаря большому размеру (диаметр около 0,7 нм) молекулы фуллерена не могут распространятся по поверхности пленки через аморфный углерод и сублимируются. Для снижения стоимости пленок можно использовать фуллерен, обогащенный угольной сажей, в качестве испаряемого фуллеренового материала.

Fig. 2. “Sandwich” structure a-C/C60/a-C.

Вторая возможная структура – композитная пленка, составленная из агломератов фуллерена, вставленных в матрицу аморфного углерода. Подобная структура может быть подготовлена при позиционном расположении аморфного углерода (дуговое или электронное испарение) и фуллеренов (сублимация). Но оказалось доступен и более простой способ. .

Мы исследовали структуру пленок осаждаемых термальным испарением чистого порошка C60 в зависимости от скорости осаждения. Чистый порошок C60 был сублимирован из эффузиционной ячейки тантала при температуре около 600°C. Один силиконовый субстрат был зарегистрирован на расстоянии 4 см от ячейки тантала, другой– на расстоянии 10 см от испарителя. Такая конфигурация осаждения позволяет производить образцы, осажденные в тех же самых условиях, но с другой скоростью осаждения. Скорость осаждения составляла около 0,5 нм/мин и 0,1 нм/мин для различных субстратов.

Спектроскопия рамановского рассеяния (RS) была использована для характеристики наноструктуры пленок. Морфология поверхности пленок была проанализирована с помощью атомно-силовой микроскопии.

Спектры рамановского рассеяния для пленок представлены на Рис. 3. Спектр рамановского рассеяния для пленки, осажденной при низкой скорости, типичен для пленок C60 и состоит из трех линий 1426 см1, 1470 см"1 и 1578 см"1 (рис. 3, спектр 1), которые могут быть с уверенностью приписаны внутримолекулярному режиму колебаний с симметрией Hg, Ag и Hg, [11,12].

Fig. 3. Raman spectra of the films deposited at lower

Спектры рамановского рассеяния для пленок, осажденных при более высоких скоростях, более сложны (Рис. 3, спектр 2). Широкие полосы с центрами около 1400 см"1 и 1600 см"1 соответствуют D («неупорядоченной») и G («графитовой») полосам соответственно аморфного углерода и графитоподному ближнему порядку. Узкая линия 1470 см"1 доказывает, что пленка содержит молекулы C60 (Ag режим)

На Рис. 4 представлено изображение морфологии поверхности двух различных углеродных пленок, полученное в результате атомно-силовой микроскопии. Можно увидеть, что морфология поверхности пленок различна, как и рамановские спектры. Поверхность чистой фуллереновой пленки состоит из агломератов молекул фуллерена, что типично для нанокристаллических фуллереновых пленок. Морфология поверхности композитной пленки C/C60 шероховатее и напоминает морфологию аморфно-углеродной пленки, осажденной DC магнетронным распылением [9].

Данные результаты позволяют сделать следующие выводы: 1) при высоких скоростях осаждения молекулы фуллерена могут преобразовываться в графитоподобные нанокристаллиты; 2) композитная структура C/C60 с различной фазовой структурой может быть создана с помощью варьирования скорости осаждения во время сублимации фуллерена.

Fig. 4. AFM image of the surface morphology of the

Очевидно, что необходимо проводить дальнейшие исследования для изучения реальных свойств этих пленок в рабочих условиях, включая радиационную сопротивляемость при ионной бомбардировке. Повреждения от радиации в большинстве случаев приводят к соединению молекул C60 в графитоподобные кластеры. Но можно ожидать, что «графеновые листы» в новых углеродных кластерах будут ориентированы вдоль падающего пучка ионов [6, 7]. Повреждения от радиации в таких структурах не будут приводить к сжатию или прорыву пленок.

3 Заключение

Проведены первые оценки эффективности применения композитных углеродных пленок на основе фуллерена для тандемных ускорителей. Были предложены некоторые технологические методы изготовления композитных углеродных пленок на основе фуллерена.