Влияние имплантации ионов углерода на адгезию и свойства аморфных углеродных пленок на германии

Предложен метод синтеза аморфных гидрогенизированных (a-C:H) пленок углерода с высокой адгезией, основанный на имплантации ионов углерода в подложку из монокристаллического германия. Поток ионизированного углерода создавался источником ионов с азимутальным дрейфом электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. В область с повышенной концентрацией электронов вводили газ пропан. Расход газа - от 4,5 до 10 см³/мин. Ионизованные фрагменты пропана, включая углерод, ускорялись электрическим полем и осаждались на подложку. При этом ионизированный углерод внедрялся в поверхностный слой германия, создавая переходную область, обеспечивающую сцепление с напыляемой пленкой. Подложка предварительно обрабатывалась ионами аргона в течение нескольких минут. Синтез покрытия включает двух-этапное осаждение. На первом этапе пленки осаждались ионным пучком со средней энергией около 1,6 кэВ в течение от 0,5 до 1 часа для получения адгезионного слоя. Затем средняя энергия пучка уменьшалась до 0,3 кэВ, и осаждение продолжалось в течение 3,5 часов для сохранения твердости покрытий. Скорость роста покрытий составила 1,8 нм/мин при осаждении из ионных пучков со средней энергией 0,3 кэВ и 7,8 нм/мин при средней энергии пучка 1,6 кэВ. Адгезия, связь покрытия с подложкой высокая: отрыв отсутствует при скрайбировании алмазным наноиндентором Берковича с нагрузкой до 50 мН. Твердость покрытия достигает 20 ГПа. Толщина пленки - 600 нм. Спектроскопические исследования показали, что максимум пропускания германия с односторонним a-C:H покрытием - 67 % на длине волны 5 мкм, а монокристаллического Ge - 51 %. Результаты работы могут быть использованы при создании защитных просветляющих покрытий оптических систем, создании медицинских имплантов и в механических устройствах.

аморфные углеродные гидрогенизированные пленки, адгезия, просветляющие покрытия на германии

1. Peng S. et al. Effects of the ion-beam voltage on the properties of the diamond-like carbon thin film prepared by ion-beam sputtering deposition. Chinese Physics B, 2015, vol. 24, no. 6, p. 067803.

2. Ankit K. et al. Synthesis of high hardness IR optical coating using diamond-like carbon by PECVD at room temperature. Diamond and Related Materials, 2017, vol. 78, p. 39-43.

3. Lu Y. et al. Diamond-like carbon film with gradient germanium-doped buffer layer by pulsed laser deposition. Surface and Coatings Technology, 2018, vol. 337, p. 290-295.

4. Ismail R. A. et al. Synthesis of diamond-like carbon films by electro-deposition technique for solar cell applications. Optical and Quantum Electronics, 2016, vol. 48, no. 1, p. 16.

5. Grill A. Electrical and optical properties of diamond-like carbon. Thin Solid Films, 1999, vol. 355, p. 189.

6. Xu J. et al. Influence of electric field on laser damage properties of DLC films by unbalanced magnetron sputtering. Applied Surface Science, 2013, vol. 265, p. 234-238.

7. Hakovirta M. et al. Correlation of carbon ion energy with sp2sp3 ratio in amorphous diamond films produced with a mass-separated ion beam. Physics Letters A, 1995, vol. 205, no. 4, p. 287-289.

8. Kim W. R. et al. Effect of voltage on diamond-like carbon thin film using linear ion source. Surface and Coatings Technology, 2014, vol. 243, p. 15-19.

9. Shevchenko E. F. et al. Diamond-like carbon film deposition using DC ion source with cold hollow cathode. Advances in Materials Science and Engineering, 2014, vol. 2014.

10. Suschke K. et al. High energy radial deposition of diamond-like carbon coatings. Coatings, 2015, vol. 5, no. 3, p. 326-337.

11. Murmu P. P. et al. A novel radial anode layer ion source for inner wall pipe coating and materials modification - hydrogenated diamond-like carbon coatings from butane gas. Review of Scientific Instruments, 2014, vol. 85, no. 8, p. 085118.

12. Tompkins H. G., Irene E. A. (eds.). Handbook of Ellipsometry. New York, William Andrew Publ., 2005, 892 p.

13. Tolmachev V. A. Adsorption-ellipsometry method of studying the optical profile, thickness, and porosity of thin films. Journal of Optical Technology, 1999, vol. 66, no. 7, p. 596.

14. Korsunsky A. M. et al. On the hardness of coated systems. Surface and Coatings Technology, 1998, vol. 99, no. 1-2, p. 171-183.

15. Gibbons J. F., Johnson W. S., Hylroic S. W. Projected Range Statistics: Semiconductors and Related Materials. 2nd ed. Stroudsbury, PA, Halsted Press, 1975, 93 p.

16. Nusupov K. K. et al. Structural studies of thin silicon layers repeatedly implanted by carbon ions. Physics of the Solid State, 2006, vol. 48, no. 7, p. 1255-1267.

17. Ferrari A. C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B, 2000, vol. 61, no. 20, p. 14095.

18. Casiraghi C., Ferrari A. C., Robertson J. Raman spectroscopy of hydrogenated amorphous carbons. Physical Review B, 2005, vol. 72, no. 8, p. 085401.

19. Robertson J. Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering: Reports, 2002, vol. 37, no. 4-6, p. 129-281.