Учёные нашли способ изготавливать алмазные плёнки с нужной шероховатостью. Для этого авторы использовали плазму, куда периодически добавляли азот. Об этом сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.
Алмаз является самым твёрдым материалом на Земле. Он также отличается прозрачностью и высокой теплопроводностью. Благодаря этим характеристикам алмазные плёнки находят применение в качестве эффективных охладителей для мощных электронных устройств и в оптических приборах, чувствительных к перегреву. Однако их использование ограничено из-за высокой шероховатости поверхности, которая приводит к рассеянию света. Для улучшения качества алмазных плёнок их обычно полируют, что является трудоёмким и дорогостоящим процессом из-за высокой твёрдости алмаза. Для покрытий на деталях сложной формы этот метод часто оказывается неприменим.
Учёные из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН и МИРЭА – Российского технологического университета разработали метод синтеза толстых алмазных плёнок с более гладкой поверхностью. Они использовали метод микроволнового плазмохимического осаждения, при котором плёнка «выращивается» в вакуумной камере с помощью газообразных веществ-предшественников. В камеру были закачаны водород и метан, последний из которых служил источником углерода. Микроволновое излучение создавало плазму, в которой формировались активные частицы, способствующие росту алмазных кристаллов на подложке.
В процессе синтеза учёные периодически добавляли в камеру азот, который стимулировал образование мелких кристаллов и предотвращал формирование крупных частиц. Каждая «инъекция» азота продолжалась всего пять минут и приводила к осаждению тонкого слоя нанокристаллического алмаза. После этого подача азота прекращалась, и ранее сформировавшиеся кристаллы продолжали расти в стандартном режиме. Следующая порция азота вновь запускала образование мелких кристаллов, предотвращая укрупнение зёрен.
Повторяя этот цикл, исследователи создали плёнки с различным количеством чередующихся мелко- и крупнозернистых слоёв. Это позволило им изучить влияние структуры материала на его свойства. Эксперименты показали, что чем больше было мелкокристаллических слоёв, тем smoother становилась поверхность плёнки. Введение 100 таких слоёв позволило уменьшить шероховатость исходной плёнки в 13 раз.
«Мы не стремились сделать всю пленку нанокристаллической, поскольку такая структура может снижать теплопроводность и пропускание инфракрасного излучения. Вместо этого мы научились управлять размером кристаллов непосредственно во время роста, изменяя частоту коротких добавок азота в плазму. Это позволяет получать толстые алмазные пленки с существенно более гладкой поверхностью и подбирать их тепловые, электрические и оптические характеристики под конкретные задачи», – поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Артём Мартьянов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН.
Новый метод выращивания позволяет создавать алмазные плёнки с заранее заданными свойствами. Эти материалы можно адаптировать под различные задачи прямо в процессе синтеза, будь то теплоотводы для мощных электронных устройств, защитные покрытия или элементы инфракрасной оптики. Технология существенно уменьшает потребность в механической полировке алмазных плёнок, а в определённых случаях позволяет полностью отказаться от неё. Это может снизить затраты на производство алмазных изделий и расширить возможности нанесения покрытий на сложные поверхности. В будущем исследователи намерены использовать метод для получения микро- и наночастиц, которые найдут применение в биомедицине и оптических сенсорах. Также они работают над разработкой многослойных структур, включающих чередующиеся слои алмаза и графита.
Учёные работают над улучшением свойств самых разных плёнок — от алмазных до биоразлагаемых. Как рассказывала интернет-газета «ЖУК», учёные Плехановского университета совместно с коммерческим партнёром создали полностью биоразлагаемый материал. Полученная из него тонкая полимерная плёнка разлагается в естественных условиях без промышленного компостирования и защищена патентом.