А.С. Руденков¹, М.А. Ярмоленко², А.А. Рогачев³, П.А. Лучников4

1,2 Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины (Республика Беларусь) 

1. Беларусский государственный университет транспорта (г. Гомель, Республика Беларусь) 
2. МИРЭА ‒ Российский технологический университет (Москва, Россия) 

1 arudenkov05@gmail.com, 2 simmak79@mail.ru, 3 rogachev78@mail.ru, 4 xamdex@gmail.com

Постановка проблемы. Одним из перспективных способов повышения механических, теплофизических свойств тонких покрытий является их армирование наноразмерными 2D-элементами, в частности углеродными наноструктурами. Вместе с тем реализация такого технологического приема, как правило, предполагает проведение сложных, последовательно проводимых операций, и актуальным является разработка методов вакуумного синтеза таких гетерогенных структур, осуществляемых в едином технологическом цикле с возможностью регулирования степени армирования, морфологии и фазового состава.

Цель работы ‒ установление особенностей формирования из газовой фазы, генерируемой лазерным диспергированием композиционной мишени, железосодержащих оксидных покрытий, армированных углеродными наноструктурами в процессе их осаждения, определение влияния условий и режимов процесса, термообработки на морфологию и фазовый состав наноструктурированных слоев.

Результаты разработки. Установлено, что при использовании в качестве мишени смеси полиэтилена с оксалатом железа в результате ее лазерного диспергирования на подложке формируются высокодисперсные слои, содержащие углеродные наноструктуры. При этом с увеличением содержания в мишени оксалата железа и при проведении термообработки покрытия размер зерен возрастает. Показано, что образованные в оксидной матрице углеродные структуры содержатся преимущественно в виде планарно расположенных нанотрубок, наименьшая дефектность которых проявляется в слоях, осаждаемых путем диспергирования смеси полиэтилена и оксалата железа c массовым соотношением компонентов 1:2.

Практическая значимость. Результаты исследований определяют высокую перспективность использования предлагаемого подхода при формировании армированных углеродными наноструктурами тонких покрытий с целью повышения их механических свойств. Определены основные технологические приемы изменения их структуры и фазового состава. 

1. Витязь П.А. Наноматериаловедение. Минск: Вышэйшая школа. 2015. 511 с.
2. Boul P.J. Reversible sidewall functionalization of buckytubes. Chemical Physics Letters. 1999. V. 310. P. 367–372.
3. Колокольцев С.Н. Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения. Долгопрудный: Интеллект. 2012. 296 с.
4. Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Лучников П.А., Рогачев А.В., Джанг С.Х. Микро- и нанокомпозиционные полимерные покрытия, осаждаемые из активной газовой фазы / Под ред. А.В. Рогачева. М.: Радиотехника. 2016. 424 с.
5. Чуриков А.В., Леенсон И.А. Об использовании оксалата железа FeC2O4·2H2O для синтеза электродного материала LiFePO4 // Электрохимическая энергетика. 2012. Т. 11. С. 14–20.
6. Zhang H.-B. Raman spectra of MWCNTs and MWCNT-based H2-adsorbing system. Carbon. 2002. V. 40. P. 2429–2436.
7. Song J.I. Formation of carbon nanotubes catalyzed by rare earth oxides. New Carbon Materials. 2013. V. 28. P. 191–198.
8. Chernyak S.A. N-doping and oxidation of carbon nanotubes and jellyfish-like grapheme nanoflakes through the prism of Raman spectroscopy. Applied Surface Science. 2019. V. 488. P. 51–60.
9. Haque A. Synthesis of diamond nanostructures from carbon nanotube and formation of diamond-CNT hybrid structures. Carbon. 2019. V. 150. P. 388–395.
10. Hur J. Raman intensity and vibrational modes of armchair CNTs. Chemical Physics Letters. 2017. V. 679. P. 45–51.
11. Tuinstra F., Koenig J.L. Raman spectrum of graphite. Journal of Chemical Physics. 1970. V. 53. P. 1126–1130.
12. Ferrari A.C. Density, sp3 fraction, and cross-sectional structure of amorphous carbon films determined by x-ray reflectivity and electron energy-loss spectroscopy. Physical Review B. 2000. V. 62. P. 11089–11103.
13. Kusiak-Nejman E. Hybrid carbon-TiO2 spheres: investigation of structure, morphology and spectroscopic studies. Applied Surface Science. 2018. V. 469. P. 684–690.
14. Thomsen C., Reich S. Double resonant Raman scattering in graphite. Physical Review Letters. 2000. V. 85. P. 5214–5217.
15. Wang Y., Alsmeyer D.C., McCreery R.L. Raman spectroscopy of carbon materials: structural basis of observed spectra. Chemistry of Materials. 1990. V. 2. P. 557–563.
16. Данишевский А.М. Комбинационное рассеяние света в нанопористом углерод, получаемом из карбида кремния и титана // Физика твердого тела. 2001. Т. 43. С. 132–149.
17. Dresselhaus M.S. Raman spectroscopy of carbon nanotubes. Physics Reports. 2005. V. 409. P. 47–99.
18. Aqel A. Carbon nanotubes, science and technology part (I) structure, synthesis and characterization. Arabian Journal of Chemistry. 2012. V. 5. P. 1–23.
19. Prawer S., Nemanich R.J. Raman spectroscopy of diamond and doped diamond. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2004. V. 362. P. 2537–2565.
20. Piliptsou D.G. Rudenkov A.S.; Rogachev A.V., Xiaohong Jiang, Lychnikov P.A., Emel'yanov V.A. XPS study of the structure of nitrogen doped a-C film. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. V. 168. P. 012103 (Р.1). DOI: 10.1088/1757-899X/168/1/012103.
21. Подгорный В.И., Белашев Б.З., Осауленко Р.Н., Терновой А.Н. Получение образцов карбидов в плазме дугового разряда // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. C. 77–81.
22. Iconaru S.L., Guégan R., Popa C.L., Motelica-Heino M., Ciobanu C.S., Predoi D. Magnetite (Fe3O4) nanoparticles as adsorbents for As and Cu removal. Applied Clay Science. 2016. V. 134. P. 128–135. 
23. Mercaldo L.V. First and second-order Raman scattering in Si nanostructures within silicon nitride. Applied Physics Letters. 2010. V. 97. P. 153112-1–153112-3.