Наноструктурированные углеродные пленки, полученные методом осаждения в плазме СН4 с последующей термообработкой: структурные особенности, их влияние на электрические и оптоэлектронные свойства

В работе представлены результаты исследования структуры, электрических и оптоэлектронных свойств наноструктурированных углеродных пленок, полученных методом осаждения в плазме метана с последующей термообработкой. Показано, что условия получения пленок влияют на конечные физико-химические параметры. Изучение морфологии пленок проведено методами атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, рамановской и рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии, анализа вольтамперных характеристик (ВАХ). Толщины пленок составляют от 20 до 150 нм с отношением содержания атомов углерода к атомам кислорода (C/O) 4:1. Исследования структуры показали, что полученные пленки состоят из нанографитовых чешуек, латеральные размеры которых лежат в диапазоне от 5 до 12 нм с различным соотношением sp³/sp² кристаллических фаз углерода. Установлено, что с увеличением температуры постплазменной термообработки от 650 до 800 °С повышается дефектность структуры углеродных пленок. В то же время растет степень графитизации, на что указывают данные рамановской спектроскопии и значения слоевых сопротивлений, определенные из ВАХ. Из температурных зависимостей ВАХ были вычислены значения фототоков, показавшие, что образцы проявляют фоточувствительность в диапазоне температур от комнатной температуры до –173 °С. Данные результаты могут быть полезны при создании сенсоров дневного и ночного освещения, а также датчиков температуры, пригодных для использования в широком интервале температур.

1. Zeng Y. et al. Thermally conductive reduced graphene oxide thin films for extreme temperature sensors. Advanced Functional Materials. 2019;29(27):1901388 https://doi.org/10.1002/adfm.201901388.

2. Neumaier D. et al. Integrating graphene into semiconductor fabrication lines. Nature materials. 2019;18(6): 525–529. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0359-7.

3. Wang Z. et al. Recent advances in 3D graphene architectures and their composites for energy storage applications. Small. 2019;15(3):1803858. https://doi.org/10.1002/smll.201803858.

4. Aslan N. Structural, photovoltaic and optoelectronic properties of graphene–amorphous carbon nanocomposite. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2021;32(12):16927–16936. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06254-1.

5. Yu D. et al. Scalable synthesis of hierarchically structured carbon nanotube–graphene fibers for capacitive energy storage. Nature nanotechnology. 2014;9(7): 555–562. https://doi.org/10.1038/s41565-020-0718-1.

6. Bezzon V.D.N. et al. Carbon nanostructure-based sensors: a brief review on recent advances. Advances in Materials Science and Engineering. 2019;2019:1–21. https://doi.org/10.1155/2019/4293073.

7. Дроздов М.Н. и др. Анализ углеродсодержащих материалов методом вторично-ионной масс-спектрометрии: содержание атомов углерода в sp2 -и sp3 -гибридных состояниях. Письма в Журнал технической физики. 2020;46(6):38–42. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.06.49164.18151.

8. Христолюбова В.И. Особенности экспериментальных исследований модификации материалов ВЧплазмой пониженного давления. Вестник Казанского технологического университета. 2015;18(12):114–117.

9. Li X. et al. Suppressing corrosion of aluminum foils via highly conductive graphene-like carbon coating in high-performance lithium-based batteries. ACS applied materials & interfaces. 2019;11(36):32826–32832. https://doi.org/10.1021/acsami.9b06442.

10. Saleem M. et al. Humidity sensing properties of CNT–OD–VETP nanocomposite films. Physica E: Lowdimensional Systems and Nanostructures. 2010;43(1):28– 32. https://doi.org/10.1016/j.physe.2010.06.011.

11. Rajak D.K. et al. Diamond-like carbon (DLC) coatings: Classification, properties, and applications. Applied Sciences. 2021;11(10):4445. https://doi.org/10.3390/app11104445.

12. Kasiorowski T. et al. Microstructural and tribological characterization of DLC coatings deposited by plasma enhanced techniques on steel substrates. Surface and Coatings Technology. 2020;389:125615. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125615.

13. Kumar V. et al. Formation of carbon nanofilms on diamond for all-carbon based temperature and chemical sensor application. Carbon. 2011;49(4):1385–1394. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.12.004.

14. Muthuraja A. et al. Experimental investigation on chromium-diamond like carbon (Cr-DLC) coating through plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) on the nozzle needle surface. Diamond and Related Materials. 2019;100:107588. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.107588.

15. Chunjaemsri T. et al. Influence of RF power and CH4 flow rate on properties of diamond-like carbon films deposited by PECVD technique. Radiation Physics and Chemistry. 2020.176:109073. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2020.109073.

16. Huang B. et al. Effect of deposition temperature on the microstructure and tribological properties of Si-DLC coatings prepared by PECVD. Diamond and Related Materials. 2022;129:109345. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109345.

17. Paramanik B., Das D. Synthesis of nanocrystalline diamond embedded diamond-like carbon films on untreated glass substrates at low temperature using (C2H2+ H2) gas composition in microwave plasma CVD. Applied Surface Science. 2022;579:152132. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152132.

18. Jatti V.S. et al. Particle Deposition of DiamondLike-Carbon on Silicon Wafers using Inductively Coupled PECVD. Int. J. Thin Film. Sci. Tec. 2022;11(2):233– 238. https://doi.org/10.18576/ijtfst/110211.

19. Zhang X. et al. Bias-modulated high photoelectric response of graphene-nanocrystallite embedded carbon film coated on n-silicon. Nanomaterials. 2019;9(3):327. https://doi.org/10.3390/nano9030327.

20. Neustroev E.P. et al. Research of Properties of a Carbon Film Formed in Methane Plasma and the Following Annealing. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1079(4):042086. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1079/4/042086.

21. Неустроев Е.П., Прокопьев А.Р. Свойства нанографита, образованного плазменным осаждением и последующей термообработкой. Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2019;11:629–635. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.629.

22. Ferrari A.C., Robertson J. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2004;362(1824):2477–2512. https://doi.org/10.1098/rsta.2004.1452.

23. Sheka E.F., Golubev Y.A., Popova N.A. Graphene domain signature of Raman spectra of sp2 amorphous carbons. Nanomaterials. 2020;10(10):2021. https://doi.org/10.3390/nano10102021.

24. Cançado L.G. et al. General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy. Applied physics letters. 2006; 88(16). https://doi.org/10.1063/1.2196057.

25. Yang W.J. et al. Structural characteristics of diamond-like nanocomposite films grown by PECVD. Materials Letters. 2003;57(21):3305–3310. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(03)00053-3.