Данное исследование проводилось в проекте по разработке первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли [1, 2] с целью выявления стойкости различных материалов, планируемых в качестве конструкционных, к воздействиям, аналогичным воздействию солнечного ветра в открытом космосе [3, 4]. Преимуществом зондовой микроскопии в качестве инструмента для in situ мониторинга поверхности в условиях открытого космоса является возможность изготовления компактных приборов (вес не превышает нескольких килограммов), способность работать в вакууме [5], в сочетании с высокой прецизионностью (Нобелевская премия 1986 г. за визуализацию атомов).
В качестве объекта изучения в данном исследовании выбран многослойный графен (МСГ). Графены, будучи аллотропными представителями углерода, привлекали внимание многочисленных исследовательских групп из-за их необычных свойств: высокая подвижность электронов [6], химическая инертность [7], в сочетании с высокой электропроводностью [8], высокая анизотропия электропроводности [9] (полуметалл в продольном направлении, диэлектрик в поперечном направлении), способность изменять ширину запрещенной зоны под воздействием внешних факторов [10]. Уникальной чертой графена, связанной с отсутствием у него запрещенной зоны, является его способность поглощать солнечное излучение во всем видимом диапазоне [11], что делает его прекрасным конструкционным материалом – сверхтонким поглотителем электромагнитной составляющей солнечного излучения весьма широкого диапазона. Показано, что коэффициент поглощения одного слоя графена равен [12].
πα ≈ 2.3 %, (1)
где α – постоянная тонкой структуры (1/137), то есть многослойная графеновая пленка, состоящая из ста моноатомных слоев, поглотит около 95 % падающего света. При этом масса одного квадратного метра такого покрытия составит порядка 10-11 г, что является рекордно малым значением среди существующих технологий. Такие замечательные показатели оптического поглощения в сочетании с малым весом открывают перспективы использования графенов в космических покрытиях для защиты космических аппаратов, а также для воплощения идей солнечного паруса (впервые предложена российским ученым Фридрихом Цандером в 1920 г. [13]).
Вместе с тем возникает вопрос о стабильности графеновых пленок в условиях открытого космоса, в частности при воздействии солнечного ветра, представляющего собой поток солнечной плазмы, обладающей эрозионными свойствами [14].
Поскольку графеновые пленки являются очень тонкими и их нельзя использовать отдельно от подложки, в данной работе использовали МСГ в виде пленки, толщиной порядка 50 мкм, обладающей механическими характеристиками, достаточными для самостоятельных манипуляций с такой пленкой с целью ее дальнейших исследований.
Материалы и методы исследования
Образцы многослойного графена были приготовлены методами прессования термомеханическим способом [15, 16] структур, аналогичных полученным в [17, 18] CVD-синтезом, описанным в [19]. Воздействие плазмой было выполнено на оборудовании «Вакуумно-плазменная установка МАГ-5», изготовитель завод ПРОТОН», г. Зеленоград. Использовалась аргоновая плазма при давлении аргона 0,012 мбар, напряжённость поля в плазме 120 В/мм, плотность потока ионов 110мА/см2. Схема установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки плазменного травления: 1 – катод; 2 – анод; 3 – образец; 4 – аргоновая плазма; 5 – откачка и впуск газов
Для исследований микрорельефа использовался «Микроскоп сканирующий зондовый СММ-2000», изготовитель завод ПРОТОН», г. Зеленоград [20].
Для получения топографии поверхности в обладающем максимальным разрешением режиме сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) использовались платиновые иглы, заострённые отрезанием ножницами, с контролем одноострийности путём снятия кривой подвода: десятикратное увеличение тока на них достигалось при изменении зазора на расстояние не более 1 нм. Для изучения топографии в режиме атомно-силовой микроскопии (АСМ), в качестве зондов использованы сверхострые кантилеверы фирмы Brucker, США, марки «MSNL» с радиусом закругления острия 2 нм.
Для осуществления эксперимента образец вставляли в кассету, помещали в камеру плазменного травления, где проводили травление, потом перемещали в микроскоп, не вынимая из кассеты, и сканировали. Затем цикл повторяли до достижения необходимого времени травления. При каждом сканировании снималось 2–3 кадра, из них выбирался в качестве выходного наиболее характерный кадр.
На каждый скан топографии поверхности рассчитывались параметры шероховатости. Расчет производился программой микроскопа СММ-2000 в соответствии с международным стандартом ISO 1302.
Результаты исследования и их обсуждение
Микрофотографии поверхностей МСГ в двухмерном и трехмерном изображении, с различным временем обработки плазмой приведены в табл. 1. На приведенных изображениях можно заметить «выравнивание» топографии, связанное с стравливанием деталей рельефа.
Таблица 1
Топография поверхности МСГ с различным временем обработки плазмой. Размер сканов 5,266 х 5,150 мкм
|
Время обработки, с |
||||
|
0 |
1 |
6 |
16 |
|
|
2D |
|
|
|
|
|
3D |
|
|
|
|
К такому же выводу приводит анализ количественных данных (табл. 2). Приведены следующие параметры:
- средняя шероховатость Ra, которая представляет собой среднее от отклонений Zi всех точек по вертикали от средней линии профиля (рис. 2);
- средний размер зерна Sm, которая представляет собой среднее от расстояний Sm1, Sm2... по горизонтали между пересечениями профилем средней линии при ходе профиля вверх;
- средний размер субзерна (нанозёрен) S, из которых состоят зёрна. Данный параметр представляет собой среднее от расстояний S1, S2... по горизонтали между максимумами профиля.
Таблица 2
Основные параметры шероховатости поверхности с различным временем обработки плазмой
|
Параметры шероховатости, нм |
Время обработки, с |
|||
|
0 |
1 |
6 |
16 |
|
|
Ra |
33,59 |
43,19 |
55,48 |
271 |
|
Sm |
623,1 |
597,0 |
760 |
> 5000 |
|
S |
54,87 |
54,69 |
55,54 |
155,5 |
Рис. 2. К определению параметров шероховатости
Сглаживание рельефа пленок МСГ при обработке плазмой свидетельствует об интенсивном плазменном травлении, что говорит о предполагаемом сильном влиянии солнечного ветра на морфологию незащищенных МСГ пленок. Таким образом, в отличие от процессов формирования графенов [21] в этом исследовании наблюдается интенсивное травление МСГ плазмой.
Расчет сопоставления данных плазменного травления с реальными условиями солнечного ветра
Давление солнечного ветра Pсв (в Па), состоящего существенно из ионизированного водорода (протонов), рассчитывали по формуле [22]
Pсв = m*1012 *n*V2, (2)
где m – масса частиц, составляющих солнечный ветер, (г),
n – плотность частиц [см-3],
V – скорость частиц [км/с].
При подстановке средних, характерных для солнечного ветра величин n = 10 см-3 и V = 400 км/c получили давление 2,67 нПa.
Для того чтобы сопоставить данное давление с параметрами плазмы, генерируемой установкой травления, использовали термодинамический подход. Концентрацию частиц в плазме n рассчитывали исходя из формулы
p = nkT, (3)
где р – давление аргона,
k – пост. Больцмана,
Т – абсолютная температура.
Полученная концентрация оказалась равной 3×1012 см-3.
Принимали плазму полностью ионизованной. Скорость ионов v рассчитывали через плотность тока J по формуле
j = nev, (4)
где е – заряд электрона.
Cкорость ионов в установке травления оказалась равной 2,3 км/c.
Расчетов параметров «приведенного» солнечного ветра (Pпр), генерируемого в установке травления и состоящего из плазмы аргона, привел к значению 1,0×10-2 Па, то есть эксперимент являлся «ускоренным» в
(5)
3,7·106 раз (1 секунда травления равна примерно сорока двум дням нахождения в условиях солнечного ветра средней интенсивности). Очевидно, что данный расчет является прикидочным, поскольку предполагает, что скорость плазменного травления пропорциональна приведенным значениям давлений плазмы и солнечного ветра, что, возможно, соответствует действительности с некоторым поправочным коэффициентом, нам неизвестным. Ответить на этот вопрос может лишь сопоставление данных ускоренного эксперимента с реальным пребыванием объекта в условиях солнечного ветра. Однако приведенный расчет позволяет приближенно сопоставить условия лабораторного моделирования с условиями реального космоса.
Заключение
В рамках проекта по разработке первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли с целью выявления стойкости различных материалов, планируемых в качестве конструкционных, к воздействиям, аналогичным воздействию солнечного ветра в открытом космосе, проводилось исследование многослойных графенов в установке плазменного травления. Показано, что в условиях плазменного травления поверхность графеновых структур модифицируется, становясь более сглаженной, что и ожидаемо в реальных космических условиях. Приведен расчет, сопоставляющий условия лабораторного моделирования с условиями реального космоса, необходимый для приближенной оценки параметров ускоренного эксперимента.