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.
Библиографическая ссылка
Левин К.Л., Беспалова Е.А., Ванькаев А.С., Клюкина Е.В., Лопатин А.В., Метальников Н.М., Сапрыкин М.Э., Логинов А.Б., Оразов И.В., Логинов Б.А. ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ГРАФЕНОВЫХ СТРУКТУР ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЛАЗМОЙ В КАЧЕСТВЕ МОДЕЛИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2021. – № 9. – С. 51-55;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13272 (дата обращения: 24.04.2024).