Оптические и электрофизические свойcтва нитридных TiAlSiN и карбонитридных TiAlSiCN покрытий: влияние режимов реактивного магнетронного нанесения

Константинов С. В.; Комаров Ф. Ф.; Чижов И. В.; Зайков В. А.

Оптические и электрофизические свойcтва нитридных TiAlSiN и карбонитридных TiAlSiCN покрытий: влияние режимов реактивного магнетронного нанесения

Чижов И. В., Зайков В. А.

2024

https://doi.org/10.29235/1561-2430-2024-60-2-162-176

Актуальной является разработка тонкопленочных терморегулирующих покрытий для малых космических аппаратов. Покрытия на основе нитрида титана, в силу своей высокой устойчивости к облучению высокоэнергетическими частицами и термоциклированию, способны функционировать в неблагоприятных условиях ближнего и дальнего космоса. Методом реактивного магнетронного распыления сформированы наноструктурированные покрытия TiAlSiN, TiAlSiCN на подложках из оксида кремния SiO2, ситалла CT-1 и монокристаллического кремния Si(100). Проведено исследование электрофизических и оптических свойств сформированных покрытий. Покрытия демонстрируют хорошую отражательную способность в инфракрасном диапазоне спектра (700–2000 нм), что важно для снижения нагрева космического аппарата (КА) под воздействием прямых солнечных лучей. В видимом диапазоне (400–700 нм) наблюдается низкий уровень суммарного Rсумм отражения. Это перспективно для спутников, предназначенных для наблюдений поверхности Земли. Получены значения коэффициентов солнечного поглощения αs и коэффициентов переизлучения ε0, отношения αs/ε0, а также равновесной температуры Tр для исследуемых образцов. Определены величины удельного Rуд и поверхностного R□ электросопротивления, концентрации электронов N и подвижности электронов μ. Установлено, что пленки TiAlSiN, TiAlSiCN являются электропроводящими: Rуд TiAlSiN = (92÷4260) ∙ 10–7 Ом ∙ м, RудTiAlSiCN = (51÷2360) ∙ 10–7 Ом ∙ м. Обнаружено, что добавление углерода в состав покрытия снижает их электросопротивление. Полученные наноструктурированные покрытия нитрида TiAlSiN и карбонитрида TiAlSiCN представляют интерес для использования их в качестве структурных элементов терморегулирующих систем для малых космических аппаратов.

Константинов С. В., Комаров Ф. Ф., Чижов И. В., Зайков В. А. Оптические и электрофизические свойcтва нитридных TiAlSiN и карбонитридных TiAlSiCN покрытий: влияние режимов реактивного магнетронного нанесения. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук. 2024;60(2):162-176. https://doi.org/10.29235/1561-2430-2024-60-2-162-176

Цитирование

Список литературы

1. Структура и микромеханические свойства покрытий TiAlSiN, TiAlSiCN, сформированных методом реактивного магнетронного распыления / Ф. Ф. Комаров [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2023. – T. 59, № 3. – С. 241–252. https://doi.org/10.29235/1561-2430-2023-59-3-241-252

2. Optical properties of TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSiO tandem absorber coatings by phase-modulated spectroscopic ellipsometry / J. Jyothi [et al.] // Appl. Phys. A. – 2017. – Vol. 123. – Art. ID 496. https://doi.org/10.1007/s00339-017-1103-2

3. Spacecraft Thermal Control Handbook. Volume 1: Fundamental Technologies / ed. D. G. Gilmore. – El Segundo, California: 2nd The Aerospace Press, 2002. – 836 p. https://doi.org/10.2514/4.989117

4. Titanium-aluminum-nitride coatings for satellite temperature control / M. Brogren [et al.] // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 370. – P. 268–277. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)00914-7

5. Терморегулирующее покрытие К-208СР. Технология получения, свойства и их изменения в процессе эксплуатации при воздействии факторов космического пространства / В. П. Свечкин [и др.] // Космич. техника и технологии. – 2017. – Т. 17, № 2. – С. 99–107.

6. Zhang, J. The microstructural, mechanical and thermal properties of TiAlVN, TiAlSiN monolithic and TiAlVN/TiAlSiN multilayered coatings / J. Zhang, L. Chen, Y. Kong // J. Alloys Compd. – 2022. – Vol. 899. – P. 163332. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163332

7. Thermal stability, mechanical properties, and tribological performance of TiAlXN coatings: understanding the effects of alloying additions / W. Y. H. Liew [et al.] // J. Mat. Res. Technol. – 2022. – Vol. 17. – P. 961–1012. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.01.005

8. A review of high-temperature selective absorbing coatings for solar thermal applications / K. Xu [et al.] // J. Materiomics. – 2020. – Vol. 6, № 1. – P. 167–182. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2019.12.012

9. VO2-based smart coatings with improved emittance-switching properties for an energy-efficient near room-temperature thermal control of spacecrafts / A. Hendaoui [et al.] // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. – 2013. – Vol. 117. – P. 494–498. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.07.023

10. Analytical and numerical models for thermal related design of a new pico-satellite / M. Bonnici [et al.] // Appl. Therm. Eng. – 2019. – Vol. 159. – P. 113908. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.113908

11. Effects of Si addition on structure and mechanical properties of TiAlSiCN coatings / X. Zhang [et al.] // Surf. Coat. Technol. – 2019. – Vol. 362. – P. 21–26. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.01.056

12. Understanding the wear failure mechanism of TiAlSiCN nanocomposite coating at evaluated temperatures / F. Guo [et al.] // Trib. Int. – 2021. – Vol. 154. – P. 106716. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106716

13. Valleti, K. Functional multi-layer nitride coatings for high temperature solar selective applications / K. Valleti, D. M. Krishna, S. V. Joshi // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. – 2014. – Vol. 121. – P. 14–21. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.10.024

14. Effects of deposition and post-annealing conditions on electrical properties and thermal stability of TiAlN films by ion beam sputter deposition / S.-Y. Lee [et al.] // Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 515, № 3. – P. 1069–1073. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.07.172

15. Electrical and Corrosion Properties of Titanium Aluminum Nitride Thin Films Prepared by Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition / E.-Y. Yun [et al.] // J. Mater. Sci. Technol. – 2017. – Vol. 33, № 3. – P. 295–299. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2016.11.027

16. Crystal growth and microstructure of polycrystalline Ti1−xAlxN alloy films deposited by ultra-high-vacuum dualtarget magnetron sputtering / U. Wahlström [et al.] // Thin Solid Films. – 1993. – Vol. 235, № 1–2. – P. 62–70. https://doi.org/10.1016/0040-6090(93)90244-J

17. Nanostructured TiAlCuN and TiAlCuCN coatings for spacecraft: effects of reactive magnetron deposition regimes and compositions // F. F. Komarov [et al.] // RSC Advanced. – 2023. – № 13. – P. 18898–18907. https://doi.org/10.1039/D3RA02301J

18. Структурно-фазовые состояния и микромеханические свойства наноструктурированных покрытий TiAlCuN / С. В. Константинов [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2023. – Т. 67, № 2. – С. 101–110. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2023-67-2-101-110

19. Ашкрофт, Н. Физика твердого тела / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. – М.: Мир, 1979. – Т. 2. – 419 с.

20. Оptimization of TiAlN/TiAlON/Si3N4 solar absorber coatings / L. An [et al.] // Sol. Energy. – 2015. – Vol. 118. – P. 410–418. https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.05.042

21. Бродский, А. Ж. Влияние микроскопической структуры поверхностей металлов на их оптические свойства / А. Ж. Бродский, М. И. Урбах // УФН. – 1982. – Т. 138, вып. 3. – С. 413–453.

22. Wainstein, D. L. Control of optical properties of metal-dielectric planar plasmonic nanostructures by adjusting their architecture in the case of TiAlN/Ag system / D. L. Wainstein, V. O. Vakhrushev, A. I. Kovalev // J. Phys.: Conf. Ser. – 2017. – Vol. 857. – Art. ID 012054. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012054

23. Optical properties of TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSiO tandem absorber coatings by phase-modulated spectroscopic ellipsometry / J. Jyothi [et al.] // Appl. Phys. A. – 2017. – Vol. 123. – Art. ID 496. https://doi.org/10.1007/s00339-017-1103-2

24. Veszelei, M. Optical properties and equilibrium temperatures of titanium-nitride-and graphite-coated Langmuir probes for space application / M. Veszelei, E. Veszelei // Thin Solid Films. – 1993. – Vol. 236, № 1–2. – P. 46–50. https://doi.org/10.1016/0040-6090(93)90640-b

25. Kauder, L. Spacecraft Thermal Control Coatings References / L. Kauder. – NASA Goddard Space Flight Center Greenbelt, MD, United States, 2005. – 130 p.

26. Климович, И. М. Влияние температуры нагрева подложек и потенциала смещения на оптические характеристики Ti–Al–C–N покрытий / И. М. Климович, Ф. Ф. Комаров, В. А. Зайков // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2018. – Т. 62, № 4. – С. 415–422. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2018-62-4-415-422

27. CRC Handbook of Chemistry and Physics / ed. W. M. Haynes. – 95th ed. – Boca Raton: CRC Press, 2014. – 2704 p. https://doi.org/10.1201/b17118

28. Eranna, G. Crystal Growth and Evaluation of Silicon for VLSI and ULSI / G. Eranna. – Boca Raton: CRC Press, 2014. – 430 p. https://doi.org/10.1201/b17812

29. Solid state properties of group IVb carbonitrides. / W. Lengauer [et al.] // J. Alloys Compd. – 1995. – Vol. 217, № 1. – P. 137–147. https://doi.org/10.1016/0925-8388(94)01315-9

30. Electrophysical properties of TiAlN coatings prepared using controlled reactive magnetron sputtering / I. M. Klimovich [et al.] // Materials and Structures of Modern Electronics: Collection of Scientific Works: proc. of the 6th Int. sci. and tech. conf., Minsk, Oct. 8–9, 2014, BSU. – Minsk, 2014. – P. 5–8.

31. Residual stresses and tribomechanical behaviour of TiAlN and TiAlCN monolayer and multilayer coatings by DCMS and HiPIMS / W. Tillmann [et. al.] // Surf. Coat. Technol. – 2021. – Vol. 406. – P. 126664. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126664

32. Effects of Proton Irradiation on the Structural-Phase State of Nanostructured TiZrSiN Coatings and Their Mechanical Properties / F. F. Komarov [et al.] // J. Eng. Phys. Thermophys. – 2021. – Vol. 94, № 6. – P. 1609–1618. https://doi.org/10.1007/s10891-021-02442-2

33. Konstantinov, S. V. Effects of nitrogen selective sputtering and flaking of nanostructured coatings TiN, TiAlN, TiAlYN, TiCrN, (TiHfZrVNb)N under helium ion irradiation / S. V. Konstantinov, F. F. Komarov // Acta Phys. Pol. A. – 2019. – Vol. 136, № 2. – P. 303–309. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.136.303

34. Wear resistance and radiation tolerance of He+ -irradiated magnetron sputtered TiAlN coatings / S. V. Konstantinov [et al.] // High Temp. Mater. Proc. – 2014. – Vol. 18, № 1–2. – P. 135–141. https://doi.org/10.1615/hightempmatproc.2015015569

Источник

Информация

Автор

Константинов С. В. Институт прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университета
Комаров Ф. Ф. Институт прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университета
Чижов И. В. Белорусский государственный университет
Зайков В. А. Белорусский государственный университет

Страницы

162-176

Год издания

2024

Ключевые слова

Коллекции

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук