Дослідження початкових стадій формування вуглецевих конденсатів на міді

Автор(и)

  • Yu Dai Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0003-4879-1289
  • Igor Kolupaev Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-2125-7118
  • Oleg Sоbоl Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-4497-4419

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.140970

Ключові слова:

вуглецеві конденсати, система графен/медь, CVD процес, оптична мікроскопія, комп'ютерна обробка зображень, фазовий склад

Анотація

В роботі методом CVD в спеціальних умовах (низька температура підкладки, малі часи зростання) одержані зразки вуглецевих конденсатів. Використання спеціальних технологічних умов дозволяє досліджувати початкові стадії росту графенових шарів. Для аналізу впливу микронеоднородностей мідної підкладки на умови росту в роботі застосовувалися різні режими її електрохімічного полірування. Структурний стан поверхні досліджувався з використанням комп'ютерної обробки цифрових зображень поверхні з колірною сегментацією. Проведено металографічний аналіз більш 70 зразків і на підставі комп'ютерної обробки зображень виділені три основних структурних елемента початковій стадії росту графенових шарів при конденсації. Це графенові шари, ділянки мідної підкладки і скупчення атомів з відмінним від графена структурним станом (імовірно аморфноподібним). Встановлено, що підготовку поверхні підкладки слід віднести до найважливіших технологічних операцій отримання якісного графенового покриття. При цьому виявлено, що використання в процесі полірування мідної підкладки багатокомпонентних електролітів дозволяє підвищити однорідність за розмірами структурних елементів шорсткості поверхні. Це призводить до збільшення площі поверхні формування графенових шарів вже в процесі початкових стадій росту (при відносно низькій, 700 0С, температурі процесу).

Одержані результати свідчать про перспективність використання багатостадійного аналізу зображень (з використанням методу кластеризації) для оптимізації технологічних режимів отримання систем "вуглецевий конденсат/підкладка" з урахуванням вихідної шорсткості останньої

Біографії авторів

Yu Dai, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кафедра матеріалознавства

Igor Kolupaev, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра матеріалознавства

Oleg Sоbоl, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Доктор фізико-математичних наук, професор

Кафедра матеріалознавства

Посилання

  1. Morton, B. D., Wang, H., Fleming, R. A., Zou, M. (2011). Nanoscale Surface Engineering with Deformation-Resistant Core–Shell Nanostructures. Tribology Letters, 42 (1), 51–58. doi: https://doi.org/10.1007/s11249-011-9747-0
  2. Ivashchenko, V. I., Dub, S. N., Scrynskii, P. L., Pogrebnjak, A. D., Sobol’, O. V., Tolmacheva, G. N. et. al. (2016). Nb–Al–N thin films: Structural transition from nanocrystalline solid solution nc-(Nb,Al)N into nanocomposite nc-(Nb, Al)N/a–AlN. Journal of Superhard Materials, 38 (2), 103–113. doi: https://doi.org/10.3103/s1063457616020040
  3. Grigoriev, S. N., Sobol, O. V., Beresnev, V. M., Serdyuk, I. V., Pogrebnyak, A. D., Kolesnikov, D. A., Nemchenko, U. S. (2014). Tribological characteristics of (TiZrHfVNbTa)N coatings applied using the vacuum arc deposition method. Journal of Friction and Wear, 35 (5), 359–364. doi: https://doi.org/10.3103/s1068366614050067
  4. Vasyliev, M. O., Mordyuk, B. M., Sidorenko, S. I., Voloshko, S. M., Burmak, A. P., Kindrachuk, M. V. (2016). Synthesis of Deformation-Induced Nanocomposites on Aluminium D16 Alloy Surface by Ultrasonic Impact Treatment. METALLOFIZIKA I NOVEISHIE TEKHNOLOGII, 38 (4), 545–563. doi: https://doi.org/10.15407/mfint.38.04.0545
  5. Sobol’, O. V. (2016). The influence of nonstoichiometry on elastic characteristics of metastable β-WC1–x phase in ion plasma condensates. Technical Physics Letters, 42 (9), 909–911. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785016090108
  6. Sobol’, O. V. (2016). Structural Engineering Vacuum-plasma Coatings Interstitial Phases. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (2), 02024–1–02024–7. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(2).02024
  7. Sobol’, O. V. (2007). Nanostructural ordering in W-Ti-B condensates. Physics of the Solid State, 49 (6), 1161–1167. doi: https://doi.org/10.1134/s1063783407060236
  8. Song, T., Jiang, X., Shao, Z., Mo, D., Zhu, D., Zhu, M. et. al. (2017). Interfacial microstructure and mechanical properties of diffusion-bonded joints of titanium TC4 (Ti-6Al-4V) and Kovar (Fe-29Ni-17Co) alloys. Journal of Iron and Steel Research, International, 24 (10), 1023–1031. doi: https://doi.org/10.1016/s1006-706x(17)30149-8
  9. Krause-Rehberg, R., Pogrebnyak, A. D., Borisyuk, V. N., Kaverin, M. V., Ponomarev, A. G., Bilokur, M. A. et. al. (2013). Analysis of local regions near interfaces in nanostructured multicomponent (Ti-Zr-Hf-V-Nb)N coatings produced by the cathodic-arc-vapor-deposition from an arc of an evaporating cathode. The Physics of Metals and Metallography, 114 (8), 672–680. doi: https://doi.org/10.1134/s0031918x13080061
  10. Vacuum-plasma coatings based on the multielement nitrides / Azarenkov N. A., Sobol O. V., Beresnev V. M., Pogrebnyak A. D., Kolesnikov D. A. et. al. // Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2013. Vol. 35, Issue 8. P. 1061–1084.
  11. Pohrelyuk, I. M., Kindrachuk, M. V., Lavrys’, S. M. (2016). Wear Resistance of VT22 Titanium Alloy After Nitriding Combined with Heat Treatment. Materials Science, 52 (1), 56–61.doi: https://doi.org/10.1007/s11003-016-9926-0
  12. Zubkov, A. I., Zubarev, E. N., Sobol’, O. V., Hlushchenko, M. A., Lutsenko, E. V. (2017). Structure of vacuum Cu–Ta condensates. Physics of Metals and Metallography, 118 (2), 158–163. doi: https://doi.org/10.1134/s0031918x17020156
  13. Kausar, A. (2016). Adhesion, morphology, and heat resistance properties of polyurethane coated poly(methyl methacrylate)/fullerene-C60 composite films. Composite Interfaces, 24 (7), 649–662. doi: https://doi.org/10.1080/09276440.2017.1257251
  14. Hou, C., Zhang, M., Halder, A., Chi, Q. (2017). Graphene directed architecture of fine engineered nanostructures with electrochemical applications. Electrochimica Acta, 242, 202–218. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.04.117
  15. Singh, V., Joung, D., Zhai, L., Das, S., Khondaker, S. I., Seal, S. (2011). Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science, 56 (8), 1178–1271. doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2011.03.003
  16. Tsen, A. W., Brown, L., Havener, R. W., Park, J. (2012). Polycrystallinity and Stacking in CVD Graphene. Accounts of Chemical Research, 46 (10), 2286–2296. doi: https://doi.org/10.1021/ar300190z
  17. Chu, P. K., Li, L. (2006). Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films. Materials Chemistry and Physics, 96 (2-3), 253–277. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.07.048
  18. Meyer, J. C., Geim, A. K., Katsnelson, M. I., Novoselov, K. S., Booth, T. J., Roth, S. (2007). The structure of suspended graphene sheets. Nature, 446 (7131), 60–63. doi: https://doi.org/10.1038/nature05545
  19. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W., Hone, J. (2008). Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science, 321 (5887), 385–388. doi: https://doi.org/10.1126/science.1157996
  20. Jia, C., Jiang, J., Gan, L., Guo, X. (2012). Direct Optical Characterization of Graphene Growth and Domains on Growth Substrates. Scientific Reports, 2 (1). doi: https://doi.org/10.1038/srep00707
  21. Nair, R. R., Blake, P., Grigorenko, A. N., Novoselov, K. S., Booth, T. J., Stauber, T. et. al. (2008). Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science, 320 (5881), 1308–1308. doi: https://doi.org/10.1126/science.1156965
  22. Loh, K. P., Bao, Q., Ang, P. K., Yang, J. (2010). The chemistry of graphene. Journal of Materials Chemistry, 20 (12), 2277. doi: https://doi.org/10.1039/b920539j
  23. Mouras, S., Hamm, A., Djurado, D., Cousseins, J. C. (1987). Synthesis of first stage graphite intercalation compounds with fluorides. Revue de chimie minerale, 24 (5), 572–582.
  24. Yu, Q., Lian, J., Siriponglert, S., Li, H., Chen, Y. P., Pei, S.-S. (2008). Graphene segregated on Ni surfaces and transferred to insulators. Applied Physics Letters, 93 (11), 113103. doi: https://doi.org/10.1063/1.2982585
  25. Reina, A., Jia, X., Ho, J., Nezich, D., Son, H., Bulovic, V. et. al. (2009). Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition. Nano Letters, 9 (1), 30–35. doi: https://doi.org/10.1021/nl801827v
  26. Li, X., Cai, W., Colombo, L., Ruoff, R. S. (2009). Evolution of Graphene Growth on Ni and Cu by Carbon Isotope Labeling. Nano Letters, 9 (12), 4268–4272. doi: https://doi.org/10.1021/nl902515k
  27. Li, X., Cai, W., An, J., Kim, S., Nah, J., Yang, D. et. al. (2009). Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils. Science, 324 (5932), 1312–1314. doi: https://doi.org/10.1126/science.1171245
  28. Wood, J. D., Schmucker, S. W., Lyons, A. S., Pop, E., Lyding, J. W. (2011). Effects of Polycrystalline Cu Substrate on Graphene Growth by Chemical Vapor Deposition. Nano Letters, 11 (11), 4547–4554. doi: https://doi.org/10.1021/nl201566c
  29. Geng, D., Wu, B., Guo, Y., Huang, L., Xue, Y., Chen, J. et. al. (2012). Uniform hexagonal graphene flakes and films grown on liquid copper surface. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109 (21), 7992–7996. doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1200339109
  30. Regmi, M., Chisholm, M. F., Eres, G. (2012). The effect of growth parameters on the intrinsic properties of large-area single layer graphene grown by chemical vapor deposition on Cu. Carbon, 50 (1), 134–141. doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.07.063
  31. Kim, H., Mattevi, C., Calvo, M. R., Oberg, J. C., Artiglia, L., Agnoli, S. et. al. (2012). Activation Energy Paths for Graphene Nucleation and Growth on Cu. ACS Nano, 6 (4), 3614–3623. doi: https://doi.org/10.1021/nn3008965
  32. Wang, H., Wang, G., Bao, P., Yang, S., Zhu, W., Xie, X., Zhang, W.-J. (2012). Controllable Synthesis of Submillimeter Single-Crystal Monolayer Graphene Domains on Copper Foils by Suppressing Nucleation. Journal of the American Chemical Society, 134 (8), 3627–3630. doi: https://doi.org/10.1021/ja2105976
  33. Li, Z., Wu, P., Wang, C., Fan, X., Zhang, W., Zhai, X. et. al. (2011). Low-Temperature Growth of Graphene by Chemical Vapor Deposition Using Solid and Liquid Carbon Sources. ACS Nano, 5 (4), 3385–3390. doi: https://doi.org/10.1021/nn200854p
  34. Kolypaev, I. M., Sobol’, O. V., Myrakhovskiy, O. V., Levitsky, V. S., Larinova, T. V., Koltsova, T. S., Sobol, V. O. (2016). Estimation the uniformity of a polygraphene coating on copper (GCC). 2016 International Conference on Nanomaterials: Application & Properties (NAP). doi: https://doi.org/10.1109/nap.2016.7757274
  35. Chen, K., Dzhiblin, P., Irving, A. (2001). MATLAB v matematicheskih issledovaniyah. Moscow: Mir, 346.
  36. Gonsales, R., Vuds, R., Eddins, S. (2006). Cifrovaya obrabotka izobrazheniy v srede MATLAB. Moscow: Tekhnosfera, 616.
  37. Madaan, A., Bhatia, M., Hooda, M. (2018). Implementation of Image Compression and Cryptography on Fractal Images. Lecture Notes in Networks and Systems, 49–61. doi: https://doi.org/10.1007/978-981-10-8360-0_5
  38. Kolupaev, I., Sobol, O., Murakhovski, A., Koltsova, T., Kozlova, M., Sobol, V. (2016). Use of computer processing by the method of multi-threshold cross sections for the analysis of optical images of fractal surface microstructure. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (4 (83)), 29–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.81255
  39. Sobol’, O. V., Kolupaev, I. N., Murahovskiy, A. V., Levitskiy, V. S. et. al. (2016). Express Method of Analysis Morphological Parameters of Graphene Coatings on a Copper Substrate. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (4 (1)), 04013-1–04013-5. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(4(1)).04013

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-08-27

Як цитувати

Dai, Y., Kolupaev, I., & Sоbоl O. (2018). Дослідження початкових стадій формування вуглецевих конденсатів на міді. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(12 (94), 49–55. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.140970

Номер

Том 4 № 12 (94) (2018): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Yu Dai, Igor Kolupaev, Oleg Sоbоl

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.