Выпуск #2/2024
Б.А.Логинов, Ю.В.Хрипунов, М.А.Щербина, А.О.Вьюник, В.Д.Дмитриева, А.А.Дьякова, М.К.Лебедева, В.С.Макеев, А.Р.Первых, Д.С.Шевченко, С.Д.Ханин
НАБЛЮДЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИИ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛОВ В СКАНИРУЮЩЕМ ЗОНДОВОМ МИКРОСКОПЕ ПРИ ПРОГРЕВЕ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО КОСМОСА
НАБЛЮДЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИИ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛОВ В СКАНИРУЮЩЕМ ЗОНДОВОМ МИКРОСКОПЕ ПРИ ПРОГРЕВЕ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО КОСМОСА
Просмотры: 1484
Наблюдены закономерности изменения морфологии поверхности покрытий из высокотемпературных металлов, которые в качестве защитных покрытий могут наноситься на конструкции космических аппаратов, посылаемых ближе к Солнцу. Показано, что пленки при этом становятся менее рыхлыми, а мелкие зерна этих пленок увеличиваются по размеру, как бы растекаясь по поверхности и перестраиваясь в более крупные образования.
Получено: 19.02.2024 г. | Принято: 26.02.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.90.97
Научная статья
НАБЛЮДЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИИ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛОВ В СКАНИРУЮЩЕМ ЗОНДОВОМ МИКРОСКОПЕ ПРИ ПРОГРЕВЕ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО КОСМОСА
Б.А.Логинов1, 2, ORCID: 0000-0001-5081-1424 / b-loginov@mail.ru
Ю.В.Хрипунов2, 3 ORCID: 0000-0003-2250-0420
М.А.Щербина2, 3, ORCID: 0009-0001-8873-4986
А.О.Вьюник2, ORCID: 0009-0000-8743-9013
В.Д.Дмитриева2, ORCID: 0009-0009-8784-4815
А.А.Дьякова2, ORCID: 0009-0009-8289-1065
М.К.Лебедева2, ORCID: 0009-0001-9070-3505
В.С.Макеев2, ORCID: 0009-0009-3503-0078
А.Р.Первых2, ORCID: 0009-0008-8348-3111
Д.С.Шевченко2, ORCID: 0009-0009-8866-0268
С.Д.Ханин4, ORCID: 0000-0002-8316-0362
Аннотация. Наблюдены закономерности изменения морфологии поверхности покрытий из высокотемпературных металлов, которые в качестве защитных покрытий могут наноситься на конструкции космических аппаратов, посылаемых ближе к Солнцу. Показано, что пленки при этом становятся менее рыхлыми, а мелкие зерна этих пленок увеличиваются по размеру, как бы растекаясь по поверхности и перестраиваясь в более крупные образования.
Ключевые слова: термоэмиссионное напыление, сканирующая зондовая микроскопия, морфология поверхности
Для цитирования: Б.А. Логинов, Ю.В. Хрипунов, М.А. Щербина, А.О. Вьюник, В.Д. Дмитриева, А.А. Дьякова, М.К. Лебедева, В.С. Макеев, А.Р. Первых, Д.С. Шевченко, С.Д. Ханин. Наблюдение изменения морфологии пленок высокотемпературных металлов в сканирующем зондовом микроскопе при прогреве в условиях открытого космоса. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 90–97. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.2.90.97
Received: 19.02.2024 | Accepted: 26.02.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.90.97
Original paper
OBSERVATION OF CHANGES IN MORPHOLOGY OF HIGH-TEMPERATURE METAL FILMS IN A SCANNING PROBE MICROSCOPE DURING WARMING UP IN OPEN SPACE CONDITIONS
B.A.Loginov1, 2, ORCID:0000-0001-5081-1424 / b-loginov@mail.ru
Y.V.Khripunov2, 3 ORCID: 0000-0003-2250-0420
M.A.Shcherbina2, 3, ORCID: 0009-0001-8873-4986
A.O.Vyunik2, ORCID: 0009-0000-8743-9013
V.D.Dmitrieva2, ORCID: 0009-0009-8784-4815
A.A.Dyakova2, ORCID: 0009-0009-8289-1065
M.K.Lebedeva2, ORCID: 0009-0001-9070-3505
V.S.Makeev2, ORCID: 0009-0009-3503-0078
A.R.Pervykh2, ORCID: 0009-0008-8348-3111
D.S.Shevchenko2, ORCID: 0009-0009-8866-0268
S.D.Khanin4, ORCID: 0000-0002-8316-0362
Abstract. Regularities of changes in the surface morphology of high-temperature metal coatings used as protective coatings can be applied to the structures of spacecraft sent closer to the Sun, have been observed. It is shown that films become less friable, and small grains of these films increase in size, as if spreading on the surface and rearranging into larger formations.
Keywords: thermal emission sputtering, scanning tunnel microscopy, surface morphology
For citation: B.A. Loginov, Y.V. Khripunov, M.A. Shcherbina, A.O. Vyunik, V.D. Dmitrieva, A.A. Dyakova, M.K. Lebedeva, V.S. Makeev, A.R. Pervykh, D.S. Shevchenko, S.D. Khanin. Observation of changes in the morphology of high-temperature metal films in a scanning probe microscope during warming up in open space conditions. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 90–97. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.90.97
ВВЕДЕНИЕ
Перспективы освоения космоса рассматривают в том числе и такие миссии, в которых космические аппараты могут испытывать существенный нагрев. Температура является многолетним препятствием для полетов на Венеру, средняя температура поверхности превышает 400 °С. С проблемами деградации поверхности материалов, к примеру, от сильного нагрева светом сталкивается также идея раскрывающего вблизи Солнца паруса для получения огромной тяги в виде давления на парус солнечного света и возможности межзвездных полетов из-за этого. Возможность получения различных защитных покрытий, в том числе методами CVD и PVD, активно развиваются на Земле. Но сейчас, в связи с успешной реализацией новой возможности запуска в космос сканирующего зондового микроскопа [1], который может прямо в полете следить за состоянием поверхности элементов конструкции космического аппарата с нанометровым разрешением, встал вопрос о предварительных экспериментах на Земле, в которых эмулируются воздействия на поверхность защитных покрытий открытого космоса и используются сканирующие зондовые микроскопы для исследования деградации этих поверхностей.
25 июля 2023 года в спутнике Земли "Нанозонд-1" в космос был запущен первый в мире спутниковый сканирующий зондовый микроскоп (марка СММ-2000С) [2], который начал передавать на Землю кадры [3]. Начато строительство новых аналогичных космических аппаратов для разных задач в космосе. В одном из следующих этих космических аппаратов, кроме контроля поверхностей сканирующим зондовым микроскопом, предусматривается наличие системы дополнительного напыления высокотемпературных металлов на защищаемые от воздействия излучения или температуры поверхности, по мере необходимости, прямо в полете. При этом стойкость самого сканирующего зондового микроскопа к температурам может быть довольно высокой, такие микроскопы работоспособны и выживают даже в горячих камерах атомных реакторов и в условиях солнечных температур в камере термоядерного реактора ТОКАМАК [4]. Напыление и изучение стойкости к температуре металлов в камерах на Земле в вакууме, аналогичном космическому, представляет собой цель данной работы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Выбор рассматриваемых для напыления металлов был предложен Военной орденов Жукова и Ленина Краснознаменной академией связи имени Маршала Советского Союза С.М.Буденного Министерства обороны Российской Федерации. К экспериментам были предложены ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий и цирконий. В условиях малого объема в спутнике крайне затруднено использование плазменных, в том числе магнетронных, способов распыления ввиду необходимости размещать для их работы баллон с газом, чаще всего аргоном, а также клапаны подачи газа с блоками управления ими. Выбранные же высокотемпературные материалы могут распыляться простым и компактным в реализации методом термоэлектрического распыления, где требуемый к распылению металл формуется в виде тонкой проволоки, по которой по команде процессора космического аппарата пропускается электрический ток, из-за чего проволока раскаляется и с ее поверхности испаряются атомы металла, образуя пленку при осаждении на поверхностях, вдоль которых перемещается распыляемая проволока.
В проработке этого решения приняла участие также и команда из семи участников научно-технологической проектной образовательной программы "Большие вызовы", проводимой 1–24 июля 2023 года в образовательном центре "Сириус". В качестве вакуумной системы была применена "Вакуумно-плазменная установке МАГ-5" (изготовитель – Завод ПРОТОН, Москва, Зеленоград), в которой могут реализоваться процессы [5, 6] физического (PVD) и даже химического (CVD) осаждения [7, 8]. Испытания по напылению дублировались также на более компактной, настольной версии этой установки – "Вакуумной установке МАГ-5А" (изготовитель – Завод ПРОТОН, Москва, Зеленоград). Все эксперименты проводились при давлении 10–3 мбар, что соответствует условиям открытого космоса на высоте чуть ниже линии Кармана, расположенной на высоте примерно 100 км над уровнем моря Земли между космосом и атмосферой. Это давление было выбрано для экспериментов как наиболее жесткое условие эксперимента из-за наличия примесей в виде остаточной атмосферы.
В качестве подложки для экспериментов по напылению металлов были применены полированные пластинки из стеклокерамического материала для СВЧ-приборов, ситалла марки СТ32-1 ТУ № ТX7.817.000, состоящего в основном из смесей оксидов кремния и алюминия, с очень малой шероховатостью поверхности Ra на уровне 2 нм, которые применялись и описаны в работе [9], что необходимо для того, чтобы не учитывать влияние подложки при рассмотрении шероховатости поверхности последующих покрытий этих подложек.
Для исследований микрорельефа использовался серийно выпускаемый "Микроскоп сканирующий зондовый СММ-2000" (изготовитель – Завод ПРОТОН, Зеленоград, Россия, www.microscopy.su, номер 46918 в Государственном реестре средств измерений Российской Федерации, www.z-proton.ru), у которого есть версия для использования в космосе. Получение топографии поверхности в нем выполнялось в режиме атомно-силовой микроскопии с применением зондов – кантилеверов марки MSCT (Bruker, США) с рекордно малым радиусом закругления острия в 2 нм, что дает возможность микроскопу работать с латеральным разрешением на уровне 1 нм. Средняя шероховатость Ra (среднее отклонение высот рельефа от среднего уровня) и средний размер зерна S (среднее расстояние между выступами) автоматически рассчитывалось программой микроскопа СММ-2000 в соответствии с отечественным ГОСТ 25142 и международным ISO 4287 стандартами.
Напыление производилось с постепенным увеличением силы пропускаемого тока до достижения нагреваемой спиралью [10] свечения красным цветом, аналогично методу химического осаждения из газовой фазы [11, 12], при этом, как и в работе [9], напыление останавливается при достижении напыляемой пленкой электропроводности со значением электрического сопротивления в 100 кОм.
После извлечения подложки с напыленной пленкой и снятия кадров ее поверхности в сканирующем зондовом микроскопе подложка снова помещалась в вакуумную камеру для прогрева. Прогрев производился тепловым излучением от раскаляемой током полоски из молибдена в течение 20 с с температурой разогрева подложки около 400 °С, измеряемой расположенным на том же расстоянии от молибденовой полоски откалиброванным вакуумным термометром в виде спирали из биметаллической ленты. Схемы и фотографии процессов напыления металлов и прогрева подложек с напыленными пленками этих металлов представлены на рис.1. Процесс работы на вакуумной установке и фотография всех работавших на ней соавторов представлены на рис.2.
После прогрева подложка вынималась из вакуумной камеры и сразу же, в течение около 15 мин, подвергалась повторному сканированию в сканирующем зондовом микроскопе с нанометровой точностью на микроскопе СММ-2000, с вычислением параметра средней шероховатости Ra и среднего размера зерна S. Характерные для пленки каждого металла кадры поверхности до и после нагрева показаны на рис.3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Результатом проведенных экспериментальных исследований является визуализация общей картины изменения структуры металлических пленок при прогреве. При этом пленки становятся менее рыхлыми, а мелкие зерна этих пленок увеличиваются по размеру, как бы растекаясь по поверхности и перестраиваясь в более крупные образования. Параметры рельефа поверхности пленок до и после прогрева приведены в табл.1.
В качестве перспектив развития данных исследований подготавливаются исследования в более чистой среде сверхвысокого вакуума с давлениями порядка 10–9…10–11 мбар, со встроенным в вакуумную камеру напыления и прогрева сверхвысоковакуумным зондовым микроскопом атомарного разрешения, например, отечественного производства [4]. Сверхвысоковакуумные исследования более точны, и, кроме того, соответствуют более дальнему космосу, также представляющему интерес для данных работ.
БЛАГОДАРНОСТИ
Данная работа выполнена благодаря вкладам нескольких организаций. На Научно-технологической проектной образовательной программе "Большие вызовы" в Образовательном центре "Сириус" по направлению "Нанотехнологии" в 2021-м году с привлечением команд одаренных школьников была начата разработка прототипа первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли (рис.4a), в 2022-м году были разработаны системы связи с ним (рис.4b), а в 2023-м году были начаты изложенные в настоящей публикации работы по дальнейшему развитию конструкции этого космического микроскопа.
Запуск этого микроскопа в спутнике Земли "Нанозонд-1" (бортовой номер SXC3-2218, дата запуска 27 июня 2023 года) осуществлен Орловским государственным университетом имени И.С.Тургенева, при этом платформа этого спутника была изготовлена в ООО "Спутникс", Москва, Технопарк "Сколково". Авторы благодарят АО "Завод ПРОТОН" за идею создания первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли, за материальное обеспечение работ в Образовательном центре "Сириус" в 2021–2023 годах, за безвозмездное изготовление зондового микроскопа – спутника Земли; благодарят за научно-методическое сопровождение работ Военную орденов Жукова и Ленина Краснознаменную академию связи имени Маршала Советского Союза С.М.Буденного Министерства обороны Российской Федерации и благодарят Фонд содействия инновациям (Москва), при финансовой поддержке которого по программе "Дежурный по планете" был осуществлен запуск первого, и готовится осуществление Национальным исследовательским университетом МИЭТ запуск второго, более совершенного, космического зондового микроскопа.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Логинов Б.А. Первый в мире сканирующий зондовый микроскоп в виде спутника как старт этапа научных спутников-лабораторий. НАНОИНДУСТРИЯ, 2021. Т. 14. № 5. С. 22–26. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.5.270.274
Логинов Б.А. Комплекс зондовой микроскопии для работы в космическом пространстве и атмосфере. Патент на изобретение 2778278 C1, 17.08.2022, Заявка № 2021128836 от 04.10.2021.
Электронный источник: Получены снимки с первого в мире спутникового сканирующего зондового микроскопа (дата обращения: 20.09.2023), ссылка: https://nauka.tass.ru/nauka/18422659
Логинов Б.А., Логинов П.Б., Логинов В.Б., Логинов А.Б. Зондовая микроскопия: применения и рекомендации по разработке. НАНОИНДУСТРИЯ, 2019. Т. 12. № 6, C. 352–365. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2019.12.6.366.369
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Obraztsov A.N., Bozhev I.V., Bokova-Sirosh S.N., Obraztsova E.D., Loginov B.A. Few-layer graphene formation by carbon deposition on polycrystalline Ni surface. Applied Surface Science, 2019. Vol. 494. PP. 1030–1035.
Логинов А.Б., Божьев И.В., Бокова-Сирош С.Н., Образцова Е.Д., Исмагилов Р.Р., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Формирование графена на поликристаллическом никеле. Журнал технической физики. 2019. Т. 89. № 11. PP. 1756–1762.
Komarov N.S., Shevlyuga V.M., Loginov B.A., Andryushechkin B.V. Chlorine Adsorption on the Ag(110) Surface: STM and DFT Study". J. Phys. Chem. C. 2023. No. 127. PP. 2266−2273.
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Bokova-Sirosh S.N., Bozhev I.V., Obraztsova E.D., Loginov B.A., Obraztsov A.N. Formation of nanostructured films based on MoS2, WS2, MoO2 and their heterostructures. Technical Physics. Vol. 92. No. 13. P. 2078.
Логинов Б.А., Хрипунов Ю.В., Щербина М.А., Вьюник А.О., Дмитриева В.Д., Дьякова А.А., Лебедева М.К., Макеев В.С., Первых А.Р., Шевченко Д.С., Ханин С.Д. Исследование способа термоэмиссионного распыления для создания тонкопленочных покрытий из металлов для работы сканирующего туннельного микроскопа в открытом космосе. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 1. С. 8–17. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.8.17
Логинов А.Б., Исмагилов Р.Р., Бокова-Сирош С.Н., Божьев И.В., Образцова Е.Д., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Формирование наноструктурированных пленок MoS2, WS2, MoO2 и гетероструктур на их основе. Журнал технической физики. 2021. Vol. 91. No. 10. PP. 1509–1516.
Loginov A.B., Fedotov P.V., Bokova-Sirosh S.N., Sapkov I.V., Chmelenin D.N., Ismagilov R.R., Obraztsova E.D., Loginov B.A., Obraztsov A.N. Synthesis, Structural, and Photoluminescence Properties of MoS2 Nanowall Films. Physica Status Solidi (B): Basic Research, John Wiley & Sons Ltd. (United Kingdom). 2022. PP. 2200481.
Логинов А.Б., Бокова-Сирош С.Н., Федотов П.В., Сапков И.В., Хмеленин Д.Н., Исмагилов Р.Р., Образцова Е.Д., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Получение и свойства мезопористых пленок MoS2". Физика и техника полупроводников. 2022. Vol. 56. No. 12. PP. 1112–1119.
Научная статья
НАБЛЮДЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МОРФОЛОГИИ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛОВ В СКАНИРУЮЩЕМ ЗОНДОВОМ МИКРОСКОПЕ ПРИ ПРОГРЕВЕ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО КОСМОСА
Б.А.Логинов1, 2, ORCID: 0000-0001-5081-1424 / b-loginov@mail.ru
Ю.В.Хрипунов2, 3 ORCID: 0000-0003-2250-0420
М.А.Щербина2, 3, ORCID: 0009-0001-8873-4986
А.О.Вьюник2, ORCID: 0009-0000-8743-9013
В.Д.Дмитриева2, ORCID: 0009-0009-8784-4815
А.А.Дьякова2, ORCID: 0009-0009-8289-1065
М.К.Лебедева2, ORCID: 0009-0001-9070-3505
В.С.Макеев2, ORCID: 0009-0009-3503-0078
А.Р.Первых2, ORCID: 0009-0008-8348-3111
Д.С.Шевченко2, ORCID: 0009-0009-8866-0268
С.Д.Ханин4, ORCID: 0000-0002-8316-0362
Аннотация. Наблюдены закономерности изменения морфологии поверхности покрытий из высокотемпературных металлов, которые в качестве защитных покрытий могут наноситься на конструкции космических аппаратов, посылаемых ближе к Солнцу. Показано, что пленки при этом становятся менее рыхлыми, а мелкие зерна этих пленок увеличиваются по размеру, как бы растекаясь по поверхности и перестраиваясь в более крупные образования.
Ключевые слова: термоэмиссионное напыление, сканирующая зондовая микроскопия, морфология поверхности
Для цитирования: Б.А. Логинов, Ю.В. Хрипунов, М.А. Щербина, А.О. Вьюник, В.Д. Дмитриева, А.А. Дьякова, М.К. Лебедева, В.С. Макеев, А.Р. Первых, Д.С. Шевченко, С.Д. Ханин. Наблюдение изменения морфологии пленок высокотемпературных металлов в сканирующем зондовом микроскопе при прогреве в условиях открытого космоса. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 90–97. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.2.90.97
Received: 19.02.2024 | Accepted: 26.02.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.90.97
Original paper
OBSERVATION OF CHANGES IN MORPHOLOGY OF HIGH-TEMPERATURE METAL FILMS IN A SCANNING PROBE MICROSCOPE DURING WARMING UP IN OPEN SPACE CONDITIONS
B.A.Loginov1, 2, ORCID:0000-0001-5081-1424 / b-loginov@mail.ru
Y.V.Khripunov2, 3 ORCID: 0000-0003-2250-0420
M.A.Shcherbina2, 3, ORCID: 0009-0001-8873-4986
A.O.Vyunik2, ORCID: 0009-0000-8743-9013
V.D.Dmitrieva2, ORCID: 0009-0009-8784-4815
A.A.Dyakova2, ORCID: 0009-0009-8289-1065
M.K.Lebedeva2, ORCID: 0009-0001-9070-3505
V.S.Makeev2, ORCID: 0009-0009-3503-0078
A.R.Pervykh2, ORCID: 0009-0008-8348-3111
D.S.Shevchenko2, ORCID: 0009-0009-8866-0268
S.D.Khanin4, ORCID: 0000-0002-8316-0362
Abstract. Regularities of changes in the surface morphology of high-temperature metal coatings used as protective coatings can be applied to the structures of spacecraft sent closer to the Sun, have been observed. It is shown that films become less friable, and small grains of these films increase in size, as if spreading on the surface and rearranging into larger formations.
Keywords: thermal emission sputtering, scanning tunnel microscopy, surface morphology
For citation: B.A. Loginov, Y.V. Khripunov, M.A. Shcherbina, A.O. Vyunik, V.D. Dmitrieva, A.A. Dyakova, M.K. Lebedeva, V.S. Makeev, A.R. Pervykh, D.S. Shevchenko, S.D. Khanin. Observation of changes in the morphology of high-temperature metal films in a scanning probe microscope during warming up in open space conditions. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 90–97. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.90.97
ВВЕДЕНИЕ
Перспективы освоения космоса рассматривают в том числе и такие миссии, в которых космические аппараты могут испытывать существенный нагрев. Температура является многолетним препятствием для полетов на Венеру, средняя температура поверхности превышает 400 °С. С проблемами деградации поверхности материалов, к примеру, от сильного нагрева светом сталкивается также идея раскрывающего вблизи Солнца паруса для получения огромной тяги в виде давления на парус солнечного света и возможности межзвездных полетов из-за этого. Возможность получения различных защитных покрытий, в том числе методами CVD и PVD, активно развиваются на Земле. Но сейчас, в связи с успешной реализацией новой возможности запуска в космос сканирующего зондового микроскопа [1], который может прямо в полете следить за состоянием поверхности элементов конструкции космического аппарата с нанометровым разрешением, встал вопрос о предварительных экспериментах на Земле, в которых эмулируются воздействия на поверхность защитных покрытий открытого космоса и используются сканирующие зондовые микроскопы для исследования деградации этих поверхностей.
25 июля 2023 года в спутнике Земли "Нанозонд-1" в космос был запущен первый в мире спутниковый сканирующий зондовый микроскоп (марка СММ-2000С) [2], который начал передавать на Землю кадры [3]. Начато строительство новых аналогичных космических аппаратов для разных задач в космосе. В одном из следующих этих космических аппаратов, кроме контроля поверхностей сканирующим зондовым микроскопом, предусматривается наличие системы дополнительного напыления высокотемпературных металлов на защищаемые от воздействия излучения или температуры поверхности, по мере необходимости, прямо в полете. При этом стойкость самого сканирующего зондового микроскопа к температурам может быть довольно высокой, такие микроскопы работоспособны и выживают даже в горячих камерах атомных реакторов и в условиях солнечных температур в камере термоядерного реактора ТОКАМАК [4]. Напыление и изучение стойкости к температуре металлов в камерах на Земле в вакууме, аналогичном космическому, представляет собой цель данной работы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Выбор рассматриваемых для напыления металлов был предложен Военной орденов Жукова и Ленина Краснознаменной академией связи имени Маршала Советского Союза С.М.Буденного Министерства обороны Российской Федерации. К экспериментам были предложены ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий и цирконий. В условиях малого объема в спутнике крайне затруднено использование плазменных, в том числе магнетронных, способов распыления ввиду необходимости размещать для их работы баллон с газом, чаще всего аргоном, а также клапаны подачи газа с блоками управления ими. Выбранные же высокотемпературные материалы могут распыляться простым и компактным в реализации методом термоэлектрического распыления, где требуемый к распылению металл формуется в виде тонкой проволоки, по которой по команде процессора космического аппарата пропускается электрический ток, из-за чего проволока раскаляется и с ее поверхности испаряются атомы металла, образуя пленку при осаждении на поверхностях, вдоль которых перемещается распыляемая проволока.
В проработке этого решения приняла участие также и команда из семи участников научно-технологической проектной образовательной программы "Большие вызовы", проводимой 1–24 июля 2023 года в образовательном центре "Сириус". В качестве вакуумной системы была применена "Вакуумно-плазменная установке МАГ-5" (изготовитель – Завод ПРОТОН, Москва, Зеленоград), в которой могут реализоваться процессы [5, 6] физического (PVD) и даже химического (CVD) осаждения [7, 8]. Испытания по напылению дублировались также на более компактной, настольной версии этой установки – "Вакуумной установке МАГ-5А" (изготовитель – Завод ПРОТОН, Москва, Зеленоград). Все эксперименты проводились при давлении 10–3 мбар, что соответствует условиям открытого космоса на высоте чуть ниже линии Кармана, расположенной на высоте примерно 100 км над уровнем моря Земли между космосом и атмосферой. Это давление было выбрано для экспериментов как наиболее жесткое условие эксперимента из-за наличия примесей в виде остаточной атмосферы.
В качестве подложки для экспериментов по напылению металлов были применены полированные пластинки из стеклокерамического материала для СВЧ-приборов, ситалла марки СТ32-1 ТУ № ТX7.817.000, состоящего в основном из смесей оксидов кремния и алюминия, с очень малой шероховатостью поверхности Ra на уровне 2 нм, которые применялись и описаны в работе [9], что необходимо для того, чтобы не учитывать влияние подложки при рассмотрении шероховатости поверхности последующих покрытий этих подложек.
Для исследований микрорельефа использовался серийно выпускаемый "Микроскоп сканирующий зондовый СММ-2000" (изготовитель – Завод ПРОТОН, Зеленоград, Россия, www.microscopy.su, номер 46918 в Государственном реестре средств измерений Российской Федерации, www.z-proton.ru), у которого есть версия для использования в космосе. Получение топографии поверхности в нем выполнялось в режиме атомно-силовой микроскопии с применением зондов – кантилеверов марки MSCT (Bruker, США) с рекордно малым радиусом закругления острия в 2 нм, что дает возможность микроскопу работать с латеральным разрешением на уровне 1 нм. Средняя шероховатость Ra (среднее отклонение высот рельефа от среднего уровня) и средний размер зерна S (среднее расстояние между выступами) автоматически рассчитывалось программой микроскопа СММ-2000 в соответствии с отечественным ГОСТ 25142 и международным ISO 4287 стандартами.
Напыление производилось с постепенным увеличением силы пропускаемого тока до достижения нагреваемой спиралью [10] свечения красным цветом, аналогично методу химического осаждения из газовой фазы [11, 12], при этом, как и в работе [9], напыление останавливается при достижении напыляемой пленкой электропроводности со значением электрического сопротивления в 100 кОм.
После извлечения подложки с напыленной пленкой и снятия кадров ее поверхности в сканирующем зондовом микроскопе подложка снова помещалась в вакуумную камеру для прогрева. Прогрев производился тепловым излучением от раскаляемой током полоски из молибдена в течение 20 с с температурой разогрева подложки около 400 °С, измеряемой расположенным на том же расстоянии от молибденовой полоски откалиброванным вакуумным термометром в виде спирали из биметаллической ленты. Схемы и фотографии процессов напыления металлов и прогрева подложек с напыленными пленками этих металлов представлены на рис.1. Процесс работы на вакуумной установке и фотография всех работавших на ней соавторов представлены на рис.2.
После прогрева подложка вынималась из вакуумной камеры и сразу же, в течение около 15 мин, подвергалась повторному сканированию в сканирующем зондовом микроскопе с нанометровой точностью на микроскопе СММ-2000, с вычислением параметра средней шероховатости Ra и среднего размера зерна S. Характерные для пленки каждого металла кадры поверхности до и после нагрева показаны на рис.3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Результатом проведенных экспериментальных исследований является визуализация общей картины изменения структуры металлических пленок при прогреве. При этом пленки становятся менее рыхлыми, а мелкие зерна этих пленок увеличиваются по размеру, как бы растекаясь по поверхности и перестраиваясь в более крупные образования. Параметры рельефа поверхности пленок до и после прогрева приведены в табл.1.
В качестве перспектив развития данных исследований подготавливаются исследования в более чистой среде сверхвысокого вакуума с давлениями порядка 10–9…10–11 мбар, со встроенным в вакуумную камеру напыления и прогрева сверхвысоковакуумным зондовым микроскопом атомарного разрешения, например, отечественного производства [4]. Сверхвысоковакуумные исследования более точны, и, кроме того, соответствуют более дальнему космосу, также представляющему интерес для данных работ.
БЛАГОДАРНОСТИ
Данная работа выполнена благодаря вкладам нескольких организаций. На Научно-технологической проектной образовательной программе "Большие вызовы" в Образовательном центре "Сириус" по направлению "Нанотехнологии" в 2021-м году с привлечением команд одаренных школьников была начата разработка прототипа первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли (рис.4a), в 2022-м году были разработаны системы связи с ним (рис.4b), а в 2023-м году были начаты изложенные в настоящей публикации работы по дальнейшему развитию конструкции этого космического микроскопа.
Запуск этого микроскопа в спутнике Земли "Нанозонд-1" (бортовой номер SXC3-2218, дата запуска 27 июня 2023 года) осуществлен Орловским государственным университетом имени И.С.Тургенева, при этом платформа этого спутника была изготовлена в ООО "Спутникс", Москва, Технопарк "Сколково". Авторы благодарят АО "Завод ПРОТОН" за идею создания первого в мире зондового микроскопа – спутника Земли, за материальное обеспечение работ в Образовательном центре "Сириус" в 2021–2023 годах, за безвозмездное изготовление зондового микроскопа – спутника Земли; благодарят за научно-методическое сопровождение работ Военную орденов Жукова и Ленина Краснознаменную академию связи имени Маршала Советского Союза С.М.Буденного Министерства обороны Российской Федерации и благодарят Фонд содействия инновациям (Москва), при финансовой поддержке которого по программе "Дежурный по планете" был осуществлен запуск первого, и готовится осуществление Национальным исследовательским университетом МИЭТ запуск второго, более совершенного, космического зондового микроскопа.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Логинов Б.А. Первый в мире сканирующий зондовый микроскоп в виде спутника как старт этапа научных спутников-лабораторий. НАНОИНДУСТРИЯ, 2021. Т. 14. № 5. С. 22–26. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.5.270.274
Логинов Б.А. Комплекс зондовой микроскопии для работы в космическом пространстве и атмосфере. Патент на изобретение 2778278 C1, 17.08.2022, Заявка № 2021128836 от 04.10.2021.
Электронный источник: Получены снимки с первого в мире спутникового сканирующего зондового микроскопа (дата обращения: 20.09.2023), ссылка: https://nauka.tass.ru/nauka/18422659
Логинов Б.А., Логинов П.Б., Логинов В.Б., Логинов А.Б. Зондовая микроскопия: применения и рекомендации по разработке. НАНОИНДУСТРИЯ, 2019. Т. 12. № 6, C. 352–365. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2019.12.6.366.369
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Obraztsov A.N., Bozhev I.V., Bokova-Sirosh S.N., Obraztsova E.D., Loginov B.A. Few-layer graphene formation by carbon deposition on polycrystalline Ni surface. Applied Surface Science, 2019. Vol. 494. PP. 1030–1035.
Логинов А.Б., Божьев И.В., Бокова-Сирош С.Н., Образцова Е.Д., Исмагилов Р.Р., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Формирование графена на поликристаллическом никеле. Журнал технической физики. 2019. Т. 89. № 11. PP. 1756–1762.
Komarov N.S., Shevlyuga V.M., Loginov B.A., Andryushechkin B.V. Chlorine Adsorption on the Ag(110) Surface: STM and DFT Study". J. Phys. Chem. C. 2023. No. 127. PP. 2266−2273.
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Bokova-Sirosh S.N., Bozhev I.V., Obraztsova E.D., Loginov B.A., Obraztsov A.N. Formation of nanostructured films based on MoS2, WS2, MoO2 and their heterostructures. Technical Physics. Vol. 92. No. 13. P. 2078.
Логинов Б.А., Хрипунов Ю.В., Щербина М.А., Вьюник А.О., Дмитриева В.Д., Дьякова А.А., Лебедева М.К., Макеев В.С., Первых А.Р., Шевченко Д.С., Ханин С.Д. Исследование способа термоэмиссионного распыления для создания тонкопленочных покрытий из металлов для работы сканирующего туннельного микроскопа в открытом космосе. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 1. С. 8–17. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.8.17
Логинов А.Б., Исмагилов Р.Р., Бокова-Сирош С.Н., Божьев И.В., Образцова Е.Д., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Формирование наноструктурированных пленок MoS2, WS2, MoO2 и гетероструктур на их основе. Журнал технической физики. 2021. Vol. 91. No. 10. PP. 1509–1516.
Loginov A.B., Fedotov P.V., Bokova-Sirosh S.N., Sapkov I.V., Chmelenin D.N., Ismagilov R.R., Obraztsova E.D., Loginov B.A., Obraztsov A.N. Synthesis, Structural, and Photoluminescence Properties of MoS2 Nanowall Films. Physica Status Solidi (B): Basic Research, John Wiley & Sons Ltd. (United Kingdom). 2022. PP. 2200481.
Логинов А.Б., Бокова-Сирош С.Н., Федотов П.В., Сапков И.В., Хмеленин Д.Н., Исмагилов Р.Р., Образцова Е.Д., Логинов Б.А., Образцов А.Н. Получение и свойства мезопористых пленок MoS2". Физика и техника полупроводников. 2022. Vol. 56. No. 12. PP. 1112–1119.
Отзывы читателей