Особенности роста алмазных пленок на поверхности карбида вольфрама в присутствии медного подслоя

Необходимым условием для обеспечения требуемых свойств алмазной пленки, полученной газофазным осаждением, является подготовка поверхности. В работе рассмотрено влияние температуры и концентрации травителя CuSO4 на структурный и фазовый составы поверхности твердосплавных материалов, а также изучены структурный и фазовый составы сплошной поликристаллической алмазной пленки на стадиях ее роста. Качественно определена адгезия полученных алмазных пленок к поверхности твердосплавных материалов. Установлено, что обработка поверхности твердого сплава в растворе CuSO4 при температуре t = 23 °С приводит к неравномерному удалению кобальтовой связки с выкрашиванием зерен WC и образованием пористой структуры в поверхностном слое сплава WC–6%Co. Обработка травителем CuSO4 при t = –2 °С обеспечивает равномерное вытравливание Co-связки по границам зерен WC и формирование химически однородной поверхности. Ориентационный рост и адгезия алмазной пленки зависят от элементного состава поверхности сплава WC–Co после обработки в растворе CuSO4. Если обработка осуществлялась при tр-ра = 23 °С, то в процессе синтеза алмазной пленки затруднено удаление меди из дефектного поверхностного слоя WC – это обуславливает разнонаправленный рост алмазных кристаллов в пленке по двум направлениям: <111> и <110>, что вызывает критические биаксиальные напряжения сжатия (2,5 ГПа) и приводит к низкой адгезии пленки к поверхности твердого сплава. Если обработку проводили при tр-ра = –2 °С, то ориентационный рост алмазных кристаллов в пленке происходит в одном преимущественном кристаллографическом направлении <111>, что снижает биаксиальные напряжения сжатия (1,7 ГПа) и увеличивает адгезионное сцепление пленки к поверхности твердого сплава. Дефектность структуры, рассчитанная по соотношению линий интегральных интенсивностей I1333 / I1580 с использованием метода Раман-спектроскопии, уменьшается с повышением концентрации для отрицательных температур и возрастает для положительных температур раствора CuSO4 при подготовке поверхности.

твердый сплав, алмазные пленки, медный подслой, химическое осаждение, кристалличность, адгезия

1. Rifai A., Pirogova E., Fox K. Diamond, carbon nanotubes and graphene for biomedical applications. Encyclop. Biomed. Eng. 2019. P. 97—107. DOI: 10.1016/B978-0-12801238-3.99874-X.

2. Ruffinatto S., Girard H.A., Becher F., Arnault J.-C., Tromson D., Bergonzo P. Diamond porous membranes: A material toward analytical chemistry. Diamond Relat. Mater. 2015. Vol. 55. P. 123—130. DOI: 10.1016/j.diamond. 2015.03.008.

3. Lee J.C., Magyar A.P., Bracher D.O., Aharonovich I., Hua E.L. Fabrication of thin diamond membranes for photonic applications. Diamond Relat. Mater. 2013. Vol. 33. P. 45—48. DOI: 10.1016/j.diamond.2012.12.008.

4. Gray K.J. Effective thermal conductivity of a diamond coated heat spreader. Diamond Relat. Mater. 2000. Vol. 9. Iss. 2. P. 201—204. DOI: 10.1016/S0925-9635(00)00230-2.

5. Polikarpov M., Polikarpov V., Snigireva I., Snigirev A. Diamond X-ray refractive lenses with high acceptance. Phys. Procedia. 2016. Vol. 84. P. 213—220. DOI: 10.1016/j. phpro.2016.11.037.

6. Liu H., Reilly S., Herrnsdorf J., Xie E., Savitski V.G., Kemp A.J., Gu E., Dawson M.D. Large radius of curvature micro-lenses on single crystal diamond for application in monolithic diamond Raman lasers. Diamond Relat. Mater. 2016. Vol. 65. P. 37—41. DOI: 10.1016/j.diamond.2016.01.016.

7. Zehnder T., Patscheider J. Nanocomposite TiC/a—C:H hard coatings deposited by reactive PVD. Surf. Coat. Technol. 2000. Vol. 133—134. P. 138—144. DOI: 10.1016/ S0257-8972(00)00888-4.

8. Hollman P., Alahelisten A., Olsson M., Hogmark S. Residual stress, young’s modulus and fracture stress of hot flame deposited diamond. Thin Solid Films. 1995. Vol. 270. Iss. 1— 2. P. 137—142. DOI: 10.1016/0040-6090(95)06910-0.

9. Kohzaki M., Higuchi K., Noda S. Frictional properties of chemical vapor deposited diamond thin films. Mater. Lett. 1990. Vol. 9. Iss. 2—3. P. 80—82. DOI: 10.1016/ 0167-577X(90)90156-G.

10. Richard L.C., Miyoshi Kazuhisa, Vuppuladhadium Rama, Howard E. Jackson. Physical and tribological properties of rapid thermal annealed diamond-like carbon films. Surf. Coat. Technol. 1992. Vol. 54—55. Iss. 2. P. 576—580. DOI: 10.1016/S0257-8972(07)80085-5.

11. Xing Youqiang, Deng Jianxin, Zhang Guodong, Wu Ze, Wu Fengfang. Assessment in drilling of C/C—SiC composites using brazed diamond drills. J. Manuf. Processes. 2017. Vol. 26. P. 31—43. DOI: 10.1016/j.jmapro.2017.01.006.

12. Layendecker T., Lemmer O., Jurgens A., Esser S., Ebberink J. Industrial application of crystalline diamond-coated tools. Surf. Coat. Technol. 1991. Vol. 48. Iss. 3. P. 253—260. DOI: .1016/0257-8972(91)90013-M.

13. Bull S.J., Matthews A. Diamond for wear and corrosion applications. Diamond Relat. Mater. 1992. Vol. 1. Iss. 10—11. P. 1049—1064. DOI: 10.1016/0925-9635(92)90075-Y.

14. Сергейчев К.Ф., Душик В.В., Иванов В.А., Лаптева В.Г., Лахотин Ю.В., Лукина Н.А., Борисенко М.А., Поддубная Л.Ю. Газофазный плазмохимический синтез поликристаллического алмазного покрытия рабочей поверхности твердосплавных режущих инструментов в плазме факельного СВЧ-разряда. Успехи прикл. физики. 2014. No. 5. C. 453—475.

15. Haubner R., Lindbauer A., Lux B. Diamond deposition on chromium, cobalt and nickel substrates by microwave plasma chemical vapour deposition. Diamond Relat. Mater. 1993. Vol. 2. Iss. 12. P. 1505—1515. DOI: 10.1016/ 0925-9635(93)90021-S.

16. Matsubara H., Kihara J. Diamond deposition by means of tantalum filament on WC—Co alloy and other hard materials. In: Science, technology of new diamond. Eds. S. Saito, O. Fukunaga, M. Yoshikawa. 1990. P. 89—93.

17. Mehlmann A.K., Dirnfeld S.F., Avigal Y. Investigation of low-pressure diamond deposition on cemented carbides. Diamond Relat. Mater. 1992. Vol. 1. Iss. 5—6. P. 600—604. DOI: 10.1016/0925-9635(92)90174-M.

18. Haubner R., Kubelka S., Lux B., Griesser M., Grasserbauer M. Murakami and H2SO4/H2O2 pretreatment of WC—Co hard metal substrates to increase the adhesion of CVD diamond coatings. J. Phys. IV Collogue (France). 1995. Vol. 5. P. 753—760. DOI: 10.1051/jphyscol:1995589.

19. Haubner R., Kalss W. Diamond deposition on hardmetal substrates — Comparison of substrate pre-treatments and industrial applications. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2010. Vol. 28. Iss. 4. P. 475—483. DOI: 10.1016/j.ijrmhm. 2010.03.004.

20. Kobashi Koji. Diamond films. Chemical vapor deposition for oriented and heteroepitaxial growth. 1-st ed. Elsevier Science, 2005.

21. Fan Q.H., Pereira E., Grácio J. Diamond deposition on copper: studies on nucleation, growth, and adhesion behaviours. J. Mater. Sci. 1999. Vol. 34. Iss. 6. P. 1353—1365. DOI: 10.1023/A:1004566502572.

22. Sommer M., Haubner R., Lux B. Diamond deposition on copper treated hardmetal substrates. Diamond Relat. Mater. 2000. Vol. 9. Iss. 3—6. P. 351—357. DOI: 10.1016/ S0925-9635(99)00250-2.

23. Вохмянин Д.С. Влияние медного подслоя на зарождение алмазных кристаллов на поверхности карбида вольфрама. Изв. вузов. Химия и хим. технол. 2016. Т. 59. No. 8. С. 85—89.

24. Kim J.G., Jin Yu. Measurement of residual stress in diamond films obtained using chemical vapor deposition. Jap. J. Appl. Phys. 1998. Vol. 37. P. 890—893. DOI: 10.1143/JJAP.37.L890.

25. Qi Hua Fan, Gracio J., Pereira E. Residual stresses in chemical vapour deposited diamond films. Diamond Relat. Mater. 2000. Vol. 9. Iss. 9—10. P. 1739—1743. DOI: 10.1016/S0925-9635(00)00284-3.

26. Rats D., Bimbault L., Badawi K.F. Crystalline quality and residual stresses in diamond layers by Raman and X-ray diffraction analyses. J. Appl. Phys. 1995. Vol. 78. Iss. 8. P. 4994—5001. DOI: 10.1063/1.359725.

27. Wang Xin-chang, Wang Cheng-chuan, He Wei-kai, Sun Fang-hong. Co evolutions for WC—Co with different Co contents during pretreatment and HFCVD diamond film growth processes. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2018. Vol. 28. Iss. 3. P. 469—486. DOI: 10.1016/S10036326(18)64680-1.

28. Герасимов Я.И., Древинг В.П., Еремин Е.Н., Киселев А.В., Лебедев В.П., Панченков Г.М., Шлыгин А.И. Курс физической химии. Т. II. М.: Химия, 1973.

29. Лузанов В.А., Веденеев А.С. Алмазоподобные углеродные пленки, полученные методом высокочастотного диодного распыления. Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. No. 9. С. 1007—1008. DOI: 10.1134/ S0033849418090139.

30. Выровец И.И., Грицына В.И., Дудник С.Ф., Опалев О.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Рентгенографическое исследование структуры и напряженного состояния алмазных покрытий, полученных в тлеющем разряде. Вопр. атом. науки и техники. 2008. No. 1. С. 142—146.

31. Shenderova O.A., Gruen D.M. Ultrananocrystalline diamond: synthesis, properties and applications. William Andrew, 2012. DOI: 10.1007/1-4020-3322-2.

32. Шубников А.В. Как растут кристаллы. М.; Л.: АН СССР, 1935.

33. Prawer S., Nemanich R.J. Raman spectroscopy of diamond and doped diamond. Philos. Trans. Royal Soc. A. 2004. Vol. 362. P. 2537—2565. DOI: 10.1098/rsta.2004.1451.

34. Ferrari A.C., Robertson J. Origin of the 1150 cm–1 Raman mode in nanocrystalline diamond. Phys. Rev. B. 2001. Vol. 63. P. 121405-1—121405-4. DOI: 10.1103/PhysRevB.63.121405.

35. Pfeiffer R., Kuzmany H., Salk N., Günther B. Evidence for trans-polyacetylene in nanocrystalline diamond films from H—D isotropic substitution experiments. Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82. Iss. 23. P. 4149—4150. DOI: 10.1063/1.1582352.

36. Pfeiffer R., Kuzmany H., Knoll P., Bokova S., Salk N., Gunther B. Evidence for trans-polyacetylene in nano-crystalline diamond films. Diamond Relat. Mater. 2003. Vol. 12. Iss. 3—7. P. 268—271. DOI: 10.1016/S09259635(02)00336-9.

37. Ferrari A.C., Rodil S.E., Robertson J. Interpretation of infrared and Raman spectra of amorphous carbon nitrides. Phys. Rev. B. 2003. Vol. 67. P. 155306-1—155306-20. DOI: 10.1103/PhysRevB.67.155306.