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

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 R_сумм отражения. Это перспективно для спутников, предназначенных для наблюдений поверхности Земли. Получены значения коэффициентов солнечного поглощения α_s и коэффициентов переизлучения ε₀, отношения α_s/ε₀, а также равновесной температуры T_р для исследуемых образцов. Определены величины удельного R_уд и поверхностного R□ электросопротивления, концентрации электронов N и подвижности электронов μ. Установлено, что пленки TiAlSiN, TiAlSiCN являются электропроводящими: R_{уд TiAlSiN} = (92÷4260) ∙ 10^–7 Ом ∙ м, R_удTiAlSiCN = (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.

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