никами использовали альтернативный подход, состоящий в осаждении твердых многофазных покрытий с низким коэффициентом трения на основе TiBj-MoSj. Покрытия обладали твердостью 20 ГПа и коэффициентом трения, равным 0,05.

Покрытия, обладающие жаро-, коррозионной стойкостью и стойкостью к высокотемпературному окислению

Исследование устойчивости наноструктур при высокотемпературном отпуске пленок Ti-Si-N и Ti-Al-Si-N показало, что температура рекристаллизации увеличивается с 850 °С при размере нанокристаллов 5нм до 1150°С при < Зим, что связывалось со стабилизацией границ раздела в результате сегрегации. Пленки Ti-Si-N также обладают повышенной стойкостью к высокотемпературному окислению по сравнению с TiC, TiN и Tig jAIq jsZtq 25N и сопоставимой с TigjAIggN. Пленки составов Ti-Si-B-N и ti-Si-C-N показали улучшенную коррозионную стойкость по сравнению с TiN при 800 °С. Известно положительное влияние А1 на устойчивость покрытий к высокотемпературному окпслению. При низких температурах отпуска благодаря присутствию алюминия кислород растворяется в ГЦК решетке (Ti,Al)] (C,N), в то время как на поверхности покрытия TiN образуется слой оксида толщиной 800 нм. При более высоких температурах А! диффундирует к поверхности покрытия, что приводит к образованию защитного слоя AI2O3, препятствующего дальнейшему окислению.

О коррозионной стойкости тонких пленок обычно судят на основе построения потенциодинамических поляризационных кривых и по скорости коррозии. Сравнительные данные по коррозионно-электрохими-ческому поведению компактных материалов и аналогичных по составу тонких пленок со средним размером кристаллитов 2...5 нм указывают на существенное понижение скорости коррозии пленок (в 10-1000 раз), что связано с их наноструктурным состоянием. Кроме того, коррозия пленок на основе TiC-Fe-Si-Mo имеет ярко выраженный селективный характер. Преимущественное растворение менее стойкого компонента, прежде всего железа, приводило к обогащению поверхности кремнием и образованию защитной пленки SiOj. Отметим, что сравнение коррозионных свойств различных покрытий затруднено в связи с различными условиями проведения испытаний. К общим рекомендациям можно отнести увеличение толщины покрытий, уменьшение шероховатости поверхности, получение плотной структуры с отсутствием пор и микро-

Покрытия для медицины

Разработка и синтез наноструктурных тонких пленок для биомедицины становится одной из приоритетных задач нового тысячелетия. К наиболее перспективным изделиям, в первую очередь, относятся бак-териостатические имплантанты с покрытиями (зонды, катетеры, дренажные трубки), медицинские инструменты с бактериостатическими покрытиями, медицинские контактные линзы, полимерные медицинские изделия с покрытиями (зонды для питания, искусственного дыхания, диагностики и т.д.). Биоматериалы должны обладать хорошими физическими, химическими и биологическими свойствами: высокой адгезией покрытия к подложке, высокими механическими характеристиками, упругостью, химической стойкостью, антибактериальной активностью, биосовместимостью и отсутствием токсичности. Морфология и шероховатость поверхности тонких пленок, осажденных на имплантируемые материалы, оказывают значительное влияние на адгезивность живых тканей, их ориентацию и направление миграции клеток [9]. Биоматериалы, катетеры, имплантаты и т. д. не должны оказывать цитотоксичного воздействия на окружающие клетки и вызывать отторжение или аллергическую реакцию. Поверхность имплантированных материалов должна обеспечивать хорошую адгезию с клетками, обеспечивая крепкое сцепление имплантанта и живых тканей. Наоборот, адгезия инструмента для офтальмологии и кардио-сосудистой хирургии должна быть низкой. Поверхность имплантированных материалов должна быть устойчивой к влиянию биологических жидкостей, например желудочного сока, а также к воздействию механических деформаций. Также надо отметить, что свойства биоматериалов не должны изменяться в процессе их стерилизации любым из известных методов (химическая, ультрафиолетовая, или радиационная стерилизация).

Развитие ионно-плазменной техники и технологии явилось толчком к созданию новых углеродных пленочных материалов [10]. Эти материалы обладают следующими характеристиками:

- являются диффузионным барьером для биологических сред, поскольку углерод имеет самый малый размер иона; обладают высокой адгезией к материалу основы;

отверстий. Также следует помнить, что конкретный материал не всегда обладает всем набором высоких характеристик, поэтому выбор состава должен производиться индивидуально для конкретных применений.

- обеспечивают стойкость материалов основы (металлов, сплавов) к агрессивным биологическим средам;

- обеспечивают биосовместимость различных материалов;

- позволяют обеспечить заданные медико-биологические характеристики материалов: адгезивность для клеток и микроорганизмов, антибактериальную активность, адсорбцию белков и другие гемосовмес1имые свойства.

Углеродные пленки являются перспективными материалами в качестве изделий для медицины: зонды для искусственного питания и дыхания, урологические катетеры, дренажные трубки для длительной службы внутри человеческого тела, искусственные органы и их компоненты и др. Углеродные пленки могут быть либо однофазными (алмаз, графит, карбин, фуллерен) или многофазными, а также однослойными и многослойными. Взаимодействие покрытия с окружающей биосредой зависит от характеристик поверхности, таких как химический состав, структура и заряд поверхности. Варьируя методы и условия формирования углеродсодержащих пленок, можно в широких пределах изменять свойства поверхности изделий.

Различные твердые покрытия, например TiN, используются для увеличения износостойкости имплантантов. Покрытия на основе оксида олова применяются в тех случаях, когда основными требованиями являются хорошая адгезия к тканям и биосовместимость. Покрытия на основе оксидов титана показали лучшую совместимость с кровью, чем традиционно используемые материалы для искусственных клапанов сердца на основе низкотемпературного изотропного пиролитического углерода.

Теплопроводящие покрытия

Для эффективного нагрева или охлаждения нужны материалы, обладающие высокой теплопроводностью и низким коэффициентом термического расширения. Основной областью применения данных материалов является микроэлектроника, которая выдвигает дополнительное требование низкой плотности материалов с целью уменьшения массы. Многокомпонентные пленки находят широкое применение не только как теплопроводящие материалы, но и в качестве соединяющих слоев по границам раздела с целью улучшения термического контакта. К тепло-проводящим материалам относятся металлы (алюминий, медь, золото и др.), углерод, алмаз, графит и различные композиты типа металл-матрица, углерод-матрица или керамика-матрица. Ко второй группе мате-

Покрытия для микроэлектроники

Технология тонких пленок находит все более широкое применение в микроэлектронике при производстве гибридных интегральных схем. Резистивные слои являются настолько чувствительными к микроструктуре, что едва заметные рекристаллизационные процессы в пленке приводят к существенным изменениям термического коэффициента сопротивления а и временной стабильности резистора под нагрузкой. Известно, что электрофизические свойства пленок во многом обусловлены влиянием размерного эффекта. Так, величина электросопротивления наноструктурных пленок Ti-B-N оказывается на порядок выше, а его рост происходит интенсивнее, чем у равновесных поли- и монокристаллических образцов, что связывается с рассеянием носителей на границах кристаллитов, примесях и дефектах. В то же время термический коэффици-

ли-.

риалов, в первую очередь, относятся пасты на основе полимеров, кремния и припой.

Акустико-оптические покрытия

Ниобат и танталат лития являются важными материалами для электроники, акустики и оптики, так как они обладают превосходными ферроэлектрическими, пьезоэлектрическими, пироэлектрическими и оптическими свойствами. Поэтому их получение в виде равномерных тонких пленок, имеющих хорошую морфологию поверхности и кристалличность, на подложках с низким индексом отражения и высокой скоростью распространения акустических волн является крайне актуальной задачей.

Эпитаксиальные пленки ниобата и танталата лития (LiNbOj и иТаОз) могут осаждаться различными методами, в том числе методом молекулярной лучевой эпитаксии, химическим осаждением, металлоор-ганическим химическим осаждением, ионным плакированием, золь-гель методом, в том числе с применением полимерного исходного раствора, осаждением с помощью эксимерного и импульсного лазера, а также магнетронным распьшением. У лучших пленок LiNbOj и LiTaOj, которые удалось получить, величина оптических потерь не превосходила 1 дБ/см, а полуширина линии (0001) рентгеновского спектра и среднеквадратичное значение шероховатости поверхности соответственно составляли 0,04° и 1,5 нм.

ент сопротивления (ТКС) пленок в 5-10 раз меньше, чем у соответствующих объемных равновесных образцов. Бьши получены наноструктурные пленки Ti-C-B с экстремально малым КТС, равным -2x10 К~, при необратимом изменении сопротивления за 1000 ч работы под нагрузкой 1 Вт/см не более 0,2 %. Также бьшо показано, что чем меньше масштаб структуры, тем выше термическая стабильность пленки. Оптимальными электрофизическими свойствами обладали пленки, состоящие из кристаллитов размером 2 нм, внедренных в аморфную матрицу. Пленки Ti-Sj-N показали свою эффективность в качестве диффузионных барьерных слоев между Si и А1 или Си. Полученные пленки являются либо полностью аморфными, либо содержали нанокристаллиты TiN, внедренные в аморфную матрицу. По аналогии с ранее полученными результатами бьшо установлено, что термическая обработка в вакууме приводит к понижению электросопротивления.

Многослойные покрытия в оптике

В данной области применения наноструктурных покрытий можно вьщелить следующие основные группы многослойных пленок: энергосберегающие (поглощающие тепло) покрытия; теплоотражающие покрытия; интерференционные и дифракционные тонкопленочные системы; светопропускающие и радиационностойкие покрытия; защитные покрытия с высокими механическими свойствами.

Энергосберегающее покрытие играет роль аккумулятора тепла (энергии) и предназначено для пропускания и поглощения ИК-спектра.

Теплоотражающие покрытия предназначены для снижения или полного отражения инфракрасного (теплового) спектра излучения и пропускания видимой части спектра. В теплоотражающем покрытии основную роль играет слой серебра толщиной 100 А. Такие пленки широко используются для защиты оконных стекол жилых домов и бизнес-центров для создания комфортных условий труда и отдыха людей, в отражающих элементах приборов для иллюминации и сигнальных устройствах. Данные покрытия позволяют значительно сэкономить электроэнергию, затрачиваемую на кондиционирование помещений. Поэтому для южных стран и в жаркое время года данные покрьггия также являются и энергосберегающими.

Интерференционные и дифракционные покрытия находят применение в различных видах фильтров, функциональной и компьютерной оптике, рентгеновских зеркалах и других оптических элементах.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) является одним из наиболее эффективных и многосторонних методов структур-

Разработка светопропускающих, радиационностойких покрытий является очень актуальной задачей в связи с тем, что их основной целью является защита человека от различных видов радиационного излучения (например, от экрана монитора компьютера, телевизора и др.) и снижение нагрузки на глаза. Данная область материалов и технологий развивается очень быстро и во многом определяется появлением новых материалов и технических решений. В последнее время большой интерес обращен к алмазоподобным пленкам. Данные пленки толщиной около 10 мкм находят применение в ИК-оптических элементах. Сегодня создаются четырехслойные углеродные структуры на стекле.

Очень важным является завершающий, внешний слой покрытия, контактирующий с окружающей средой. В этой связи покрытия разделяются на стойкие к лучевому воздействию прозрачные пленки, например, для защиты лазерных зеркал мощных ИК-лазеров путем осаждения на слой германия пленки алмазоподобного углерода а-С:Н, увеличивающей срок службы в 2 раза. К другой группе применений относятся прозрачные износостойкие пленки толщиной 50...150нм, например пассивирующегося углерода а-С:Н, для защиты фоточувствительного слоя из фотополимера или селена электрофотографических барабанов копировальных аппаратов и лазерных принтеров. В результате защиты фоточувствительных слоев от механического, озонового и радиационного воздействий срок службы барабанов увеличивается более чем в 2 раза.

Наука о наноматериалах в целом и наноструктурных тонких пленках в частности находится только в начале своего становления. Несмотря на определенный прогресс в области конструирования наноматериалов, остаются значительные проблемы как в фундаментальном понимании поведения систем в наномасштабе, так и в количественном измерении и установлении их свойств, что сдерживает реализацию возможностей нанотехнологий на практике. Ожидается, что дальнейшие исследования в области наноструктурных материалов приведут к новым интересным научным открытиям и технологическим разработкам.

7.2. ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ