The Raman Diagnostics of Carbon Films Obtained by Electron-beam Deposition on Cu, Al and Ni Substrates

Abstract

У роботі наведено результати досліджень методом раманівської спектроскопії особливостей структури вуглецевих плівок, отриманих електронно-променевим осадженням парового потоку графіту в залежності від матеріалу підкладки (Ni, Cu, Al) та часу осадження. Різноманітні вуглецеві структури ефективно утворюються в широкому діапазоні технологічних параметрів їх отримання, тому при їх синтезі використовується багато різних методів та підходів. Особливістю використаного методу осадження була суттєва (на порядок) інтенсифікація випаровування графіту шляхом використання ванни-посередника з розплавленого вольфраму. Наявність розплаву вольфраму з високою температурою та більш низькою, ніж у вуглецю, пружністю пари забезпечує одержання інтенсивного і рівномірного парового потоку вуглецю. Над тиглем, з якого випаровується вуглець, розташовували вольфрамові пластини – відбивача парового потоку (рефлектор), який орієнтували в площині під кутом 45°, що забезпечувало максимальне відбиття випаруваного вуглецю на підкладки із фольги, виготовленої з різних матеріалів (Ni, Cu та Al). Матеріал підкладки має суттєвий вплив на фазовий склад та структуру осаджуваних вуглецевих плівок. Раманівські спектри вуглецевих плівок, осаджених на алюмінієвій і мідній підкладках, є подібними. При цьому структурні параметри одержаних вуглецевих плівок суттєво не відрізняються в залежності від матеріалу підкладки. Серед проаналізованих вуглецевих плівок найбільш досконалими з найменшою кількістю структурних дефектів є плівки, отримані осадженням парового потоку на підкладках з нікелю. Результати проведених досліджень підтвердили можливість отримання графену способом EB-PVD з випаровуванням графіту через ванну-посередник з наступною конденсацією відбитого парового потоку вуглецю на підкладках з обраного матеріалу.

Results of studies by Raman spectroscopy of the structural features of carbon films obtained by electron-beam physical vapor deposition (EB-PVD) of graphite vapor flow depending on the substrate material (Cu, Al, Ni) and the deposition time are described in this paper. Different carbon microstructures are effectively formed in a wide range of conditions, therefore, various methods and approaches are used in their synthesis. A feature of the method used by the authors for obtaining carbon films is a significant (by an order) intensification of the evaporation process of graphite by using an intermediate bath of molten tungsten. Molten tungsten has higher temperature and lower vapor elasticity compared to carbon and provides an intense and uniform carbon vapor flow. Above the crucible from which carbon evaporates, tungsten plates are placed, which serve as a reflector of the vapor flow oriented in a plane at an angle of 45°, that ensure maximum reflection of evaporated carbon on foil substrates made of different materials (Ni, Cu and Al). The substrate material has a significant influence on the phase composition and structure of the deposited carbon films. The Raman spectra of carbon films deposited on aluminum and copper substrates are similar, and the structural parameters of the resulting carbon films do not differ significantly depending on the substrate material. Among the analyzed carbon films, the most advanced with the least number of structural defects are the films obtained by deposition of the vapor flow on nickel substrates. The results of the study confirm the possibility of graphene obtaining by EB-PVD of graphite evaporation through an intermediate bath of molten tungsten and subsequent condensation of the reflected flow on substrates made of the selected materials.