https://doi.org/10.15407/iopt.2024.59.067
Optoelectron. Semicond. Tech. 59, 67-75 (2024)
O. Horobei, Iu. Nasieka, V. Strel’nitskij
AMORPHOUS AND DIAMOND-LIKE CARBON FILMS: FROM CURRENT CHALLENGES TO NEW PROMISING APPLICATIONS (A REVIEW)
Amorphous and diamond-like carbon (DLC) films possess unique properties such as high hardness, low friction coefficient, chemical stability, and biocompatibility, making them important for use in various industries including automotive, medical, electronics, and optoelectronics. This article discusses current challenges and new perspectives in applying amorphous and diamond-like carbon films. It was demonstrated that the amorphous and DLC films are the object of interest of a huge number of research groups around the world and these materials have been developing since the 1960s after the development of the plasma-chemical methods for their synthesis. The main methods of carbon films (amorphous, DLC, hydrogenated) synthesis, including physical and chemical vapor deposition (PVD and CVD), are analyzed, along with their influence on the structure and physical properties of the resulting materials. The actual problems in carbon film synthesis, such as low adhesion to the substrate, and insufficient mechanical and thermal stability, are also analyzed. It was shown that using the intermediate additional layers, the special doping, and the control of the kinetic energy of carbon ions during deposition allows a substantial increase in the structural quality of DLC films. The opportunities for improving film adhesion and hardness through changes in process parameters, such as the deposition temperature, the presence of the crossed magnetic field, and the pressure of the mixture of the precursor gases are considered. New prospects for DLC films application in medicine, surgery, prostheses, mechanics, and new functional devices are discussed. The summary information is important for beginners in carbon-based material science as well as for the general public to understand the general trends in this field. Keywords: amorphous carbon films, diamond-like carbon films, DLC, synthesis, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, adhesion, biocompatibility, hardness, biomedical applications.
Keywords: amorphous carbon films, diamond-like carbon films, DLC, synthesis, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, adhesion, biocompatibility, hardness, biomedical applications.
References
1 .Ali M., Ali F., Yang B., & Abbas A. A comprehensive account of biomedical applications of CVD diamond coatings. Journal of Physics D: Applied Physics. 2021. 54, №43.Р. 43001. DOI:10.1088/1361-6463/ac0ac2.
2. Matthews A., Eskildsen S. S. Engineering applications for diamond-like carbon. Diamond and Related Materials. 1994. 3,№4-6. Р.902-911. DOI: 10.1016/0925-9635(93)05643-1.
3. Мазуренко Є.А., Герасимчук А.І., Овсянников В.П. Хімічне осадження з газової фази, синтез функціональних матеріалів (огляд). Фізика і хімія твердого тіла. 2001. 2, №3. С. 339-349.
4. Maissel L.I. The Deposition of Thin Films by Cathode Sputtering . Physics of Thin Films. Academic Press. 1966. 3. Р. 61.
5. Fukui H., Okida J., Omori N., Moriguchi H., Tsuda K. Surf. Coat. Technol. 2004.187. Р. 70–76.
6. Weber M., Bewilogua K., Bialuch I., Keunecke M., Thomsen H., Wittorf. R. 49th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters. 2006.Р. 529–537.
7. Goglia P., Berkowitz J., Hoehn J., Xidis A., Stover L. Diamond Relat. Mater. 2001.10. Р.271–277.
8. Vetter J. 60 years of DLC coatings: Historical highlights and technical review of cathodic arc processes to synthesize various DLC types, and their evolution for industrial applications. Surf. Coat. Technol. 2014. 257. Р.213–240. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.017.
9. Strel'nitskij V.E., Aksenov I.I., Vakula S.I., Padalka V.G., Belous V.A. Sov. Tech. Phys. Lett. 1978.4. Р.546–547.
10. Майссел Л., Глэнг Р. Технология тонких пленок: Справочник. М.: Советское радио. 1977. 753 с.
11. Shirakura Nakaya M., Koga Y., Kodama H., Hasebe T., Suzuki T. Thin Solid Films. 2006.494. Р.84–91.
12. Robertson J. Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2002. 37,.№4-6. Р.129-281.
13. Web of Science Core Collection. Аналіз результатів. https://www.webofscience.com/wos/woscc/analyze-results/0c076f43-3777-45b7-a9de-4c7f617914c0-ebc31615. (Дата доступу: 2024-05-29).
14. Web of Science Core Collection. Аналіз результатів. https://www.webofscience.com/wos/woscc/analyze-results/0c076f43-3777-45b7-a9de-4c7f617914c0-ebc31615 (Дата доступу: 2024-05-29).
15. Grill A. Diamond-like carbon: state of the art. Diamond and Related Materials. 2003. 8,№2-5. Р.428-434.
16. Erdemir A., Donnet C. Tribology of diamond-like carbon films: recent progress and future prospects. Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. 39,№18.Р. R311- 327.
17. Hauert R. An overview on the tribological behavior of diamond-like carbon in technical and medical applications. Tribology International. 2003. 36,№6.Р. 389-396.
18. Donnet C., Erdemir A. (Eds.). Tribology of diamond-like carbon films: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media. 2008.
19. Gangopadhyay A., Sinha S., Rahim H. E., Forgit M. Z., Chatterjee H., Tribbert G., Tamor M. Low friction diamond-like carbon films for computer hard disk applications. Surface and Coatings Technology. 1997.92,№1-2.Р. 122-128.
20. Robertson J. Deposition mechanisms for promoting sp3 bonding in diamond like carbon. Diamond and related materials. 1993. 2. Р. 984–989.
21. Hauert R. A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and related Materials.2004. 12,№3-7.Р.583-589.
22. Jang Y.J., Kim J. I., Lee W. Y., Kim J. Tribological properties of multilayer tetrahedral amorphous carbon coatings deposited by filtered cathodic vacuum arc deposition. Friction. 2021.9.Р.1292–1302.
23. Lee W.-Y., Tokoroyama T., Jang Y.-J., Umehara N. Effect of Substrate Bias and Temperature on Friction and Wear Properties for ta-C Coating Prepared under Different Substrate Bias Voltages with Filtered Cathodic Vacuum Arc Deposition. Tribology Online. 2018. 13, № 5.Р. 241-247.
24. Roy R.K. J. Biomed. Mater. Res. Part B. 2007. 83.Р.72–84.
25. Kubart T., Greczynski G., Alami J., Helmersson U. Review: High Power Impulse Magnetron Sputtering for Thin Film Deposition: Present Status and Future Prospects. Vacuum. 2008.82,№10.Р. 123-131.
26. Sarakinos K., Alami J., Konstantinidis S. High Power Pulsed Magnetron Sputtering: A Review on Scientific and Engineering State of the Art. Surface and Coatings Technology. 2010. 204,№11. Р.1661-1684.
27. Gudmundsson J.T. High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS): Physics, Technology, and Applications. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces and Films. 2008.26,№4.Р. 854-857.
28. Monteiro O.R., Delplancke-Ogletree M., Brown I.G. Tungsten-containing amorphous carbon films deposited by pulsed vacuum arc. Thin Solid Films. 1999.342,№1–2. Р. 100–107. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(98)01441-2.
29. Yu W. et al. Improving high temperature tribological performances of Si doped diamond –like carbon by using W interlayer. Tribology International. 2020.146 . Р.106241.
30. Nasieka Iu.M., Strelnitski V.E., Opalev O.A., Gritsina V.I., Koshevyi K.I., Horobei O.Ya., Lementaryov V.V., Trokhaniak V.I., Boyko M.I. Difference in the structure and morphology of CVD diamond films grown on negatively charged and grounded substrate holders: Optical study. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2024. 27, № 1.Р. 79-84. DOI: 10.15407/spqeo27.01.079.
31. Ahmed F. Deformation and Damaging Mechanisms in Diamond Thin Films Bonded to Ductile Substrates. (PhD Thesis) Universität Erlangen-Nürnberg. 2012.
32. Грицина В., Дудник С., Опалев О., Решетняк Е., Стрельницкий В. Особенности синтеза алмазных пленок в тлеющем разряде постоянного тока. ВАНТ. 2018. №1. С. 96-100. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137348.
33. Vasiliev V., Luchaninov O., Reshetniak O., Strel’nitskij V., Nasieka Iu., Danylenko I., Sabov T., Lementarov V., Horobei O. Tuning of adhesion and hardness of diamond-like carbon vacuum arc coatings by changing the amplitude of pulsed bias potential applied to the substrate. Thin Solid Films. 2023.783. Р.140061. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2023.140061.
34. Geis M.W., Efremow N.N., Rathman D.D. Device applications of diamonds. J. Vac. Sci. Technol. 1988.A 6. Р.1953.
35. Matthews A., Eskildsen S.S. Engineering applications for diamond-like carbon. Research Centre in Surface Engineering, University of Hull, Hull HU6 7RX (UK).
36. Derakhshandeh M., Eshraghi M.R., Hadavi J., Javaheri M., Khamseh S., Sari M., Zarrintaj G., Saeb M.R., Mozafari M. Diamond-like carbon thin films prepared by pulsed-DC PE-CVD for biomedical applications. Surf. Innov. 2018.6. Р.167–175.
О.Я. Горобей, Ю.М. Насєка, В.Є. Стрельницький
АМОРФНІ ТА АЛМАЗОПОДІБНІ ВУГЛЕЦЕВІ ПЛІВКИ:ВІД СУЧАСНИХ ПРОБЛЕМ ДО НОВИХ ПЕРСПЕКТИВНИХ ЗАСТОСУВАНЬ (ОГЛЯД)
Аморфні та алмазоподібні вуглецеві плівки володіють унікальними властивостями, такими як висока твердість, низький коефіцієнт тертя, хімічна стійкість та біосумісність, що робить їх важливими для використання в різних галузях, включаючи автомобільну промисловість, медицину, електроніку та оптоелектроніку. В даній статті обговорюються сучасні проблеми та нові перспективи застосування аморфних та алмазоподібних вуглецевих плівок. Аналізуються методи синтезу цих плівок, включаючи фізичне та хімічне осадження з парової фази та їхній вплив на структуру і властивості отриманих матеріалів. Розглядаються можливості підвищення адгезії та твердості плівок за допомогою зміни параметрів технологічного процесу, а також перспективи їх використання в біомедичних застосуваннях та створенні нових функціональних пристроїв.
Ключові слова: аморфні вуглецеві плівки, алмазоподібні вуглецеві плівки, синтез, фізичне осадження з парової фази, хімічне осадження з парової фази, адгезія, біосумісність, твердість, біомедичні застосування.