ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА И ПРОВОДИМОСТЬ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ В ПЛАЗМЕННЫХ РАЗРЯДАХ ТОКАМАКА Т-10
Аннотация
В работе изучены аморфные углеводородные пленки на кремниевых подложках, полученные в камере токамака Т-10, имеющего углеродные диафрагмы, пространственно ограничивающие дейтериевую плазму. С помощью методов спектрофотометрии, эллипсометрии, рентгеновской фотоэмиссионной и рентгеновской электронной оже-спектроскопии установлено, что коэффициенты преломления и поглощения пленок, а также параметры их электронной структуры, такие как величина запрещенной зоны, доля sp2-гибридизированных атомов углерода и химический состав примесей зависят от характеристик разряда в токамаке. Показано, что осажденные пленки относятся к высокоомным диэлектрикам и могут быть разделены по оптическим свойствам на твердые или мягкие аморфные углеводородные пленки в зависимости от типа разряда токамака: импульсного рабочего разряда – для твердых пленок или длительного низкоэнергетичного чистящего разряда – для мягких пленок. При этом проводимость твердых пленок меньше, чем мягких, что соответствует меньшей доле sp2-состояний углерода и более высокой величине запрещенной зоны в этих пленках. Проведено измерение вольтамперных характеристик и температурной зависимости проводимости на постоянном токе для твердых и мягких пленок. Показано, что в интервале температур 293–550 К проводимость определяется механизмом прыжковой проводимости по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми и границ разрешенных зон. В пользу механизма прыжковой проводимости указывает также полученный при комнатной температуре степенной характер проводимости на переменном токе со значением показателя степени, близким к 0,8. Измерение вольтамперных характеристик и температурной зависимости проводимости твердых и мягких пленок показало существенное различие в энергии активации проводимости и величине проводимости при повышенной температуре. Установленные зависимости проводимости на постоянном токе и величины энергии активации от параметров разрядов могут быть использованы в качестве диагностических реперов различных типов плазменных разрядов в токамаке. Данные по электропроводности пленок анализируются в рамках представлений об электронной структуре аморфных некристаллических материалов.
Литература
Hino T., Yoshida H., Akiba M., Suzuki S., Hirohata Y., Yamauchi Y., Nakamura K. Deuterium retention in carbon flakes and tungsten–carbon mixed flakes produced by deuter-ium arc discharge. Nuclear Fusion. 2005. V. 45. P. 894–899. DOI: 10.1088/0029-5515/45/8/017.
Roth J., Tsitrone E., Loarte A., Kukushkin A.S. Recent analysis of key plasma wall interactions issues for ITER. J. Nucl. Mater. 2009. V. 390–391. P. 1–9. DOI: 10.1016/j.jnucmat. 2009.01.037.
Kirschner A. Erosion and deposition mechanisms in fusion plasmas. Trans. Fusion Sci. Technol. 2012. V. 61. P. 230–245. DOI: 10.13182/FST12-A13510.
Kolbasov B.N., Romanov P.V., Guseva M.I., Khripunov B.I., Stankevich V.G., Svechnikov N.Yu., Zimin A.M. Some recent Russian studies of hydrogen isotope retention in plasma facing materials. Plasma Devices and Operations. 2006. V. 14. N 4. P. 303–321. DOI: 10.1080/10519990600975614.
Kolbasov B.N., Stankevich V.G., Svechnikov N.Yu., Lebedev A.M., Menshikov K.A., Rajarathnam D., Somenkov V.A., Trunova V.A., Veligzhanin A.A., Zub-avichus Y.V. Studies of nanostructures formed in T-10 to-kamak. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineer-ing. 2011. V. 23. P. 012008. DOI: 10.1088/1757-899X/23/1/012008.
Svechnikov N.Yu., Stankevich V.G., Sukhanov L.P., Menshikov K.A., Lebedev A.M., Kolbasov B.N., Zubav-ichus Y.V., Rajarathnam D. Investigations of adsorption states of protium and deuterium in redeposited carbon flakes formed in tokamak T-10. J. Nucl. Mater. 2008. V. 376. N 2. P. 152–159. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2008.02.072.
Krauz V.I., Martynenko Yu.V., Svechnikov N.Yu., Smirnov V.P., Stankevich V.G., Khimchenko L.N. Nanostructures in controlled thermonuclear fusion devices. Uspekhi Fizicheskih Nauk. 2010. V. 53. N 6. P. 1015–1038. DOI: 10.3367/UFNr.0180.201010c.1055.
Arkhipov I., Klimov N., Svechnikov N., Grashin S., Vuko-lov K., Budaev V., Maslakov K., Stankevich V., Zhitlukhin A., Kovalenko D., Podkovirov V. Experi-mental study of contamination and cleaning of in-vessel mir-rors for ITER optical diagnostics on T-10 and QSPA-T facil-ities. J. Nucl. Mater. 2013. V. 438. P. 1160-1170. DOI: 10.1016/j.jnucmat. 2013.01.256.
Robertson J. Diamond-like amorphous carbon. Mater. Sci. Eng. 2002. R 37. P. 129-281.
Liao X., Zhang X., Takai K., Enoki T. Electric field in-duced sp3-to-sp2 conversion and nonlinear electron transport in iron-doped diamond-like carbon thin film. J. Appl. Phys. 2010. V. 107. N 1. P. 013709. DOI: 10.1063/1.3280037.
Pardanaud C., Aréou E., Martin C., Ruffe R., Angot T., Roubin P., Hopf C., Schwarz-Selinger T., Jacob W. Ra-man micro-spectroscopy as a tool to measure the absorption coefficient and the erosion rate of hydrogenated amorphous carbon films heat-treated under hydrogen bombardment. Di-am. Related Mater. 2012. V. 22. P. 92–95. DOI: 10.1016/j.diamond.2011.12.015.
Sedlovets D.M., Red’kin A.N., Korepanov V.I., Tro-fimov O.V. Electrical conductivity and optical properties of thin carbon films grown from ethanol vapor. Inorg. Mater. 2012. V. 48. P. 34–39. DOI: 10.1134/S0020168511120168.
Neeraj Dwivedia, Sushil Kumara, Careyc J.D., Hitendra K. Malikb, Govinda. Photoconductivity and Characteriza-tion of Nitrogen Incorporated Hydrogenated Amorphous Carbon Thin Films. J. Appl. Phys. 2012. V. 112. P. 113706. DOI: 10.1063/1.4768286.
Vadali V.S.S. Srikanth, P. Sampath Kumar, Vijay Bhooshan Kumar. A Brief Review on the In situ synthesis of boron-doped diamond thin films. Internat. J. Electrochem. 2011. V. 2012. Article ID 218393. 7 p. DOI: 10.1155/2012/218393.
Heon Woong Choi, Reinhold H. Dauskardt, Seung-Cheol Lee. Characteristic of silver doped DLC films on sur-face properties and protein adsorption. Diamond Related Ma-ter. 2008. V. 17. P. 252–257. DOI: 10.1016/j.diamond.2007.12.034.
Wei Dai, Aiying Wang. Synthesis, characterization and properties of the DLC films with low Cr concentration dop-ing by a hybrid linear ion beam system. Surf. Coat. Technol. 2011. V. 205. P. 2882–2886. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.10.057.
Svechnikov N.Yu., Stankevich V.G., Sukhanov L.P., Lebedev A.M., Menshikov K.A. Detection of the Iron Im-purity in CDx Films Formed in the T-10 Tokamak and its In-fluence on the sp3→ sp2 Conversion. J. Surf. Investig. X-ray, Synch. Neut. Techniq. 2015. V. 9. N 6. P. 1221–1227. DOI: 10.1134/S1027451015060397.
Svechnikov N.Yu., Stankevich V.G., Lebedev A.M., Sukhanov L.P., Menshikov K.A. EPR and photolumines-cence spectra of smooth CDx films from T-10 Tokamak: The effect of iron impurity. J. Surf. Investig. X-ray, Synch. Neut. Techniq. 2016. V. 10. N 1. P. 23–34. DOI: 10.1134/S1027451016010183.
Svechnikov N.Yu., Stankevich V.G., Arkhipov I.I., Grashin S.A., Maslakov K.I., Lebedev A.M., Sukhanov L.P., Menshikov K.A. Electronic structure investigations of hydrocarbon films obtained in controllable conditions of the tokamak T-10. VANT. Ser. Termoyader. sintez. 2012. N 3. P. 3-18 (in Russian).
Svechnikov N.Yu., Stankevich V.G., Kolbasov B. N., Zubavichus Y.V., Veligzhanin A.A., Somenkov V.A., Sukhanov L.Р., Lebedev A.M., Menshikov K.А. Cluster-type structure of amorphous smooth hydrocarbon CDx films (x ~ 0.5) from T-10 Tokamak J. Surf. Investig. X-ray, Synch. Neut. Techniq. 2017. V. 11. N 6. P. 1208–1215. DOI: 10.1134/S1027451017060349.
Bruzzi M., Piseri P., Miglio S., Bongiorno G., Barborini E., Ducati C., Robertson J., Milani P. Electrical conduc-tion in nanostructured carbon and carbon-metal films grown by supersonic cluster beam deposition. Europ. Phys. J. B. 2003. V. 36. P. 3-13. DOI: 10.1140/epjb/e2003-00311-4.
Xiaoyan Wang, Yuqing Zhao. Study of electrical conduc-tivity and microcosmic structure of tetrahedral amorphous carbon films doped by boron. Advan. Mater. Sci. Eng. 2015. V. 2015. Article ID 727285. 6 p. DOI: 10.1155/2015/727285.
Sikora A., Paolino P., Ftouni H., Guerret-Piécourt C., Garden J.-L., Loir A.-S., Garrelie F., Donnet C., Bour-geois O. Depth-dependence of electrical conductivity of dia-mondlike carbon films. Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. P. 16211.1. DOI: 10.1063/1.340767.
Georgakilas V., Koutsioukis A., Petr M., Tucek J., Zboril R. Remarkable enhancement of the electrical conduc-tivity of carbon nanostructured thin films after compression. Nanoscale. 2016. V. 8. P. 11413. DOI: 10.1039/c5nr09025c.
Lampert M., Mark P. Current injection in solids. М.: Mir. 1973. 413 p. (in Russian).
Mott N.F., Davis E.A. Electron processes in non-crystalline materials. М.: Mir. 1982. 664 p. (in Russian).
