ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОСТА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТОНКИХ СЛОЕВ НИТРИДА УГЛЕРОДА В РАДИОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЕ ГАЗОВОЙ СМЕСИ АЗОТ-МЕТАН

Аморфные тонкие пленки нитрида углерода (a-CNₓ) были синтезированы методом плазменно-активированного химического осаждения из газовой фазы (PECVD) в радиочастотной (РЧ) разрядной плазме азотно-метановой газовой смеси при частоте 13,56 МГц с использованием импульсной модуляции плазмы. Динамика постоянного напряжения автосмещения (Vdc) регистрировалась в качестве диагностического параметра непосредственно в процессе синтеза для мониторинга зародышеобразования, роста и агломерации наночастиц. Установлено, что после зажигания плазмы абсолютное значение Vdc монотонно уменьшается, а начало агломерации наночастиц может быть достоверно определено по характерному изменению зависимости Vdc(t), что согласуется с трехстадийной моделью формирования пылевых частиц в низкотемпературной плазме. Показано, что время начала агломерации (tagl) существенно зависит от расхода метана, рабочего давления и мощности ВЧ-разряда: при базовых условиях (0,86 мбар, 20 Вт) увеличение расхода CH4 с 2 до 7 sccm сокращает tagl с 4,4 с до 200 мс, тогда как влияние давления и мощности характеризуется соответственно доминирующим и немонотонным характером. Полученные результаты использованы для выбора продолжительности импульсов включения плазмы при контролируемом росте пленок. Образцы, осажденные в режиме импульсной модуляции, исследованы методами SEM, EDS, FTIR и XRD, что подтвердило формирование сплошных нестехиометрических пленок нитрида углерода с преобладанием связей C–N и C=N. Полученные результаты показывают, что мониторинг напряжения автосмещения является эффективным и доступным методом контроля кинетики роста наночастиц a-CNх непосредственно в процессе синтеза, а также позволяет регулировать рост, морфологию и химическую структуру пленок посредством параметров импульсной ВЧ-плазмы.

1. Aono M., Kikuchi S., Kitazawa N., Watanabe Y. Change in surface states of amorphous carbon nitride films after exposure to oxygen plasma. Materials Science Forum. 638–642, 818–823 (2010). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.638-642.818

2. Mohamed S.H., El-Hossary F.M., Gamal G.A., Kahlid M.M. Optical properties of plasma deposited amorphous carbon nitride films on polymer substrates. Physica B: Physica B. 405, 254–257 (2010). https://doi.org/10.1016/j.physb.2009.08.069

3. Xu Q., Zheng Y., Wang S., Fu Q., Guo X., Li Y., Ren J., Cao Z., Li R., Zhao L., Huang Y. Plasma synthesis of K-doped amorphous carbon nitride with passivated trap states for enhanced photocatalytic H₂O₂ production. Journal of Alloys and Compounds. 947, 169663 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169663.

4. Bouchoule A., Boufendi L. Particle nucleation and growth in a low-pressure argon-silane discharge. Journal Plasma Sources Science and Technology. 3, 262, (1994). https://doi.org/10.1088/0963-0252/3/3/004.

5. Orazbayev S.A., Henault M., et all. Influence of Gas Temperature on Nucleation and Growth of Dust Nanoparticles in RF Plasma. IEEE Transactions on Plasma Science. 47 (7), 3069–3073 (2019). https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2912805.

6. Guo, X., Duan, J., Li, C., Zhang, Z. & Wang, W. Highly efficient Z-scheme gC3N4/ZnO photocatalysts constructed by co-melting-recrystallizing mixed precursors for wastewater treatment. J. Mater. Sci. 55, 2018– 2031 (2020). https://doi.org/10.1007/s10853-019-04097-0

7. Yang, X., Tang, B., Wu, T. & Cao, X. g-C3N4/TiO2 composite photocatalyst and its application to asphalt for NO removal. J. Mater. Civ. Eng. 31, 04019141 (2019). https://doi.org/10.1061/%28ASCE%29MT.1943-5533.0002763

8. Li, X. et al. Synergistic effect of efficient adsorption g-C3N4/ZnO composite for photocatalytic property. J. Phys. Chem. Solids 75, 441–446 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2013.12.001

9. Ghafuri, H., Tajik, Z., Ghanbari, N. et al. Preparation and characterization of graphitic carbon nitridesupported l-arginine as a highly efficient and recyclable catalyst for the one-pot synthesis of condensation reactions. Sci Rep 11, 19792 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-97360-x

10. Rashidizadeh, A., Ghafuri, H., Esmaili Zand, H. R. & Goodarzi, N. Graphitic carbon nitride nanosheets covalently functionalized with biocompatible vitamin B1: synthesis, characterization, and its superior performance for synthesis of quinoxalines. ACS Omega 4(7), 12544–12554 (2019). https://doi.org/10.1021/acsomega.9b01635

11. Saravanan V., Lakshmanan P., Ramalingan C., Appl Organomet Chem 2023, 37(10), e7215. https:// doi.org/10.1002/aoc.7215

12. Shcherban N.D., et. all. Melamine-derived graphitic carbon nitride as a new effective metal-free catalyst for Knoevenagel condensation of benzaldehyde with ethylcyanoacetate. Catal. Sci. Technol. (2018) 8 (11): 2928–2937. https://doi.org/10.1039/c8cy00253c

13. Thomas A., Fischer A., et. all. Graphitic carbon nitride materials: variation of structure and morphology and their use as metal-free catalysts. J. Mater. Chem., 2008, 18, 4893–4908. https://doi.org/10.1039/b800274f

14. Elamin, M.R.; Elamin, N.Y.; Ibrahim, T.G.; et. all. Facile Synthesis of β-C3N4 and Its Novel MnTeO3 Nanohybrids for Remediating Water Contaminated by Pharmaceuticals. Processes 2025, 13, 2357. https://doi.org/10.3390/pr13082357

15. Drueck U. and Kutoglu A. Experimental difference densities of hexacyanobenzene at 120 k.refinement of electron density distributions with charge-cloud models. Zeitschrift fuer Kristallographie (1979-2010), 166:233–244, 1984. https://doi.org/10.1524/zkri.1984.166.3-4.233

16. Parkes A.S. and Hughes R.E. The crystal structure of cyanogen. Acta Crystallographica. (1963). 16, 734–736. https://doi.org/10.1107/S0365110X63001924

17. A. Salamat, K. Woodhead, P.F. McMillan, R. Quesada Cabrera, A. Rahman, D. Adriaens, and F. Cora. Tetrahedrally bonded dense c2 n3 h with a defective wurtzite structure: x-ray diffraction and raman scattering results at high pressure and ambient conditions. Phys. Rev. B (2009), 80, 104106. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.104106

18. Boufendi L., Gaudin J., Huet S., Viera G., Dudemaine M. Detection of particles of less than 5 nm in diameter formed in an argon–silane PECVD plasma. Applied Physics Letters. 79, 4301 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1425431