Материаловедение и технологии современных перспективных материалов

MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY 
MODERN PERSPECTIVE 
MATERIALS 
Practical course
Stavropol 
Publisher 
North Caucasus Federal University 
2022 

UDK 620.22 (075.8) 
BBK 303ya73 
М 34 
Published by the decision 
of the Editorial and Publishing Council 
North Caucasus Federal University 
M 34 Materials science and technologies of modern advanced materials : practical course / comp. : I.M. Shevchenko, V.A. Tarala, 
M.A. Yasnaya, A.V. Blinov, A.A. Blinova, A.A. Gvozdenko. – 
Stavropol : Publisher NCFU , 2022. – 160 p. 
The workshop was compiled in accordance with the requirements of the Federal State Educational Standard of Higher Education (FGOS VO 3++), in accordance with the working curriculum and the work program of the discipline "Material 
science and technologies of modern promising materials" for the directions of the 
magistracy 22.04.01 Material management and materials technology, the master's 
program "Materials Science and technologies of nanomaterials and nanosystems". 
The paper presents 26 practical classes containing brief theoretical information on the topics of the work, control questions and tasks on the topic under 
study, recommended literature, test tasks for the control of the studied material 
UDK 620.22 (075.8) 
BBK 303ya73 
Compilers: 
candidate of technical sciences, Associate Professor I. M. Shevchenko, 
candidate of chemical sciences, Associate Professor V. A. Tarala, 
candidate of chemical sciences, Associate Professor M. A. Yasnaya, 
candidate of technical sciences, Associate Professor A.V. Blinov, 
candidate of technical sciences, Associate Professor A. A. Blinova, 
assistant A. A. Gvozdenko 
Reviewers: 
candidate of physical and mathematical sciences, Associate Professor 
S. A. Kunikin (North Caucasus Federal University), 
candidate of chemical sciences, Associate Professor O. A. Dyudyun 
(Stavropol State Medical University) 
© North Caucasus 
Federal University, 2022 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ 
СОВРЕМЕННЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ  
МАТЕРИАЛОВ  
ПРАКТИКУМ 
Ставрополь 
Издательство 
Северо-Кавказского федерального университета 
2022 

УДК 620.22 (075.8) 
ББК 303 я73 
М 34 
Печатается по решению 
редакционно-издательского совета 
Северо-Кавказского федерального 
университета 
М 34 Материаловедение и технологии современных перспективных материалов : практикум / сост.: И. М. Шевченко, 
В. А. Тарала, 
М. А. Ясная, 
А. В. Блинов, 
А. А. Блинова, 
А. А. Гвозденко. – Ставрополь : Из-во СКФУ, 2022. – 160 с. 
Практикум составлен в соответствии с требованиями Федерального 
государственного образовательного стандарта высшего образования 
(ФГОС ВО 3++), в соответствии с рабочим учебным планом и рабочей программой дисциплины «Материаловедение и технологии современных перспективных материалов» для направлений магистратуры 22.04.01 Материаловедение и технологии материалов, программа магистратуры «Материаловедение и технологии наноматериалов и наносистем». 
В работе представлено 26 практических занятий, содержащих краткие теоретические сведения по темам работ, контрольные вопросы и задания по изучаемой теме, рекомендуемую литературу, тестовые задания для 
контроля изучаемого материала. 
УДК 620.22 (075.8) 
ББК 303 я73 
Составители: 
канд. техн. наук, доцент И. М. Шевченко, 
канд. хим. наук, доцент В. А. Тарала, 
канд. хим. наук, доцент М. А. Ясная, 
канд. техн. наук, доцент А. В. Блинов, 
канд. техн. наук, доцент А. А. Блинова, 
ассистент А. А. Гвозденко 
Рецензенты: 
канд. физ.-мат. наук, доцент С. А. Куникин  
(Северо-Кавказский федеральный университет), 
канд. хим. наук, доцент О. А. Дюдюн  
(Ставропольский государственный медицинский университет) 
© Северо-Кавказский 
федеральный университет, 2022 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие …………………………………………………….. 7 
1. Классификация тонких пленок и покрытий ……………….. 8 
2. Краткий перечень возможных подложечных материалов ....11 
3. Основные требования к применяемым подложкам ……….. 15 
4. Краткие сведения о подготовке подложек  
к выращиванию тонких пленок ………………………………... 
 
19 
5. Теории зародышеобразования и формирование  
тонких пленок …………………………………………………... 
 
23 
6. Модель зарождения и роста аморфных  
и кристаллических материалов ………………………………... 
 
30 
7. Кинетика зарождения и роста тонких пленок алмаза  
на подложках …………………………………………………… 
 
38 
8. Общая характеристика процессов получения  
тонких пленок …………………………………………………... 
 
46 
9. Физико-химические основы синтеза тонких пленок  
термическим испарением материала в вакууме ……………… 
 
48 
10. Виды и особенности методов получения пленок  
термическим испарением вещества в вакууме ……………….. 
 
52 
11. Описание установки для синтеза пленок термическим  
вакуумным испарением ………………………………………... 
 
60 
12. Технология нанесения тонких пленок методом  
ионно-лучевого распыления для создания сложных  
наногетеростуктур ……………………………………………… 
 
 
64 
13. Магнетронные системы в вакуумных установках  
для нанесения тонкопленочных покрытий …………………… 
 
68 
14. Механизм разряда магнетронных распылительных  
систем …………………………………………………………… 
 
71 
15. Характеристики магнетронных распылительных  
систем, основные достоинства и недостатки ………………… 
 
85 
16. Получение ультратонких пленок углерода методом  
вакуумного лазерного испарения ………………………………
 
90 
17. Изучение процесса плазмохимического осаждения  
тонких пленок …………………………………………………... 
 
94 
18. Получение тонких пленок методом атомно-слоевого  
осаждения ……………………………………………………….. 
 
98 
19. Технологические характеристики и описание метода 
Atomic layer deposition (ALD) …………………………………... 
 
101 

20. Преимущества метода Atomic layer deposition (ALD) ……. 107 
21. Описание установки для осаждения тонкопленочных 
структур методом Atomic layer deposition (ALD) ……………... 
 
110 
22. Теории фракталов к описанию свойств и состава  
наноматериалов и объектов ……………………………………. 
 
114 
23. Физическое определение фрактальной размерности  
нанообъектов …………………………………………………….
 
121 
24. Физические свойства фракталов и методы  
их определения …………………………………………………. 
 
125 
25. Исследование фрактальной структуры поверхности  
наноразмерных пленок ………………………………………….
 
132 
26. Теории перколяции в описании свойств и состава  
наноматериалов и объектов ……………………………………. 
 
138 
Тестовые задания для контроля изученного материала  
практических работ …………………………………………….. 
 
144 
Тестовые вопросы и задания для самоконтроля  
по изучаемому курсу …………………………………………… 
 
146 
Литература ……………………………………………………… 156 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Основной целью изучения данной дисциплины является формирование у обучающихся набора компетенций ПК-1; ПК-2; ПК-3; 
ПК-5; ППК-1 и соответствующие индикаторы ИД-1ПК-1; ИД-1ПК-2; 
ИД-1ПК-3; ИД-1ПК-5; ИД-1ПК-1 через формирование теоретической основы для понимания процессов комплексных современных 
знаний в области технологии современных перспективных материалов, а именно освоения теоретической и практической основы дисциплины «Материаловедение и технологии современных перспективных материалов», для понимания процессов синтеза и исследования физико-химических свойств материалов и явлений, протекающих в них, а также ознакомление с современными проблемами и 
достижениями нанотехнологии (синтез и исследование наночастиц, 
наноструктур и наноматериалов на их основе).  
Основной задачей изучения дисциплины является создание 
условий для освоения профессиональных компетенций и соответствующих индикаторов, овладение глубокими теоретическими знаниями, касающимися методов синтеза современных материалов с 
заданными свойствами, технологических особенностей и исследования свойств и диагностики перспективных наноматериалов и 
наноструктур.  
 
 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК И ПОКРЫТИЙ  
 
области классификации тонкопленочных структур и покрытий.  
В результате выполнения практической работы студенты должны 
знать теоретические основы формирования тонкопленочных структур и покрытий; 
уметь самостоятельно применять на практике знание в области классификации тонкопленочных структур и покрытий; 
владеть навыками классифицирования функциональных свойств 
покрытий. 
 
Теоретическая часть 
На сегодняшний день общепринятое определения тонких пленок с наиболее плотным раскрытием звучит следующим образом:  
Тонкая пленка – это слой связанного конденсированного вещества, толщина которого соизмерима с расстоянием действия поверхностных сил; представляет собой термодинамически стабильную или метастабильную часть гетерогенной системы «Пленка – 
Подложка». Пленочный слой не должен превышать 2,5 мкм, все покрытия, имеющие большее значение, относятся к толстым пленкам 
или фольге.  
По толщине тонкие пленки обычно делят на ультратонкие (0,1–
10 нм); нанометровые (10–100 нм); субмикронные (0,1–2,5 мкм).  
Тонкие пленки представляют собой уникальные по структуре 
материалы, которые могут быть получены в виде моно-, поликристаллических, аморфных, стеклообразных и полимерных слоев. Монокристаллическая структура отличается дальним порядком, заключающимся в упорядоченном расположении атомов в кристаллической решетке на неограниченно «большие» расстояния. Монокристаллические пленки, выращенные на кристаллических подложках и 
имеющие решетку, определенным образом ориентированную относительно решетки подложки, называют эпитаксиальными, а сам ориентированный рост – эпитаксией. Отметим, что для монокристаллических пленок характерна анизотропия свойств, т. е. различие в свойствах слоев в зависимости от направления наблюдения за ними. 
На первоначальном этапе формирования тонких пленок образуются центры кристаллизации, вокруг которых происходит конку

рирующий рост разноориентированных кристаллитов (кристаллических зерен) неправильной формы, что приводит к образованию 
поликристаллической структуры, если зерна малых размеров и ориентированы хаотически, то такие пленки проявляют изотропные 
свойства, т. е. их свойства (механические, оптические, электрические и др.) не зависят от направления внешнего воздействия. Поликристаллическая пленка с преимущественно кристаллографической 
ориентацией зерен имеет анизотропные свойства, такие тонкопленочные материалы называют текстурированными. 
Аморфные тонкие пленки характеризуются отсутствием дальнего порядка и образованием ближнего, соблюдаемого на расстояниях, в соответствии с размерами атомов, что приводит к формированию структуры с неупорядоченным расположением атомов и проявлению у тонкопленочных слоев изотропных свойств. 
В зависимости от функциональных свойств покрытия можно 
классифицировать на 
‒ защитные, применяемые для защиты деталей от коррозии в 
различных средах (атмосферных, агрессивных и др.); 
‒ защитно-декоративные, применяемые для декоративной отделки изделий с одновременной защитой их от коррозии; 
‒ специальные (функциональные), применяемые для придания 
поверхности изделий специальных свойств (электропроводности, 
паяемости, твердости, износостойкости, антифрикционных, магнитных свойств и др.), а также для защиты металла при термообработке. 
Классификация тонких пленок представлена в таблице 1.1.  
 
Таблица 1.1 
Основная классификация тонких пленок 
 
Параметры тонких пленок 
Характеристики тонких пленок  
Состав 
неоднородные 
с включением другой фазы  
на основе твердых растворов 
на основе элементов и их соединений 
Структура 
полимерные 
стеклообразные 
аморфные 
поликристаллические 
монокристаллические 

Толщина, нм 
ультратонкие (0,1 – 10 нм) 
нанометровые (10 – 100 нм) 
субмикронные (0,1 – 2,5 мкм) 
Агрегатное состояние 
газообразные 
твердые пленки 
жидкие пленки 
Зонные модели  
твердого тела 
диэлектрические 
полупроводниковые  
металлы 
 
Вопросы и задания для самоконтроля  
1. Основные классификационные признаки тонких пленок. 
2. Приведите основные параметры для описания кристаллического состояния, которые применимы и для описания аморфного 
состояния. Перечислите параметры кристаллического состояния, 
которые, напротив, неприменимы для описания аморфного состояния. 
3. Отличие кристаллической структуры от аморфной? 
4. Виды покрытий в зависимости от функциональных свойств? 
5. Дать определение понятиям: «пленка», «тонкая пленка», 
«покрытие»? 
6. Особенности проявления размерных эффектов в тонких 
пленках? 
 
Литература: 2, 3, 6.