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 mate-

rials : 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 Fed-
eral State Educational Standard of Higher Education (FGOS VO 3++), in accord-
ance 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 infor-
mation 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 фор-

мирование 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  

 

Цель работы ‒ освоить теоретический и практический материал в 

области классификации тонкопленочных структур и покрытий.  

В результате выполнения практической работы студенты должны 
знать теоретические основы формирования тонкопленочных струк-

тур и покрытий; 

уметь самостоятельно применять на практике знание в области клас-

сификации тонкопленочных структур и покрытий; 

владеть навыками классифицирования функциональных свойств 

покрытий. 
 

Теоретическая часть 

На сегодняшний день общепринятое определения тонких пле-

нок с наиболее плотным раскрытием звучит следующим образом:  

Тонкая пленка – это слой связанного конденсированного веще-

ства, 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 обра-

зуются 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 даль-

него 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 от-

делки 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 кристалличе-

ского 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. 

2. КРАТКИЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОЗМОЖНЫХ 

ПОДЛОЖЕЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 

Цель работы ‒ ознакомиться с представителями материалов, исполь-

зуемых в качестве подложек для выращивания пленок.  

В результате выполнения практической работы студенты должны 
знать основные характеристики подложечных материалов; 
уметь самостоятельно применять на практике знание в области полу-

чения и применения подложечных материалов;  

владеть навыками определения подложечных материалов по их 

функциональным свойствам. 

 

Теоретическая часть 

Подложки при изготовлении тонкопленочных слоев играют 

очень важную роль, в идеальном случае подложечный материал не 
взаимодействует с пленкой, но обеспечивает ее механическую 
жесткость и необходимую адгезию. 

Основные материалы подложек  
Стекло. Неорганическое квазиаморфное твердое вещество, в 

котором отсутствует упорядоченность в распределении частиц. 

Стеклянные подложки обычно производятся с помощью про-

цесса стеклообразования: исходные материалы (порошки оксидов) 
смешиваются в шихту, затем в печи при высоких температурах образуется 
расплавленное стекло, которое пропускают через соответствующие 
валики. Полученные ленты разрезают на необходимые 
пластины. 

Наиболее распространены силикатные стекла, так как они 

имеют небольшую стоимость, а также являются химически стойкими. 
К недостатку таких подложек относят малую теплопроводность, 
что не позволяет применять их при повышенном нагреве.  

Кварц и кварцевое стекло. Кварц – однокомпонентное стекло 

из чистого оксида кремния SiO2. Данным подложкам характерны 
высокая механическая прочность, стойкость к тепловым импульсам, 
химическая стойкость.  

Керамика. Исходными материалами являются порошкообраз-

ные окислы, кварц, глинозем, тальк и карбонаты. 

Изготавливают керамику с различным содержанием оксидов: 

алюминиевая керамика Al2O3 и бериллиевая керамика BeO. 

К достоинствам керамических подложек относят сравнительно 

невысокую стоимость, низкие потери, относительно высокую диэлектрическую 
проницаемость, малые температурные изменения 
электрофизических параметров, высокую теплопроводность, что 
позволяет изготавливать мощные схемы. К недостаткам относятся 
трудности, связанные с их полировкой: поверхность керамики после 
спекания всегда шероховатая, вследствие чего высокие шумы, 
кроме того, керамические подложки имеют относительно низкую 
механическую прочность. 

Ситалл. Ситаллы – это искусственный материал на основе не-

органического стекла (стеклокристаллический материал), полученный 
путем полной или частичной управляемой кристаллизации в 
них. Ситалл отличается от стекла наличием микрокристаллической 
фазы, занимающей от 50 до 95 % всего объема, а от керамических 
материалов – более мелкозернистой и однородной монокристаллической 
структурой. Это резко повышает механическую прочность 
ситалла и улучшает его электрические свойства. Искусственную 
кристаллизацию стекла для получения ситалла производят путем 
введения в шихту катализаторов, способных образовывать зародыши 
кристаллизации. Если это происходит при фотохимическом 
процессе, то полученный материал называют фотоситаллом. Для 
изготовления подложек чаще всего используется марка ситалла 
СТ50-1 и СТ-150-1. 

Монокристаллы. Монокристаллические подложки получают 

из больших кристаллов посредством их разрезания на пластины с 
необходимой кристаллографической ориентацией. 

У монокристаллических подложек может быть разнообразная 

кристаллическая структура: кубическая, гексагональная, тетрагональная 
и т. д. Для работы, как правило, необходимы подложки, 
кристаллографические параметры и ориентация которых должна, 
как можно лучше, совпадать с параметрами выращиваемой пленки. 

Сапфир. Это монокристаллический оксид алюминия с практи-

чески 100 % содержанием А12О3. Сапфир имеет природное и синтетическое 
происхождение.  

Синтетический сапфир получают из прокаленного порошка 

алюмоаммониевых квасцов, расплавленных в кислородно-водородном 
пламени, путем ориентированного вытягивания по методу Чо-
хральского и разрезания монокристаллической «були» на пластины 
и их полирования.