Одним из наиболее широко используемых и исследуемых в последнее время углеродных материалов является фуллерен и его производные — фуллериты (различные формы кристаллического фуллерена) и фуллериды (химические соединения фуллерена с металлами), что объясняется их уникальными свойствами.

Трудно, наверное, найти другой класс веществ, которые одновременно проявляли бы сверхтвердость, сверхпроводимость и ферромагнетизм. Стабильный в нормальной среде фуллерен образуется исключительно в неравновесных условиях. Самым известным способом его синтеза является дуговой разряд между двумя графитовыми электродами в атмосфере гелия при пониженных давлениях. Молекулы фуллерена образуются в области наиболее плотной и высокотемпературной плазмы и сохраняются за счет быстрого остывания и закалки при разлете на стенки вакуумной камеры. Далее, фуллерены сепарируются различными химическими или физическими методами и используются для создания углеродных материалов на их основе.

Принимая во внимание то, что стоимость фуллеренов определяется в основном дорогостоящей стадией их сепарации, важной научной и технической задачей представляется синтез покрытий фуллерита непосредственно на подложке, а также управление их свойствами в процессе роста.

Целью работы, выполненной коллективом сотрудников томского Института сильноточной электроники СО РАН под руководством Константина Оскомова, было показать возможность синтеза фуллеритсодержащего углеродного покрытия методом распыления графитового катода в условиях импульсной высоковольтной бомбардировки растущей пленки. Учеными использовались оригинальные распылительные системы, позволяющие управлять плотностью мощноcти распыления катода и плотностью ионного тока из плазмы на подложку. Это позволяло изменять соотношение ионов и атомов в потоке на поверхность растущей пленки, а при подаче отрицательного напряжения смещения на подложку — управлять энергией ионов и влиять на структуру и свойства растущего покрытия. Также стоит отметить, что высокоэнергетическое импульсное ионное воздействие на подложку позволяет, с одной стороны, создавать высоконеравновесные условия на поверхности в момент импульса, а с другой стороны, достигать релаксации избыточных внутренних напряжений в пленке в промежутке между импульсами. Кроме того, интенсивное перемешивание атомов на границе пленка/подложка, а также между слоями пленки, повышает адгезию покрытия и дает возможность увеличения его толщины.

Главной причиной упрочнения покрытия является изменение его микроструктуры. Двумерные изображения поверхности пленок, полученных с помощью атомно-силового микроскопа Solver P47 (NT-MDT, Россия) подтверждают, что при амплитуде напряжения импульсов смещения 800V покрытие наиболее однородно и границы между зернами трудноразличимы. Шероховатость и пористость в данном случае достигают своего минимума, что является следствием увеличения плотности нуклеации под действием ионной бомбардировки. Это сопровождается повышением твердости покрытия.

Важной особенностью полученных пленок в том, что они наполовину состоят из нанокристаллического фуллерита и могут, помимо твердости, обладать интересными электрическими и оптическими свойствами. По мнению авторов исследования, причиной образования твердого фуллерита в покрытии является создание высоконеравновесных условий в плазме магнетронного разряда и на поверхности подложки. Высокая плотность мощности распыления способствует образованию неравновесных фаз углерода (в частности, фуллерена) вблизи катода, которые сохраняются благодаря закалке за счет быстрого вывода из области плотной плазмы на подложку. В свою очередь, упорядочение фуллеренов и формирование нанокристаллического твердого фуллерита на подложке происходит за счет создания там благоприятных условий благодаря импульсной высокоэнергетической ионной бомбардировке.