Исследование структурных дефектов наноразмерных аморфных углеродных пленок методами спектроскопии комбинационного рассеяния света тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Сапарина Светлана Вячеславовна

• Сапарина Светлана Вячеславовна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Сапарина Светлана Вячеславовна

Введение

Глава 1. Оптические волокна с углеродным покрытием: физико-химические свойства

1.1 Оптические волокна и оптические волокна с углеродным покрытием: герметичные и механические свойства

1.2 Особенности процесса нанесения углеродных покрытий на оптическое волокно

1.3 Обзор исследований по изучению внутренней структуры и химического состава углеродных покрытий оптических волокон

Глава 2. Исследование химического состава и поверхности углеродных покрытий оптических волокон

2.1 Анализ морфологии углеродных покрытий различной толщины методом атомно-силовой микроскопии

2.2 Изучение химического состава углеродных покрытий различной толщины методом спектроскопии комбинационного рассеяния света

2.3 Характеризация структуры углеродного покрытия с помощью спектроскопического параметра

2.4 Детектирование аллотропных модификаций углерода в защитных углеродных покрытиях методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света

Глава 3. Электрические и спектроскопические свойства аморфных углеродных покрытий

3.1 Электрические свойства аморфных углеродных покрытий: исследование зависимости сопротивления от температуры

3.2 Взаимодействие воды с аморфным углеродом: энергетические барьеры адсорбции, десорбции и диссоциации воды на идеальную графеновую плоскость и графеновую плоскость с дефектами

3.3 Модель температурно-зависимого гистерезиса электрического сопротивления углеродных покрытий

Глава 4. Исследование химической функционализации углеродных покрытий

4.1 Детектирование функционализированных краевых дефектов аморфного углерода с высоким спектральным разрешением методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света с электронагревом образца

4.2 Обнаружение функциональных групп в составе аморфного углеродного покрытия с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния при термоциклировании

Заключение

Список работ, опубликованных по теме диссертации Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование структурных дефектов наноразмерных аморфных углеродных пленок методами спектроскопии комбинационного рассеяния света»

Введение

Актуальность темы. Данная работа посвящена изучению структурных дефектов аморфных углеродных пленок. В частности, эти пленки используются в качестве защитных покрытий оптических волокон.

В настоящее время оптические волокна нашли широкое применение в телекоммуникационной сфере [1-3], в медицинских [4], военных [5], аэрокосмических приложениях [6]. Растущую популярность приобретает также использование оптических волокон в качестве спектроскопических и акустических датчиков, позволяющих осуществлять анализ и мониторинг протяженных объектов с высокой точностью [7-8]. Однако условия, в которых осуществляется зондирование, являются экстремальными. В частности, для оптических волокон, используемых в качестве датчиков температуры в нефтяных и газодобывающих скважинах, такими условиями являются высокие температура (-300 С) и давление (-150 атм). В таких условиях молекулы окружающей среды, в частности молекулы вода и водорода, начинают активно взаимодействовать с оболочкой и сердцевиной оптоволокна, что приводит к деградации его прочности и значительному росту оптических потерь [9]. Поэтому одной из актуальных задач в области оптоволоконных технологий на сегодня является создание оптических волокон, которые были бы устойчивы к внешним экстремальным условиям.

Одним из путей решения этой задачи является нанесение тонкого защитного покрытия на поверхность оптоволокна. В основном усилия сосредоточены на металлические, керамические и углеродные пленки. По сравнению с другими видами покрытий углеродные обладают высокой механической прочностью и значительными герметичными свойствами. Более того, толщина углеродного слоя составляет несколько нанометров, что позволяет избежать затухания сигнала при микро-изгибах оптоволокна. [10]. Благодаря этим преимуществам оптические волокна с углеродным покрытием представляют собой хорошее инженерное решение для специализированных волокон, используемых в сложных

приложениях. На сегодня оптические волокна с углеродным покрытием широко используются в подводных кабелях [11], для защиты волокон, легированных эрбием [12], для предотвращения разрушения и потемнения волокон, используемых в сенсорных системах при бурении нефтяных скважин [13], в автомобильной промышленности [14] и в авионике [15].

Производство оптических волокон с углеродным покрытием осуществляется методом осаждения из газовой фазы. Нанесенный углеродный слой состоит из большого количества неупорядоченных графитоподобных кристаллов. Однако, несмотря на существенные успехи, достигнутые в области технологии нанесения покрытий, до настоящего времени нет полного понимания причин возникновения дефектов в углеродном слое, способствующих проникновению водорода и влаги к поверхности волокна.

Целью диссертационной работы является изучение дефектной структуры и химического состава тонких аморфных углеродных покрытий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ морфологии и химического состава углеродных покрытий методами атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света.

2. Измерение зависимости сопротивления углеродных покрытий от температуры в условиях окружающей среды и низкого вакуума.

3. Изучение структуры углеродных покрытий с высоким пространственным разрешением с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света.

Научная новизна.

1. С помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света было обнаружено наличие одностенных нанотрубок в составе защитных углеродных покрытий, которые могут служить дополнительными каналами транспорта молекулярного водорода в оптоволокно.

2. Впервые был обнаружен гистерезис электрического сопротивления и комбинационного рассеяния света углеродных покрытий.

3. Экспериментально зарегистрировано улучшение спектрального разрешения сильно перекрытых полос аморфного углерода с использованием метода ГКР с электронагревом образца.

4. Впервые интерпретирован спектр комбинационного рассеяния аморфного углеродного покрытия в области 1000-2000 см-1.

Научная значимость и практическая ценность работы.

В рамках настоящей диссертационной работы было осуществлено комплексное исследование химического состава и структуры защитных углеродных покрытий оптоволокна. Впервые методом гигантского комбинационного рассеяния света в защитных покрытиях были обнаружены аллотропные модификации углерода, такие как, стеклообразный углерод, сажа и одностенные нанотрубки. Наличие этих аллотропных модификаций способствуют росту оптических потерь при передаче информации по оптоволокну.

С помощью метода спектроскопии комбинационного рассеяния с вариацией температуры образца и измерениям температурной зависимости электрического сопротивления углеродных покрытий была впервые обнаружена химическая функционализация дефектов углеродного слоя водород- и кислородсодержащими группами. Результаты данного исследования полезны для понимания взаимодействия воды и аморфного углеродного покрытия, что в дальнейшем поможет улучшить герметичные свойства углеродных покрытий при их эксплуатации в экстремальных условиях окружающей среды.

Более того, экспериментально удалось повысить спектральное разрешение сильно перекрытых полос аморфного углерода с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния с электронагревом образца. Развитие настоящего метода расширяет спектр методов ближнеполевой спектроскопии и микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния света позволяет обнаружить аллотропные модификации углерода в защитном углеродном покрытии оптоволокна.

2. Гистерезис электрического сопротивления углеродных покрытий при нагреве и охлаждении их на воздухе обусловлен двумя механизмами: деинтеркаляцией воды из аморфного углерода и необратимой сорбцией гидроксильных групп краевыми дефектами углерода.

3. Метод гигантского комбинационного рассеяния с электронагревом образца позволяет повысить спектральное разрешение сильно перекрытых полос аморфного углерода и обнаружить химическую функционализацию краевых дефектов.

4. Дефекты в аморфных углеродных пленках при нормальных условиях функционализируются гидроксильными, карбоксильными и карбонильными группами.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием сертифицированного научного оборудования, воспроизводимостью экспериментальных результатов, согласием ряда полученных результатов с данными других методов, комплексным сочетанием разнообразных экспериментальных методов исследования с теоретическими расчетами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:

1. I Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Биомедицины, материалы и технологии XXI века» (КФУ, Казань, 2015);

2-7. Международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (КФУ, Казань, 2015-2017, 2019-2021);

8-12. XI Международная конференция по фотонике и информационной оптике (МИФИ, Москва, 2016, 2019-2022);

13, 14. Итоговая научно-образовательная конференция студентов Института Физики (КФУ, Казань, 2016, 2017);

15. II Международная летняя научная школа по нанофотонике и метаматериалам (ИТМО, Санкт-Петербург, 2017);

16. Международная конференция «Сканирующая Зондовая Микроскопия» (УФУ, Екатеринбург, 2017);

17. Международная конференция «Прикладная оптика-2018» (ГОИ им. С.И. Вавилова, Санкт-Петербург, 2018);

18, 19. Международная конференция «МЕТАНАНО» (ИТМО, Санкт Петербург, 2020, 2021);

20. 15-й Международный конгресс по метаматериалам (Нью-Йорк, 2021);

21. Всероссийская конференция по волоконной оптике «ВКВО-21» (ПГНИУ, г. Пермь, 2021);

22. XII Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (КФТИ им. Завойского, Казань, 2021).

Доклады на конференциях № 2, 7, 13-15, 22 отмечены дипломами.

Личный вклад автора. Все приведенные экспериментальные результаты были получены и обработаны лично автором, либо при ее непосредственном участии. Математическая обработка результатов экспериментов проводилась лично автором. Автор принимала активное участие в обсуждении результатов исследования и в формулировке выводов, готовила их к публикации и представлению на научных конференциях и школах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторских публикаций по теме диссертации и списка литературы, включающего 108 наименований. Объем диссертационной работы составляет 112 страниц, включая 41 иллюстрацию.

Во введении обсуждается актуальность проведенных исследований, формулируется цель, задачи и научная новизна работы, перечисляются основные положения, выносимые на защиту, а также дается краткое описание диссертации по главам.

В первой главе рассмотрены механические и герметичные свойства оптических волокон и оптических волокон с углеродным покрытием. Описаны ключевые особенности процесса нанесения углеродного покрытия на поверхность оптоволокна методом химического осаждения из газовой фазы. В конце главы приведен обзор литературы с основными результатами исследований,

посвященных изучению структурных дефектов и химического состава углеродных покрытий.

Вторая глава посвящена исследованию поверхности и химического состава углеродных покрытий. Приведено исследование морфологии углеродного покрытия различной толщины с помощью атомно-силовой микроскопии. Продемонстрировано исследование химического состава углеродных пленок различной толщины методами спектроскопии комбинационного рассеяния света. Введен спектроскопический параметр для характеризации внутренней структуры углеродных пленок. Методом гигантского комбинационного рассеяния света было обнаружено наличие аллотропных модификаций углерода в составе защитных углеродных покрытий.

В третьей главе описаны электрические и спектроскопические свойства аморфных углеродных пленок. Исследована зависимость сопротивления углеродных покрытий с температурой на воздухе и в условиях низкого вакуума. Приведены энергетические барьеры адсорбции, десорбции и диссоциации воды на идеальную графеновую плоскость и графеновую плоскость с дефектами. Предложена модель, объясняющая природу появления температурно-зависимого гистерезиса электрического сопротивления углеродных покрытий. Исследовано изменение химического состава аморфных углеродных покрытий при их нагреве и охлаждении на воздухе с высоким пространственным разрешением методом гигантского комбинационного рассеяния света.

Четвертая глава посвящена исследованию химической функционализации аморфных углеродных покрытий. Продемонстрированы возможности спектроскопии ГКР для разрешения сильно перекрытых полос спектра аморфного углерода. Приведен расчет интенсивности ГКР при когерентном и некогерентном режимах. Экспериментально исследована химическая функционализация дефектов аморфного углерода с высоким спектральным разрешением методом спектроскопии ГКР с электронагревом образца. Исследована химическая функционализация углеродных покрытий, полученных с использованием различных газов-прекурсоров, методами атомно-силовой микроскопии и

спектроскопии КР с вариацией температуры образца. Изучены электрические и спектроскопические свойства высушенных и обогащенных водой углеродных покрытий с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния и измерений электрического сопротивления при термоциклировании. Предложен спектроскопический параметр для количественной оценки краевых/внутренних дефектов в углеродном покрытии с закрепленными функциональными группами. В заключении приведены основные результаты и выводы.

Глава 1. Оптические волокна с углеродным покрытием: физико-химические

свойства

1.1 Оптические волокна и оптические волокна с углеродным покрытием:

герметичные и механические свойства

Современные оптические волокна состоят из сердечника и оболочки, изготовленные как из чистого, так и из легированного диоксида кремния. Основным преимуществом материалов на основе диоксида кремния является их чрезвычайно высокая прозрачность, которая позволяет передавать оптический сигнал при затухании ниже 0.2 дБ/км [15]. Поскольку диоксид кремния является хрупким, волокна защищаются путем нанесения полимерных покрытий на его оболочку. Волокна с такой конструкцией успешно используется в условиях окружающей среды в телекоммуникациях.

В настоящее время в связи с стремительным развитием распределенных спектроскопических и акустических датчиков на основе оптоволокна [16-20] появилась потребность в создании оптических волокон, способных работать при высоких температурах и давлениях (около 300 С и 150 атм, соответственно [15]). На сегодня датчики на основе оптоволокна уже активно используются в нефтедобывающей, аэрокосмической, военной и медицинской области [11-14]. Однако в этих приложениях обычные оптические волокна сталкиваются с серьезными проблемами, которые могут включать механические напряжения, высокие температуры и давления, а также присутствие водорода и других агрессивных химикатов. В таких средах молекулы воды, находящиеся в окружающей атмосфере, ускоряют рост трещин на поверхности стекловолокна, что приводит к деградации его прочности [21,22]. В то время, как молекулы водорода способны быстро диффундировать сквозь трещины в светопроводящую часть волокна и образовывать различные химические связи и соединения [23] (с

кремнием, к примеру), что приводит к гигантскому росту оптических потерь (порядка 1000 дБ/км) и, как следствие, неэффективности использования оптоволоконных датчиков. Поэтому важно снизить потери, вызванные химическими реакциями с водой и водородом. Одним из путей решения этой проблемы является нанесение тонкого защитного покрытия из герметичного материала на поверхность оптоволокна. Поскольку покрытие должно блокировать диффузию малых молекул Н2О и Н2, то материал, используемый для покрытия, должен иметь плотно упакованную структуру.

На сегодня усилия производителей сосредоточены на такие виды покрытий, как металлические, керамические и углеродные [15]. Волокна с металлическим покрытием устойчивы к статической изнашиваемости и проникновению водорода, однако оказалось трудным получение длинных участков волокна с металлическим покрытием без возникающих "микроотверстий" [24]. Керамические покрытия, такие как нитрид кремния или карбид кремния, показали свою эффективность в обеспечении устойчивости к воде при повышенных температурах и давлениях [15], но обладают высоким ростом потерь на микро-изгибах [25,26]. Углеродные покрытия представляют успешное решение всех вышеупомянутых проблем, поскольку по сравнению с другими видами покрытий обладают высокой механической прочностью при микро-изгибах волокна и значительными герметичными свойствами.

Известно, что механическая прочность оптических волокон, подтвергающихся напряжению в присутствии воды, описывается параметром усталости - п [27]. Этот параметр обычно связывают с "усталостным" свойством покрытия при его исползовании в экстремальных окружающих условиях. Более высокое значение параметра п соответствуют более устойчивому состоянию. Для обычных кварцевых оптоволокон значение параметра п составляет около 20, в то время как для волокон с углеродным покрытием п принимает значение от 100 до 200 [28]. Такое высокое значение механической прочности позволяет оптическим волокнам с углеродным покрытием более длительное время бесперебойно работать при повышенных температурах и давлениях. В частности, на рисунке 1.1

продемонстрированы результаты исследования [29], посвященного изучению деградации механической прочности оптических волокон и оптических волокон с углеродным покрытием с течением времени. В этой работе стандартные негерметичные волокна и волокна с углеродным покрытием подвергались воздействию различных водных сред в течение 9 месяцев. Оптические волокна без покрытия демонстрировали снижение прочности с течением времени, которое становилось все больше при увеличении температуры воды (рисунок 1.1а). Однако для волокон, покрытых тонким слоем углерода, никаких изменений по сравнению с начальной прочностью не наблюдалось ни для одного из образцов (рисунок 1.1б). Результаты работы указывают на то, что углеродные покрытия способны длительное время эффективно защищать волокна от экстремальных условий окружающей среды.

оптические волокна

1000

(а)

аз- 900 ■ - ♦ ^ вода, Т=21°С ......^—■_Ф--

С воо 1. 1 ■ * «и соленая вода, Т=21аС

-О н 700 ------А

о о ■ ■ ■ ■ _ - А- _Авода, Т=50°С

X 600 I -А—.

5 а. С 500 о ■ ■ • Я..... вода, Т=80°С ■........ '»........

400

300

1000

оптические волокна с углеродным покрытием

го

С 800

л 700

ь

о

о X 500

У

О 500

о.

с

400

300

(б)

-•-вода, Т=21°С -•-соленая вода, Т=21°С -й-вода, Т=50°С -о-вода, Т=80°С

100 150 200

Время (дни)

100 150 200

Время (дни)

Рисунок 1.1. Прочность оптических волокон (а) и оптических волокон с углеродным покрытием (б), помещенных в водную среду, с течением времени. Рисунок заимствован из работы [29].

На рисунке 1.2 схематично показано, как меняются оптические потери при воздействии молекул водорода для обычного оптоволокна и оптоволокна с углеродным покрытием. Линия синего цвета на рисунке 1.2 показывает оптические потери для оптического волокна без покрытия, красного цвета - с углеродным покрытием. Видно, что нанесение углеродного покрытия на поверхность оптоволокна позволяет в несколько раз снизить оптические потери, вызванные химическими реакциями с водородом.

Рисунок 1.2. Оптические потери в негерметичном оптоволокне (синяя линия) и оптоволокне с углеродным покрытием (красная линия), после воздействия водорода при давлении150 атм и температуры 300 °С. Рисунок построен согласно данным работы [30].

Несомненным преимуществом углеродных покрытий является также их малая толщина, которая мала по сравнению с другими частями волокна - обычно несколько десятков нанометров. При такой небольшой толщине они не создают существенного механического напряжения на оптоволокне и, следовательно, не вызывают затухания, вызванного микро-изгибами [15].

Таким образом, нанесение тонкого защитного углеродного покрытия на поверхность оптоволокна позволяет: во-первых, предотвратить деградацию прочности оптоволокна, вызванную попаданием влаги, во-вторых, существенно уменьшить оптические потери.

На сегодняшний день спектр применения оптических волокон с углеродным покрытием охватывает широкий круг задач. В подводных кабелях такие оптоволокна решают проблему, связанную с водородным старением, в усилителях обеспечивают защиту и устраняют проблему усталости [11]. Также повышенная механическая надежность углеродных покрытий делает их привлекательными для использования в авиационном оборудовании [14]. Но наиболее широкое использование оптические волокна с углеродным покрытием получили в системах датчиков для геофизических измерений [13,16,24-27]. Причем современные

распределенные оптоволоконные датчики, используемые в нефтяных скважинах, способны регистрировать температурный профиль в диапазоне от -200 °C до +800 °C с точностью 0.07 °С при длине кабеля 1 км [31].

1.2 Особенности процесса нанесения углеродных покрытий на оптическое

волокно

Изготовление оптических волокон с углеродным покрытием осуществляется методом химического осаждения из газовой фазы (англ. аббр. - "Chemical Vapor Deposition", CVD метод). Схематично процесс нанесения углеродного покрытия на поверхность оптоволокна представлен на рисунке 1.3. Нанесение углеродного покрытия на поверхность стекловолокна осуществляется в процессе его вытягивания. После того, как стекловолокно достигает своего окончательного размера, его помещают в углеводородный газ, где углеводород термически разлагается в ходе пиролитической реакции [32]. Типичные значения температуры реакции составляют около 800-1000 C [25]. Реактор, в котором происходит осаждение углерода, служит для отделения слоя воздуха вокруг стекловолокна и подачи углеводородного газа. Для волокон, вытянутых с высокой скоростью (>5 м/с) углеродные реакторы представляют собой удлиненные (обычно десятки сантиметров) камеры, расположенные под вытяжной печью, где органический газ вводится с одного конца, а непрореагировавшие газы выпускаются с другого конца [15]. В качестве газов-прекурсоров используются различные углеводороды, такие как пропилен, метан, ацетилен, этилен, пропан, бутан [27]. Выбор газа-прекурсора зависит от конструкции реактора и температуры волокна в зоне реакции, которая, в свою очередь, определяется скоростью вытяжки волокна.

Рисунок 1.3. Схематичное представление процесса нанесения углеродного покрытия на

поверхность оптического волокна

Известно, что при нанесении углеродного покрытия на поверхность оптоволокна его прочность ухудшается. Поскольку углеродный слой имеет коэффициент теплового расширения на два порядка больше, чем стекло, то при охлаждении после его осаждения на волокно будет действовать остаточное напряжение растяжения. В частности, для обычного волокна прочность на разрыв составляет 5 ГПа, в то время как для волокон с углеродным покрытием - 3.2 ГПа [15]. Для обеспечения защиты от трещин и царапин на поверхность нанесенного углеродного слоя наносят дополнительное полимерное покрытие. Для этого используют различные аппараты, которые расположены ниже реактора. В качестве дополнительных полимерных покрытий используются стандартные двухслойные акрилатные покрытия, а также полиамидные покрытия для высокотемпературных применений. При этом, скорость вытяжки оптоволокна устанавливается в соответствии со скоростью осаждения как углеродного, так и полимерного покрытия.

Несмотря на тот факт, что процесс осаждения относительно прост, он претерпевает множество возможных изменений, основанных на конструкции реактора осаждения, исходном углеводородном газе и скорости вытяжки волокна [32]. В частности, было обнаружено, что водород, который является побочным

продуктом реакции термического разложения, в некоторых случаях может задерживаться под углеродным покрытием, что приводит к увеличению оптических потерь. Для решения этой проблемы производители начали добавлять в углеродный реактор газообразный хлор [15], что позволило улучшить герметичность углеродного волокна за счет действия хлора в качестве поглотителя водорода во время пиролитической реакции. Также было выявлено, что при термическом разложении углеводородного газа могут образовываться частицы сажи на поверхности волокна, что приводит снижению прочности волокна [ 29]. Некоторые изменения были проделаны и в самой конструкции реактора. И в современных установках она расположена выше, чем ранее, что способствует меньшему проникновению молекул воды на поверхность горячего волокна непосредственно после его вытягивания [15]. Кроме того, было показано, что нагрев волокна до более высоких температур увеличивает количество разорванных связей Si-O на поверхности стекла, что позволяет усилить химическую связь Si-C на границе раздела стекло/углерод, и как следствие, способствует лучшей адгезии углеродного покрытия к поверхности оптоволокна [33]. Поэтому на некоторых производствах стали использовать более высокие температуры нагрева оптоволокна, достигающие около 1500 С.

Однако, несмотря на существенные успехи, достигнутые в области технологии нанесения углеродных покрытий, до настоящего времени нет полного понимания причин возникновения дефектов в углеродном слое, способствующих проникновению водорода и влаги к поверхности волокна.

1.3 Обзор исследований по изучению внутренней структуры и химического состава углеродных покрытий оптических волокон

Обычно в качестве модели для описания структуры углеродного покрытия используют модель неупорядоченных углеродных пластинок или небольших кристаллов, образующих непрерывную структуру на поверхности стекловолокна

[34]. Ранее считалось, что чтобы блокировать диффузию воды или водорода, покрытие из аморфного углерода должно иметь толщину больше некоторого минимального значения. В частности, более тонкие углеродные, как правило, покрытия обладают высокой прочностью, а более толстые способны длительное время препятствовать проникновению воды и водорода. Было показано [15], что оптимальная толщина углеродного слоя, достаточная для обеспечения герметичности волокна с приемлемым уровнем прочности, должна находиться в диапазоне 20-50 нм. Поскольку, как было продемонстрировано в главе 1.2, внутренние свойства материала углеродного покрытия чувствительны к условиям производственного процесса, то толщина нанесенного углеродного слоя сама по себе не всегда является полезным параметром для характеристики покрытия. В особенности, это ярко проявляется при сравнении физико-химических свойств углеродных покрытий, полученных разными производителями. Поэтому на сегодняшний день становится актуальной задача по изучению внутренней структуры и химических свойств получаемого углеродного слоя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сапарина Светлана Вячеславовна, 2022 год

Литература

1. Pal, B.P. Optical Fibers for Broadband Lightwave Communication: Evolutionary Trends in Designs / B.P. Pal // Guided Wave Optical Components and Devices. -Academic Press, 2006. - P. 1-25.

2. Kaminow, I. Optical fiber telecommunications volume VIB: systems and networks / I. Kaminow, T. Li, A.E. Wilner. - Academic Press, 2013. - 2093 p.

3. Review of the development in the field of fiber optic communication systems / P. Sharma [et al.] // Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng. - 2013. - V. 3, №5. - P. 113119.

4. Biomedical application of optical fiber sensors / R. Correia [et al.] // J. Opt. - 2018. - V. 20, №7. - Art. № 073003 (25 p.).

5. Optical communication system for military applications / C.E. Fatela [et al.] // Int. Rob. Auto. J. - 2019. - V. 5, №5. - P. 74-83.

6. Optical fiber sensors for aircraft structural health monitoring / I. García [et al.] // Sensors. - 2015. - V. 15, №7. - P. 15494-15519.

7. Alemohammad, H. Opto-mechanical Fiber Optic Sensors: Research, Technology, and Applications in Mechanical Sensing / H. Alemohammad. - Elsiver Science, 2018. - 628 p.

8. Bai, H. Stretchable distributed fiber-optic sensors / H. Bai, S. Li, J. Barreiros // Science. - 2020. - V. 370, №6518. - P. 848-852.

9. Siska, P. Optical fiber based distributed temperature systems deployment for measurement of boreholes temperature profiles in the rock massif / P. Siska, J. Latal, P. Bujok // Opt. Quantum. Electron. - 2016. - V. 48, № 2. - P. 108.

10. Recent developments in hermetically coated optical fiber / I. García [et al.] // J. Light. Technol. - 1988. - V. 6, № 2. - P. 240-244.

11. Lentz, S. New applications for submarine cables / S. Lentz // Undersea Fiber Communication Systems (Second Edition). - Academic Press, 2016. - P. 301-340.

12. Skinner, N.G. Downhole fiber optic sensing: the oilfield service provider's perspective / N.G. Skinner, J.L. Maida // Proceedings of SPIE. - 2004. - V. 5589.

- P. 206-220.

13. Real-time monitoring of pressure and temperature of oil well using a carbon-coated and bellow-packaged optical fiber sensor / Y.Y. Wang [et al.] // Opt. Fiber Technol.

- 2021. - V. 67. V, №1. - Art. № 102703 (6 p.).

14. Lindholm, E.A. Strength and reliability of silica optical fibers for automotive communication networks / E.A. Lindholm, E. Warych, D. Whelan // Proceedings of SPIE. -2005. - V. 5663. - P. 129-134.

15. Lemaire, P.J. Hermetic optical fibers: Carbon-coated fibers / P.J. Lemaire, E.A. Lindholm // Specialty optical fibers handbook. - Academic Press, 2007. - P. 453490.

16. Optical fiber based distributed temperature systems deployment for measurement of boreholes temperature profiles in the rock massif / P. Siska [et al.] // Opt. Quant. Electron. - 2016. - V. 48, №2. - P. 1-21.

17. Suh, K. Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor / K. Suh, C. Lee // Opt. Lett. - 2008. - V. 33, №16.

- P. 1845-1847.

18. Bolognini, G. Raman-based fiber sensors: Trends and applications / G. Bolognini, A. Hartog // Opt. Fiber. Technol. - 2013. - V. 19, №6. - P. 678-688.

19. Her, S.C. Effect of coating on the strain transfer of optical fiber sensors / S.C. Her, C.Y. Huang // Sensors. - 2011. - V. 11, №7. - P. 6926-6941.

20. Distributed Brillouin fiber sensor for detecting pipeline buckling in an energy pipe under internal pressure / L. Zou [et al.] // Appl. Opt. - 2006. - V. 45, №14. - P. 3372-3377.

21. Chakravarthy, S.S. Failure of optical fibers with thin hard coatings / S.S. Chakravarthy, W.K.S. Chiu // J. Light. Technol. - 2006. - V. 24, №3. - P. 13561363.

22. Mrotek, J.L.A. Diffusion of moisture through fatigue-and aging-resistant polymer coatings on lightguide fibers / J.L.A. Mrotek, M.J. Matthewson, C.R. Kurkjian // J. Light. Technol. - 2003. - V. 21, №8. - P. 1775-1881.

23. Reinsch, T. Temperature-dependent characterization of optical fibers for distributed temperature sensing in hot geothermal wells / T. Reinsch, J. Henninges // Meas. Sci. Technol. - 2010. - V. 21, №9. - Art. № 094022 (8 p.).

24. Pinnow, D.A. Reductions in static fatigue of silica fibers by hermetic jacketing / D.A. Pinnow, G.D. Robertson, J.A. Wysocki // J. Appl. Phys. Lett. - 1979. - V. 34, №1. - P.17-19.

25. Carbon coatings on silica glass optical fibers studied by reflectance Fouriertransform infrared spectroscopy and focused ion beam scanning electron microscopy / A.A. Stolov [et al.] // Thin Solid Films. - 2012. - V. 520, №13. -P.4242-4248.

26. Mechanical and hydrogen characteristics of hermetically coated optical fiber / K. Lu [et al.] // J. Opt. Quant. Electron. -1990. - V. 22, №3. - P.227-231.

27. Yoshizawa, N. Strength improvement and fusion splicing for carbon-coated optical fiber / N. Yoshizawa, H. Tada, Y. Katsuyama // J. Light.Technol. - 1991. - V. 9, № 4. - P. 417-421.

28. Kurkjian, C.R. Strength and fatigue of silica optical fibers / C.R. Kurkjian, J.T. Krause, M.J. Matthewson // J. Light. Technol. - 1989. - V. 7, №9. - P. 1360-1370.

29. Aging behavior of optical fibers in aqueous environments / E.A. Lindholm [et. al.] // Proceedings of SPIE. - 2004. - V. 5465. - P. 25-32.

30. High reliability hermetic optical fiber for oil and gas application / C.H. Wang [et al.] // Proceedings of SPIE. -2005. - V. 5855. - P. 563-566.

31. Распределённый датчик для контроля температуры в нефтяных и газовых скважинах [Электронный ресурс]: URL: http://azbukakip.ru (Дата обращения: 06.05.2021).

32. Taylor, C.A. Characterization of CVD carbon films for hermetic optical fiber coatings / C.A. Taylor, W.K.S. Chiu // Surf. Coat. Technol. - 2003. - V. 168, №1. - P. 1-11.

33. Lemaire, P.J. Reliability of optical fibers exposed to hydrogen: prediction of long-term loss increases / P.J. Lemaire // J. Optical. Eng. - 1991. - V. 6, №6. - P. 780789.

34. On the characterization of disordered and heterogeneous carbonaceous materials by Raman spectroscopy / O. Beyssac [et. al.] // Spectrochim. Acta A. - 2003. - V. 59, №10. - P. 2267-2276.

35. Chu, P.K. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films / P.K. Chu, L. Li // Mat. Chem. Phys. - 2006. - V. 96, №2-3. - P. 253-277.

36. Characteristics of Carbon-Coated Optical Fibers and Structural Analysis of the Carbon Film / H. Aikawa [et al.] // International Wire & Cable Symposium Proceeding. - 1993. - P. 374-380.

37. Glaesemann, G.S. Design methodology for the mechanical reliability of optical fiber / G.S. Glaesemann, S.T. Gulati // Opt. Eng. - 1991. - V. 30, №6. - P. 709715.

38. Taylor, C.A. Residual stress measurement in thin carbon films by Raman spectroscopy and nanoindentation / C.A. Taylor, M.F. Wayne, W.K.S. Chiu // Thin Solid Films. - 2003. - V. 429, №1-2. - P. 190-200.

39. Thermally induced stress voids in hermetically carbon-coated optical fibers with different coating thickness / S.T. Shiue [et al.] // Thin Solid Films. - 2002. - V. 406, №1-2. - P. 210-214.

40. Effects of deposition temperature on the properties of hermetically carbon-coated optical fibers prepared by thermal chemical vapor deposition / S.S Chen [et al.] // Surf. Coat. Tech. - 2007. - V. 202, №4-7. - P. 798-803.

41. Kwok, K. Growth kinetics and microstructure of carbon deposited on quartz plates and optical fibers by open-air laser-induced chemical vapor deposition / K. Kwok, W.K.S. Chiu // Thin solid films. - 2005. - V. 492, №1-2. - P. 79-87.

42. Kurkjian, C. R. Strength and fatigue of silica optical fibers / C.R. Kurkjian, J.T. Krause, M. J. Matthewson // J. Light. Technol. - 1989. - V7, №9. - P. 1360-1370.

43. Characteristics of carbon coatings on optical fibers prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition using different argon/methane ratios / H.C. Lin [et al.] // Carbon. - 2007. - V. 45, №10. - P. 2004-2010.

44. Mechanical strength and thermally induced stress voids of carbon-coated optical fibers prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition method with different hydrogen/methane ratio / S.T. Shiue [et al.] // Thin Solid Films. - 2005. - V. 483, №1-2. - P. 140-146.

45. Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: spectral analysis and structural information / A. Sadezky [et al.] // Carbon. - 2005. - V. 43, №8. - P. 1731-1742.

46. Micro-Raman and Tip-Enhanced Raman Spectroscopy of Carbon Allotropes / G.G. Hoffmann, G. de With, J. Loos // Macromol. Symp. - 2008. - V. 265, №1. -P. 1-11.

47. Structural (n, m) determination of isolated single-wall carbon nanotubes by resonant Raman scattering / A. Jorio [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2001. - V. 86, №.6. - P. 1118-1121.

48. General equation for the determination of the crystallite size L a of nanographite by Raman spectroscopy / L.G. Can5ado [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 88, №16. - P. 163106-1-3.

49. Heat treatment of thin carbon films and the effect on residual stress, modulus, thermal expansion and microstructure / C.A. Taylor, M.F. Wayne, W.K.S. Chiu // Carbon. - 2003. - V. 41, №10. - P. 1867-1875.

50. Raman spectrum of graphite / F. Tuinstra, J.L. Koenig // J. Chem. Phys. - 1970. -V. 53, №3. - P. 1126-1130.

51. Effect of substrate temperature on the properties of carbon-coated optical fibers prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition / H.C. Lin [et al.] // Thin solid films. - 2007. - V. 516, №2-4. - P. 114-118.

52. Raman spectroscopy of bottom-up synthesized graphene quantum dots: size and structure dependence / E. Dervishi [et al.] // Nanoscale. - 2019. - V. 11, №35. - P. 16571-16581.

53. Defect-induced vibrational response of multi-walled carbon nanotubes using resonance Raman spectroscopy / S.A. Curran [et al.] // J. Mater. Research. - 2005. - V. 20, №12. - P. 3368-3373.

54. The importance of interbands on the interpretation of the Raman spectrum of graphene oxide / S. Claramunt [et al.] // J. Phys. Chem. C. - 2015. - V. 119, № 18.- P. 10123-10129.

55. Rajender, G. Formation mechanism of graphene quantum dots and their edge state conversion probed by photoluminescence and Raman spectroscopy / G. Rajender, P.K. Giri // J. Mater. Chem. C. - 2016. - V. 4, №46. - P. 10852-10865.

56. Kharintsev, S. S. Solving inverse problems in applied spectroscopy with random fractal noise / S.S. Kharintsev, R.R. Nigmatullin, M.K. Salakhov // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. - 2000. - V. 3, №3.- P. 239-252.

57. Raman spectra of graphite oxide and functionalized graphene sheets / K.N. Kudin [et al.] // Nano Lett. - 2008. - V. 8, №1. - P. 36-41.

58. Reversible hydrophobic to hydrophilic transition in graphene via water splitting induced by UV irradiation / Z. Xu [et al.] // Sci. Rep. - 2014. - V. 4, №1. - P. 1-9.

59. Structure evolution of graphene oxide during thermally driven phase transformation: is the oxygen content really preserved? / P. Sun, Y [et al.] // Plos One. - 2014. - V. 9, №11. - Art. № 0111908 (8 p.).

60. Fotopoulos, N. Electronic structure of SP2 trap states in amorphous carbon / N. Fotopoulos, J.P. Xanthakis // Surf. Interface Anal. - 2007. - V. 39, №2-3. - P. 132134.

61. Robertson, J. Amorphous Carbon / J. Robertson // Adv. Phys. - 1986. - V. 35, №4.

- P. 317-374.

62. Direct evidence for atomic defects in graphene layers / A. Hashimoto [et al.] // Nature. - 2004. - V. 430, №7002. - P. 870-873.

63. Evidence of dynamic pentagon - heptagon pairs in single-wall carbon nanotubes using surface-enhanced Raman scattering / T. Fujimori [et al.] // J. Am. Chem. Soc.

- 2010. - V. 132, №19.- P. 6764-6767.

64. Limits on gas impermeability of graphene / P.Z. Sun [et al.] // Nature. - 2020. - V. 579, №7798.- P. 229-232.

65. Mino, T. Quantitative analysis of polarization-controlled tip-enhanced Raman imaging through the evaluation of the tip dipole / T. Mino, Y. Saito, P. Verma // ACS Nano. - 2014. - V. 8, №10.- P. 10187-10195.

66. Mino, T. Control of near-field polarizations for nanoscale molecular orientational imaging / T. Mino, Y. Saito, P. Verma // Appl. Phys. Lett. - 2016. - V. 109, №4.

- Art. № 041105 (5 p.).

67. Polarization of near-field light induced with a plasmonic nanoantenna / S.S. Kharintsev [et al.] // Phys. Rev. B. - 2015. - V. 92, №11.- Art. № 115113 (5 p.).

68. Tip-Enhanced Raman Spectroscopy / Z. Zhang [et al.] // Anal. Chem. - 2016. - V. 88, №19.- P. 9328-9346.

69. Advances in tip-enhanced near-field Raman microscopy using nanoantennas / X. Shi [et al.] // Chem. Rev. - 2017. - V. 117, №7. - P. 4945-4960.

70. Fang, Y. High vacuum tip-enhanced Raman spectroscope based on a scanning tunneling microscope / Y. Fang, Z. Zhang, M. Sun // Rev. Sci. Instrum. - 2016. -V. 87, №3. - Art. № 033104 (7 p).

71. Stolov, A.A. Carbon coating characterization via atomic force microscopy and Raman spectroscopy / A.A. Stolov, S.S. Kharintsev, A.I. Fishman // OSA Proc. -2013. - P. F2. 1.

72. The effect of rapid thermal annealing on characteristics of carbon coatings on optical fibers / J.F. Yu [et al.] // Phys. Status. Solidi. - 2010. - V. 207, №2. - P. 379-385.

73. Detection of an individual single-wall carbon nanotube by tip-enhanced near-field Raman spectroscopy / N. Hayazawa [et al.] // Chem. Phys. Lett. - 2003. - V. 376, №. 1-2. - P. 174-180.

74. Progress in the Raman spectra analysis of covalently functionalized multiwalled carbon nanotubes: unraveling disorder in graphitic materials / S. L. Rebelo [et al] // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2016. - V. 18, №18. - P. 12784-12796.

75. Kharintsev S.S. A simple method to extract spectral parameters using fractional derivative spectrometry / S.S. Kharintsev, M.K. Salakhov // Spectrochim Acta. A.

- 2004. - V. 60, №8-9. - P. 2125-2133.

76. Advances in tip-enhanced near-field Raman microscopy using nanoantennas / X. Shi [et al.] // Chem. Rev. - 2017. - V. 117, №7. - P. 4945-4960.

77. Distinguishing adjacent molecules on a surface using plasmon-enhanced Raman scattering / S. Jiang [et al.] // Nat. Nanotechnol. - 2015. - V. 10, №10. - P. 865869.

78. Demming, A.L. Plasmon resonances on metal tips: Understanding tip-enhanced Raman scattering / A.L. Demming, F. Festy, D. Richards // J. Chem. Phys. - 2005.

- V. 122, №18. - P. 184716.

79. G-band resonant Raman study of 62 isolated single-wall carbon nanotubes / A. Jorio [et al.] // Phys. Rev. B. - 2002. - V. 65, №15. - P. 155412.

80. Kosolapov, A.F. Improvement of radiation resistance of multimode silica-core holey fibers / A.F. Kosolapov, S.L. Semjonov, A.L. Tomashuk // Proceedings of SPIE. - 2006. - V. 6193. - P. 61931E.

81. Merlen, A. A guide to and review of the use of multiwavelength Raman spectroscopy for characterizing defective aromatic carbon solids: From graphene to amorphous carbons / A. Merlen, J.G. Buijnsters, C. Pardanaud // Coatings. -2017. - V. 7, №10. - P. 153.

82. Callister, W. Materials Science and Engineering: An Introduction / W. Callister, D. Rethwisch. - Wiley, 2010. - 992 p.

83. Xiaowei, L. Effect of temperature on graphite oxidation behavior / L. Xiaowei, R. Jean-Charles, Y. Suyuan // Nucl. Eng. Des. - 2004. - V. 227, №3. - P. 273-280.

84. Hahn, J.R. Kinetic study of graphite oxidation along two lattice directions / J.R. Hahn // Carbon. - 2005. - V. 43, №7. - P. 1506-1511.

85. Shang, C. Origin and activity of gold nanoparticles as aerobic oxidation catalysts in aqueous solution / C. Shang, Z.P. Liu // J. Am. Chem. Soc. - 2011. - V. 133, №25. - P. 9938-9947.

86. UV irradiation induced reversible graphene band gap behaviors / Z. Xu [et al.] // J. Mater. Chem. C. - 2016. - V. 4, №36. - P. 8459-8465.

87. Sheka, E.F. Odd-electron molecular theory of graphene hydrogenation / E.F. Sheka, N.A. Popova // J. Mol. Model. - 2012. - V. 18, №8. - P. 3751-3768.

88. Kinetics of the defunctionalization of oxidized few-layer graphene nanoflakes / S. A. Chernyak [et al.] // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2018. - V. 20, №37. - P. 2411724122.

89. Beams, R. Raman characterization of defects and dopants in graphene / R. Beams, L.G. Can?ado, L. Novotny // J. Phys.: Condens. Matter. - 2015. - V. 27, №8. -Art. № 083002 (26 p.).

90. Evolution of the band-gap and optical properties of graphene oxide with controllable reduction level / Y. Shen [et al.] // Carbon. - 2013. - V. 62. - P. 157164.

91. Temperature and environment effects on the graphene oxide reduction via electrical conductivity studies / L. Silipigni [et al.] // J. Mater. Sci-Mater. El. -2020. - V. 31, №14. - P. 11847-11854.

92. Naushad, M. A new generation material graphene: applications in water technology. / M. Naushad. - Springer, 2019. - 471 p.

93. Anti-Stokes Raman spectroscopy as a method to identify the metallic and semiconducting configurations of double-walled carbon nanotubes / M. Baibarac [et al.] // J. Raman Spectrosc. - 2015. - V. 46, №1. - P. 32-38.

94. Advances in tip-enhanced near-field Raman microscopy using nanoantennas / X. Shi [et al.] // Chem. Rev. - 2017. - V. 117, №7. - P. 4945-4960.

95. Verma, P. Tip-enhanced Raman spectroscopy: technique and recent advances / P. Verma // Chem. Rev. - 2017. - V. 117, №9. - P. 6447-6466.

96. Ultrahigh-vacuum tip-enhanced Raman spectroscopy / E.A. Pozzi [et al.] // Chem. Rev. - 2017. - V. 117, №7. - P. 4961-4982.

97. Chemical mapping of a single molecule by plasmon-enhanced Raman scattering / R. Zhang [et al.] // Nature. - 2013. - V. 498, №7452. - P. 82-86.

98. Visualizing vibrational normal modes of a single molecule with atomically confined light / J. Lee [et al.] // Nature. - 2019. - V. 568, №7750. - P. 78-82

99. Novotny, L. From near-field optics to optical antennas / L. Novotny // Phys. Today. - 2011. - V. 64, №7. - P. 47-52.

100. Novotny, L. Principles of Nano-Optics / L. Novotny, B. Hecht. - Cambridge University Press, 2006. - 539 p.

101. Mechanism of near-field Raman enhancement in two-dimensional systems / R.V. Maximiano [et al.] // Phys. Rev. B. - 2012. - V. 85, №23. - Art. № 235434 (8 p.).

102. Theory of spatial coherence in near-field Raman scattering / L.G. Cançado [et al.] // Phys. Rev. X. - 2014. - V. 4, №3. - Art. № 031054 (14 p.).

103. Mechanism of near-field Raman enhancement in one-dimensional systems / L.G. Cançado [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 2009. - V. 103, №18. - Art. № 186101 (4 p.).

104. Buchsteiner, A. Water dynamics in graphite oxide investigated with neutron scattering / A. Buchsteiner, A. Lerf, J. Pieper // J. Phys. Chem. B. - 2006. - V. 110, №45. - P. 22328-22338.

105. Probing the thermal deoxygenation of graphene oxide using high-resolution in situ X-ray-based spectroscopies / A. Ganguly [et al.] // J. Phys. Chem. C. - 2011. - V. 115, №34. - P. 17009-17019.

106. Tunable bandgap in graphene by the controlled adsorption of water molecules / F. Yavari [et al.] // SMALL. - 2010. - V. 6, №22. - P. 2535-2538.

107. Small temperature coefficient of resistivity of graphene/graphene oxide hybrid membranes / P. Sun [et al.] // ACS Appl. Mater. Inter. - 2013. - V. 5, №19. - P. 9563-9571.

108. Lucazeau G. Effect of pressure and temperature on Raman spectra of solids: anharmonicity / G. Lucazeau // J. Raman. Spectrosc. - 2003. - V. 34, №7-8. - P. 478-496.