Исследование процессов разрушения и самовосстановления наноструктур материалов​
на первом в мире космическом зондовом микроскопе при воздействии солнечного ветра и излучения
Новые материалы,
нанотехнологии и
микроэлектроника
Руководитель; Москва, Зеленоград
Логинов Борис
Соруководитель; Орел
Хрипунов Юрий
Ассистент; Орел
Кадаева Евгения
Богданова Дарья
Стажер; Череповец
Брянск; 11 класс
Яковлев Иван
Щелково; 11 класс
Савченко София
Новосибирск; 11 класс
Кретьянинов Дмитрий
Васильев Георгий
Москва; 11 класс
Новосибирск; 10 класс
Черноголова Мария
Ульяновск; 9 класс
Астуков Михаил
Наша команда
Наши партнеры
Известные данные
По данным снимков полученных с микроскопа CMM-2000С - первого сканирующего зондового​
микроскопа для открытого космоса, работавшего в спутнике Нанозонд-1 был обнаружен эффект сдирания поверхности при воздействии солнечного ветра и эффект сглаживания после воздействия солнечного света
Исходный
После света
После солнечного ветра
Цель и задачи
  • Освоить атомно-силовой микроскоп и численные методы оценки рельефа поверхности для изучения его изменения​
  • Освоить технологию плазменного воздействия на материалы в вакуумной установке и провести эксперименты с материалами​
  • Освоить технологию создания внутри вакуума света, близкого к солнечному, и провести воздействия его на материалы​
  • Провести зондовое сканирования рельефа поверхности материалов до и после воздействий, составить таблицу изменения численных параметров рельефа​
  • Обобщить результаты с выводами о живучести материалов в условиях космоса и предложить формулу для вычисления величины их утоньшения​
  • Подготовить материал для научной публикации
Изучить способность материалов к самовостановлению под воздействием солнечного света в вакууме
План эксперементов
Первый эксперимент
Методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) выполнено первичное картирование поверхности материала для определения исходной шероховатости. Затем образец подвергнут 20-секундному воздействию неравновесной плазмы, эквивалентному по флюенсу 40 часам экспозиции под солнечным ветром, с последующим повторным СЗМ-анализом процесса плазменного распыления рельефа. На финальном этапе осуществлен нагрев поверхности излучением вольфрамового нагревателя с солнечным спектром в течение 30 секунд и проведено итоговое СЗМ-сканирование для оценки эффективности последующего сглаживания микронеровностей.
Второй эксперимент
В рамках второго эксперимента параметры воздействующих факторов были увеличены в два раза: время плазменного травления в условиях моделирования космической среды составило 40 секунд (что эквивалентно 80 часам экспозиции под воздействием солнечного ветра), а последующий нагрев излучением вольфрамового нагревателя с солнечным спектром выполнялся в течение 60 секунд. Контроль морфологии поверхности и оценка изменения параметров средней шероховатости на каждом этапе плазменного распыления и последующего сглаживания также осуществлялись методом сканирующей зондовой микроскопии.
Третий эксперимент
В рамках третьего эксперимента три материала с наилучшими характеристиками были подвергнуты циклическому воздействию для оценки изменения морфологии поверхности в долгосрочном масштабе. Процедура включала 10 последовательных циклов, каждый из которых состоял из первичного сканирования, плазменного распыления в течение 20 секунд, промежуточного анализа рельефа, светового воздействия в течение 30 секунд и финального контроля геометрии поверхности. Такой циклический подход позволил исследовать кинетику плазменного травления и последующего сглаживания микронеровностей, а также определить структурную стабильность материалов при многократных нагрузках.
Результаты

  • По результатам первого эксперимента наилучшую синергию между устойчивостью к плазменному утончению и эффективностью последующего сглаживания рельефа под воздействием светового потока продемонстрировали солнечный кремний, монокристаллический кремний марки КДБ-10, коррозионностойкая сталь 403 и поликарбонат, извлеченный из DVD-носителей.

  • По результатам второго эксперимента, проведенного при повышенных дозах деструктивных факторов, была установлена иерархия стойкости исследуемых материалов. Наименьшую величину утончения и оптимальную динамику последующего сглаживания продемонстрировал алюмооксидный диэлектрик Поликор ВК100-1. Далее, в порядке снижения эффективности сопротивления уносу материала и способности к восстановлению рельефа, образцы расположились в следующий ряд: монокристаллический кремний марки КДБ-10, поликарбонат, извлеченный из DVD-носителей, медь и коррозионностойкая сталь 403.

  • В рамках третьего эксперимента циклическому воздействию (10 последовательных циклов «сканирование — плазменное распыление — сканирование — световое сглаживание — сканирование») были подвергнуты три образца, выбранные на основе специфики их физико-химических свойств и результатов предыдущих этапов. В их число вошли: дюралюминий марки Д16Т (как традиционный конструкционный материал космического назначения), поликарбонат, извлеченный из DVD-носителей (продемонстрировавший наилучшую стойкость среди исследованных полимеров), и высокочистый тантал марки ТВЧ, характеризующийся минимальным уровнем генерации вторичных микрочастиц («космической пыли») при ионной бомбардировке. Помимо масштабной эволюции параметров шероховатости, в ходе циклических испытаний было зафиксировано визуальное изменение цвета поверхности образцов. Для детального установления причин данного феномена в рамках межлабораторного взаимодействия планируется проведение анализа элементного состава и дефектоструктуры модифицированных приповерхностных слоев методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).
Наши фотографии