NEXAFS- и XPS-исследования композитов Cr/МУНТ

Аннотация

Проведены исследования нанокомпозитов, полученных путем осаждения методом MOCVD с использованием хроморганической жидкости «Бархос» слоев разной толщины пиролитического хрома на внешнюю поверхность многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Данные покрытия из пиролитического Cr имеют высокую микротвердость, термостойкость, гидрофобность и химическую стойкость по отношению к соляной и серной кислотам и расплаву щелочей.
Уникальные физические свойства хромовых покрытий, а также химическая стойкость в широком диапазоне температур и большая внешняя поверхность МУНТ открывают широкие перспективы возможных приложений исследуемых нанокомпозитов. Важной проблемой в этом случае является выяснение механизмов адгезии хрома на химически инертную поверхность МУНТ.
Перспективным методом изучения интерфейса поверхность МУНТ – покрывающий слой является ультрамягкая рентгеновская спектроскопия в области NEXAFS 1s – порога ионизации углерода. Однако такие исследования для соединений хрома практически отсутствуют в литературе по причине наложения структуры NEXAFS Cr_2p-спектров поглощения на область NEXAFS C_1s – порога ионизации. В настоящей работе исследования нанокомпозитов были проведены методом полного выхода электронов с использованием оригинальной методики подавления и измерения
вклада кратных порядков в области C_1s – края поглощения. Проведенные методами NEXAFS и XPS-спектроскопии исследования нанокомпозита (пиролитический Cr) / МУНТ показали: (i) в спектре композита сохраняются особенности, характерные для чистой МУНТ; (ii) отсутствие
существенной деструкции внешних слоев МУНТ; (iii) интерфейс между МУНТ и покрытием пиролитического хрома представляет собой многослойную структуру. Эта структура включает внешнюю поверхность МУНТ, атомы которой образуют С–О и С–Cr связи с покрытием пиролитического хрома, монослой карбида хрома и покрывающий слой оксида хрома (Cr2O3). Для исследованных образцов определены эффективные толщины покрывающих слоев оксида
и карбида хрома 1.5 и 0.3 нм соответственно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ob’edkov A. M., Kaverin B. S., Gusev S. A., Ezerskii A. B., Semenov N. M., Zaytsev A. A., Egorov V. A., Domrachev G. A. MOCVD modifi cation of the surface of multiwalled carbon nanotubes to impart to them necessary physicochemical properties. Journal of Surface Investigation. 2009; 3(4): 554–558. DOI: https://doi.org/10.1134/S1027451009040120
2. Кириллов А. И., Объедков А. М., Егоров В. А., Домрачев Г. А., Каверин Б. С., Семенов Н. М., Лопатина Т. И., Гусев С. А., Мансфельд А. Д. Создание с помощью MOCVD-технологии наноструктурированных композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок. Нанотехника. 2011; 1(25): 72–78.
3. Sivkov V. N., Ob’edkov A. M., Petrova O. V., Nekipelov S. V., Kremlev K.V ., Kaverin B. S., Semenov N. M., Gusev S. A. X-ray and synchrotron investigations of heterogeneous systems based on multiwalled carbon nanotubes. Physics of the Solid State. 2015;57(1): 197–204. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063783415010291
4. Petrova O. V., Nekipelov S. V., Mingaleva A. E., Sivkov V. N., Obiedkov A. M., Kaverin B. S., Kremlev K. V., Ketkov S. Yu., Gusev S. A., Vyalikh D. V., Molodtsov S. L. Study of composite MWCNT/pyrolytic Cr interface by NEXAFS spectroscopy. Journal of Physics: Conference Series. 2016;741(1): 012038. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/741/1/012038
5. Fedoseenko S. I., Iossifov I. F., Gorovikov S. A., Schmidt J., Follath R., Molodtsov S. L., Adamchuk V. K., Kaindl G. Development and present status of the Russian-German soft X-ray beamline at BESSY II. Nucl. Instr. and Meth. A. 2001;470: 84-88. DOI: https://doi.org/10.1016/S0168-9002(01)01032-4
6. Kummer K., Sivkov V. N., Vyalikh D. V., Maslyuk V. V., Bluher A., Nekipelov S. V.,  Bredow T., Mertig I., Mertig M., Molodtsov S. L. Oscillator strength of the peptide bond p*-resonances at all relevant x-ray absorption edges. Physical Review B. 2009;80: 155433–155438. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.155433
7. Jeong H.-K., Noh H.-J., Kim J.-Y., Jin M.H., Park C. Y., and Lee Y. H. X-ray absorption spectroscopy of graphite oxide. Europhysics Letters. 2008;82: 67004-1–5. DOI: https://doi.org/10.1209/0295-5075/82/67004
8. Madix R. J., Solomon J. L., and Stцhr J. The orientation of the carbonate anion on Ag(110). Surf. Sci. 1988;197: L253–L259. DOI: https://doi.org/10.1016/0039-6028(88)90624-3
9. Chen J. G. NEXAFS investigations of transition metal oxides, nitrides, carbides, sulfi des and otherinterstitial compounds. Surface Science Report. 1997;30: 1–152. DOI: https://doi.org/10.1016/S0167-5729(97)00011-3
10. Ruihua Cheng B. Xu., Borca C. N., Sokolov A., Yang C.-S., Yuan L., Liou S.-H., Doudin B., Dowben P. A. Characterization of the native Cr2O3 oxide surface of CrO2. Appl. Phys. Letters. 2001;79: 3122–3124. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1416474
11. NIST Standard Reference Database 71. NIST Electron Inelastic-Mean-Free-Path Database: Version1.2. Режим доступа: www.nist.gov/srd/nist-standardreference-database-71
12. Teghil R., Santagata A., De Bonis A., Galasso A., Villani P. Chromium carbide thin fi lms deposited by ultra-short pulse laser deposition. Applied Surface Science. 2009; 255: 7729–7733. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.04.151
13. Zhao D., Jiang X., Wang Y., Duan W., Wang L. Microstructure evolution, wear and corrosion resistance of Cr-C nanocomposite coatings in seawater. Applied Surface Science. 2018;457: 914–924. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.06.248