Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron TechniquesJournal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron TechniquesПоверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования1028-09603034-5731The Russian Academy of Sciences69814010.7868/S3034573125050055ArticlesСтатьиResearch ArticleChanges in the Structure and Properties of Fluorocarbon Coatings under Irradiation with Accelerated C60 IonsИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ФТОРУГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ УСКОРЕННЫМИ ИОНАМИ C60PukhaV. EПухаВ. Еpve@icp.ac.ruNechaevG. VНечаевГ. Вpve@icp.ac.ruKabachkovE. NКабачковЕ. Нpve@icp.ac.ruLukinaI. NЛукинаИ. Нpve@icp.ac.ruDrozdovaE. IДроздоваЕ. Иpve@icp.ac.ruChernogorovaO. PЧерногороваО. Пpve@icp.ac.ruFederal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry RASФНЦ проблем химической физики и медицинской химии РАНHydrogen Energy Center Ltd.ООО "Центр водородной энергетики" (ПАО АФК "Система")Osipyan Institute of Solid State Physics RASИнститут физики твердого тела РАН им. Ю.А. Осипьяна РАНBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science RASИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН150520255NO5 (2025)№5 (2025)374608122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesИнститут физики твердого тела РАН, Российская академия наукhttps://oncopathology.abvpress.ru/1028-0960/article/view/698140

The first results of combined deposition of coatings from a beam of accelerated C60 fullerene ions and fluoroplastic vapor (polymetrized tetrafluoroethylene, PTFE) are presented. The coatings were formed by condensation of thermally evaporated PTFE on a Si substrate in vacuum under irradiation with a C60 ion beam with an energy of 5 keV, passed through a mass spectrometer. The calculated ratio of C60 ions and molecular fragments condensing on the substrate (–CF2–CF2–) was chosen close to 1:1. The structure and chemical bonds have been studied by Raman scattering and X-ray photoelectron spectroscopy, according to which the coating contains about 8.6 at. % fluorine. The coating contains ~35% sp3 bonds, with a sp3/sp2 ratio of ~0.76, and the main part (up to 50%) of fluorine–carbon bonds is concentrated in the form of polymer chains –CF2–CF2–, which are located in a solid carbon matrix, that is, the coating structure is nanocomposite. Mechanical tests showed high hardness of the coating H~32 GPa with an H/E ratio of ~0.16 (E is Young's modulus). The coating is characterized by a high contact angle of wetting with distilled water (CA = 98°). Tribological tests showed a coefficient of friction close to 0.18, with low wear of less than 10–7 mm3/N m.

Представлены первые результаты совместного осаждения покрытий из пучка ускоренных ионов фуллерена C60 и паров фторопласта (полимеризованного тетрафторэтилена — ПТФЭ). Покрытия формировали конденсацией в вакууме на Si подложку термически испарившегося ПТФЭ при облучении ионным пучком C60 с энергией 5 кэВ, пропущенным через масс-спектрометр. Расчетное соотношение ионов C60 и конденсирующихся на подложке молекулярных фрагментов (–CF2–CF2–) подбирали близким к 1:1. Структура и химические связи исследованы методами комбинационного рассеяния света и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, по данным которой покрытие содержит около 8.6 ат. % фтора. Покрытие содержит ~35% sp3-связей, при соотношении sp3/sp2 ~0.76, а основная часть (до 50%) фторуглеродных связей сосредоточена в виде полимерных цепочек –CF2–CF2–, которые находятся в твердой углеродной матрице, т.е. строение покрытия нанокомпозитное. Механические испытания показали высокую твердость покрытия H ~32 ГПа при соотношении H/E ~0.16 (E — модуль Юнга). Покрытие характеризуется высоким контактным углом смачивания дистиллированной водой (C.A. = 98°). Трибологические испытания показали коэффициент трения, близкий к 0.18, с низким износом менее 10–7 мм3/Н·м.

tetrafluoroethylene polymerthermal evaporation in vacuumaccelerated C60 ionscoating structureX-ray photoelectron spectroscopyRaman scatteringchemical bondsnanocompositemechanical propertieswettingfriction coefficientwearполимер тетрафторэтилентермическое испарение в вакуумеускоренные ионы C60структура покрытийрентгеновская фотоэлектронная спектроскопиякомбинационное рассеяние светахимические связинанокомпозитмеханические свойствасмачиваниекоэффициент тренияизносИсследование выполнено частично в рамках госзадания ФИЦ ПХФ и МХ РАН (№ государственной регистрации 124013000692-4) и госзадания ИМЕТ РАН (№ 075-00320-24-00) с использованием оборудования Аналитического центра коллективного пользования ФИЦ ПХФ и МХ РАН и Центра коллективного пользования Черноголовского научного центра РАН.Кудашев С.В. // Fluorine Notes. 2020. V. 3 (130). P. 2020. http://ru.notes.fluorinel.ru/public/2020/3_2020/article_2.htmlPuts G.J., Crouse P., Ameduri B.M. // Chem. Rev. 2019. V. 119. № 3. P. 1763. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00458Piwowarczyk J., Jedrzejewski R., Moszyński D., Kwiatkowski K., Niemczyk A., Baranowska J. // Polymers. 2019. V. 11. № 10. P. 1629. https://doi.org/10.3390/polym11101629Ju Y., Ai L., Qi X., Li J., Song W. // Materials. 2023. V. 16. № 10. P. 3764. https://doi.org/10.3390/ma16103764Sharifahmadian O., Pakseresht A., Mirzaei S., Eliáš M., Galusek D. // Diam. Relat. Mater. 2023. V. 138. P. 110252. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110252Kim S.H., Kim M., Um M.S., Choi W.J., Lee J.H., Yang Y.S., Lee S.J. // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 10664. https://doi.org/10.1038/s41598-019-46993-0Grysenko K., Kolomzorov Y., Lyvyn P., Kondratenko O., Sopinsky M., Lebedyeva I., Niemczyk A., Baranowska J., Moszyński D., Villringer C., Schrader S. // Macromol. Mater. Eng. 2023. V. 308. № 6. P. 2200617. https://doi.org/10.1002/mame.202200617Gaber H., Busmann H.G., Hiss R., Hertel IV., Romberg H., Fink J., Bruder F., Brenn R. // J. Phys. Chem. 1993. V. 97. № 31. P. 8244. https://doi.org/10.1021/j100133a021Popok V.N., Barke I., Campbell E.E., Meiwes-Broer K.H. // Surf. Sci. Rep. 2011. V. 66. Iss. 10. P. 347. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2011.05.002Pukha V.E., Zubarev E.N., Drozdov A.N., Pugachov A.T., Jeong S.H., Nam S.C. // J. Phys. D. 2012. V. 45. Iss. 33. P. 335302. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/33/335302Penkov O.V., Pukha V.E., Zubarev E.N. et al. // Tribol. Int. 2013. V. 60. P. 127. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2012.11.011Pukha V.E., Karbovskii V.L., Drozdov A.N., Pugachov A.T. // J. Phys. D. 2013. V. 46. Iss. 48. P. 485305. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/48/485305Penkov O.V., Pukha V.E., Starikova S.L., Khadem M., Starikov V.V., Maleev M.V., Kim D.E. // Biomaterials. 2016. V. 102. P. 130. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.06.029Khadem M., Pukha V.E., Penkov O.V., Khodos I.I., Belmesov A.A., Nechaev G.V., Kabachkov E.N., Karaseev P.A., Kim D.E. // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 424. P. 127670. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127670Wang J., Ma J., Huang W., Wang L., He H., Liu C. // Surf. Coat. Technol. 2017. V. 316. P. 22. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.02.065Zhang L., Wang F., Qiang L., Gao K., Zhang B., Zhang J. // RSC Adv. 2015. V. 5. Iss. 13. P. 9635. https://doi.org/10.1039/C4RA14078Hhttps://fluralit.ru/ftoroplast/fluralit-issledovanieLuff P.P., White M. // Vacuum. 1968. V. 18. № 8. P. 437. https://doi.org/10.1016/0042-207X(68)90336-9Grytsenko K.P. // Russ. J. Gen. Chem. 2009. V. 79. P. 642. https://doi.org/10.1134/S1070363209030463Малеев М.Б., Зубарев Е.Н., Пуха В.Е., Дроздов А.Н., Вус А.С. // Металлофизика и новейшие технологии. 2015. Т. 37. № 6. С. 777. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112255Diaz J., Paolicelli G., Ferrer S., Comin F. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 11. P. 8064. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.8064Wang J., Ma J., Huang W., Wang L., He H., Liu C. // Surf. Coat. Technol. 2017. V. 316. P. 22. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.02.065Lin Y.H., Syue Y.C., Lin H.D., Chen U.S., Chang Y.S., Chen J.R., Shih H.C. // Appl. Surf. Sci. 2008. V. 255. Iss. 5. P. 2139. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.07.084Nakao S., Yukimura K., Nakano S., Ogiso H. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2013. V. 41. № 8. P. 1819. https://doi.org/10.1109/TPS.2013.2256800Yumitori S. // J. Mater. Sci. 2000. V. 35. P. 139. https://doi.org/10.1023/A:1004761103919Pukha V.E., Glukhov A.A., Belmesov A.A., Kabachkov E.N., Khodos I.I., Khadem M., Kim D.-E., Karaseov P.A. // Vacuum. 2023. V. 218. P. 112643. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112643Ferrari A.C., Robertson J. // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. Iss. 20. P. 14095. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.14095Ferrari A.C. // Surf. Coat. Technol. 2004. V. 180. P. 190. https://doi.org/10.31857/S1028096024060106, EDN: DUXGFU 10.1016/j.surfcoat.2003.10.146Mallet-Ladeira P., Puech P., Toulouse C., Cazayous M., Ratel-Ramond N., Weisbecker P., Monthoux M. // Carbon. 2014. V. 80. P. 629. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.09.006Пуха В.Е., Бельмесов А.А., Кабачков Е.Н., Нечаев Г.В., Лукина И.Н., Дроздова Е.И., Черногорова О.П. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. № 6. 2024. С. 70. https://doi.org/10.31857/S1028096024060106, EDN: DUXGFUFontaine J., Donnet C., Erdemir A. // Tribology of Diamond-Like Carbon Films: Fundamentals and Applications. Boston: Spinger, 2008. P. 139. https://doi.org/10.1007/978-0-387-49891-1_5Rajak D.K., Kumar A., Behera A., Menezes P.L. // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 10. P. 4445. https://doi.org/10.3390/app11104445Wang J., Ma J., Huang W., Wang L., He H., Liu C. // Surf. Coat. Technol. 2017. V. 316. P. 22. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.02.065Imai T., Hartgat T., Tanimoto T., Isono R., Iijima Y., Suda Y., Takikawa H., Kamiya M., Toki M., Hasegawa Y., Kaneko S., Kunitsugu S., Ito M. // Vacuum. 2019. V. 167. P. 536. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.07.009