Учеными Института ядерных проблем и физического факультета Белорусского государственного университета совместно с сотрудниками Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ изучено влияние влажности воздуха на электрофизические свойства и механизм электропереноса в наноразмерных покрытиях из алмазоподобного углерода (DLC). Ученые пришли к выводу, что влияние влажности обусловлено не изменением структуры самого покрытия, а образованием на его поверхности дополнительного слоя из молекул воды, которые адсорбируются и диссоциируют, создавая проводящую пленку. Именно этот процесс приводит к уменьшению общего электросопротивления системы. В дополнение, результаты исследования показали принципиальную возможность создания резистивного датчика влажности на основе DLC-покрытий.

Рисунок 1. Изображение атомно-силовой (слева) и сканирующей электронной микроскопии (справа) поверхности DLC-покрытия толщиной 62 нм

Покрытия из алмазоподобного углерода (diamond-like carbon coatings, DLC) незаменимы в качестве защитных слоев для оптических элементов и износостойких покрытий подвижных деталей. Наряду с этим, научные исследования, проводимые в CERN и ОИЯИ, открыли возможность для еще одного важного применения DLC: их используют в качестве резистивного покрытия для электродов газоразрядных детекторов ионизирующего излучения. Такие покрытия повышают стабильность функционирования детекторов и их устойчивость к искровым разрядам. «Одной из ключевых характеристик DLC в этом контексте является их электросопротивление, которое, как мы экспериментально показали, подвержено значительному влиянию условий измерения, в частности, влажности окружающей среды», — рассказал соавтор исследования, сотрудник ИЯП БГУ Илья Зур.

Исследованы наноразмерные DLC-покрытия на подложках из акрилонитрилбутадиенстирола (ABS-пластика), характеризующиеся линейной вольтамперной характеристикой, уменьшением удельного электросопротивления от 12 Ом∙м до 3 Ом∙м и угла смачивания от 52° до 38° при увеличении толщины от 54 нм до 71 нм. Диэлектрическая проницаемость DLC-покрытий принимает значения в диапазоне от 5,6 до 6,5 и в высокочастотном пределе полностью определяется вещественной составляющей. Предложено рассматривать проводимость в системе «DLC-покрытие//адсорбированный слой молекул H₂O» как комбинацию двух механизмов: прыжковую проводимость электронов в объеме DLC-покрытия и проводимость протонов в адсорбционном слое молекул воды по механизму Гротгуса. Экспериментально зафиксировано, что изменение влажности воздуха в пределах от 16 % до 95 % приводит к уменьшению электросопротивления системы до 10³ раз, с 1000 до 11 МОм.

Рисунок 2. Частотная зависимость импеданса DLC-покрытия толщиной 54 нм для влажности 95, 78, 62, 48 и 16 %

Полученные результаты имеют важное практическое значение для корректного измерения электросопротивления резистивных покрытий перед их установкой в детекторы. Кроме того, высокая чувствительность DLC к влажности и их быстрый отклик на ее изменения открывают перспективы для использования таких покрытий в качестве материала для резистивных датчиков влажности. Это может стать альтернативой традиционным материалам, применяемым в подобных устройствах.

Статья «Влияние влажности воздуха на электрофизические свойства и механизм электропереноса в наноразмерных покрытиях» была опубликована в журнале «Carbon» в 2025 году. Авторы статьи – И. А. Зур, Ю. А. Федотова, А. С. Федотов, Е. Е. Шманай, А. К. Федотов, А. А. Харченко, Н. И. Горбачук, Е. А. Ермакова, С. А. Мовчан.