Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В процессе выполнения работ по проекту поверхность образцов из кремния были обработаны кислородосодержащей плазмой тлеющего разряда. Были определены параметры тлеющего разряда (давления, плотность тока, время экспозиции, способ подачи рабочего газа) при которых происходит стабильная модификация (микро- и наноструктурирование) поверхности кремния. Было проведено исследование по определению влияния концентрации кислорода в плазме тлеющего разряда на морфологию поверхности обрабатываемого кремния. Было установлено, что обработка в плазме, содержащей кислород, приводит к эрозии и окислению приповерхностных слоем кремния. В результате, наблюдается формирование единичных и групповых сферических микроструктур размером от 1 до 5 мкм. При длительном времени экспозиции количество и размер микроструктур существенно увеличивается. Элементный анализ подтвердил, что изменения в строении поверхности связаны с процессом окисления кремния. Длительность обработки приводит к увеличению концентрации кислорода в образце с 2% (необработанный кремний) до 53% (обработка в течении 120 минут), что свидетельствует о существенном окислении приповерхностных слоёв. В процессе исследования было показано, что отобранные обработанные образцы кремния обладают супергидрофильными свойствами (краевой угол смачивания менее 5 градусов), что характерно для чистого оксида кремния. Однако, со временем эти свойства деградируют, это также характерно для оксида кремния адсорбирующего загрязнения из окружающей среды. Образцы становятся разной степени гидрофильными спустя несколько недель хранения при нормальных условиях. Осаждения фторполимерного покрытия делает поверхность образцов гидрофобной. Краевой угол смачивания равен порядка 120 – 125 градусов. Исследование адгезионных свойств осаждённых фторполимерных покрытий не показало существенного их улучшение относительно контрольных образцов. Таким образом, можно сделать вывод, что обработка поверхности плазмой тлеющего разряда в исследуемом диапазоне параметров для улучшения адгезионных свойств фторполимерных покрытий к кремнию, малоэффективна. Предложена гибридная технология получения покрытий с требуемыми свойствами смачивания. Для достижения эксплуатационо-привлекательных характеристик необходимо выполнить следующие условия: 1) достижение морфологически развитой структуры на микронном уровне, что обеспечит стойкость материала при механическом воздействии; 2) получение пористой структуры на наноуровне, что, во-первых, обеспечивает требуемое капиллярное смачивание или водоотталкивание (в зависимости от сорта вещества), во-вторых, может выступать в качестве базы для химической функционализации; 3) подбор функционализирующего агента, с необходимым химическим сродством, по отношению к нанопористому материалу, для обеспечения стабильности при эксплуатации в неблагоприятных условиях, например, при кипении. Именно такая технология по результатам проекта является наиболее привлекательной с точки зрения создания бифильных поверхностей. В рамках данного проекта этот подход был реализован на примере монокристаллического кремния, функционализированного фторполимерным покрытием. Проведены детальные эксперименты по определению режимов воздействия на композитный материал, обеспечивающий удаления фторполимерного покрытия, без изменения свойств супергидрофильной кремниевой основы. Проведена модификации экспериментального стенда USLADA для автоматизированного получения бифильных материалов с произвольным паттерном поверхности. Проведено систематическое исследования абляции меди с применением коротких импульсов лазерного излучения. Особое внимание уделено вопросу оптимизации процесса воздействия многотысячной серии лазерных импульсов в режимах пересечения лазерных пятен. Установлено, что ключевым аспектом с точки зрения достижения супергидрофильности и постепенному переходу к супергидрофобному состоянию является пересечение лазерных кратеров. Наилучший результат достигается при 80% перекрытие пятен. При этом интенсивность лазерного влияет в меньшей степени. Это обусловлено тем, что используемые режимы обработки соответствуют реализации развитой абляции, для которой эффект плазменной экранировки с положительной обратной связью по отношению к энергии в пучке, обеспечивает практически постоянное значения аблируемой массы. На основе накопленных экспериментальных и теоретических данных был выдвинут ключевой аспект с точки зрения приобретения/ изменения свойств смачивания в режимах капиллярного увлажнения. Необходимым процессом является переосаждение продуктов абляции на поверхность облучаемого материала. Значительную роль играют химические превращения, протекающие на этапе разлета и возврата лазерного факела¸ в первую очередь окислительные процессы. При этом микронная структура, развиваемая в ходе лазерной обработки, в первую очередь, обеспечивает защиту поверхности от внешних механических воздействий. Важно, что с этой точки зрения, допускается обобщения на другие методы получения тонких покрытия из газовой фазы (например, методами PЕ CVD или HW CVD) с гидрофобными или гидрофильными свойствами в зависимости от химического состава покрытия – наиболее выраженные свойства смачивания достигаются при высоких скоростях осаждения, когда формируются развитые нанопористые слои. В результате проведенных экспериментов показано, что в зависимости от типа обработки характер влияния лазерного текстурирования кремниевой поверхности на интенсивность теплообмена при кипении воды кардинально отличается. Так, модифицированная с помощью ИК-лазера 1064 нм поверхность демонстрирует интенсификацию теплоотдачи во всем исследованном диапазоне тепловых нагрузок - степень интенсификации теплообмена составляет до 1.78 раз по сравнению с базовой поверхностью. Кроме того, данная поверхность характеризуется более ранним порогом закипания по сравнению с базовой поверхностью – в среднем меньше на 4 К. В свою очередь, обработка поверхности кремния лазером 532 нм приводит к ухудшению теплоотдачи и увеличению порога закипания. Так, коэффициент теплоотдачи для данной поверхности до 1.3 раз меньше, чем для базовой поверхности. С использованием скоростной видеосъемки было показано, что поверхность, модифицированная красным лазером, характеризуется наибольшими плотностью центров парообразования и частотами парообразования, в то время как отрывные диаметры паровых пузырей для нее меньше. В свою очередь, после обработки зеленым лазером на поверхности наблюдается заметное меньшее количество центров парообразования. Паровые пузыри характеризуются большими отрывными диаметрами и меньшими частотами образования по сравнению с двумя другими поверхностью. Сравнение с моделями показало, что различие в динамике парообразования на модифицированных поверхностях связано с особенностями их морфологии и условиях активации паровых пузырей. Кроме того, полученные в проекте данные показали, при использовании двух разных типов лазер-текстурированных поверхностей приводит к заметному увеличению КТП при кипении по сравнению с необработанной поверхностью. Так, для поверхности, модифицированной зеленым лазером, наблюдается максимальное значение КТП (1806 кВт/м2) и для нее отношение qCHF/qCHF,bare достигает 2.1. В свою очередь, для поверхности, модифицированной красным лазером, данная величина составляет 1.6 (1365 кВт/м2). Сопоставление с различными моделями показало, что основное влияние на повышение величины КТП при использовании изготовленных лазер-текстурированных поверхностей оказывает именно капиллярное увлажнение. Также был проведен анализ эволюции сухих пятен в предкризисном режиме кипения, который показал, что после модификации лазером устойчивость сухих пятен повышается, что выражается в их более быстром замывании.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В процессе выполнения работ по проекту впервые были осаждены покрытия из окиси гексафторпропилена (ОГФП) и perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) методом HW CVD. Полученные сополимерные покрытия имеют различную морфологию. Показано, что концентрация (PFOTES) в смеси с газом-предшественником в исследуемом диапазоне значений от 5 до 20% существенно влияет на морфологию покрытия. Измерение свойств смачивания у полученных покрытий показало, что все образцы сополимеров обладают гидрофобными свойствами. Краевой угол смачивания составляет порядка 110 градусов. Со временем эти свойства не изменяются. Исследование адгезионных и когезионных свойств осаждённых фторполимерных покрытий не показало существенного их улучшения относительно контрольных образцов стандартного устойчивого фторполимерного покрытия. Опираясь на результаты, полученные при реализации предыдущего этапа проекта, были выбраны условия лазерного воздействия для обработки медной поверхности с целью изменения ее свойств смачивания. Проведено исследование микроструктуры поверхности металла при обработке на воздухе с применением методов наноиндентирования. Установлено, что микроструктурой поверхности можно управлять, варьируя параметры облучения. Вместе с тем показано, что тип микроструктуры слабо влияет на свойства смачивания обработанного металла после длительного хранения. Был предложен параметр - относительный интервал смещения пучка, что позволило обобщить экспериментальные данные о влиянии условий обработки на переход к супергидрофобному состоянию материала. Была установлена прямая корреляция между краевым углом смачивания материала спустя месяц хранения и капиллярного увлажнения сразу после обработки. Впервые установлено, что изменение свойств смачивания металлических поверхностей при наносекундной лазерной обработке обусловлено возвращением продуктов лазерной абляции на поверхность облучаемой мишени, при этом тип формирующихся микроструктур играет вторичную роль. Этот факт лежит в основе предложенной технологии получения бифильных и контрастных поверхностей с чередованием лазерного воздействия в воздухе и разреженной атмосфере. Образованное возвращающимися продуктами абляции нанопористое покрытие обеспечивает адгезию при химической функционализации поверхностей гидрофобизирующими агентами. Это было продемонстрировано как с использованием коммерческих прекурсоров, так и фторполимерных покрытиях, развитых в данном проекте. Во всех случаях было достигнуто стабильное супергидрофобное состояние поверхностей на протяжении нескольких месяцев. За отчетный период с помощью методов лазерного текстурирования и HW CVD были созданы различные конфигурации бифильных поверхностей и проведено экспериментальное исследование их влияния на интенсивность теплообмена и критические тепловые нагрузки при кипении воды в условиях свободной конвекции. В результате проведенных экспериментов были получены данные по влиянию бифильных поверхностей различной конфигурации (расстояние между гидрофобными пятнами 2, 3 или 4 мм) на интенсивность теплообмена, развитие кризисных явлений, а также динамику парообразования при кипении воды. Полученные результаты показали, что разработанные бифильные поверхности демонстрируют значительное снижение температуры начала кипения, повышение интенсивности теплоотдачи и критического теплового потока по сравнению с немодифицированным кремнием. При этом наибольшая степень интенсификации теплообмена (до 60%) достигается при использовании бифильной поверхности с расстоянием между гидрофобными пятнами 4 мм. Для конфигураций с расстоянием 2 и 3 мм кривые кипения практически совпадают друг с другом и показывают интенсификацию теплообмена на 10% по сравнению с базовой поверхностью. При этом при использовании бифильной поверхности с расстоянием между гидрофобными пятнами 3 мм величина КТП на 94% превышает величину КТП для немодифицированной поверхности. Более того, эксперименты продемонстрировали повторяемость кривых кипения в различных сериях опытов, что говорит об устойчивости разработанных бифильных поверхностей и перспективности использования вышеуказанных методов управления свойствами смачивания для модификации кремния, являющегося основным материалом современной микроэлектроники.