Наши публикации

1. Grenadyorov, A.S., Solovyev, A.A., Oskomov, K.V., Oskirko, V.O., Semenov, V.A., Thermal stability of anti-reflective and protective a-C:H:SiOx coating for infrared optics // 2020 Applied Surface Science 510,145433 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433220301896?via%3Dihub

Слабые механические и износостойкие свойства – главный недостаток инфракрасных многослойных антибликовых оптических покрытий. В статье рассматриваются антибликовые и защитные покрытия на основе легированного SiOx аморфного гидрогенизированного углерода, нанесенного на обе стороны полированной подложки  монокристаллического кремния. Для нанесения покрытия используется метод химического осаждения из газовой смеси в плазме, в смеси паров аргона и полифенилметилсилоксана. Антиотражающие свойства полученных покрытий изучены методом ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием. Показано, как механические свойства, химический состав и смачиваемость покрытия a-C: H: SiOx зависят от отжига на воздухе. Обнаружено, что среднее пропускание инфракрасного излучения кремниевых подложек с двусторонним осаждением пленки составляет 87% в диапазоне длин волн 3–5 мкм, тогда как максимальное пропускание инфракрасного излучения составляет около 90%. В то же время пленки обладают превосходными механическими свойствами, термостойкостью до 500° С и химической стойкостью к раствору морской соли. Полученное покрытие имеет большой потенциал для использования в качестве антибликового и защитного покрытия для инфракрасных оптических кремниевых изделий.

Статья

Магнетронное распыление методом DOMS (deep oscillation magnetron sputtering) является многообещающим вариантом сильноточного импульсного магнетронного распыления, который предотвращает образование дуги во время реактивного нанесения покрытий. В работе представлены результаты использования режима DOMS применительно к дуальной магнетронной системе. Мощные биполярные микроимпульсы формируют макроимпульсы длительностью 1-3 мс. Показано, что во время макроимпульса подложка подвергается непрерывной ионной бомбардировке. Параметры плазмы, такие как температура электронов, концентрация электронов и плотность ионного тока были измерены в трех режимах распыления (на постоянном токе, дуальный среднечастотный режим  и дуальный DOMS).Режим DOMS использовался для реактивного нанесения плёнок Al₂O₃ и TiO₂. Показана возможность бездугового нанесения диэлектрических покрытий со стабилизацией режима распыления параметрами разряда. Оксиды алюминия, полученные при низкой (300 ° С) температуре подложки, включают θ-фазы, обладают достаточно высокой твердостью (15 ГПа) и высокой пропускной прозрачностью в видимом диапазоне. Плёнкм оксида титана имели твердость 11 ГПа, ширину запрещенной зоны 3,1–3,5 эВ и содержат в основном фазу рутила.

Статья

3. Oskirko, V.O., Zakharov, A.Z., Solovyev, A.A., Pavlov, A.P., Rabotkin, S.V., Power supply for mid-frequency magnetron sputtering with a wide-range control of pulses parameters // 2020 Journal of Physics: Conference Series 1488(1),012003 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1488/1/012003

В работе представлено описание импульсного источника питания магнетронной распылительной системы (MSS) мощностью до 10 кВт, имеющего широкий диапазон регулирования выходных параметров, таких как частота и длительность импульсов напряжения. Высокие значения импульсного тока (до 100 А) и напряжения (до 1800 В) обеспечивают возможность работы при малых значениях коэффициента заполнения, что в свою очередь позволяет увеличивать величину ионного тока, протекающего на подложку. Экспериментально показано, что изменение частоты и длительности импульсов позволяет в несколько раз увеличивать плотность ионного тока на подложку при сохранении средней мощности разряда.

Статья

4. Grenaderov, A.S., Oskomov, K.V., Solovyev, A.A., Selivanova, A.V., Konishchev, M.E., Plasma-Chemical Deposition of Anti-Reflection and Protective Coating for Infrared Optics // 2020 Russian Physics Journal 62(11), pp. 2112-2120 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11182-020-01954-3

 Пленки аморфного гидрогенизированного углерода, легированного Si и O, наносились на подложки из кристаллического кремния методом плазмохимического осаждения в смеси паров полифенилметилсилоксана и аргона. Изучены физико-механические и оптические свойства пленок для их использования в качестве антиотражающих и защитных покрытий в устройствах инфракрасной оптики. Прозрачность пленки в диапазоне длин волн 2.5–8 мкм измерялась методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Структура и состав пленок изучались методами рамановской и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Твердость и другие механические свойства пленок определяли методом наноиндентирования. Показано, что двухстороннее осаждение пленок a-C: H: SiOx на пластины Si позволяет увеличить их интегральное пропускание в области длин волн от 3 до 5 мкм с 50 до 87%. Пленки обладают отличными механическими характеристиками, термостабильностью в интервале температур от комнатной до 500 ° С и устойчивостью к водным растворам солей.

 Layout of the experimental unit for deposition of a-C:H:SiOx films: 1 – substrate voltage bias power supply, 2 – table rotation motor, 3 – substrate holder, 4 – filament power supply, 5 – discharge power supply , 6 – heated tungsten cathode, 7 – source of PPMS vapors, 8 – copper holder electrodes, 9 – rotary table, 10 – pump for PPMS, 11 – electromagnetic coil, 12 – power supply of the coil.

Статья

5. A.S.Grenadyorov А.А.Solovyev K.V.Oskomov S.A.Onischenko A.M.Chernyavskiy M.O.Zhulkov V.V.Kaichev, Modifying the surface of a titanium alloy with an electron beam and a-C:H:SiOx coating deposition to reduce hemolysis in cardiac assist devices // 2020 Surface and Coatings Technology 381,125113 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0257897219311041?via%3Dihub

The use of implantable mechanical pumps to support stable heart function saves lives to a large number of patients. The priority goal of research in this area is to develop advanced pumps that will ensure minimal injuries and fractures of blood cells. A combined method of modifying the surface of disk pump parts made of titanium alloy VT-6 has been developed to reduce blood hemolysis. The method includes material pretreatment with a high-current low-energy electron beam and plasma-enhanced chemical vapor deposition of a-C:H:SiOx coating. The effect of such electron beam parameters as the energy density and the number of pulses on the surface morphology, hardness, plasticity index, friction coefficient and wear rate of the titanium alloy was studied. The effect of the 1.6-μm-thick a-C:H:SiOx coating on the surface morphology, mechanical and tribological properties of VT-6 samples subjected to preliminary electron beam processing was also investigated. Parts of the disk pump were modified according to the proposed technology and pump was tested on the degree of red blood cell destruction. After modifying the surface of pump parts, the destruction of red blood cells did not occur during the 4-h experiment, unlike a similar pump without surface modification. It is shown that the physical properties of the surface are one of the most important factors affecting hemolysis in mechanical pumps to support stable heart function.

Статья

6. Andrey A. Solovyev, Sergey V. Rabotkin, Kairat А. Kuterbekov, Temirgaly A. Koketay, Serik А. Nurkenov, Serikzhan Opakhai, Anna V. Shipilova, Igor V. Ionov, Galina M. Eliseeva, Comparison of Sputter-deposited Single and Multilayer Electrolytes based on Gadolinia-doped Ceria and Yttriastabilized Zirconia for Solid Oxide Fuel Cells // 2020 International Journal of Electrochemical Science 15(1), pp. 231-240 http://www.electrochemsci.org/abstracts/vol15/150100231.pdf

 Single and multilayer electrolytes for anode-supported solid-oxide fuel cells (SOFCs) have been prepared by reactive magnetron sputtering and their electrochemical properties have been investigated. Electrolyte layers based on gadolinia-doped ceria (GDC) and yttria-stabilized zirconia (YSZ) were formed on NiO/YSZ substrates. The cells with single (YSZ), double (YSZ-GDC) and triple-layer (GDC-YSZ-GDC) electrolytes were tested, with the thickness of each electrolyte layer from 1 to 5 µm. The maximum cell performances of 460 and 2580 mW/cm2 were obtained for the SOFC with triplelayer electrolyte at the operating temperature of 600°C and 800°C respectively. The thickness of each electrolyte layer was about 3, 1 and 1 µm respectively. The advantages of multilayer over single-layer electrolytes are discussed.

 http://www.electrochemsci.org/papers/vol15/150100231.pdf

7. D.A.Agarkova I.N.Burmistrova G.M.Eliseeva I.V.Ionov S.V.Rabotkin V.A.Semenov A.A.Solovyev I.I.Tartakovskii S.I.Bredikhin, Comparison of in-situ Raman studies of SOFC with thick single-crystal and thin-film magnetron sputtered membranes // 2020 Solid State Ionics 344,11509 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167273819306885?via%3Dihub

 In current work, we conducted comparative studies of electrolyte-supported and anode-supported solid oxide fuel cells by means of electrochemical techniques (studies of I-V curves and impedance spectroscopy) as well as using Raman spectroscopy from the inner interface of the anode electrode and solid electrolyte. Electrolyte-supported (ESC) SOFCs were based on thick single-crystalline 8YSZ anion conductor membrane and had multilayered composite electrodes. Anode-supported cells (ASC) were based on thick two-layered commercially available anode supports, the thin-film electrolyte was deposited using a magnetron sputtering technique. Comparative studies showed a significant dependence of 460 cm−1 Raman peak both on fuel mixture composition and current load applied to the cell. Linear dependences of OCV on normalized peak area gave an opportunity to estimate local anodic overpotential on the current load applied for both SOFC structures. Application of ASC model cells gave an opportunity to significantly extend a range of current loads applied. Analysis of impedance spectra gave the opportunity to study the structure of complex resistance as well as the structure of local anodic overpotential.

https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S0167273819306885?token=F065DABAA531BBAB410870844456A106EAB9F5433F095A5703006E2EBC90FBC47EA1BFEB9D6DCEB1F63393AF0F55B68C

2019

1. Oskirko, V.O., Goncharenko, I.M., Pavlov, A.P., Zakharov, A.N., Semenov, V.A.., Influence of nitrogen pressure and electrical parameters of a glow discharge on the process of ion plasma nitriding of steel // 2019 Journal of Physics: Conference Series 1393(1),012111 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012111

The influence of the working gas pressure on the electrical parameters of the glow discharge and the structure of diffusion hardened layers in the process of ion-plasma nitriding of steel AISI 5140 was investigated. The experiments were carried out in the pressure range of 70–500 Pa, while the power (18 kW), the temperature of the samples (550 °C) and the processing time (6 hours) remained unchanged. The change in gas pressure was accompanied by a change in discharge voltage in the range from 560 to 1800 V and current density from 3.2 to 1.1 mA/cm⁻². It is shown that the change in the pressure of nitrogen leads to a change in the energy and density of the particles flows acting on the workpieces. Metallographic and X-ray analysis showed that the surface layers formed at different pressures differ in length, structure, and phase composition. In particular, the maximum width of the diffusion zone of 460 microns was achieved at an operating pressure of 250 Pa The increase and decrease in pressure leads to a decrease in the length of the diffusion zone and an increase in the compound layer to 26 μm.

 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012111/pdf

2. Oskirko, V.O., Zakharov, A.N., Pavlov, A.P., Grenadyorov, A.S., Semenov, V.A., Unipolar and bipolar mode of deep oscillation magnetron sputtering // 2019 Journal of Physics: Conference Series 1393(1), 012051 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012051

 The paper presents the results of a study of the modes of dual deep oscillation magnetron sputtering. The use of packet pulse discharge power supply allowed to provide a high power density on the surface of the Al target 60–500 W/cm⁻² and the ion current density on the substrate 4–20 mA/cm⁻² during the duration of the macro pulse – 1 ms. In addition to the parameters of a pulsed power supply, the way of connecting the power source to the dual magnetron sputtering system and the vacuum chamber changed during the experiments. Targets of the magnetron sputtering system were isolated from the chamber or alternately connected to it. A change in the connection method led to a change in the anode area and such discharge parameters as: discharge current, plasma concentration, bias voltage, and ion current density on the substrate. It is shown that in the mode with a small area of the anode, the substrate is exposed to a higher energy impact in comparison with the regime when the anode had a large area.

 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012051/pdf

  Experimental studies of the parameters of the plasma of a magnetron discharge and optical radiation from plasma in the regime of direct current (DC), high-current mode (HIPIMS), and hybrid (DC+HIPIMS) mode for a copper cathode 100 mm in diameter were carried out. The hybrid mode of operation of the magnetron sputtering system was carried out by means of a matching unit of two power supplies APEL-M-5HIPIMS and APEL-M-5PDC. The results of the experiments showed that the plasma concentration at a distance of 120 mm from the cathode has maximum values (5.6*10¹¹ cm⁻³) in the HIPIMS regime at a frequency of 500 Hz. Measurement of the optical emission spectra for a copper cathode in an argon plasma showed, that at the same average discharge power (500 W), the intensity of the copper ion lines in the high-current and hybrid modes is 3 and 1.5 times, respectively, more than in the DC regime. 

Sheme of experimental unit for measurement of plasma parameters in DC,HIPIMS and DC+HIPIMS modes

 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012023       

4. Semenov, V.A., Grenadyorov, A.S., Oskirko, V.O., Zakharov, A.N., Rabotkin, S.V., Ionov, I.V., Solovyev, A.A., CuO films deposited by superimposed high power impulse and DC magnetron sputtering // 2019 Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces and Films 37(6),061512  https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012127 

Copper oxide films have been successfully deposited onto glass, fused quartz and Si(100) substrates by superimposed high power impulse (HIPIMS) and DC reactive magnetron sputtering. The deposition rate, adhesion, structure, wettability and optical properties of the obtained films were compared with those of CuO films deposited by conventional DC sputtering. X-ray diffraction analysis revealed that nanocrystallite size, single phase cupric oxide thin films with monoclinic structure were formed in all deposition modes. However, superimposing the direct current during off-time of HiPIMS pulsing allowed formation of denser film with smooth surface and good optical properties. 

The scheme of applying voltage to the magnetron target in a hybrid mode (c).                               

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012127/pdf

5.Oskirko, V.O., Zakharov, A.N., Pavlov, A.P., Rabotkin, S.V., Semenov, V.A., Packet-Pulse Dual Magnetron Sputtering // 2019 Russian Physics Journal 62(7), pp. 1191-1198 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11182-019-01834-5

Приводятся результаты экспериментального исследования разряда, формируемого дуальной (DU) магнетронной распылительной системой (МРС) с алюминиевыми мишенями в режиме пакетно-импульсного магнетронного распыления высокой мощности (Deep Oscillation Magnetron Sputtering - DOMS). Особенностью питания разряда в режиме DOMS является применение последовательности униполярных микроимпульсов короткой длительности и высокой мощности, которые образуют макроимпульсы длительностью 1000-3000 мкс. Ранее такой режим распыления применялся только в одиночных МРС. В данной работе режим DOMS впервые был исследован на дуальной магнетронной распылительной системе. С помощью тройного и одиночного ленгмюровских зондов были измерены основные параметры плазмы. Установлена зависимость параметров плазмы от параметров импульсного электропитания разряда: амплитуды напряжения и тока, плотности тока и плотности мощности на поверхности мишеней. Результаты экспериментов показали, что применение дуального пакетно-импульсного магнетронного распыления позволяет значительно повысить концентрацию плазмы и плотность ионного тока на подложке по сравнению с традиционными режимами магнетронного распыления на постоянном и среднечастотном токе. Отношение плотности потока ионов к плотности потока нейтральных атомов, характеризующее уровень ионного воздействия на растущее покрытие в режиме DU DOMS, достигало значения 0.28, тогда как в режиме постоянного тока оно составляло 0.008.

 Статья

6. Grenadyorov, A.S., Solovyev, Oskomov, K.V., Sypchenko, V.S., Thermal stability of a-C:H:SiOx thin films in hydrogen atmosphere // 2019 Thin Solid Films 690,137531  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609019305590?via%3Dihub

a-C:H:SiOx thin films were deposited by the plasma assisted chemical vapor deposition method, using polyphenylmethylsiloxane as a precursor. The thermal stability of a-C:H:SiOx films deposited on stainless steel substrates was investigated after thermal annealing of samples in a hydrogen atmosphere for 4 h at temperatures ranging from 300 to 700 °C. The sample analysis by optical and atomic force microscopy, nanoindentation, glow discharge optical emission spectrometry and Raman spectroscopy is reported here. Characterization of the mechanical properties of films (hardness, modulus, endurance capability, elastic recovery) was accomplished using the nanoindentation method. The investigation revealed that the above mechanical characteristics of a-C:H:SiOx films are very good up to 600 °C in hydrogen compared to un-doped diamond-like coatings. The hardness of the as-deposited a-C:H:SiOx films (11–13 GPa) showed no decrease after annealing at 600 °C. It is shown that the properties of films begin to change after annealing in hydrogen at a temperature of 200 °C more than during annealing in an air atmosphere. It is demonstrated that graphitization of a-C:H:SiOx films in hydrogen occurs at higher temperatures than in air.

7.Solovyev, A.A., Ionov, I.V., Semenov, V.A., Shipilova, A.V., Rabotkin, S.V., Structural features of the magnetron sputtered CuO/GDC anodes for solid oxide fuel cells // 2019 Journal of Physics: Conference Series 1393(1),012140 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1393/1/012140

The paper presents the results of the research of structure of a thin film CuO/Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ (CuO/GDC) anode for solid oxide fuel cells (SOFCs) prepared by magnetron sputtering. Cu-based anode materials of SOFCs are of great interest because they exhibit greater tolerance to sulfur-containing fuels than the widely used Ni-based composite anodes. After deposition, annealing in air and reducing atmospheres, the composition, microstructure and crystallinity of the films were characterized using energy dispersive X-Ray spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffractometry, respectively. The as-deposited film consists of cubic fluorite structures of GDC and Cu2O and has a dense, homogeneous structure, in which Cu is evenly distributed over the volume of the film. However, it was shown that, strong Cu segregation is observed in CuO/GDC films, after reduction in hydrogen at a temperature of 750 °C, with the formation of massive agglomerates on the surface. The influence of pre-calcination of the as-deposited films at 1000 °C and 1200 °C on their structure was studied. It is shown that annealing at a temperature of 1000 °C does not prevent the agglomeration of Cu in a reducing atmosphere, while Cu evaporation is observed if annealing temperature is 1200 °C.

8. A.A.Solovyev A.M.Lebedynskiy A.V.Shipilova I.V.Ionov E.A.Smolyanskiy A.L.Lauk G.E.Remnev, Effect of magnetron sputtered anode functional layer on the anode-supported solid oxide fuel cell performance // 2019 International Journal of Hydrogen Energy 44(58), с. 30636-30643 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319918338540?via%3Dihub

Nickel oxide-yttria stabilized zirconia (NiO-YSZ) thin films were reactively sputter-deposited by pulsed direct current magnetron sputtering from the Ni and ZrY targets onto heated commercial NiO-YSZ substrates. The microstructure and composition of the deposited films were investigated with regard to application as thin anode functional layers (AFLs) for solid oxide fuel cells (SOFCs). The pore size, microstructure and phase composition of both as-deposited and annealed at 1200 °C for 2 h AFLs were studied by scanning electron microscopy and X-ray diffractometry and controlled by changing the deposition process parameters. The results show that annealing in air at 1200 °C is required to improve structural homogeneity of the films. NiO-YSZ films have pores and grains of several hundred nanometers in size after reduction in hydrogen. Adhesion of deposited films was evaluated by scratch test. Anode-supported solid oxide fuel cells with the magnetron sputtered anode functional layer, YSZ electrolyte and La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃/Ce_0.9Gd_0.1O₂ (LSCF/CGO) cathode were fabricated and tested. Influence of thin anode functional layer on performance of anode-supported SOFCs was studied. It was shown that electrochemical properties of the single fuel cells depend on the NiO volume content in the NiO-YSZ anode functional layer. Microstructural changes of NiO-YSZ layers after nickel reduction-oxidation (redox) cycling were studied. After nine redox cycles at 750 °C in partial oxidation conditions, the cell with the anode NiO-YSZ layer showed stable open circuit voltage values with the power density decrease by 11% only. 

9.Grenadyorov, A.S., Oskomov, K.V., Solovyev, A.A., Ivanova, N.M., Sypchenko, V.S., Plasma Chemical Synthesis of Amorphous Hydrocarbon Films Alloyed by Silicon, Oxygen and Nitrogen // 2019         Russian Physics Journal 62(7), pp. 1199-1206 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11182-019-01835-4

The paper presents the synthesis of amorphous hydrocarbon (a-C:H) films alloyed by silicon, oxygen and nitrogen. The films obtained in polyphenyl methylsiloxane vapor and argon/nitrogen environment are deposited onto crystalline silicon surface using plasma chemical deposition. It is shown that the physical and mechanical properties of the films depend on the nitrogen concentration. The film composition is studied by Xray fluorescence spectrometry and Fourier-transform infrared spectroscopy. Raman spectroscopy is used to explore the film structure. A nanoindenter is used for testing the indentation hardness and other mechanical parameters of the films. It is shown that the chemical composition and properties of a-C:H:SiOx:N film can be maintained by changing the partial nitrogen pressure during the film deposition. The increase in the nitrogen content in a-C:H:SiOx:N film leads to the growth in the root mean square roughness and the contact angle. It also leads to the reduction in the carbon content and the film hardness caused by the lower content of sp3 carbon phase.

Flowchart of the vacuum equipment for a-C:H:SiOx:N film deposition using nonself-maintained discharge plasma with heated cathode: 1 – substrate bias power supply,2 – rotating table drive, 3 – substrate holder, 4 – filament power supply, 5 – discharge power supply, 6 – tungsten cathode, 7 – polyphenyl methylsiloxane vapor source,8 –copper electrode holders, 9 – rotating table, 10 – polyphenyl methylsiloxane pump, 11 – electromagnetic coil, 12 – coil power supply.

10. A. A. Solovyev, A. S. Maznoy, K. A. Kuterbekov, S. A. Nurkenov, S. Opakhai, A. I. Kirdyashkin, V. D. Kitler, N. S. Pichugin, S. V. Rabotkin & I. V. Ionov, Porous Ni–Al–CGO Cermet for Use in Solid Oxide Fuel Cells // 2019 International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis 28(4), pp. 256-261 https://link.springer.com/article/10.3103%2FS1061386219040137

Porous Ni–Al–CGO cermet (CGO = Сe_0.9Gd₀.₁O₂) for use in solid oxide fuel cells was fabricated by thermal explosion (volume reaction) in Ni–Al–CGO powder compacts in different heat sink conditions. Temperature profiles of thermal explosion were recorded and analyzed as a function of green composition. Phase composition of resultant porous materials was found to depend on the CGO content of green mixture and temperature of vacuum annealing. Starting and final materials were characterized by XRD, SEM, and EDS. Synthesized uniform cermets with a porosity of 50–60% can be recommended for use as a support for solid oxide fuel cells with Ni/CGO anode.

11.Grenadyorov, A.S., Solovyev, A.A., Oskomov, K.V., Yaroslavtseva, O.A., Mechanical and tribological characteristics of a-C:H:SiOx films formed by PACVD on titanium alloy VT_1-0 // 2019 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 511(1),12019 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/511/1/012019

This paper is devoted to the study of the mechanical and tribological properties of a-C:H:SiOx films deposited on a titanium alloy VT_1-0 by a plasma chemical deposition method using pulsed bipolar bias voltage. It was shown that after deposition of 2 μm-thick a-C:H:SiOx film on a titanium alloy VT_1-0 sample, the root-mean-square surface roughness Rq measured using atomic force microscopy decreased from 74 to 50 nm compared to the original substrate. The surface hardness H measured using nanoindentation increased from 3.3 to 12.4 GPa with an almost unchanged elasticity modulus E. As a result, the plasticity index (H/E) of titanium samples increased from 0.03 to 0.11, and the plastic deformation resistance (H 3/E 2) increased from 3 to 156 MPa. Deposition of a-C:H:SiOx film on the titanium alloy VT1-0 surface makes possible to reduce the friction coefficient from 0.3-0.6 to 0.1 and the wear rate from 6 * 10⁻⁴ to 7*10⁻⁶ mm³/Nm.

12. Solovyev, A.A., Rabotkin, S.V., Shipilova, A.V., Ionov, I.V., Magnetron sputtering of gadolinium-doped ceria electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cells // 201 International Journal of Electrochemical Science 14(1), pp. 575-584 http://www.electrochemsci.org/abstracts/vol14/140100575.pdf

Reactive magnetron sputtering was used for deposition of thin Gd-doped ceria (GDC) films on porous NiO–YSZ (nickel oxide–yttria stabilized zirconia) substrates. X-ray diffraction and scanning electron microscopy were used to study the effect of cathode peak power density on 5–7 μm-thick film’s microstructure and surface morphology. It was shown that peak power density (changed from 52 to 490 W/cm2) has an effect on the crystallite size, microstrains and texture coefficient of the GDC electrolyte. Increasing peak power density suppresses the columnar structure of deposited films and leads to formation of more continuous and denser films. As a result, anode-supported single cells with sputtered at room temperature GDC electrolyte were fabricated and demonstrated maximum power density of 1.07 W/cm2 at 750 °C.

http://www.electrochemsci.org/papers/vol14/140100575.pdf

13. A.S.Grenadyorov А.А.Solovyev K.V.Oskomov S.V.Rabotkin Y.I.Elgin V.S.SypchenkoN.M.Ivanov, Effect of substrate bias and substrate/plasma generator distance on properties of a-C:H:SiOx films synthesized by PACVD // 2019 Thin Solid Films 669, pp. 253-261 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609018307466?via%3Dihub

In this paper the a-C:H:SiOx films were synthesized on silicon (100) and glass substrates by plasma-assisted chemical vapor deposition combined with pulsed bipolar substrate bias from mixtures of argon and polyphenylmethylsiloxane vapor. The process of a-C:H:SiOx films formation was investigated by controlling processing conditions such as amplitude of negative pulse of substrate bias and the distance between the substrate and plasma generator. Physico-mechanical characteristics of a-C:H:SiOx films were studied by the nanoindentation technique, atomic force microscopy, Fourier transform infrared and Raman spectroscopy. The contact angle and surface free energy were determined by the sessile drop method using couple liquids (water and glycerin). It was found that the films' properties are interrelated with the density of the ion current on the substrate, which was measured using a guarded planar probe. The obtained results show that film prepared at the smaller substrate/plasma generator distance and optimal substrate biasing has a higher content of sp3 bonded carbon and, accordingly, has higher hardness, Young's modulus and resistance to plastic deformation. At the same time the a-C:H:SiOx films show large hydrophobicity with a contact angle for water of about 91° and small total surface free energy of about 17.9 mN/m.

14. Galina Eliseeva, Dmitrii A Agarkov, Ilya Burmistrov, Anastasiya Gamova, Igor Ionov, Sergey Rabotkin, Vyacheslav Semenov, Andrey Solovyev, Ilya Tartakovskii and Sergey I Bredikhin, Raman Spectra Studies of Inner "Anode | Electrolyte" Interface on ESC and ASC SOFCs // 2019 ECS Transactions 91(1), pp. 457-469 https://iopscience.iop.org/article/10.1149/09101.0457ecst

 In this work we present the results of in-situ case studies of fuel oxidation at the SOFC anode for anode-supported cells with thin-film electrolyte deposited by magnetron sputtering technique in comparison with studies carried out on optically transparent single-crystal membrane based electrolyte-supported model SOFC. Changes of the valence state of Ce ions were studied under different current loads applied to the cell, these changes were indicated in the Raman spectra obtained from inner interface of electrolyte membrane and anode electrode. Area of the corresponding peak in Raman spectra of ceria was studied for different working conditions for both cells constructions. Special processing technique gave opportunity to obtain more relevant data.

15. Оскирко В.О., Павлов А.П., Семенов В.А., Захаров А.Н., ГИБРИДНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ДУАЛЬНОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ // Электронные средства и системы управления. Материалы докладов Международной научно-практической конференции. 2019. Т. 1. № 1-1. С. 151-155. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42551082

Представлено описание гибридной системы электропитания DU HIPIMS+MFMS+BIAS, обеспечивающей комбинированные режимы работы дуальной магнетронной распылительной системы. В комбинированном режиме работы одновременно обеспечивается среднечастотное импульсное магнетронное распыление и сильноточное импульсное распыление. Последнее характеризуется следующими свойствами: высокой плотностью мощности разряда; высокой степенью ионизации распыленного материала и высоким уровнем ионного воздействия на растущее покрытие. В работе представлено описание общей структурной схемы гибридной системы и устройства формирователя выходных биполярных импульсов. Рассмотрен вопрос обеспечения согласованной работы, а также изложены основные принципы, с помощью которых обеспечивается переход из среднечастотного режима распыления в сильноточный.

 Статья

2018

1. Grenadyorov, A.S., Oskirko, V.O., Oskomov, K.V., Semenov, V.A., Investigation of parameters of plasma generated by high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) of graphite // 2018 Journal of Physics: Conference Series 1115(3),032071   https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032071

High-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) of graphite is used for deposition of hard and wear-resistant amorphous carbon films, because tetragonal diamond-like carbon (DLC) bonds produced under subplantation mechanism at negative substrate bias voltage more intensive in the case of high-density plasma. In scientific literature one can find the fact that DLC films are more hard (37 GPa) in the case of short (7 μs) magnetron discharge pulses comparing to long (50 μs) ones (17 GPa) in HiPIMS of graphite. Likely, it is connected with denser plasma and more effective carbon subplantation in the case of short discharge pulses compared to long ones. To confirm this, it is necessary to investigate dependencies of plasma parameters (ion concentration, electron temperature, plasma and floating potentials) generated by HiPIMS of graphite on discharge pulse width. It was shown that electron temperature increased from 5.34 to 10.27 eV, and plasma density increased from 1.2⋅10¹⁰ to 2.2⋅10¹⁰ cm⁻³ while pulse width decreased from 100 to 15 μs. It can be explained by increase of plasma disequilibrium since pulse current and power density increased to 250 A and 39.4 W/cm², respectively.

Experimental set-up schematic diagram

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032071/pdf

2. S V Rabotkin, V O Oskirko, I V Ionov, V A Semenov, A V Shipilova and A A Solovyev, Process stabilization during reactive high power impulse magnetron sputtering of Ce/Gd target // 2018 Journal of Physics: Conference Series 1115(3),032078 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032078

 In this study, a simple approach to stabilize reactive high power impulse magnetron sputtering process in the transition zone between the metallic and oxide modes was investigated. The method is based on the use of peak current value as feedback and control signal. It was shown that the change in the state of the target surface causes almost instantaneous change in the amplitude and shape of the current pulses. To stabilize the deposition process, the pulse frequency was regulated to maintain a constant maximum discharge current. The hysteresis behavior and the variations of the pulse current waveforms over a wide range of O2 flow rates and pulse frequencies during a reactive HiPIMS deposition of gadolinia-doped ceria (GDC) thin films in an Ar-O2 atmosphere were examined. Stable process conditions were maintained at the O2 flow from 0.9 to 3.9 sccm by adjustment of the pulse frequency from 1.45 to 2.9 kHz. GDC films deposited using peak current regulation exhibited a stable stoichiometry and high deposition rate in comparison with films obtained without process stabilization.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032078/pdf

3. V. A. Semenov, V. O. Oskirko, S. V. Rabotkin, K. V. Oskomov, A. A. Solovyev & S. A. Stepanov, Natural Oxidation of Ultra-Thin Copper Films // 2018  Russian Physics Journal 60(9), pp. 1559-1564 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11182-018-1251-7

The paper examines the oxidation of polycrystalline Cu films under the impact of ambient atmosphere in the course of extended time (from 20 to 90 days). It shows that in the case of 10 nm thick Cu films deposited onto the glass substrate by method of magnetron sputtering, one eventually observes the increase in transparency, surface resistance and surface roughness, as well as the decrease in reflection in the area of near infrared region. The most dramatic changes occur in films deposited in the pulse mode of sputtering with frequency of 3 kHz compared to films deposited in the direct current mode. Formation of sublayer ZnO:Al and 20 nm thick upper passivating layer ZnO:Al allows effectively preventing the oxidation of thin copper films under the impact of ambient atmosphere.

4. Grenadyorov, A.S., Oskomov, K.V., Kovsharov, N.F., Solovyev, A.A., Effect of precursor flow rate on physical and mechanical properties of a-C:H:SiO x films deposited by PACVD method // 2018   Journal of Physics: Conference Series 1115(4),042046   https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/4/042046

 In this paper the deposition of a-C:H:SiO_x films by plasma activated chemical vapour deposition in a mixture of argon and polyphenylmethylsiloxane (PPMS) vapor with the impulse bipolar bias voltage applied to the substrate is presented. The paper discusses the dependence of the physico-mechanical properties of the deposited films on the flow rate of the PPMS precursor. The structure of the deposited films was determined by Fourier transform infrared spectroscopy and Raman spectroscopy. Mechanical properties characterization of a-C:H:SiOx films (hardness and elastic modulus) was made using the nanoindentation method. Hardness and elastic modulus were used to evaluate the endurance capability (H/E) and resistance to plastic deformation (H ³/E ²). The elastic recovery was calculated based on loading and unloading curves. It is shown that with an increase in the PPMS flow rate in the range of 35-287 μl/min, the films deposition rate increases from 17 to 221 nm/min. At this films mechanical properties, such as hardness, elastic modulus and elastic recovery did not deteriorate. The maximum values of the endurance capability and resistance to plastic deformation are obtained at a flow rate of 175 μl/min and equal to 0.12 and 203 MPa, respectively.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/4/042046/pdf

5. E A Smolyanskiy, S A Linnik, I V Ionov, A V Shipilova, V A Semenov, A L Lauk and A A Solovyev, Magnetron sputtered LSC thin films for solid oxide fuel cell application // 2018 Journal of Physics: Conference Series 1115(3),032080 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032080

 In this study, La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ (LSC) thin films were deposited by pulsed DC magnetron sputtering at oblique angle of the LSC target. The effect of post-annealing temperature in the range of 600-1000^°C on the film crystalline structure was investigated. The phase composition, crystalline structure and surface morphology of the films were determined using X-ray diffraction, scanning electron microscopy and atomic force microscopy, respectively. Anode-supported solid oxide fuel cells (SOFCs) with bi-layered thin-film yttria-stabilized zirconia (YSZ) / gadolinium-doped ceria (GDC) electrolyte and an LSC thin film interlayer were fabricated. Polarization curves were measured in the temperature range from 700 to 800^°C. It was shown that the LSC interlayer improves SOFC power density. Our results demonstrate that magnetron sputtering provides a low-temperature synthesis route for realizing thin LSC films for intermediate-temperature SOFCs.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032080/pdf

5. E A Smolyanskiy, S A Linnik, I V Ionov, A V Shipilova, V A Semenov, A L Lauk and A A Solovyev, Magnetron sputtered LSC thin films for solid oxide fuel cell application // 2018 Journal of Physics: Conference Series 1115(3),032080 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032080

 In this study, La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ (LSC) thin films were deposited by pulsed DC magnetron sputtering at oblique angle of the LSC target. The effect of post-annealing temperature in the range of 600-1000^°C on the film crystalline structure was investigated. The phase composition, crystalline structure and surface morphology of the films were determined using X-ray diffraction, scanning electron microscopy and atomic force microscopy, respectively. Anode-supported solid oxide fuel cells (SOFCs) with bi-layered thin-film yttria-stabilized zirconia (YSZ) / gadolinium-doped ceria (GDC) electrolyte and an LSC thin film interlayer were fabricated. Polarization curves were measured in the temperature range from 700 to 800^°C. It was shown that the LSC interlayer improves SOFC power density. Our results demonstrate that magnetron sputtering provides a low-temperature synthesis route for realizing thin LSC films for intermediate-temperature SOFCs.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1115/3/032080/pdf

6. Grenadyorov, A.S., Oskomov, K.V., Solovyev, А.А., Effect of deposition conditions on optical properties of a-C:H:SiOx films prepared by plasma-assisted chemical vapor deposition method // 2018 Optik 172, pp. 107-116 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030402618309859?via%3Dihub

The a-C:H:SiOx films were deposited on glass substrates by plasma-assisted chemical vapor deposition from mixtures of argon and polyphenylmethylsiloxane vapor. Optical properties of a-C:H:SiOx films were investigated by varying deposition parameters, such as Ar pressure and amplitude of negative pulse of bipolar substrate bias. Optical properties were determined using the transmission spectra T(λ), measured in the spectral range 300–800 nm. It was shown that the integrated transmittance of a-C:H:SiOx films in the visible wavelength range 380–780 nm is 69–89%, depending on the deposition conditions. On the basis of the transmission spectra Tauc optical band gap, wavelength of absorption edge and Urbach energy were calculated. The resulting films exhibit a wide range of properties including hydrogen content from 35% to 39%, optical band gap from 2.3 to 2.6 eV, wavelength of absorption edge from 477 to 537 nm and Urbach energy from 547 to 718 meV. The change in optical properties of a-C:H:SiOx films is associated with a decrease in the size and concentration of graphite-like clusters in the films as a result of the enhancement of ion bombardment of a growing film with increasing of argon pressure and amplitude of negative pulse of bipolar substrate bias. The study of the optical properties of a-C:H:SiOx films showed that they can be used as protective and antireflection films on optical instruments, in particular, on solar cells.

7. Andrey Solovyev, Igor Ionov, Alexander Lauk, Stepan Linnik, Anna Shipilova, Egor Smolyanskiy, Fabrication and Performance Investigation of Three-Cell SOFC Stack Based on Anode-Supported Cells With Magnetron Sputtered Electrolyte // 2018    Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage 15(4),044501

https://asmedigitalcollection.asme.org/electrochemical/article-abstract/15/4/044501/366481/Fabrication-and-Performance-Investigation-of-Three?redirectedFrom=fulltext

 A planar solid oxide fuel cell (SOFC) was fabricated using a commercial Ni/yttria-stabilized zirconia (YSZ) anode support, an YSZ/gadolinium-doped ceria (GDC) thin-film electrolyte, and a composite cathode of La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃/Gd_0.1Ce_0.9O_1.95 (LSCF/GDC). A small, three-cell, SOFC stack is assembled using 10 cm × 10 cm single cells, metallic interconnects, and glass-based sealing. The stack performance was examined at various fuel flow rates of H₂ + N₂ and air at a fixed temperature of 750 °C. The three-cell stack with a crossflow design produced peak power density of 0.216 W/cm² or about 39 W total power at 750 °C.

8. Grenadyorov, A.S., Solovyev, А.А., Oskomov, K.V., Sypchenko, V.S., Influence of deposition conditions on mechanical properties of a-C:H:SiOx films prepared by plasma-assisted chemical vapor deposition method // 2018Surface and Coatings Technology 349, pp. 547-555 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0257897218305942?via%3Dihub

 A series of a-C:H:SiO_x films was deposited on polished silicon and glass substrates by plasma-assisted chemical vapor deposition combined with pulsed bipolar substrate bias from mixtures of argon and polyphenylmethylsiloxane vapors. Different Ar pressures and substrate bias voltages were applied for the synthesis of a-C:H:SiO_x films having different mechanical properties. Detailed characterization of the mechanical properties of a-C:H:SiOx films was made using the nanoindentation. Hardness and elastic modulus were used for the evaluation of the endurance capability (H/E) and resistance to plastic deformation (H³/E²). The structural properties of the deposited films were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Raman spectroscopy. It was shown that the Ar pressure and substrate bias variation can change the film properties and the growth rate and these changes are not linear. So, depending upon application, deposition conditions are to be optimized. In all of the examined coatings, increase of Ar pressure and amplitude of negative pulse of substrate bias lead to improvement in mechanical properties. According to the results of FTIR and Raman spectroscopy; this improvement is due to an increase in the sp3 bonded carbon content and decrease of hydrogen content in the films.

9.  A. N. Koval’chuk, A. V. Kuz’min, D. A. Osinkin, A. S. Farlenkov, A. A. Solov’ev, A. V. Shipilova, I. V. Ionov, N. M. Bogdanovich & S. M. Beresnev, Single SOFC with Supporting Ni-YSZ Anode, Bilayer YSZ/GDC Film Electrolyte, and La₂NiO_{4 + δ} Cathode / 2018            Russian Journal of Electrochemistry 54(6), pp. 541-546 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1023193518060101

 Characteristics of fuel cells with supporting Ni-YSZ anode, bilayer YSZ/GDC electrolyte with the thickness of 10 μm, and La₂NiO_{4 + δ} cathode are studied. It is shown that when humid (3% water) hydrogen is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, the maximum values of cell’s power density are 1.05 and 0.75 W/cm² at 900 and 800°С, respectively. After the introduction of praseodymium oxide and ceria into the cathode and the anode, respectively, the power density is ca. 1 W/cm² at 700°С. It is found that the power density of a cell with impregnated electrodes weakly increases with the increase in temperature to ca. 1.4 W/cm² at 900°С. The analysis of impedance spectra by the distribution of relaxation times shows that such behavior is associated with the gas-diffusion resistance of the SOFC anode. The latter is explained by the low porosity of the anode and the high rate of fuel consumption.

10. Solovyev, A.A., Ionov, I.V., Shipilova, A.V., Maloney, P.D., Effect of sintering temperature on the performance of composite La₀.₆Sr₀.₄Co_0.2Fe₀.₈O₃–Ce₀.₉Gd₀.₁O₂ cathode for solid oxide fuel cells / 2018 Journal of Electroceramics 40(2), pp. 150-155 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10832-018-0114-5

 Studied here are the effects of sintering temperature of La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃-Ce_0.9Gd_0.1O₂ (LSCF–CGO) cathodes on their microstructure and performance of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC). Phase composition, microstructure and electrochemical properties were investigated by X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron microscopy and current-voltage characteristics measurement, respectively. The electrochemical performances of Ni–YSZ anode-supported SOFC having YSZ electrolyte (4 μm) with CGO interlayer (2 μm) are studied with LSCF–CGO (50:50 wt%) cathodes in the temperature range 600–800 °C using H₂ as fuel and air as oxidant. The cathode microstructure was found to be less dense and to contain smaller grains as the sintering temperature was decreased in the range 1250–1150 °C. Results reveal that sintering temperature and electrode morphology have strong influence on electrochemical performances of the IT-SOFC. Highest maximum power density of ∼1.26 W/cm² is achieved during cell testing at 800 °C with a cathode sintered at 1200 °C. However, cells with in-situ sintered LSCF–CGO cathode showed highest power density at 600 °C (0.48 W/cm²) because there is no particle coarsening at low sintering temperatures.

11. Solovyev, A.A., Oskomov, K.V., Grenadyorov, A.S., Maloney, P.D., Preparation of nickel-containing conductive amorphous carbon films by magnetron sputtering with negative high-voltage pulsed substrate bias // 2018 Thin Solid Films 650, pp. 37-43 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609018300920?via%3Dihub

 Nickel-containing amorphous carbon (a-C-Ni) films were deposited by magnetron sputtering of graphite and nickel. Graphite magnetron sputtering power was 1500 W. Nickel magnetron sputtering power changed from 0 W to 1000 W, allowing control of the Ni concentration in the films from 0 to 58 at.%. Growth rates of a-C-Ni films were 1.4–2.5 μm/h. High-voltage negative pulsed bias voltage of ‐3 kV amplitude, frequency of 1 kHz, and pulse duration of 50–250 μs was applied to a substrate. The chemical composition of the films was determined using Auger electron spectroscopy. The surface morphology was observed by atomic force microscopy (AFM). The film structure was characterized by Raman spectroscopy and X-ray diffractometry (XRD). The resistivity of the films was measured by a four-point probe method. Film properties that are changed by the added metal, such as structure, electrical resistivity, and hardness, were evaluated and compared with those of pure a-C films as well as with literature values for a-C-Ni films. It is shown that the resistivity of a-C films depends on the duration of the bias voltage pulses and varies from 3.4 to 7.6·10⁻² Ohm·cm at pulse duration 50 and 250 μs, respectively. In the case of Ni doping, the a-C-Ni film resistivity can be reduced to 6.7·10⁻⁴ Ohm·cm. Where Ni is included in the film in the form of Ni₃C carbide, which has hexagonal (hcp) modification, the crystallite size averages 12 nm. The film has a columnar structure and carbon is also present as a graphite-like interlayer 3 nm thick between the Ni3C crystallites. At sputtering power of 600 W of nickel magnetron, a-C-Ni film with resistivity of 5.3·10⁻³ Ohm·cm is obtained, which can be used as a barrier layer in thermoelements based on bismuth telluride.

12. Ivashutenko, A.S., Ionov, I.V., Maznoy, A.S., Sivkov, A.A., Solovyev, A.A., Comparative Evaluation of Spark Plasma and Conventional Sintering of NiO/YSZ Layers for Metal-Supported Solid Oxide Fuel Cells // 2018 High Temperature Materials and Processes37(4) https://www.degruyter.com/view/journals/htmp/37/4/article-p351.xml

 NiO/YSZ anode layers for metal-supported solid oxide fuel cells (MS-SOFCs) were fabricated by spark plasma sintering (SPS). SPS parameters were optimized in order to achive anodes of the desired microstructure. The effect of sintering conditions on microstructure of NiO/YSZ was studied by scanning electron microscopy and X-ray diffractometry. Also NiO/YSZ layers were formed on porous metal supports by a screen-printing method and sintered in inert atmosphere and vacuum by conventional sintering technique. At temperatures above 1,200 °С in inert atmosphere and vacuum nickel oxide dissociation and its massive agglomeration are observed during conventional sintering. SPS process allows sintering of NiO/YSZ granules without NiO dissociation, Ni agglomeration and the metal substrate oxidation at 1,100 °С. SPS sintered anodes demonstrate sufficiently homogeneous distribution of NiO and YSZ making a conduction path for electrons and ions. Well-bonded metal support/anode interface was obtained.

 https://www.degruyter.com/view/journals/htmp/37/4/article-p351.xml?tab_body=fullHtml-75008

13. A.A.Solovyev A.M.Lebedynskiy A.V.Shipilova I.V.Ionov E.A.Smolyanskiy A.L.Lauk G.E.Remnev, Deposition of nickel oxide-yttria stabilized zirconia thin films by reactive magnetron sputtering // 2018            International Journal of Hydrogen Energy https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319918301514?via%3Dihub

14. Igor V. Ionov, Andrey A. Solovyev, Anna V. Shipilova, Alexey M. Lebedynskiy, Egor A. Smolyanskiy, Alexander L. Lauk and Vyacheslav A. Semenov, Reactive co-sputter deposition of nanostructured cermet anodes for solid oxide fuel cells //     2018 Japanese Journal of Applied Physics 57(1),01AF07 https://iopscience.iop.org/article/10.7567/JJAP.57.01AF07

 The impact of a nanostructured NiO/yttria-stabilized zirconia (NiO/YSZ) and NiO/gadolinia-doped ceria (NiO/GDC) anode functional layers on low- and intermediate-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) performance is investigated. NiO/YSZ and NiO/GDC thin films were reactively sputter-deposited by pulsed direct current magnetron sputtering from the Ni, Zr–Y, and Ce–Gd targets onto commercial NiO/YSZ substrates. Anode-supported SOFCs based on magnetron sputtered YSZ and GDC electrolytes (~4 µm) with and without the nanostructured anode layers are fabricated. A direct comparison of the YSZ- and GDC-based SOFCs in temperature range of 600–800 and 400–600 °C is made. The performance of cells with the nanostructured anode layers significantly increases as compared to that of the cell without it, especially at lower temperatures. Increase of cells performance was achieved by reduction of the total area-specific resistance by 26–30%.

15. Оскирко В.О., Павлов А.П., Семенов В.А., Работкин С.В., Захаров А.Н., МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГИИ ДУГИ В ПРОЦЕССЕ HIPIMS // Известия высших учебных заведений. Физика. 2018. Т. 61. № 8-2 (728). С. 173-177. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36517112

Высокая плотность мощности в процессах HIPIMS увеличивает вероятность образования дуг на мишени и усложняет задачу подавления дуги относительно традиционных режимов магнетронного распыления на постоянном и среднечастотном токе. Выходная индуктивность запасает большое количество остаточной энергии, которая передается в дугу после выключения управляющего транзистора и может вызвать образование микрокапель. Сравниваются HIPIMS-источники питания с точки зрения количества энергии, передаваемой в дугу. Показано, что при времени реакции источника питания менее 1 мкс энергия дуги практически полностью состоит из остаточной энергии, запасаемой в выходной индуктивности источника питания и кабеля. В зависимости от параметров схемы и настройки системы защиты обнаружение дуги по напряжению позволяет в 1.5-2 раза снизить энергию горения дуги относительно детектирования по току. Чтобы снизить энергию дуги до меньших значений, требуется снижение остаточной энергии. Продемонстрировано, что схема с топологией однотактного прямоходового мостового преобразователя обеспечивает рекуперацию остаточной энергии, что в конкретных экспериментальных условиях позволило в 4 раза снизить энергию дуги с 175 до 42 мДж.

Схемы источников питания на основе формирователя импульсов с одним транзистором с обратным диодом (а) и формирователя импульсов с топологией двухтранзисторного прямоходового однотактного преобразователя (б)

 Статья

16. Гренадёров А.С., Захаров А.Н., Оскирко В.О., Оскомов К.В., Соловьёв А.А., СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЁНОК ТАНТАЛА, НАНЕСЁННЫХ МЕТОДОМ СИЛЬНОТОЧНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2018. Т. 61. № 8-2 (728). С. 188-192. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36517115

Приведены результаты экспериментов по осаждению тонких пленок тантала на кремниевые и стальные подложки методом сильноточного импульсного магнетронного распыления. Свойства полученных танталовых пленок сравнивались со свойствами пленок, полученных магнетронным распылением на постоянном токе.

17. Семенов В.А., Оскирко В.О., Соловьев А.А., Работкин С.В., Ионов И.В., ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ И ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЖИМАХ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ DC, HIPIMS И ГИБРИДНОМ РЕЖИМЕ DC+HIPIMS // Известия высших учебных заведений. Физика. 2018. Т. 61. № 8-2 (728). С. 53-58. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36517087

Проведены экспериментальные исследования параметров плазмы магнетронного разряда и оптического излучения из плазмы в режиме на постоянном токе (DC), сильноточном режиме (HIPIMS) и гибридном (DC+HIPIMS) режиме для медного катода диаметром 100 мм. Гибридный режим работы магнетронной распылительной системы осуществлялся при помощи блока согласования двух источников питания APEL-M-5HIPIMS и APEL-M-5PDC. Результаты экспериментов показали, что концентрация плазмы на расстоянии 120 мм от катода имеет максимальные значения (1.25·10¹² см^-3) в режиме HIPIMS на частоте 100 Гц при разрядном токе 300 А. Измерение спектров оптического излучения для медного катода в аргоновой плазме показало, что при одной и той же средней мощности разряда (500 Вт) интенсивность линий ионов меди в сильноточном и гибридном режимах больше, чем в DC-режиме, в 3 и 1.5 раза соответственно.

18. Оскирко В.О., Павлов А.П., Гренадеров А.С., Захаров А.Н., НОВЫЕ РЕШЕНИЯ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДУАЛЬНЫХ МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ // Электронные средства и системы управления. Материалы докладов Международной научно-практической конференции. 2018. № 1-1. С. 164-168. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=39252058

Приводится описание новых схем электропитания дуальных распылительных систем. В частности, рассматривается схема формирователя биполярных импульсов напряжения сложной формы, позволяющая изменять скорость роста разрядного тока в течение длительности импульса; источник питания с повышенным уровнем выходного напряжения (до ±1300 В) и возможностью независимой регулировки параметров импульсов положительной и отрицательной полярности; новая система подавления дуг, способная отличать «мягкие» и «жесткие» дуги, правильно реагируя на них.

 Статья

2017

1. A. N. Zakharov, A. A. Solov’ev, K. V. Oskomov, V. O. Oskirko, V. A. Semenov, M. S. Syrtanov & Yu. S. Bordulev, Properties of Molybdenum Films Produced by High-Power Impulse Magnetron Sputtering // 2017 Russian Physics Journal 60(8), pp. 1336-1340 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11182-017-1218-0

Приведены результаты экспериментов по осаждению тонких пленок молибдена на стеклянные подложки методом сильноточного импульсного магнетронного распыления. Использовались два сильноточных режима, отличающиеся частотой повторения импульсов и их длительностью. Свойства полученных молибденовых пленок сравнивались со свойствами пленок, полученных магнетронным распылением на постоянном токе. Показано, что использование данного метода позволяет уменьшить удельное сопротивление молибденовых пленок и увеличить их отражение в видимом диапазоне.

2. A. S. Grenadyorov, K. V. Oskomov, A. A. Solov’ev, S. V. Rabotkin, A. N. Zakharov, V. A. Semenov, V. O. Oskirko, Yu. I. Yelgin & O. S. Korneva, Properties of Nanocomposite Nickel-Carbon Films Deposited by Magnetron Sputtering // 2017 Russian Physics Journal 60(8), pp. 1336-1340 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11182-017-1209-1

Методом магнетронного распыления получены a-C- и a-C:Ni-пленки на подложках из монокристаллического кремния и термоэлектрического материала n -типа ((Bi₂Te₃)_0.94(Bi₂Se₃)_0.06)и p -типа ((Bi₂Te₃)_0.20(Sb₂Te₃)_0.80) проводимости. Изучено влияние концентрации Ni на удельное электрическое сопротивление, твердость и адгезию полученных пленок. Показано, что удельное сопротивление a-C-пленок, наносимых распылением графитовой мишени при подаче высоковольтного напряжения смещения на подложку, может быть снижено за счет увеличения доли графитизированного углерода. Добавление Ni в такие пленки позволяет дополнительно снизить их удельное сопротивление. С увеличением содержания Ni происходит снижение твердости и адгезии a-C:Ni-пленок. Полученные значения удельного электрического сопротивления и адгезии a-C:Ni-пленок к термоэлектрическим материалам позволяют использовать их в качестве барьерных антидиффузионных покрытий термоэлектрических модулей.

3. A.A.Solovyev V.A.Semenov V.O.Oskirko K.V.Oskomov A.N.Zakharov S.V.Rabotkin, Properties of ultra-thin Cu films grown by high power pulsed magnetron sputtering // 2017 Thin Solid Films 631, pp. 72-79  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609017302602?via%3Dihub

Because of the superior properties of copper, it has been of great interest as a conducting material to replace Al in device manufacturing and Ag in multilayer low-emission coatings. In this study, we investigated the influence of the pulsing frequency and the ion-to-atom ratio at direct-current (DC) and high power impulse magnetron sputtering on the structural, optical and electrical properties of Cu films of thickness less than 25 nm. The ratio of ion flux to deposited atom flux at the substrate was varied by changing the average discharge current density during the pulse from 26 to 1220 mA/cm² and pulse repetition rate from 0.5 to 5 kHz. Properties of nanometer-thick Cu films were found to be very sensitive to the ion-to-atom ratio. The Cu films were deposited with island-type growth. For the experimental conditions employed in the present study low-resistivity ultra-thin Cu films were obtained at moderate average discharge current density during the pulse (340 mA/cm²), pulse frequency of 3 kHz and ion-to-atom ratio of 1.5. We also determined the critical thickness at which Cu films exhibit continuous growth as 5–6 nm. At this thickness films deposited under optimum conditions have resistivity of about 8 μΩ·cm, which is 8 times smaller than for films deposited by DC magnetron sputtering. This difference is due to the fact that films grown in DC regime have twice the concentration of oxygen atoms. 

4.I. V. Ionov, A. A. Solov’ev, A. M. Lebedinskii, A. V. Shipilova, E. A. Smolyanskii, A. N. Koval’chuk & A. L. Lauk, Formation of NiO/YSZ functional anode layers of solid oxide fuel cells by magnetron sputtering // 2017 Russian Journal of Electrochemistry 53(6), pp. 670-676 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1023193517060064

 The decrease in the polarization resistance of the anode of solid-oxide fuel cells (SOFCs) due to the formation of an additional NiO/(ZrO₂ + 10 mol % Y₂O₃) (YSZ) functional layer was studied. NiO/YSZ films with different NiO contents were deposited by reactive magnetron sputtering of Ni and Zr–Y targets. The elemental and phase composition of the films was adjusted by regulating oxygen flow rate during the sputtering. The resulting films were studied by scanning electron microscopy and X-ray diffractometry. Comparative tests of planar SOFCs with a NiO/YSZ anode support, NiO/YSZ functional nanostructured anode layer, YSZ electrolyte, and La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃/Ce_0.9Gd_0.1O₂ (LSCF/CGO) cathode were performed. It was shown that the formation of a NiO/YSZ functional nanostructured anode leads to a 15–25% increase in the maximum power density of fuel cells in the working temperature range 500–800°C. The NiO/YSZ nanostructured anode layers lead not only to a reduction of the polarization resistance of the anode, but also to the formation of denser electrolyte films during subsequent magnetron sputtering of electrolyte.

5.  A. A. Solovyev  A. M. Lebedynskiy  A. V. Shipilova  I. V. Ionov  E. A. Smolyanskiy  A. L. Lauk  G. E. Remnev  A. S. Maslov, Scale‐up of Solid Oxide Fuel Cells with Magnetron Sputtered Electrolyte

// 2017 Fuel Cells 17(3), pp. 378-382 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/fuce.201600227

The possibility of fabricating large‐area solid oxide fuel cells (SOFC) with thin film electrolyte using a commercial physical vapor deposition technology is investigated. Yttria‐stabilized zirconia (YSZ)/gadolinium‐doped ceria (GDC) bilayer electrolyte is successfully deposited on a 10 × 5 cm² commercial NiO/YSZ anode support by reactive magnetron sputtering. The microstructure of the fuel cells was studied by scanning electron microscopy. Current‐voltage characteristics of fuel cells at a temperature of 750°C and their power stability under electrical load were investigated. Single cells with La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃/ Gd_0.1Ce_0.9O_1.95 (LSCF/GDC) cathode had an open cell voltage of 1.14 V and a maximum power density of 490 mW cm⁻² at 750 °C using H₂/N₂ gas mixture as fuel and air as the oxidant. Three‐cell planar SOFC stack using 10 × 5 cm² anode‐supported unit cells with power density of 450 mW cm⁻² at a voltage of 0.7 V per cell has been assembled and tested.

6. A A Solovyev, A V Shipilova, I V Ionov, E A Smolyanskiy, A L Lauk, A N Kovalchuk, G E Remnev and A M Lebedynskiy Solid oxide fuel cell anode surface modification by magnetron sputtering of NiO/YSZ thin film // 2017 Journal of Physics: Conference Series 830(1),012106  https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/830/1/012106

 NiO/ZrO₂-Y₂O₃ (NiO/YSZ) anode functional layers (AFL) with 16-60 vol.% of NiO were deposited onto NiO/YSZ anode substrates by magnetron sputtering, followed by annealing in air at 1200 °C. The optimal deposition conditions for NiO/YSZ were determined. NiO content in the films was varied by changing the oxygen flow rate during the sputtering process. The microstructure and phase composition of NiO/YSZ anode functional layer were studied by SEM and XRD methods. Anode functional layers were fully crystallized and comprised of grains up to 500 nm in diameter after reduction in hydrogen. Anode-supported solid oxide fuel cells (SOFC) with the diameter of 20 mm including the magnetron sputtered AFL, 4-microns thick YSZ electrolyte and La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃/Ce_0.9Gd_0.1O₂ (LSCF/CGO) cathode were fabricated and tested. Electrochemical properties of the single fuel cells were investigated as a function of NiO volume content in AFL and AFL thickness.

7. Solovyev, A.A., Ionov, I.V., Shipilova, A.V., Kovalchuk, A.N., Syrtanov, M.S., Magnetron-sputtered La_0.6Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃ nanocomposite interlayer for solid oxide fuel cells // 2017 Journal of Nanoparticle Research 19(3),87 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11051-017-3791-0

A thin layer of a La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃ (LSCF) is deposited between the electrolyte and the La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃/Ce_0.9Gd_0.1O₂ (LSCF/CGO) cathode layer of a solid oxide fuel cell (SOFC) by pulsed magnetron sputtering using an oxide target of LSCF. The films were completely dense and well adherent to the substrate. The effects of annealing in temperature range from 200 to 1000 °C on the crystalline structure of the LSCF films have been studied. The films of nominal thickness, 250–500 nm, are crystalline when annealed at temperatures above 600 °C. The crystalline structure, surface topology, and morphology of the films were determined using X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM), respectively. To study the electrochemical characteristics of the deposited-film, solid oxide fuel cells using 325-nm LSCF films as interlayer between the electrolyte and the cathode have been fabricated. The LSCF interlayer improves the overall performance of the SOFC by increasing the interfacial area between the electrolyte and cathode. The electrolyte-supported cells with the interlayer have 30% greater, overall power output compared to that achieved with the cells without interlayer. The LSCF interlayer could also act as a transition layer that improves adhesion and relieves both thermal stress and lattice strain between the cathode and the electrolyte. Our results demonstrate that pulsed magnetron sputtering provides a low-temperature synthesis route for realizing ultrathin nanocrystalline LSCF film layers for intermediate- or low-temperature solid oxide fuel cells.

8. Maznoy, A., Kirdyashkin, A., Kitler, V., Solovyev, A., Combustion synthesis and characterization of porous Ni-Al materials for metal-supported solid oxide fuel cells application // 2017 Journal of Alloys and Compounds 697, pp. 114-123 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838816338336?via%3Dihub

Combustion synthesis (CS) in thermal explosion mode under conditions of controlled heat loss is used for synthesis of thin Ni-Al porous plates. In the present work, compacted Ni-Al elemental powder mixtures placed between heat-removing clamp plates are heated in a furnace at 25 K/min up to 1000 K under the uniaxial load up to 1.2 MPa with further heat treatment at the temperature of 1100 K. The effects of the Ni/Al mass ratio, reagent powders size, porosity and thickness of the reacting samples as well as conditions of heat-exchange during the CS on the reaction parameters have been studied. Based on the thermocouple measurements, the temperature and timing characteristics of the CS process have been calculated. The phase composition evolution during the process has been analyzed using X-ray diffraction and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Special attention has been paid to the study of the following characteristics of synthesized materials: porosity parameters, gas permeability and mechanical properties. Due to the high strength of synthesized materials and formation of relatively homogenous structure with proper pores size and gas permeability, the synthesized porous Ni-Al plates can be considered as good supporting substrate for application in metal-supported solid oxide fuel cells.

9. Anastasya N. Kovalchuk, Alexey M. Lebedinskiy, Andrey A. Solovyev, Igor V. Ionov, Egor A. Smolyanskiy, Anna V. Shipilova, Alexander L. Lauk,  Maiya R. Rombaeva, Performance characteristics of solid oxide fuel cells with YSZ/CGO electrolyte // 2017 Key Engineering Materials 743 KEM, pp. 281-286 https://www.scientific.net/KEM.743.281

This paper presents the results of performance evaluation of anode-supported solid oxide fuel cells (SOFC) with magnetron sputtered YSZ/CGO bilayer electrolyte, and composite LSCF-CGO cathode. Deposition of the YSZ/CGO electrolyte with the thickness of up to 14 microns was performed on the commercial anode substrates with dimensions of 5×5 cm². The LSCF-CGO cathode of the fuel cells was formed by the screen-printing method. The microstructure of the YSZ/CGO bilayer electrolyte and LSCF-CGO cathode was studied by scanning electron microscopy. Comparison of the fuel cells performance with different thicknesses of the YSZ and CGO layers was carried out by measuring current-voltage and power characteristics, and also by testing the long-term stability of cell power at the temperature of 750 °C and voltage of 0.7 V.

10. Работкин С.В., Соловьев А.А., Гренадёров А.С., Оскирко В.О., Оскомов К.В., Бордулев Ю.С., СВОЙСТВА ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ ОКСИДОВ ZNO:AL, НАНОСИМЫХ МЕТОДОМ СИЛЬНОТОЧНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2017. Т. 60. № 10-2. С. 84-88. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32470325

Работа посвящена исследованию свойств прозрачного проводящего оксида ZnO:Al, наносимого методом сильноточного импульсного магнетронного распыления керамической мишени в атмосфере аргона без нагрева подложки. Установлено влияние параметров магнетронного разряда на структуру, фазовый состав и морфологию поверхности осаждаемых покрытий, их прозрачность в видимом диапазоне спектра, а также на удельное сопротивление пленок. Показано, что использование метода сильноточного импульсного магнетронного распыления позволяет снизить удельное сопротивление ZnO:Al-пленок в области оси системы и напротив зоны распыления, что приводит к снижению неоднородности распределения параметров покрытия по поверхности подложки, которая вызвана интенсивной бомбардировкой областей подложки, расположенных напротив зоны распыления мишени, высокоэнергичными атомами и отрицательными ионами кислорода.

11. Семёнов В.А., Оскирко В.О., Работкин С.В., Оскомов К.В., Соловьев А.А., Степанов С.А., ЕСТЕСТВЕННОЕ ОКИСЛЕНИЕ УЛЬТРАТОНКИХ ПЛЕНОК МЕДИ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2017. Т. 60. № 9. С. 88-93. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30013494

2016

 1. Solovyev, A.A., Oskirko, V.O., Semenov, V.A., Oskomov, K.V., Rabotkin, S.V., Comparative Study of Cu Films Prepared by DC, High-Power Pulsed and Burst Magnetron Sputtering // 2016 Journal of Electronic Materials 45(8), pp. 4052-4060 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11664-016-4582-6

A comparative study of deposition rate, adhesion, structural and electrical properties of nanocrystalline copper thin films deposited using direct current magnetron sputtering (DCMS) and different regimes of high power pulsed magnetron sputtering is presented. High-power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) and burst regime (pulse packages) of magnetron sputtering are investigated. The ion and atomic flows toward the growing film during magnetron sputtering of a Cu target are determined. X-ray diffraction, scanning electron microscopy and atomic force microscopy were used to observe the structural characterization of the films. The resistivity of the films was measured using four-point probe technique. In all sputtering regimes, Cu films have mixture crystalline orientations of [111], [200], [311] and [220] in the direction of the film growth. As peak power density in studied deposition regimes was different in order of magnitude (from 15 W/cm² in DC regime to 3700 W/cm² in HIPIMS), film properties were also greatly different. DCMS Cu films exhibit a porous columnar grain structure. In contrast, HIPIMS Cu films have a slightly columnar and denser composition. Cu films deposited using burst regimes at peak power density of 415 W cm⁻² and ion-to-atom ratio of about 5 have the densest composition and smallest electrical resistance.

2. A. A. Solovyev, A. V. Shipilova, I. V. Ionov, A. N. Kovalchuk, S. V. Rabotkin & V. O. Oskirko, Magnetron-Sputtered YSZ and CGO Electrolytes for SOFC // 2016 Journal of Electronic Materials 45(8), pp. 3921-3928 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11664-016-4462-0

 Reactive magnetron sputtering has been used for deposition of yttria-stabilized ZrO₂ (YSZ) and gadolinium-doped CeO₂ (CGO) layers on NiO-YSZ commercial anodes for solid oxide fuel cells. To increase the deposition rate and improve the quality of the sputtered thin oxide films, asymmetric bipolar pulse magnetron sputtering was applied. Three types of anode-supported cells, with single-layer YSZ or CGO and YSZ/CGO bilayer electrolyte, were prepared and investigated. Optimal thickness of oxide layers was determined experimentally. Based on the electrochemical characteristics of the cells, it is shown that, at lower operating temperatures of 650°C to 700°C, the cells with single-layer CGO electrolyte are most effective. The power density of these fuel cells exceeds that of the cell based on YSZ single-layer electrolyte at the same temperature. Power densities of 650 mW cm⁻² and 500 mW cm⁻² at 700°C were demonstrated by cells with single-layer YSZ and CGO electrolyte, respectively. Significantly enhanced maximum power density was achieved in a bilayer-electrolyte single cell, as compared with cells with a single electrolyte layer. Maximum power density of 1.25 W cm⁻² at 800°C and 1 W cm⁻² at 750°C under voltage of 0.7 V were achieved for the YSZ/CGO bilayer electrolyte cell with YSZ and CGO thickness of about 4 μm and 1.5 μm, respectively. This signifies that the YSZ thin film serves as a blocking layer to prevent electrical current leakage in the CGO layer, leading to the overall enhanced performance. This performance is comparable to the state of the art for cells based on YSZ/CGO bilayer electrolyte.

3. Solovyev, A.A., Zakharov, A.N., Rabotkin, S.V., Kovsharov, N.F., Electrochromic Device with Polymer Electrolyte // 2016 Journal of Electronic Materials 45(8), pp. 3866-3871 https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11664-016-4569-3

 In this study a solid-state electrochromic device (ECD) comprised of a WO₃ and Prussian blue (Fe₄[Fe(CN)₆]₃) thin film couple with a Li⁺-conducting solid polymer electrolyte is discussed. WO₃ was deposited on K-Glass substrate by magnetron sputtering method, while Prussian blue layer was formed on the same substrate by electrodeposition method. The parameters of the electrochromic device K-Glass/WO₃/Li⁺-electrolyte/PB/K-Glass, such as change of transmittance, response time and stability were successfully tested using coupled optoelectrochemical methods. The device was colored or bleached by the application of +2 V or −2 V, respectively. Light modulation with transmittance variation of up to 59% and coloration efficiency of 43 cm²/C at a wavelength of 550 nm were obtained. Numerous switching of the ECD over 1200 cycles without the observation of significant degradation has been demonstrated.

4. Solov’ev, A.A., Shipilova, A.V., Koval’chuk, A.N., Ionov, I.V., Rabotkin, S.V., Comparison of characteristics of solid oxide fuel cells with YSZ and CGO film solid electrolytes formed using magnetron sputtering technique // 2016 Russian Journal of Electrochemistry 52(7), pp. 662-668 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS102319351607017X

 The work describes the methods of manufacturing single cells of solid oxide fuel cell (SOFC) with thin–film YSZ and CGO electrolytes and also with the bilayer YSZ/CGO electrolyte. Formation of YSZ and CGO films on the supporting NiO–YSZ anode of SOFC was carried out using the combined electron–ionic–plasma deposition technique. The microstructure and phase composition of the formed coatings are studied and also comparative analysis of electrochemical characteristics of single fuel cells with different electrolytes is performed. It is shown that the maximum power density of 1.35 W/cm² at the temperature of 800°C is obtained for the cell with bilayer YSZ/CGO electrolyte. However, the highest performance at lower working temperatures (650–700°C) is characteristic for the fuel cell with single–layer CGO electrolyte; its power density is 600–650 mW/cm².

5. Grenadyorov, A.S., Oskomov, K.V., Solov’ev, A.A., Rabotkin, S.V., Deposition of silicon–carbon coatings from the plasma of a non-self-sustained arc discharge with a heated cathode // 2016Technical Physics 61(5), pp. 690-695 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS106378421605008X

Amorphous hydrogenated carbon doped with silicon oxide (a-C:H:Si:O), which is referred to as silicon–carbon coatings in this work, consists of thin amorphous films, which are used as commercial solid lubricants due to their higher stability under extreme environmental conditions as compared to amorphous hydrogenated carbon. The deposition of silicon–carbon coatings from the plasma of a non-self-sustained arc discharge with a heated cathode is considered. Silicon–carbon coatings are deposited using polyphenul methylsiloxane as a precursor at a flow rate of 0.05 mL/min in an argon atmosphere at a pressure of 0.1 Pa. A high-frequency power supply is used to apply a high-frequency bias voltage to a substrate during deposition. After deposition, the mechanical properties of the coatings are studied. The maximum hardness of the coating is 20 GPa at a minimum friction coefficient of 0.16 and a wear rate of 1.3 × 10^–5 mm³ N^–1 m^–1. Energy dispersive analysis shows that the coatings contain a significant content of carbon and oxygen (about 80 and 15%, respectively) and a low content of silicon (about 5%).

6. Oskomov, K.V., Zakharov, A.N., Rabotkin, S.V., Solov’ev, A.A., Deposition of ultrahard Ti–Si–N coatings by pulsed high-current reactive magnetron sputtering // 2016 Technical Physics 61(2), pp. 215-220 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1063784216020171

We report on the results of investigation of properties of ultrahard Ti–Si–N coatings deposited by pulsed high-current magnetron reactive sputtering (discharge pulse voltage is 300–900 V, discharge pulse current is up to 200 A, pulse duration is 10–100 μs, and pulse repetition rate is 20–2000 Hz). It is shown that for a short sputtering pulse (25 μs) and a high discharge current (160 A), the films exhibit high hardness (66 GPa), wear resistance, better adhesion, and a lower sliding friction coefficient. The reason is an enhancement of ion bombardment of the growing coating due to higher plasma density in the substrate region (10¹³ cm^–3) and a manifold increase in the degree of ionization of the plasma with increasing peak discharge current (mainly due to the material being sputtered).

7. Grenadyorov, A.S., Oskomov, K.V., Solovyev, A.A., Rabotkin, S.V., Kovsharov, N.F., The deposition of silicon-carbon coatings in plasma based nonself-sustained arc discharge with heated cathode // 2016 Key Engineering Materials 685, pp. 643-647 https://www.scientific.net/KEM.685.643

Silicon-carbon coatings on silicon substrates were deposited in plasma based nonself-sustained arc discharge with heated cathode by plasma polymerization of silicon organic agent such as polyphenyl methylsiloxane (PPhMS). Silicon-carbon coatings were deposited at PPhMS flow rate of 0.012 ml/min, argon pressure of 0-0.1 Pa, discharge current of 5-8 A, discharge voltage of 130-150 V, and filament current of 68 A. Bipolar pulsed bias voltage was supplied on the substrate during coating deposition. Surface morphology, hardness and elastic modulus of silicon-carbon films were investigated after the deposition. The film surface is very smooth with root-mean-square roughness of 0.579 nm. Maximum hardness of coatings was 11 GPa, and maximum elastic modulus was 142 GPa.

8. Andrey A. Solovyev, Anastasya N. Kovalchuk, Igor V. Ionov, S.V. Rabotkin, Anna V. Shipilova, Dmitry N. Terentev Deposition of a thin-film CGO electrolyte for solid oxide fuel cells // 2016 Key Engineering Materials 685, pp. 776-780 https://www.scientific.net/KEM.685.776

Reducing the operating temperature of solid oxide fuel cells (SOFCs) from 800-1000°C is one of the main SOFC research goals. It can be achieved by lowering the thickness of an electrolyte (ZrO₂:Y₂O₃ (YSZ) is widely used as electrolyte material). On the other hand the problem can be solved by using of another electrolyte material with high ionic conductivity at intermediate temperatures. Therefore the present study deals with magnetron sputtering of ceria gadolinium oxide (CGO), which has a higher conductivity compared to YSZ. The microstructure of CGO layers deposited on porous NiO/YSZ substrates by reactive magnetron sputtering of Ce:Gd cathode is investigated. Current voltage characteristics (CVC) of a fuel cell with NiO/YSZ anode, CGO electrolyte and LSCF/CGO cathode were obtained. It was shown that the power density of a fuel cell with CGO electrolyte weakly depends on the operating temperature in the range of 650-750°C in contradistinction to YSZ electrolyte, and is about 600-650 mW/cm².

9. Семенов В.А., Оскирко В.О., Соловьев А.А., Работкин С.В., ИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОДЛОЖКУ В ПРОЦЕССЕ СИЛЬНОТОЧНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНЕТРОННОГО ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК МЕДИ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2016. Т. 59. № 9-3. С. 284-289. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29300041

Исследованы параметры импульсного магнетронного разряда, используемого для формирования покрытий. Путем изменения частоты формирования импульсов от 100 Гц до 50 кГц и амплитуды импульсов разрядного тока от 1 до 700 А, при фиксированной мощности разряда 500 Вт и длительности импульса питания 20 мкс были реализованы различные режимы работы магнетронной распылительной системы: постоянного тока (DC), среднечастотный импульсный (MF), сильноточный импульсный (HIPIMS). В результате зондовых измерений плазмы были получены зависимости между параметрами импульсного электропитания и параметрами ионно-атомарных потоков, воздействующих на подложку в процессе напыления покрытия. Показано, что переход в режим HIPIMS происходит при увеличении импульсной плотности мощности на поверхности мишени магнетрона выше 100 Вт/см². При этом происходит значительное увеличение импульсной плотности ионного тока на подложке (до 160 мА/см²), снижается среднее значение ионного тока (до 2 раз), а также существенно уменьшается скорость напыления покрытия (до 10 раз).

10. Работкин С.В., Соловьев А.А., Гренадёров А.С., Оскирко В.О., Оскомов К.В., Бордулев Ю.С., СВОЙСТВА ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ ОКСИДОВ ZnO:AL, НАНОСИМЫХ МЕТОДОМ СИЛЬНОТОЧНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2017. Т. 60. № 10-2. С. 84-88. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32470325

Работа посвящена исследованию свойств прозрачного проводящего оксида ZnO:Al, наносимого методом сильноточного импульсного магнетронного распыления керамической мишени в атмосфере аргона без нагрева подложки. Установлено влияние параметров магнетронного разряда на структуру, фазовый состав и морфологию поверхности осаждаемых покрытий, их прозрачность в видимом диапазоне спектра, а также на удельное сопротивление пленок. Показано, что использование метода сильноточного импульсного магнетронного распыления позволяет снизить удельное сопротивление ZnO:Al-пленок в области оси системы и напротив зоны распыления, что приводит к снижению неоднородности распределения параметров покрытия по поверхности подложки, которая вызвана интенсивной бомбардировкой областей подложки, расположенных напротив зоны распыления мишени, высокоэнергичными атомами и отрицательными ионами кислорода.

2015

1. Solovyev, A.A., Rabotkin, S.V., Kovsharov, N.F., Polymer films with multilayer low-E coatings // 2015 Materials Science in Semiconductor Processing 38, pp. 373-380 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136980011500133X?via%3Dihub

 The paper presents the experimental results on depositing a multilayer low-emissivity (low-E) coating with oxide–metal–oxide structure on polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene (PE) films by magnetron sputtering. The TiO₂/ZnO:Ga/Ag/ZnO:Ga/TiO₂ coating on the PET film with high water-resistance and capability to be used outside of sealed double-glazed panes was proposed. The optimal thickness of coating layers was experimentally determined. The coating with the optimal structure has 82% transmittance over the visible spectrum and 91% reflection over the infrared spectrum. The window with a PET film and low-E coating was investigated in terms of heat engineering. It was revealed that heat transfer resistance increased up to 0.73 m² °C W⁻¹ for the windows with a PET film and low-E coating. Heat transfer resistance of the windows without a polymer film was 0.38 m² °C W⁻¹. The water-resistant ZnO:Ga/Ag/ZnO:Ga/SiO₂ coating on a PE film with 77% transmittance and 91–92% reflection in the IR range was proposed to be used as greenhouse covering material. The possibility of using the PE film with a low-E coating to reduce heat loss in greenhouses and enhance yielding capacity was demonstrated.

Scheme of low-E coatings structure on PET (a) and PE (b) substrates.

2. A.Solovyev S.V.Rabotkin A.V.Shipilova A.I.Kirdyashkin I.V.Ionov A.N.KovalchukaA.S.Maznoy V.D.Kitler A.O.Borduleva Solid oxide fuel cell with Ni–Al support // 2015 International Journal of Hydrogen Energy 40(40), pp. 14077-14084 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319915020054?via%3Dihub

Metal-supported solid oxide fuel cells are considered as next generation of fuel cells. In this configuration, the use of metal support allows lowering the cost of fuel cell fabrication and provides enhanced durability. The paper presents the results concerning the manufacture and research of metal-supported solid oxide fuel cells with YSZ (yttria-stabilized zirconia) electrolyte. As a metal support the porous Ni–Al plates manufactured by combustion synthesis were used. The effects of synthesis conditions and composition of the Ni–Al samples on their properties were investigated. Solid oxide fuel cells with the structure of Ni–YSZ anode/YSZ electrolyte/LSCF cathode were fabricated by the combination of screen printing, magnetron sputtering, and electron beam treatment. The cell performance was analyzed by current–voltage measurements during operation at 700, 750, 800 and 850 °C. The obtained results are very promising at such an early stage of research for the future development of this technology.

3.An, V., Dronova, M., Zakharov, A., Optical and AFM studies on p-SnS thin films deposited by magnetron sputtering // 2015 Chalcogenide Letters 12(9), pp. 483-487

Tin sulfide thin films were prepared by DC magnetron sputtering of a nanostructured SnS target in argon. The obtained samples were analyzed using atomic force microscopy (AFM), radio frequency glow discharge optical emission spectroscopy (RF-GD-OES) and UV-vis spectrophotometry. The thickness, roughness and surface porosity were evaluated using module software for AFM data visualization and analysis Gwyddion. A thin film growth mechanism was suggested based on the analysis of the AFM images.

4. Оскирко В.О., Павлов А.П., Соловьев А.А., Еньшин С.И., Семёнов В.А., БИПОЛЯРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ // Патент на полезную модель RU 152232 U1, 10.05.2015. Заявка № 2014137348/07 от 15.09.2014. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38370648

Биполярный источник питания для магнетронной распылительной системы может использоваться в йонно-плазменных технологиях обработки поверхности и нанесения тонкопленочных покрытий. Источник питания содержит источник постоянного тока (A), схему формирования отрицательных импульсов напряжения (B), блок формирования импульсов обратного (положит.) напряжения (C), систему управления (1), а также схему рекуперации отрицательного тока (D). За счет формирования биполярных импульсов питания разряда обеспечивается высокая стабильность процесса распыления, а благодаря использованию схемы рекуперации отрицательного тока уменьшена нагрузка на транзисторы во время формирования импульса обратного напряжения. Формирование биполярных импульсов осуществляется в результате переключения транзисторов с задержкой, которой достаточно для прерывания тока в дросселе. В схеме могут использоваться полевые или IGBT транзисторы.

 Статья

5.Оскирко В.О., Павлов А.П., Семёнов В.А., ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО И АСИММЕТРИЧНОГО ДУАЛЬНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58. № 9-2. С. 227-231. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24993891

Рассмотрен среднечастотный импульсный источник питания, способный работать в симметричном и асимметричном режимах дуального магнетронного распыления. Ключевой особенностью данного источника питания является возможность независимой регулировки параметров выходных биполярных импульсов. Широкие функциональные возможности обусловлены топологией выходного формирователя импульсов. В статье приведено описание схемы и принципа действия источника питания. Кроме того, приведены осциллограммы, полученные при работе с дуальной магнетронной распылительной системой в симметричном и асимметричном режимах.

6. Оскирко В.О., Семенов В.Д., Павлов А.П., ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАТЕЛЯ БИПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ПИТАНИЯ МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2015. № 3 (37). С. 39-45. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25435979

Описан алгоритм управления транзисторами формирователя ассиметричных биполярных импульсов повышенной частоты для питания магнетронных распылительных систем (МРС), обеспечивающий регулировку частоты и длительности импульсов и предотвращающий переход схемы в небезопасный режим работы. Экспериментально показано, что источник питания (ИП) на основе формирователя асимметричных импульсов повышенной частоты (ФБИ) позволяет повысить стабильность и скорость процессов реактивного магнетронного напыления покрытий сложного химического состава.

 Статья

2014

1. Oskirko, V.O., Sochugov, N.S., Pavlov, A.P., A modular bipolar power supply for high-power ion-plasma installations // 2014 Instruments and Experimental Technique 57(5), pp. 594-600 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS0020441214050091

Описаны схемотехнические решения, конструкция и основные параметры модульного импульсного биполярного источника электропитания для мощных ионноплазменных установок. Модульный принцип построения источника питания позволил применить его в различных процессах. Представлены результаты испытаний разработанного устройства в качестве источника питания магнетронной распылительной системы мощностью 60 кВт и высоковольтного источника питания смещения подложки мощностью 40 кВт. Экспериментально показана эффективность применения биполярных импульсов для предотвращения дугообразования на катоде магнетрона.

Статья

2. Оскирко В.О., Соловьев А.А., Павлов А.П., Ионов И.В., Сочугов Н.С., БИПОЛЯРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ РЕАКТИВНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 11-3. С. 29-33. https://elibrary.ru/item.asp?id=23024932

Рассмотрен биполярный среднечастотный источник питания магнетронных распылительных систем. Приведено описание принципа действия и ключевых особенностей схемы источника. Работа прибора исследовалась при реактивном напылении пленок YSZ (оксид циркония, стабилизированный иттрием), которые используются в качестве электролита твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Благодаря среднечастотному биполярному питанию с ассиметричными импульсами удалось обеспечить высокую стабильность процесса реактивного распыления и увеличить мощность разряда. Рассмотрены стадии формирования разряда в течение периода импульсов питания. Получена зависимость критической рабочей частоты от мощности разряда, позволяющая определить рабочую область с высокой стабильностью процесса распыления. Показаны преимущества использования биполярного ассиметричного питания в технологиях реактивного напыления слоев ТОТЭ.

3. .A.Solovyev N.S.Sochugov S.V.Rabotkin A.V.Shipilova I.V.Ionov A.N.Kovalchuk A.O.Borduleva, Application of PVD methods to solid oxide fuel cells // 2014 Applied Surface Science 310, pp 272-277 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433214007144?via%3Dihub

In this paper, attention is paid to the application of such a method of vacuum physical vapor deposition (PVD) as magnetron sputtering for fabrication of a solid oxide fuel cell (SOFC) materials and structures. It is shown that the YSZ (yttria-stabilized zirconia) electrolyte and Ni–YSZ anode layers with required thickness, structure and composition can be effectively formed by PVD methods. The influence of parameters of pulsed power magnetron discharge on the deposition rate and the microstructure of the obtained YSZ electrolyte films were investigated. It is shown that the deposition rate of the oxide layers by magnetron sputtering can be significantly increased by using asymmetric bipolar power magnetrons, which creates serious prerequisites for applying this method on the industrial scale. Porous Ni–YSZ anode films were obtained by reactive co-sputtering of Ni and Zr–Y targets and subsequent reduction in the H2 atmosphere at a temperature of 800 °C. The Ni–YSZ films comprised small grains and pores of tens of nanometers.

4. A.Solovyev N.S.Sochugov S.V.Rabotkin A.V.Shipilova I.V.Ionov A.N.Kovalchuk A.O.Borduleva, Application of PVD methods to solid oxide fuel cells // 2014 Applied Surface Science 310, pp 272-277 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433214007144?via%3Dihub

In this paper, attention is paid to the application of such a method of vacuum physical vapor deposition (PVD) as magnetron sputtering for fabrication of a solid oxide fuel cell (SOFC) materials and structures. It is shown that the YSZ (yttria-stabilized zirconia) electrolyte and Ni–YSZ anode layers with required thickness, structure and composition can be effectively formed by PVD methods. The influence of parameters of pulsed power magnetron discharge on the deposition rate and the microstructure of the obtained YSZ electrolyte films were investigated. It is shown that the deposition rate of the oxide layers by magnetron sputtering can be significantly increased by using asymmetric bipolar power magnetrons, which creates serious prerequisites for applying this method on the industrial scale. Porous Ni–YSZ anode films were obtained by reactive co-sputtering of Ni and Zr–Y targets and subsequent reduction in the H2 atmosphere at a temperature of 800 °C. The Ni–YSZ films comprised small grains and pores of tens of nanometers.

5. Oskomov, K.V., Solov’ev, A.A., Rabotkin, S.V., Hard carbon coatings deposited by pulsed high current magnetron sputtering // 2014             Technical Physics 59(12), pp https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1063784214120214

Hard (up to 17 GPa) carbon coatings are deposited onto face SiC bearings used in liquid pumps by pulsed high-current magnetron sputtering of graphite. As a result, the friction coefficient is decreased from 0.43 to 0.11 and the wear rate is decreased from 26 to 0.307 μm³ N⁻¹ m⁻¹, which increases the service life of the bearings by approximately three times. The deposited carbon coatings have a high hardness and wear resistance due to the generation of high-density (up to 10¹³ cm⁻³) plasma.

6. Solov'Ev, A.A., Sochugov, N.S., Ionov, I.V., Shipilova, A.V., Koval'Chuk, A.N., Magnetron formation of Ni/YSZ anodes of solid oxide fuel cells // 2014 Russian Journal of Electrochemistry 50(7), pp. 647-655 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1023193514070155

Physico-chemical and structural properties of nanocomposite NiO/ZrO₂:Y₂O₃ (NiO/YSZ) films applied using the reactive magnetron deposition technique are studied for application as anodes of solid oxide fuel cells. The effect of oxygen consumption and magnetron power on the discharge parameters is determined to find the optimum conditions of reactive deposition. The conditions for deposition of NiO/YSZ films, under which the deposition rate is maximum (12 μm/h), are found and the volume content of Ni is within the range of 40–50%. Ni-YSZ films reduced in a hydrogen atmosphere at the temperature of 800°C have a nanoporous structure. However, massive nickel agglomerates are formed in the course of reduction on the film surface; their amount grows at an increase in Ni content in the film. Solid oxide fuel cells with YSZ supporting electrolyte and a LaSrMnO₃ cathode are manufactured to study electrochemical properties of NiO/YSZ films. It is shown that fuel cells with a nanocomposite NiO/YSZ anode applied using a magnetron sputtering technique have the maximum power density twice higher than in the case of fuel cells with an anode formed using the high-temperature sintering technique owing to a more developed gas-anode-electrolyte three-phase boundary.

7. Alexander Kirdyashkin, V.D. Kitler,  A.S. Maznoy*, A.A. Solov’ev, A.N. Kovalchuk, Igor V. Ionov, Development of New Ni-Al Porous Alloys for Metal-Supported Solid Oxide Fuel Cells , 2014 Advanced Materials Research 1040, pp. 19-23 https://www.scientific.net/AMR.1040.19

The technique of synthesis of Ni+16mass%Al open cell type porous intermetallic materials that can be treated in inert or regenerative atmospheres at temperature up to 1600 K without changing their functional properties has been developed. Materials with Ni₃Al + NiAl phase composition, porosity of 42 %, sizes of transport pores up to 10 μm, sizes of core elements equal to 40 μm, and specific surface of open porosity of 90 mm^-1 have been produced. It is demonstrated that after complete oxidation of the given materials, the NiO-NiAl₂O₄ composite is formed, whose reduction in hydrogen flux results in the formation of Ni-NiAl₂O₄ cermet; the shape of the porous material in the course of oxidation/reduction does not change. 

8. Andrey A. Solovyev*, Igor V. Ionov, Anastasya N. Kovalchuk, Aleksandr I. Kirdyashkin, Anatoly Maznoy, V.D. Kitler, Sintering of NiO/YSZ Anode Layers for Metal-Supported Solid Oxide Fuel Cell // 2014 Advanced Materials Research 1040, pp. 155-160 https://www.scientific.net/AMR.1040.155

The construction of a metal-supported fuel cell has been recently generating a growing interest among the designers of solid oxide fuel cells. The present work is aimed at solving the problem related to high-temperature sintering of fuel cell NiO/YSZ anode on the porous metal substrate functioning both as a supporting structure and a reliable current collector. Hence, its irreversible oxidation during high-temperature sintering should be avoided. NiO/YSZ layers were applied on porous metal samples by a screen-printing technique and sintered in reducing and inert atmospheres, as well as in vacuum. The obtained layers were studied by means of scanning electron microscopy and X-ray phase analysis. It was shown that a temperature of 1000°С does not ensure a substantial sintering of Ni and YSZ granules in a reducing atmosphere. Under the sintering temperature above 1230°С in an inert atmosphere and vacuum, the nickel oxide dissociation and its massive agglomeration are observed. The conditions of NiO/YSZ layer vacuum sintering were experimentally determined which provide a high-grade sintering of nickel cermet granules without Ni agglomeration, disturbance of homogeneity in the formed anode layer, and the metal substrate oxidation.

9. A A Solovyev, S V Rabotkin, I V Ionov, A V Shipilova, A N Kovalchuk  and A O Borduleva, Bias-assisted magnetron sputtering of yttria-stabilised zirconia thin films // 2014 Journal of Physics: Conference Series552(1), 012010 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/552/1/012010

Cubic yttria-stabilized zirconia (YSZ) thin films were deposited by reactive magnetron sputtering on NiO-YSZ fuel cell anodes under different conditions. The influence of substrate bias voltage, temperature and porosity on texture and morphology of the deposited films were investigated. Comparing film morphology of YSZ grown on NiO-YSZ anodes, it was found that films deposited on a substrate with a large porosity were columnar and contained voids regardless of the deposition parameters. It was shown that only using of anode support with very high surface quality, substrate heating up to 500 °C and pulsed substrate bias (about -30 V MF) during film deposition is necessary for deposition of non-columnar thin films without voids and cracks that may be suitable for SOFC application. 

2013

1. Sochugov, N.S., Oskirko, V.O., Spirin, R.E., A power supply for magnetron sputtering systems  // 2013 Instruments and Experimental Techniques 56(2), pp. 178-184 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS0020441213010302

Описаны конструкция и электрические схемы источника питания для магнетронных распылительных систем мощностью до 5 кВт. Источник предназначен для работы в режиме постоянного тока и в импульсном режиме с частотой повторения импульсов до 100 кГц. Система дугоподавления ограничивает энерговклад в дуговой разряд на уровне 110 мДж при работе в режиме постоянного тока и 9 мДж при работе в импульсном режиме. На примере тонкопленочных покрытий двух типов (пленки серебра и пленки легированного галлием оксида цинка) продемонстрированы возможности оптимизации покрытий выбором рабочих параметров источника питания.

Статья

2. A. A. Solov’ev, N. S. Sochugov, I. V. Ionov, A. I. Kirdyashkin, V. D. Kitler, A. S. Maznoi, Yu. M. Maksimov & T. I. Sigfusson, Synthesis and investigation of porous Ni-Al substrates for solid-oxide fuel cells // 2013 Inorganic Materials: Applied Research 4(5), pp. 431-437 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS2075113313050171

Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is applied for the production of porous supporting Ni-Al bases of solid-oxide fuel cells. The effect of synthesis conditions and the composition of source powders on the phase composition, microstructure, gas permeability, corrosion resistance, and other properties of obtained Ni-Al samples is investigated. The possibility is shown for the formation of solid-oxide fuel cells (SOFCs) on the surface of porous Ni-Al plates. The cells have the structure Ni-ZrO₃:Y₂O₃ anode/ZrO₃:Y₂O₃ electrolyte/La_0.8Mn_0.2SrO₃ cathode and provide a specific power of 400 mW/cm² at a temperature of 800°C.

3.S.Sochugov A.A.Soloviev A.V.Shipilova S.V.Rabotkin V.P.Rotshtein I.T.Sigfusson, The effect of pulsed electron beam pretreatment of magnetron sputtered ZrO2:Y2O3 films on the performance of IT-SOFC // 2013 Solid State Ionics 231, pp. 11-17 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167273812006017?via%3Dihub

We describe a method of obtaining anode-supported ZrO₂:Y₂O₃ (YSZ) electrolyte films produced by reactive magnetron sputtering for intermediate temperature solid oxide fuel cell applications. A pulsed electron beam treatment was used as a method of preliminary modification of the porous structure in anode substrates. We studied the influence of this pretreatment on the gas tightness, structural and electrochemical properties of deposited films. It is shown that magnetron sputtering combined with a pulsed electron-beam treatment leads to the formation of dense and uniform YSZ films of 3–5 μm in thickness with a fine microstructure and improvement of electrochemical properties. Multifold increase in power density and a decrease in the YSZ electrolyte resistance compared to the samples produced only by magnetron sputtering were achieved. Single cells with sputtered YSZ electrolyte and LSM as active cathode materials were tested. 1.08 V open circuit voltage and a 310 mW cm^− 2 maximum power density were achieved at 700 °C by using humidified H₂ as fuel and air as an oxidant. 

2012

1. Сочугов Н.С., Козырев А.В., Захаров А.Н., Оскирко В.О., ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 11-2. С. 199-204. https://elibrary.ru/item.asp?id=18639658

Приведены результаты экспериментов по плазменно-иммерсионной электронной модификации поверхности образцов из нержавеющей стали. Показано, что плавление поверхности образцов в процессе обработки начинается на отдельных участках поверхности и ведет к уменьшению шероховатости поверхности и размера зерна. Предложен возможный механизм оплавления участков поверхности, связанный с локальным перегревом микроскопических вершин поверхностного рельефа их частичным испарением и образованием анодных пятен.

2. Козырев А.В., Сочугов Н.С., Захаров А.Н., Оскирко В.О., Семенов В.А., Семенюк Н.С., ГЕНЕРАТОР ОБЪЕМНОЙ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ НА ОСНОВЕ СИЛЬНОТОЧНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 2. С. 61-67. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17710830

Представлены результаты исследований пространственных и временных параметров объемной плазмы, генерируемой двумя сильноточными импульсными магнетронными распылительными системами при их работе в сбалансированном и несбалансированном режимах. Показано, что плазма, заполняющая вакуумную камеру, состоит из двух компонент: плазмы, дрейфующей из области магнитных ловушек магнетронов, и плазмы, генерируемой осциллирующими электронами непосредственно в объеме камеры. В случае сбалансированной конфигурации магнитного поля магнетронов плазма в центре вакуумной камеры объемом ~ 10 л имеет концентрацию (1-2)· 10 ¹³ см ^-3 при амплитуде тока разряда магнетронов 350 А. Использование несбалансированной конфигурации магнитного поля позволяет увеличить концентрацию плазмы в центральной части вакуумной камеры до ~ 6·10 ¹³ см ^-3.

3. I. V. Ionov ; N. S. Sochugov ; A. A. Soloviev ; A. N. Kovalchuk ; A. O. Tcybenko ; T. I. Sigfusson, Thin Ni-YSZ films fabricated by magnetron co-sputtering used as anodes for solid oxide fuel cells // 2012 Proceedings - 2012 7th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2012 6357501 https://ieeexplore.ieee.org/document/6357501

Ni-YSZ (YSZ - yttria-stabilized zirconia) films were fabricated by the reactive magnetron co-sputtering of Ni and Zr-Y targets. The maximum deposition rate was 6 μm·h ^-1 . The oxygen flow and the DC power supplied to the Ni target were tuned to study the effect of the deposition conditions on the film properties and to obtain the film with required parameters. The chemical composition and the surface morphology films were studied. The columnar morphology was observed in the as-deposited films. Electrolyte supported solid oxide fuel cells (SOFC) with sputtered anode and brush painted La_0.7Sr₀.₃MnO₃ (LSM) cathode were made to study the thin Ni-YSZ anode characteristics. Voltage-current curves of the electrolyte supported SOFCs with the brush painted and the magnetron sputtered Ni-YSZ anode were compared. The maximum power density of the SOFC with the magnetron sputtered anode at 800°C was 210 mW/cm ² .

4. A. A. Soloviev ; N. S. Sochugov ; I. V. Ionov ; A. I. Kirdyashkin ; V. D. Kitler ; A. S. Maznoy ; T. I. Sigfusson, Solid oxide fuel cell on porous Ni-Al support // 2012             Proceedings 7th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2012 6357676 https://ieeexplore.ieee.org/document/6357676

The results of the manufacture and research of metal-supported solid oxide fuel cells are presented. As a metal support the porous Ni-Al plates manufactured by self-propagating high temperature synthesis were used. The effect of synthesis conditions and composition of green mixture on the phase composition, microstructure, porosity, gas permeability and other properties of the Ni-Al samples were investigated. Solid oxide fuel cells with the structure of “Ni-ZrO ₂ :Y ₂ O ₃ anode” / “ZrO ₂ :Y ₂ O ₃ electrolyte” / “La _0.8 Mn _0.2 SrO ₃ cathode” were formed on the surface of porous Ni-Al supports by the methods of high-temperature sintering and magnetron sputtering. Power density of a fuel cell on a metallic support reaches 400 mW/cm ² at 800°C when humid H ₂ was used as fuel and air was used as an oxidant.

5. A. N. Zakharov, N. F. Kovsharov, K. V. Oskomov, S. V. Rabotkin, A. A. Solovyev & N. S. Sochugov, Properties of low-emission coatings based on Ag and Cu deposited on polymer film by magnetron sputtering // 2012 Inorganic Materials: Applied Research 3(5), pp. 433-439 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS2075113312050206

Приведены результаты экспериментов по нанесению на полиэтилентерефталатную (ПЭТФ) пленку многослойных низкоэмиссионных покрытий со структурой “оксид – металл – оксид”методом магнетронного распыления. Исследованы составы покрытий, которые бы обеспечили их высокую влагостойкость и возможность эксплуатации вне герметичных стеклопакетов. Предложены покрытия со структурой TiO₂/ZnO:Ga/Ag/ZnO:Ga/TiO₂ и TiO₂/Cu/TiO₂, изучены их оптические и электрофизические характеристики. Определены оптимальные толщины слоев покрытия, позволяющие получить наилучшее соотношение прозрачности покрытия в видимом диапазоне с отражением в ИК-области спектра. Показано, что низкоэмиссионные покрытия на основе Ag обладают более высокой прозрачностью (82 %) и отражением в ИК-области (93 %) чем покрытия на основе Cu, для которых данные характеристики составляют 60 % и 84 %, соответственно.

Статья

6. T.I.Sigfusson  A.A.Solovyev A.I.Kirdyashkin V.D.Kitler A.S.Maznoy Yurii Tyurin, Advanced Fuel Cell Development in Russia // 2012 Inorganic Materials: Applied Research 3(5), pp. 433-439 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610212014890?via%3Dihub

The paper reports scientific work performed at Tomsk Polytechnic University in Tomsk Russia and is a part of a larger project devoted to hydrogen technology. The aim of the work has been to develop Solid Oxide Fuel Cell membranes based on porous Ni-Al support and involving plasma technology for supplying the active substrate with active layers to be finally perfected with electron beam technology. On the basis of this work it is hoped that a new and promising method has been developed with applications that will lead to lowering cost and increasing efficiency.

2011 

1. Козырев А.В., Сочугов Н.С., Оскомов К.В., Захаров А.Н., Одиванова А.Н., ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПЛАЗМЕ СИЛЬНОТОЧНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА // Физика плазмы. 2011. Т. 37. № 7. С. 667-673. https://elibrary.ru/item.asp?id=16525852

Представлены результаты экспериментальных исследований свечения плазмы сильноточного импульсного магнетронного разряда методом высокоскоростной фоторегистрации. Показано, что плазма разряда пространственно неоднородна в азимутальном направлении. Формирующиеся плазменные сгустки вращаются c линейной скоростью ~1 см/мкс в холловском направлении дрейфа электронов, а их количество пропорционально току разряда. Неоднородности плазмы из прикатодной области в виде плазменных струй распространяются в направлении анода. Аналитически показано, что формирование неоднородностей обусловлено необходимостью переноса электронного тока большой плотности поперек линий магнитного поля. 

Статья

2. Одиванова А.Н., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С., Оскомов К.В., ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ СИЛЬНОТОЧНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ // Физика плазмы. 2011. Т. 37. № 3. С. 264-269. https://elibrary.ru/item.asp?id=15609204

Представлены результаты исследований вольтамперных характеристик, пространственных и временных параметров плазмы сильноточной импульсной магнетронной распылительной системы с плоским дисковым катодом диаметром 10 см. Показано, что плотность плазмы превышает значения, характерные для постоянного магнетронного разряда, на три порядка и достигает 10¹³ см^-3 на расстояниях до 250 мм от катода, при пиковом токе разряда около 500 А. Скорость распространения плазмы из прикатодной области составляет 1 см/мкс в аксиальном направлении, и 0.25 см/мкс в радиальном. Методами оптической эмиссионной спектроскопии зафиксировано многократное повышение степени ионизации плазмы с ростом пикового тока разряда, причем, преимущественно за счет распыляемого материала.

Статья

3. Соловьев А.А., Сочугов Н.С., Шипилова А.В., Ефимова К.Б., Тумашевская А.Е., СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТВЕРДООКСИДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМ ZRO2 : Y2O3ЭЛЕКТРОЛИТОМ // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 4. С. 524-533. https://elibrary.ru/item.asp?id=15639309

В статье представлены результаты исследования среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) с тонкопленочным ZrO₂ - Y₂O₃ (YSZ) электролитом. Топливная ячейка такого элемента представляет собой несущий Ni-YSZ-анод, YSZ-электролит толщиной 3-5 мкм, сформированный вакуумными ионно-плазменными методами, и LaSrMnO₃-катод. Показано, что использование комбинированного метода осаждения YSZ-электролита, включающего в себя магнетронное нанесение подслоя толщиной 0.5-1.5 мкм и его импульсную электронно-пучковую обработку, позволяет формировать плотную наноструктурированную пленку электролита и снизить рабочую температуру ТОТЭ как вследствие уменьшения омического сопротивления твердого электролита, так и фарадеевского сопротивления переносу заряда. Топливные ячейки ТОТЭ были исследованы методами вольтамперометрии и импедансной спектроскопии. Максимальная плотность мощности исследуемых ТОТЭ при использовании воздуха в качестве окислителя составила 250 и 600 мВт/см^-2 при температурах 650 и 800°C соответственно.

Статья

4. Работкин С.В., Соловьев А.А., Сочугов Н.С., МАЛОГАБАРИТНОЕ МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО // Патент на изобретение RU 2390580 C1, 27.05.2010. Заявка № 2008141193/02 от 16.10.2008.https://elibrary.ru/item.asp?id=37699450

 Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к малогабаритному магнетронному распылительному устройству обращенного типа, и может найти использование для нанесения тонких пленок металлов и их соединений в вакууме на тонкие проволоки и волокна. Обращенный цилиндрический магнетрон содержит анод, водоохлаждаемый цилиндрический катод, магнитную систему, создающую над поверхностью катода магнитное поле. Диаметр распыляемого цилиндрического катода составляет 0,5-5 мм, а устройство работает при давлении рабочего газа 10¹÷10² Па и индукции магнитного поля над поверхностью катода 2-10 кГс. Устройство обеспечивает повышение эффективности использования распыленного с катода материала в формировании покрытия посредством значительного уменьшения диаметра цилиндрического катода.

  Статья

5 Sochugov, N.S., Soloviev, A.A., Shipilova, A.V., Rotshtein, V.P., An ion-plasma technique for formation of anode-supported thin electrolyte films for IT-SOFC applications // 2011 International Journal of Hydrogen Energy 36(9), pp. 5550-5556 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319911002916?via%3Dihub

This paper describes a preparation method and structural and electrochemical properties of a thin bilayer anode-electrolyte structure for a solid oxide fuel cell operating at intermediate temperatures (IT-SOFC). Thin anode-supported yttria-stabilized zirconia electrolyte films were prepared by reactive magnetron sputtering of a Zr–Y target in an Ar–O₂ atmosphere. Porous anode surfaces of IT-SOFCs were modified by a pulsed low-energy high-current electron beam prior to film deposition; the influence of this pretreatment on the performance of both the deposited films and a single cell was investigated. The optimal conditions of the pulsed electron beam pretreatment were obtained. For the electrolyte thickness about 2.5 μm and the value of gas permeability of the anode/electrolyte structure 1.01 × 10⁻⁷ mol m⁻² s⁻¹ Pa⁻¹, the maximum power density achieved for a single cell at 800 °C and 650 °C was found to be 620 and 220 mW cm⁻² in air, respectively.

6. Soloviev, A.A., Sochugov, N.S., Shipilova, A.V., Rabotkin, S.V., Investigation of characteristics of the anode-supported solid oxide fuel cells with thin-film electrolyte deposited by electronion-plasma methods // 2011 EFC 2011 - Proceedings of the 4th European Fuel Cell Piero Lunghi Conference and Exhibition pp . 41-42

The purpose of this work was the investigation of single cells of intermediate solid oxide fuel cell with thin ZrO2:Y2O3 (YSZ) electrolyte prepared by combination of reactive magnetron sputtering and pulsed electron beam treatment (EBT). Comparison of YSZ electrolyte microstructure and electrochemical characteristics of fuel cells made with electron beam treatment application and without it was realized. It was shown that EBT of thin YSZ sublayer allows improving of the deposited electrolyte crystallinity and increasing of its conductivity. A two-fold increase in power density and a decrease in the YSZ electrolyte resistance compared to the samples produced only by magnetron sputtering were achieved. The ohmic resistance and the maximum power density of the best samples about of 0.21-0.23 Ohm?cm2 and of 610 mW/cm2, respectively, at 800°C were obtained.

7. Sochugov, N.S., Soloviev, A.A., Shipilova, A.V., Kirdyashkin, A.I., Maznoy, A.S., Metal-supported solid oxide fuel cell with YSZ electrolyte fabricated by vacuum plasma method // 2011 EFC 2011 - Proceedings of the 4th European Fuel Cell Piero Lunghi Conference and Exhibition pp. 87-88

This paper describes a fabrication and investigation of a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC) with magnetron-sputtered Ni anode and ZrO2:Y2O3 (YSZ) electrolyte. As a metal supports were used a porous Ni3Al samples prepared by self-propagating high-temperature synthesis (SHS). Deposition of the electrolyte films was performed on the porous Ni3Al substrates which preliminary were coated by a Ni leveling and gas-diffusion layer. The surface and cross-section microstructure of Ni3Al substrates was investigated. The cells were also characterized by means of i-V characteristics and impedance spectroscopy at an operating temperature of 600-800°C.

8. Shipilova, A.V., Soloviev, A.A., Sochugov, N.S., Rotshtein, V.P., Rabotkin, S.V., Formation of anode supported thin film YSZ electrolyte for ITSOFC by magnetron sputtering in the combination with pulsed electron-beam treatment // 2011 EFC 2011 - Proceedings of the 4th European Fuel Cell Piero Lunghi Conference and Exhibition pp. 39-40

We describe a method of obtaining anode-supported ZrO2:Y2O3 (YSZ) electrolyte films produced by reactive magnetron sputtering for intermediate temperature solid oxide fuel cell applications. A pulsed electron beam treatment was used as a method of preliminary modification of the porous structure in anode substrates. The influence of this pretreatment on the gas tightness, structural and electrochemical properties of deposited films was studied. It is shown that magnetron sputtering combined with a pulsed electron-beam treatment lead to the formation of deposited YSZ films with a fine microstructure and improvement of electrochemical properties. For the electrolyte thickness about 2.5 μm and the gas permeability value of anode/electrolyte structure of 1.01×10-7 mol/m2s Pa, the maximum power density achieved for a single cell at 800°C and 650°C was found to be 610 and 220 mW/cm2 in air, respectively.

2010

1. Сочугов Н.С., Ковшаров Н.Ф., Соловьев А.А., Шипилова А.В., СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ // Патент на изобретение RU 2401483 C1, 10.10.2010. Заявка № 2009137152/07 от 07.10.2009. https://elibrary.ru/item.asp?id=37705902

Изобретение относится к области водородной энергетики и представляет собой способ изготовления твердооксидных топливных элементов. Техническим результатом является уменьшение пористости и размера пор поверхностного слоя несущего электрода, что позволяет наносить тонкие газонепроницаемые пленки ZrO₂:Y₂О₃ электролита толщиной 1-3 мкм. Согласно изобретению формирование многослойного несущего электрода с градиентно-пористой структурой и последующее нанесение слоя газонепроницаемого тонкопленочного электролита происходит следующим образом. Формирование слоя электрода с меньшей объемной пористостью и размером пор проводят оплавлением поверхностного слоя электрода электронным пучком на глубину 1-1.5 мкм, а нанесение газонепроницаемого тонкопленочного электролита проводят методом магнетронного распыления. Кроме того, технический результат достигается, если перед оплавлением поверхностного слоя электрода электронным пучком на этот слой методом магнетронного распыления наносится пленка электролита. Оплавление поверхностного слоя производится электронным пучком с параметрами: плотность энергии пучка 0.8÷3 Дж/см², количество импульсов 1-6. 

Статья

2. Соловьев А.А., Сочугов Н.С., Оскомов К.В., ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОКРЫТИЯХ TIN НА УДЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ В АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ // Физика металлов и металловедение. 2010. Т. 109. № 2. С. 120-129. https://elibrary.ru/item.asp?id=13724867

Методами рентгеноструктурного анализа, масс-спектрометрии, атомно-силовой микроскопии выполнен сравнительный анализ причин возникновения остаточных напряжений в покрытиях TiN, наносимых методом реактивного магнетронного распыления, и их влияние на удельные магнитные потери в электротехнической стали. Исследованы физические и механические характеристики покрытий, включающие определение твердости, модуля упругости, остаточных напряжений, микроструктуры и морфологии поверхности. Показано, что уровень внутренних напряжений в покрытии зависит от его толщины и повышается с увеличением количества и энергии ионов в осаждаемом потоке. Максимальные значения сжимающих напряжений в покрытиях (13 ГПа) были получены при использовании несбалансированного режима работы магнетрона и отрицательного смещения на подложке. Полученные в данных условиях покрытия имеют твердость до 29 ГПа. Продемонстрирована возможность снижения на примерно 15% потерь в электротехнической стали при нанесении на ее поверхность покрытий с большими сжимающими напряжениями.

Статья

3. Соловьев А.А., Сочугов Н.С., Шипилова А.В., Ротштейн В.П., Тумашевская А.Е., Ефимова К.Б., ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО Z_RO₂-Y₂O₃ ЭЛЕКТРОЛИТА ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА МЕТОДАМИ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ И МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2010. Т. 5. № 1. С. 51-56. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=14982369

Рaзработан новый способ формирования тонкопленочного ZrO₂-Y₂O₃ электролита на несущем аноде твердооксидного топливного элемента с использованием импульсной электронно-пучковой обработки и магнетронного распыления. Исследована структура анодных подложек до и после обработки электронным пучком, а также образцов с покрытиями ZrO₂-Y₂O₃ электролита. Получены вольтамперные и мощностные характеристики экспериментальных ячеек топливного элемента.

Статья

4. Соловьев А.А., Сочугов Н.С., Оскомов К.В., Захаров Н.А., СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ZNO:GA/AG/ZNO:GA ПОКРЫТИЙ, НАНОСИМЫХ МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2010. Т. 46. № 4. С. 361-366. https://elibrary.ru/item.asp?id=15141986

Методами Ван-дер-Пау, спектрометрии и атомно-силовой микроскопии исследованы оптические и электрофизические свойства многослойных ZnO:Ga/Ag/ZnO:Ga покрытий, наносимых методом магнетронного распыления. Исследовано влияние толщины слоев покрытия на поверхностное сопротивление, прозрачность и отражение многослойной структуры в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Исследована морфология поверхности и стойкость покрытий к воздействию влаги. Показано, что покрытия ZnO:Ga/Ag/ZnO:Ga обладают высокой прозрачностью в видимом диапазоне Т = 90%, большим коэффициентом отражения в ИК-области спектра R = 93% и малым поверхностным сопротивлением R_п = 4.88 Ом/□. При этом, как показали исследования на влагостойкость, покрытия со структурой ZnO:Ga(25 нм)/Ag(15 нм)/ZnO:Ga (75 нм) обладают наибольшим сопротивлением к деградации, вызванной воздействием влаги, и не претерпевают изменений после тестирования, что может использоваться в качестве эффективного способа защиты пленок серебра от деградации.

Статья

5. M. C. Salvadori, F. S. Teixeira, W. W. R. Araújo, L. G. Sgubin, N. S. Sochugov, R. E. Spirin, and I. G. Brown, A high voltage pulse power supply for metal plasma immersion ion implantation and deposition // 2010 Review of Scientific Instruments 81(12),124703 https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.3518969

We describe the design and implementation of a high voltage pulse power supply (pulser) that supports the operation of a repetitively pulsed filtered vacuum arc plasma deposition facility in plasma immersion ion implantation and deposition (Mepiiid) mode. Negative pulses (micropulses) of up to 20 kV in magnitude and 20 A peak current are provided in gated pulse packets (macropulses) over a broad range of possible pulse width and duty cycle. Application of the system consisting of filtered vacuum arc and high voltage pulser is demonstrated by forming diamond-like carbon (DLC) thin films with and without substrate bias provided by the pulser. Significantly enhanced film/substrate adhesion is observed when the pulser is used to induce interface mixing between the DLC film and the underlying Si substrate.

Статья

6. Zakharov, A.N., Oskomov, K.V., Rabotkin, S.V., Solov'ev, A.A., Sochugov, N.S., Gallium-doped zinc oxide films deposited using an unbalanced magnetron sputtering system // 2010 Technical Physics 55(5), pp. 719-723 https://link.springer.com/article/10.1134%2FS1063784210050191

Gallium-doped zinc oxide films are deposited using an unbalanced magnetron sputtering system. The films are deposited by dc sputtering of a conducting ceramic target in an argon atmosphere. The substrate temperature is 150°C. The film surface morphology is studied by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. As the degree of magnetron unbalance increases, the electrophysical properties of the films deposited along the system axis are shown to improve, and the distribution of the film electrical resistivity over the substrate surface becomes more uniform.

 Статья

7. Sochugov N.S., Batrakov A.V., FUNDAMENTAL SCIENCE FOR APPLIED SCIENCE AN ELECTRON BEAM GIVES RISE TO A FUEL CELL // Science First Hand. 2010. № 1 (25). pp. 12-13. https://elibrary.ru/item.asp?id=28408642

Tomsk researchers proposed to use specific features of a high-current electron beam in production of fuel cells for hydrogen-based power engineering.

2009

1. Дядин В.И., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С., ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР // Патент на изобретение RU 2351398 C1, 10.04.2009. Заявка № 2007139230/03 от 22.10.2007. https://elibrary.ru/item.asp?id=37546909

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых и может быть использовано для сепарации мелких металлических включений, в частности золота, из потока сыпучего материала, в частности песка россыпных и техногенных месторождений. Электродинамический сепаратор проводящих частиц содержит катушку с источником питания для генерации импульсного магнитного поля, средство подачи смеси в зону магнитного поля, приемную емкость для проводящих частиц, приемную емкость для непроводящих частиц. Дополнительно содержит вторую катушку с источником питания, расположенную соосно первой. Импульсы магнитного поля второй катушки имеют задержку относительно импульсов магнитного поля первой катушки на время ΔТ=0,1÷0,4Т_имп, где Т_имп - длительность импульса магнитного поля. Технический результат заключается в повышении эффективности сепарации за счет выделения мелких и тонких фракций металла, не выделяющихся гравитационными методами из-за физико-химических особенностей поверхности частиц.

 Статья

2. Оскомов К.В., Сочугов Н.С., Соловьев А.А., Работкин С.В., ТВЕРДЫЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УГЛЕРОДНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРИТА // Письма в Журнал технической физики. 2009. Т. 35. № 19. С. 20-29. https://elibrary.ru/item.asp?id=20327001

Впервые методом несбалансированного магнетронного распыления графита в условиях импульсной высоковольтной ионной бомбардировки подложки получены твердые углеродные покрытия, содержащие значительное количество нанокристаллического фуллерита. Показано, что для наиболее твердых образцов (18.8 GPa) объемная доля фуллерита в покрытии (50%), размер областей когерентного рассеяния (53 nm), степень преимущественной ориентации зерен (85%), относительная деформация решетки (1.02%) и уровень внутренних сжимающих напряжений (2.91 GPa) достигают максимума. Такое поведение согласуется с механизмом упрочнения, объясняющим феномен возникновения сверхтвердости в нанокристаллических и нанокомпозитных материалах. Это предположение подтверждается также исследованиями морфологии роста полученных покрытий.

3. Соловьев А.А., Захаров А.Н., Работкин С.В., Оскомов К.В., Сочугов Н.С., ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ НЕСБАЛАНСИРОВАННОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ ПОКРЫТИЙ Z_NO:G_A  // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 2. С. 58-65. https://elibrary.ru/item.asp?id=11803898

Экспериментально изучены характеристики магнетронной распылительной системы c электромагнитной катушкой, позволяющей реализовывать различные конфигурации магнитного поля над поверхностью катода. Исследовано влияние режимов магнетронного распыления на свойства легированных галлием пленок оксида цинка. Установлено, что использование несбалансированных магнетронных распылительных систем позволяет уменьшить удельное сопротивление покрытий до 5·10-4 Ом·cм при температуре подложки 90°С.

 Статья

4. Соловьев А.А., Сочугов Н.С., Шипилова А.В., Ротштейн В.П., Ковшаров Н.Ф., ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОРИСТЫХ АНОДОВ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2009. № 9 (77). С. 27-38. https://elibrary.ru/item.asp?id=12994507

 В работе проведена модификация поверхности пористых анодов твердооксидного топливного элемента методом импульсной электронно-пучковой обработки, позволившим существенно изменить микроструктуру поверхностного слоя. Оптимальными, с точки зрения формирования развитой модифицированной поверхности, уменьшения пористости поверхностного слоя анодной подложки, а также улучшения структурных характеристик напыляемого в дальнейшем тонко-пленочного электролита, являются режимы пучковой обработки, при которых число импульсов N не превышает 3, а плотность энергии лежит в диапазоне E_s = 0,8-2,5 Дж/см². Такие режимы обработки позволяют снизить газопроницаемость модифицированных образцов более чем в 10 раз по сравнению с исходным значением. Толщина модифицированного слоя во всех режимах обработки составила ~ 0,5-1,5 мкм.

2008 

1. Дядин В.И., Латкин А.С., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С., СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПРОВОДЯЩИХ ЧАСТИЦ ИЗ СМЕСИ ДИСПЕРСНЫХ НЕМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ // Патент на изобретение RU 2314164 C1, 10.01.2008. Заявка № 2006116453/03 от 12.05.2006. https://elibrary.ru/item.asp?id=37591151

Использование: для извлечения немагнитных проводящих дисперсных материалов из смеси с дисперсными непроводящими немагнитными материалами, таких как частицы редких и благородных металлов, содержащихся в естественных и техногенных россыпных месторождениях. Может быть использовано в цветной металлургии, металлообрабатывающей промышленности, производстве строительных материалов и пищевой промышленности. Обеспечивает возможность извлечения мелких и тонких фракций цветных, редких и драгоценных металлов из смеси дисперсных немагнитных материалов. Способ включает воздействие на поток смеси мощным высокоградиентным импульсным магнитным полем. Импульсам магнитного поля придают форму ассиметричную во времени, при которой длительность переднего фронта импульса меньше заднего. Напряженность поля (H(t)) не менее 10⁶ А/м при скорости изменения (dH(t)/dt) не менее 10⁷ А/м·с и градиенте (grad Н) не менее 10⁸ А/м² .

 Статья

2. Захаров А.Н., Подковыров В.Г., Работкин С.В., Сочугов Н.С., СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА // Патент на изобретение RU 2316613 C1, 10.02.2008. Заявка № 2006113291/02 от 19.04.2006. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37592458

Изобретение относится к области получения тонкопленочных покрытий, в частности к вакуумному нанесению прозрачных низкоэмиссионных покрытий методом реактивного магнетронного распыления. Техническим результататом является увеличение однородности параметров пленки оксида цинка, допированного алюминием, полученных при температурах подложки не выше 150°С. Данный результат достигается тем, что магнетронное распыление ведут при подаче на мишень импульсного биполярного напряжения.

 Статья 

3.  Дядин В.И., Кожевников В.Ю., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С., МЕТОД ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ МАЛЫХ ПРОВОДЯЩИХ ЧАСТИЦ // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2008. № 3. С. 110-117. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11529276

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность сепарации малых проводящих немагнитных частиц в сепараторе с импульсным бегущим магнитным полем. Обоснована возможность построения технологии сепарации мелкого и тонкого золота из россыпных и техногенных месторождений на базе предложенного метода.

 Статья 

2007

1. Сочугов Н.С., Павлинский А.В., Миков А.В., Арсланов И.Р., ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ // Патент на полезную модель RU 68777 U1, 27.11.2007. Заявка № 2007100576/22 от 09.01.2007. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38433298

Источник питания газоразрядных устройств предназначен для питания и стабилизации газового разряда. Источник содержит демпфирующий дроссель, включенный последовательно с нагрузкой. Дроссель имеет дополнительную обмотку, которая может быть замкнута контактами реле в зависимости от режима работы. Применение демпфирующего дросселя позволяет уменьшить массу и габариты источника питания и увеличить его КПД, а наличие дополнительной обмотки позволяет вводить дроссель в работу без необходимости коммутации выходной цепи высокого напряжения.

 Статья