Тонкопленочные нанотехнологии в храмовой архитектуре

Основная часть

Храмовая архитектура – это искусство проектирования и строительства храмов, святынь и религиозных сооружений. Она имеет долгую и богатую историю, начиная с древних времен и до наших дней [1].

Первые храмы появились в древних цивилизациях, таких как Древний Египет, Месопотамия и Древняя Индия. Они были местами поклонения богам и использовались для проведения религиозных обрядов и церемоний.

В различных эпохах и культурах храмовая архитектура развивалась и менялась. В Древней Греции, например, храмы были построены в стиле дорического, ионического и коринфского ордеров. Они были величественными и красивыми сооружениями, украшенными скульптурами и росписями.

Так, в средние века храмовая архитектура стала отражать религиозные и культурные особенности того времени. В Византии были построены великолепные православные соборы с куполами и мозаиками. В Европе средневековые храмы строили в готическом стиле с высокими сводами и резьбой по дереву [1].

В более поздние времена храмовая архитектура стала сочетать различные стили и влияния. В Ренессансе были возрождены классические формы древних греко-римских храмов, а в барокко и рококо добавились изысканные детали и украшения.

Сегодня храмовая архитектура так же продолжает развиваться и принимать новые формы. Современные храмы могут быть построены в различных стилях, от традиционных до современных, и использовать новые материалы и технологии.

Храмовая архитектура имеет большое значение для религиозных сообществ и культурных традиций. Она служит местом поклонения, собрания и молитвы, а также является символом веры и духовности. Красота и величие храмовых сооружений вдохновляют и впечатляют людей уже много веков [1].

В последнее столетие, покрытие куполов золотом стало характерной и отличительной чертой Русской православной церкви. Золотые купола стали символом вечности, покоя, постоянства и небесной славы, величия религии. И сотни церковных построек и храмов с величественными золотыми куполами украшают вид городов, деревень и сёл.

Православные храмы обычно имеют круглый по форме купол. По одной из версий, в России стали делать купола вытянутой формы, чтобы снег скатывался с кровли, и не образовывался на куполе лед. Кроме того, чтобы лучше сохранять тепло, потребовалось утепленное подкупольное пространство. Купольная тенденция в архитектуре храмов и церквей на Руси наблюдалась при строительстве первых церквей и храмов, эта традиция остается актуальной и до сих пор. Красивый могущественный купол возвышается над храмом, как символ преодоления и одухотворения мертвой материи [1].

Самое сложное и кропотливое в купольной постройке – декорирование самих куполов и покрытие куполов золотом – крайне ответственная и трудоемкая работа. Существует такая редкая и ответственная профессия – золотник. На примере Собора Рождества Пресвятой Богородицы в Солотчинском женском монастыре, который находится Рязанской области, купол церкви, как и множество других церквей по России, но не простые купола, а золотые. Еще пару веков назад труд мастеров золотильщиков считался – одним из самых опасных, сопряженных с высоким уровнем риска и требующий определенных скалолазных навыков строительной работы и работы с вредными химическими элементами. В то время облицовка купола проводилась старинным методом огневого золочения – бралась ртуть, в ней растворялось золото, и затем над горящими углями устанавливался медный лист, на который способом тщательной растирки наносилась золотая амальгама. Опасность работы заключалась в том, что выделяющая вредные испарения ртуть постепенно убивала мастеров. Например, во время золочения куполов Исаакиевского собора, на которые ушло 100 кг золота, погибло 60 мастеров золотильщиков [1].

Конечно технологии, подобные огневому золочению куполов, давно остались в прошлом. Современные методы безопасные и гораздо более совершенные. Натуральная позолота, в связи с высокой стоимостью и недолговечностью материала, в наши дни используется все реже [2].

Новые технологии пришли на смену старым. В настоящее время для покрытия куполов, крестов и других элементов, украшающих храмы, применяют тонкие пленки нитридов титана и циркония (TiN и ZrN), обладающие высокой коррозионно- и износостойкостью. В храме Христа Спасителя в Москве, восстановленном по сохранившимся чертежам и фотографиям, из-за дороговизны работ по золочению, купола и кресты были покрыты TiN, который имеет цвет золота, а по механическим свойствам намного его превосходит [2].

Обладающие повышенной химической инертностью и твердостью пленки алмаза, алмазоподобные углеродные пленки (АУП) и пленки нитридов металлов (TiN, ZrN, AlN) применяют как износостойкие покрытия. Указанные пленки также находят применения в качестве функциональных слоев устройств твердотельной электроники, так как они обладают автоэмиссионными свойствами, а при легировании определенными примесями являются широкозонными полупроводниковыми материалами с большой подвижностью носителей, проявляющими радиационную стойкость. Наибольшие перспективы формирования защитных пленок нитридов металлов и углеродных материалов связаны с методами тонкопленочной технологии [2].

Пленки TiN и ZrN получали на подложках из Si методом дугового разряда при следующих условиях: давление азота (N2) 0,5 Па; ток испарителей 100–120 А; напряжение на подложке 200–220 В; температура подложки 600–700 К. Пленки TiN и ZrN также получали методом ВЧ-магнетронного реактивного распыления мишеней из Ti или Zr в газовой смеси из 60 объемных % N2 + аргон (Ar) при давлении 0,6-1,2 Па (мощность ВЧ-разряда (13,56 МГц) 1-3 кВт; температура подложки 500-720 К). Пленки АlN получали на подложках из Si, сапфира (Al₂O₃) и плавленого кварца методом ВЧ-магнетронного реактивного распыления мишени из А1 в газовой смеси из (40-60) об.% N₂ + Ar при давлении 0,6-0,9 Па (мощность ВЧ-разряда 0,2-3 кВт; температура подложки Пленки алмаза выращивали на подложках из Si из газовой смеси метана (СН₄) и водорода (Н₂), активированной дуговым разрядом. Состав газовой смеси (1,5-4) об.% СН₄ + Н₂; давление газа > 104 Па; расход газа ~5 л/ч; мощность разряда 800-1500 Вт; температура подложки 1200-1470 К. АУП получали на подложках из Si и плавленого кварца методом диодного ВЧ-разряда из газовой смеси циклогексана (С6Н6) и Н2, а также методами ВЧ-магнетронного распыления или распыления графита ионным пучком. При формировании диодным ВЧ-разрядом АУП толщиной > 1 мкм в газовую смесь добавляли кислород (О₂) и Аr. Подложки до 250 К охлаждали с использованием термоэлектрической батареи [3].

Состав и строение пленок исследовали с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ) Carl Zeiss Leo 1430 VP; атомно-силового микроскопа (АСМ) Digital Instruments, Nanoscope 3; рентгеновского дифрактометра Rigaku D/MAX-2500/PC (Сu Кα излучение) и лазерного спектрометра комбинационного рассеяния (КР) света LabRAM HR800 (HORIBA Jobin-Yvon (линия 632.8 нм He-Ne лазера; мощность лазера < 300 мВт). Механические свойства пленок исследовались с использованием микротвердомера ПМТ-3. Толщины пленок измеряли профилографом-профилометром ALPHA-STEP 200 [3].

Пленки алмаза имели зернистое строение с характерной для алмаза огранкой зерен по {100} и {111}, при этом зерна состояли из аксиально текстурированных пластин. Размер кристаллитов (областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения) пленок алмаза составлял для разных толщин пленок 20-200 нм. Ростовая поверхность АУП имела глобулярное строение и среднеарифметическое отклонение профиля ростовой поверхности АУП не превышала 5 нм. По рентгеновским дифрактограммам пленок алмаза было установлено наличие кристаллической фазы алмаза (пространственная группа Fd3m). Концентрация алмазной фазы в пленках составляла 95-99 об.%. АУП состояли из рентгеноаморфных и кристаллических фаз углерода: алмаз (пр. гр. Fd3m), чаоит и карбин (обе гексагональная сингония). Концентрация алмазной фазы в АУП составляла < 5 об.%. Рентгенофазовый анализ АУП, полученных диодным ВЧ-разрядом из газовой смеси, содержащей О₂, показал наличие > 10 об.% карбина.

На спектрах КР пленок алмаза присутствует единственная интенсивная полоса при сдвиге КР ∆ν равном ~1332 см-1 (полуширина полосы (ширина на половине высоты) ∆ν1/2 = 3,4–4,3 см-1). Спектры КР АУП характеризуются размытыми полосами D и G при ∆ν равном ~1330-1340 см-1 и ~1540-1600 см-1, относящимся к валентным колебаниям углеродных пар. Полоса G – характеристика упорядоченного графита (колебания пар атомов углерода с sp2 гибридизацией связей). Нарушения порядка атомного строения приводит к уширению полосы G и появлению полосы D, величина которой пропорциональна степени разупорядочения графита и связана с sp3 гибридизацией углерода [3].

Выращенные в неравновесных условиях методом магнетронного распыления пленки TiN, ZrN текстурированны и имеют волокнистое строение, при этом ось текстуры совпадает с направлением оси кристаллитов (волокон). Волокна пленок TiN и ZrN, имеющих кубическую решетку, ориентируются по кристаллографическим направлениям <111>, <100> и <110>, а волокна пленок AlN (гексагональная решетка) – в направлении <0001>. При магнетронном распылении в объеме пленок нитридов образуются и разрастаются частицы того же состава, кристаллографическая ориентация которых отличается от ориентации пленки. При использованных в работе параметрах у пленок формировалась поликристаллическая текстурированная фаза независимо от материала подложки. Степень кристалличности пленок TiN и ZrN (содержание кристаллической фазы в объеме пленки) не превышала 40 об.%, а у пленок AlN достигала 90 об.%.

Промежуток между аксиально текстурированными волокнами заполняет рентгеноаморфная фаза. При осаждении пленок на подложках из рентгеноаморфных и поликристаллических материалов рост пленок происходит по нормальному (нетангенциальному) механизму, при котором преимущественное направление роста пленок определяется атомным строением формируемого материала, а ориентирование пленок относительно подложки – направлением потока пленкообразующих частиц.

На спектре КР пленки TiN, полученной магнетронным распылением, присутствуют полосы при ∆ν 218; 306; 506 и 564 см-1 (∆ν1/2 полос составляет 95-120 см. На спектре КР пленки TiN, полученной методом дугового разряда, наблюдали размытые полосы при ∆ν 224; 320, 431, 559,

602, 830 и 1130. В спектре КР пленки ZrN преобладают асимметричная полоса при ∆ν 496 см-1 и две полосы при ∆ν 178 и 231 [3].

Микротвердость пленок алмаза достигала 9500 кгс/мм2, но зернистость и пластинчатое строение зерен делает их хрупкими, а необходимость высокой температуры подложки (> 1200 К) осложняет применение в конкретных устройствах. АУП, полученные распылением графита ионным пучком, а также методом диодного ВЧ-разряда, имели микротвердость > 3000 кгс/мм2. Наличие АУП на поверхности подложки приводило к упрочнению приповерхностных слоев подложки, повышало предел хрупкости и вязкость разрушения композита при контактных воздействиях. Наблюдение состояния поверхности слоистой структуры Si/АУП вокруг отпечатков индентора микротвердомера показало, что при достаточно малых нагрузках на индентор (при давлении < 0,1 Н) деформирование материала при царапании и вдавливании носит пластический характер без образования трещин в подложке и АУП.

Присутствие АУП на поверхности подложек из плавленого кварца оказывает при микроконтактных воздействиях на слоистую структуру подложка/пленка заметное пластифицирующее влияние, существенно снижая в материале градиент механических свойств по глубине анализируемого слоя [3].

Микротвердость на вдавливание пленок TiN толщиной 0,6 мкм возрастала с 14 до 17,1 ГПа – с увеличением нагрузки на индентор с 5.10-2 Н – до 2.10-1 Н (толщина анализируемого слоя составляла ~3-8 мкм). У пленок TiN толщиной 1,2 мкм микротвердость на вдавливание возрастала с 12,3 до 17,3 ГПа, при том же увеличении нагрузки. Слоистая структура Si/ZrN пластична только при малых нагрузках на индентор (< 0,1 Н).

При степени кристалличности > 90 об.%, микротвердость пленок AlN составляла ~1300 кгс/мм2. Устойчивость к истирающим нагрузкам текстурированных пленок AlN обеспечивалась, как за счет большой степени кристалличности AlN, так и за счет контакта абразива с поверхностью защитного покрытия по наиболее твердому направлению кристаллической решетки AlN – <0001>. Эксплуатацию защитной пленки AlN толщиной 3 мкм проводили в составе микросхемы при истирающих нагрузках (давление прижима к термочувствительной бумаге 0,3·102 кПа) и температуре до 600 К. После эксплуатации в течение 600 часов уменьшение толщины защитного покрытия составляло < 0,2 мкм [3].

Заключение

Храмовая архитектура играет важную роль в истории России. Она отражает духовные и культурные ценности народа, а также является символом его исторического развития. Основные стили храмовой архитектуры, такие как древнерусский стиль, барокко, классицизм и другие, имеют свои уникальные особенности и характерные элементы. Храмы являются не только местами богослужения, но и центрами общественной жизни, где происходят различные культурные и общественные события. Примеры известных храмовых сооружений, таких как Софийский собор, Храм Христа Спасителя и другие, являются важными памятниками истории и культуры России.

Описанная работа наноструктурированных пленок углеродных материалов и нитридов металлов (TiN, ZrN и AlN) помогает понять структуру и характеристику пленок. Устойчивость к механическим нагрузкам слоистых структур обеспечивалась за счет большой концентрации в защитном покрытии кристаллической фазы и ее ориентирования по наиболее твердым направлениям кристаллической решетки. Варьируя условия синтеза, можно управлять фазовым составом и строением фаз пленок, оцениваемых по рентгеновским дифрактограммам и спектрам КР [4].

1. Борисов С.В. Особенности проектирования сельских храмов в средней полосе России. 2008.
2. Борисов С.В. Традиции и новаторство в современном храмостроении. 2013.
3. Сушенцов Н.И., Борисов С.В. Тонкопленочные нанотехнологии в декоративном убранстве храмов. 2010.
4. Самойлович М.И. Формирование наноструктурированных пленок алмазоподобных материалов: часть 1, 2. 2006.