Orientador: Francisco das Chagas Marques

Dissertação (mestrado) - Universidade estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Neste trabalho realizamos o estudo das propriedades mecânicas de filmes de carbono amorfo hidrogenados. Estes filmes possuem grande interesse em várias aplicações tecnológicas como camada protetora, revestimento de discos magnéticos, camada anti-refletora, diodos fotoluminescente, entre...

Resumo: Neste trabalho realizamos o estudo das propriedades mecânicas de filmes de carbono amorfo hidrogenados. Estes filmes possuem grande interesse em várias aplicações tecnológicas como camada protetora, revestimento de discos magnéticos, camada anti-refletora, diodos fotoluminescente, entre outras. Um dos maiores problemas que limita a sua aplicação, é o alto valor de stress geralmente encontrado em filmes com alta dureza. Este stress é o principal responsável pela pouca adesão dos filmes de carbono amorfo duros. Desta forma, a produção de filmes com baixo stress, sem decréscimo da dureza, é bastante importante para a aplicação tecnológica deste material.
Os filmes foram preparados utilizando um sistema de rf sputtering através da decomposição do metano. Conseguimos obter filmes com excelentes propriedades mecânicas, isto é, filmes com alta dureza, baixo stress e alta taxa de deposição ao variarmos a tensão de bias do sistema. Foram preparados filmes com dureza de 17 GPa, stress de 0.5 GPa e taxa de deposição de 2.5 Å/s. Filmes com a dureza e stress acima podem ser de grande interesse para uma possível aplicação tecnológica como camada protetora. Conseguimos também encontrar uma grande evidência do processo de sub-implantação, utilizado para explicar o processo de formação de filmes de carbono amorfo altamente tetraédricos (ta-C,ta-C:H), para filmes de a-C:H preparados através de decomposição de gases. Propomos que a estrutura dos nossos filmes consiste de uma matriz dispersa dos sítios sp2 responsáveis pela rigidez da rede. O papel principal das ligações Sp3 C-C ( carbono quaternário) é de gerar a maior contribuição do stress compressivo existente no material, como também contribuir para a dureza do filme.
Realizamos também a preparação de filmes com boas propriedades mecânicas variando a pressão de metano da câmara. Obtivemos nestas condições de preparação, filmes de a-C:H duros em toda a faixa de pressão estudada. Além disto, conseguimos uma considerável redução do stress, cerca de 50%, sem um significante decréscimo da dureza do material. Encontramos também que o coeficiente de dilatação térmica e o módulo biaxial permanecem constantes em toda a faixa de pressão estudada. O aumento no gap de Tauc e da área da vibração C-H stretching sugere um aumento no número de ligações C-H na estrutura dos filmes com o aumento da pressão. Conseguimos obter filmes com dureza de 17 GPa, stress de 1.3 Gpa, e com uma taxa de deposição relativamente alta de 2 Å/s. Dependendo da espessura, a redução do stress obtida já é
baixa o suficiente para a preparação de filmes estáveis. Apesar do stress deste filme (1.3 GPa) ser maior quando comparado com o stress obtido dos filmes preparados a alto bias (0.56 GPa), estes possuem um valor de gap ótico mais alto o que viabiliza a sua utilização como camada anti-refletora ou revestimento de peças óticas

Abstract: In this work we have developed a study on the mechanical properties of hydrogenated amorphous carbon films. These films have numerous potential applications like wear resistant coatings, magnetic recording disk, antireflective coatings, photoluminescent diode, etc. One of the main problems...

Abstract: In this work we have developed a study on the mechanical properties of hydrogenated amorphous carbon films. These films have numerous potential applications like wear resistant coatings, magnetic recording disk, antireflective coatings, photoluminescent diode, etc. One of the main problems that hinders these applications is the high internal stress, usually present in films with high hardness. It is well known that high stress is responsible for the poor adhesion of hard amorphous carbon films. Therefore, the production of films with low stress is extremely important for technological application.
In this work, the films were prepared in a conventional rf sputtering system through methane gas decomposition. The fi1ms produced as a function of the bias voltage possessed excellent mechanical properties: high hardness, low stress and high deposition rate. We have been able to prepare a fi1m with hardness of 17 GPa, stress as low as 0.5 GPa and with a deposition rate of 2.5 Å/s. A film with these properties can be of significant interest for technological application as hard coating. Also, we found a strong evidence that the subimplantation process, used to explain the formation of highly tetrahedral amorphous carbon films (ta-C,ta-C:H), is also valid for a-C:H films deposited by methane plasma decomposition. We proposed that the rigidity of our films is basically provided by a matrix of dispersed cross-linked Sp2 sites. The main role of the quaternary carbon (Sp3 C-C) would be to strain the cross-linked structure, providing the major contribution to the compressive stress presented in the films, and also a small improvement of the material hardness.
We have also obtained films with good mechanical properties by varying the methane gas pressure. Remarkable reductions of the film stress, of about 50%, without a significant decrease of the film hardness were obtained. The thermal expansion coefficient and the biaxial modulus remained constant in alI pressure range. The increase in both Tauc gap and C-H stretching area suggests a increase of the number of C-H bonds in the film structure as the methane pressure increases. We also prepared films with hardness of 17 GPa, stress of 1.3 GPa and a deposition rate of 2 Å/s. The stress of these films are sufficient low for a possible application of these material as hard coating. Although this stress is higher than the stress of the films produced at high bias, these films have a higher value of the Tauc gap, which provides a potential application of these films as anti-reflecting coatings