universidad tecnológica de querétaro

UTEQ
Firmado digitalmente por UTEQ
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=UTEQ, o=UTEQ, ou=UTEQ,
[email protected], c=MX
Fecha: 2016.01.22 12:43:10 -06'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
Síntesis y caracterización de recubrimientos carbono tipo diamante (DLC)
obtenidos por la técnica de Depósito por Vapores Químicos Asistido por
Plasma (PECVD)
Empresa:
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS S.C.
(CIMAV, UNIDAD MONTERREY)
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN NANOTECNOLOGÍA
ÁREA MATERIALES
Presenta:
HURTADO PÁJARO VÍCTOR MANUEL
Asesor de la UTEQ
Asesor de la Organización
Dra. Jacqueline Bocarando Chacón
Dr. Eduardo Martínez Guerra
Santiago de Querétaro, Qro; enero de 2016.
Resumen
El Carbono Tipo Diamante (Diamond Like Carbon, DLC) adquiere importancia al
ser uno de los materiales utilizados en la industria debido a sus propiedades
fisicoquímicas. El trabajo que a continuación se presenta, tiene como principal
estudio los procesos de síntesis y caracterización de recubrimientos de carbono
tipo diamante (Diamond Like Carbon, DLC) generados por la técnica de
Depósito por Vapores Químicos Asistido por Plasma (PECVD). Los objetivos se
centran
en
estudiar
las
propiedades
mecánicas
y
químicas
de
los
recubrimientos DLC mediante la variación de parámetros: la razón de flujos de
gases en una atmósfera de Hidrógeno/Metano y/o Hidrógeno/Acetileno.
Se analizaron estructuralmente a través de técnicas de Fotoelectrónica de
Rayos X (XPS) y morfológicamente con Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)
y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), también se les hizo un análisis
químico elemental por medio de Espectroscopia de Energía Dispersiva (EDS).
La técnica de XPS brindo la energía de enlace característico para el pico C1S,
también las concentraciones de enlaces sp2 y sp3.
(Palabras clave: síntesis, caracterización, recubrimiento, DLC, PECVD)
2
Description
CIMAV, Monterrey Unit is a research center where I am doing my internship.
The laboratory where I am, is very big and organized. I am working with a
reactor RF- PECVD (Radio Frequency - Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition). CIMAV is a great place to create good science! Dr. Eduardo
Martínez Guerra is my supervisor; he is thin and medium height. He wears
glasses; he has black hair. He has brown eyes. He is positive, responsible and
always with an energetic attitude.
3
Dedicatorias
A mis raíces, mis abuelos Eduardo Hurtado Olvera y María González Reséndiz;
Amado Pájaro Morales y Celia Sánchez Cabello.
Con amor, para mis padres José Víctor Hurtado González y Ma. Celia Pájaro
Sánchez.
Mis tres alegrías más grandes, mis hermanos: Ana Olivia Pájaro Sánchez,
Brenda Ariana Hurtado Pájaro y Pedro Javier Hurtado Pájaro.
Por acompañarme en esto que me apasiona, por engrandecer mí espíritu de
lucha y entrega, por estar desde el principio hasta el fin. Por hacer de mi un
aspirante en sueños, conquistador de logros.
4
Agradecimientos
A Dios y Santa María del Pueblito por las dichas inmensas en este tiempo.
Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV, UNIDAD
MONTERREY), su aceptación y oportunidad para el desarrollo de este proyecto
fueron vitales para forjar un carácter orientado hacia la ciencia y tecnología, por
hacerme descubrir lo maravillosa y amplia que es mi carrera.
Dr. Eduardo Martínez Guerra extiendo las gracias por esta grandiosa
oportunidad, su conocimiento expandió mis panoramas y generó el análisis para
realizar todo conforme a las incógnitas que surgían, por hacerme creer y amar
en lo que se trabaja.
Dra. Alejandra García García por las facilidades para conmigo, las sonrisas y
pláticas, gracias por contagiarme de ánimos, su atención me hacía sentirme
cómodo y en casa, por confiar y tener en mente que podía hacer lo solicitado.
Dr. Francisco Enrique Longoria Rodríguez y M. En C. Luis Gerardo Silva
Vidaurri, grandes asesores e impulsadores para las grandes metas, seres
admirables por la dedicación que hicieron de este proyecto uno de los más
vitales en mi trayectoria académica; por transmitirme sus conocimientos, por
enseñarme que la dedicación y disciplina son fundamentales para todo.
5
Mi gratitud para el M. En A. Saúl López Herrera, un profesor excepcional,
responsable de crear un amor como ninguno a la carrera que me ha dado
muchas satisfacciones, una de ellas es por usted. ¡Si se pudo!, gracias.
A la Universidad Tecnológica de Querétaro, por brindarme las herramientas
necesarias para lograr la eficiencia a través de su matrícula de profesores e
instalaciones.
Extiendo mi gratitud a la M. En I. Liliana Sánchez Osornio, palabras que son y
serán recordadas por siempre. Un motor que impulsa a ser más exigente y
mejor con uno mismo para lograr lo planteado para la vida.
También a la Mtra. Martha Ramírez Cruz, por transmitir toda su sabiduría y
energía con una sonrisa, pláticas memorables que estarán por mucho tiempo,
una de las razones por las que salí fuera de mi hábitat, gracias; muchas
gracias.
A la Ing. En BCA. Moramay Guzmán Ávalos e Ing. Martha Pérez, por su
amistad y su accesibilidad, los consejos que enriquecieron mi desenvolvimiento
en los laboratorios.
6
Al profesor de inglés Héctor Gómez por su constancia, dedicación,
responsabilidad y paciencia, usted me impulso a seguir con lo planteado.
Al programa de Jóvenes Investigadores encabezado por el Dr. Ignacio Rojas
por ser así conmigo, por forjar mi carácter y hacerme ver que uno jamás
perderá nada si existe la dedicación, esfuerzo y esmero; gracias.
No quiero dejar a ninguno fuera pero haré mención a los que se han quedado
para no irse: José Luis Magos Rubio, Luis Antonio Ruiz Guzmán, Amanda
Marroquín, Karen Lara San Martín.
Mis colegas de Tecnología Ambiental y Nanotecnología; de todos adquirí lo
mejor: Lidia, Ián, Karla, Montse, Noé, Gabi, Rebeca, Chema, Rubén, Kaleb
Hiram, Lilia Patricia, Erika, Cristian, Karen Nayeli y Eufrocina, gracias.
Agradezco de corazón a los seres que hacían de mí un crecimiento profesional
y personal todos los días durante mi estadía en el CIMAV, los cuales están en
laboratorio de películas delgadas: Norma, Ever, Rubén, Oscar, Susy y Omar;
definitivamente han cambiado mis perspectivas sobre este contexto científico e
impulsado a querer seguir investigado por nuestro mundo, son la alegría
andante. Miles de gracias.
7
Índice
Resumen....................................................................................................................................... 2
Description.................................................................................................................................... 3
Dedicatorias ................................................................................................................................. 4
Agradecimientos .......................................................................................................................... 5
Índice ............................................................................................................................................. 8
I.
INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 10
II.
ANTECEDENTES ............................................................................................................. 11
III.
JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................... 18
IV.
OBJETIVOS ................................................................................................................... 19
4.1 Objetivo General ............................................................................................................. 19
4.2 Objetivos Específicos ..................................................................................................... 19
V.
ALCANCE ........................................................................................................................... 21
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS .............................................................................................. 24
6.1 Primera limitación (Dominio en la operación del sistema de depósito). ................ 24
6.2
Segunda limitación (disponibilidad en los equipos para la caracterización de
las muestras).......................................................................................................................... 25
6.3
Políticas preventivas en seguridad e higiene. ...................................................... 26
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ................................................................................. 28
VII.
7.1 Recubrimientos Duros ................................................................................................... 28
7.2
Carbono Tipo Diamante ........................................................................................... 31
7.2.1 Estructura del Carbono Tipo Diamante................................................................ 31
7.3
Técnicas para depósitos de Carbono Tipo Diamante (DLC) .............................. 33
7.3.1
Deposición por Arco Catódico ......................................................................... 34
7.3.2
Deposición por Arco Filtrado ........................................................................... 34
7.3.3
Deposición por Haz de Iones con Selector de Masa ................................... 35
7.3.4
Sputtering ........................................................................................................... 35
7.3.5
Ablación de Láser Pulsado .............................................................................. 36
8
7.3.6
Deposición Física de Vapor Asistida por Plasma......................................... 36
7.3.7
Deposición Química de Vapor Asistida por Plasma .................................... 37
7.3.8
Características de la deposición por DC-PECVD ....................................... 37
7.3.9
Características en deposición RF-PECVD .................................................... 38
8.0 Mecanismos de reacción y crecimiento de películas delgadas.............................. 39
9.0 APLICACIONES Y FUNCIONALIDADES.................................................................. 43
VIII.
PLAN DE ACTIVIDADES ............................................................................................. 46
IX.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS ............................................................... 47
X.
DESARROLLO DEL PROYECTO .................................................................................. 48
10.1
Sistema de Depósito ................................................................................................. 48
10.2
Preparación del sustrato .......................................................................................... 49
10.3 Limpieza de la cámara de depósito .......................................................................... 50
10.3
Proceso de Deposición............................................................................................. 51
10.4.1 Plasma .................................................................................................................... 51
10.4.2 Obtención de películas ......................................................................................... 53
10.4
Técnicas de caracterización para películas DLC ................................................. 54
10.5.1 Microscopía Electrónica de Barrido .................................................................. 54
10.5.2 Microscopía de Fuerza Atómica ......................................................................... 56
10.5.3 Reflectancia espectral (Filmetrics) ..................................................................... 57
10.5.4 Espectroscopia de Fotoelectrones de Rayos X (XPS) .................................... 58
10.5.5 Espectroscopía RAMAN ...................................................................................... 59
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS ...................................................................................... 61
11.1 Efecto de la combinación de variables .................................................................... 62
11.1.1 Morfología y composición química .................................................................... 62
11.2 Reflectancia Espectral ................................................................................................ 67
11.3 Análisis XPS ................................................................................................................. 69
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 72
XIII.
ANEXOS .............................................................................................................................
XIV.
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................
9
I.
INTRODUCCIÓN
Recientemente las publicaciones con respecto a los recubrimientos de DLC por
la técnica de CVD adquieren importancia al presentar altos valores de dureza,
bajos coeficientes de fricción, resistencia al desgaste, transparencia óptica, alta
resistividad eléctrica, conductividad térmica y excelente biocompatibilidad .Esto
permite extender su gama de aplicaciones, dentro de cualquier campo
industrial. Sin embargo, la baja adhesión resultado de los altos niveles de
tensiones internas de la película sobre algunos sustratos ha restringido su uso.
Una forma viable para evitar esta problemática es la generación de películas
delgadas, pues el material (DLC) de la primera capa en contacto con el sustrato
permite un bajo coeficiente de fricción y estabilidad química. En esta insistencia,
se utiliza una combinación de gases hidrocarburos para producir la película.
El flujo y tipo de gases confieren a la película propiedades fisicoquímicas.
En esta memoria de estadía profesional se detalla el proceso para la producción
y caracterización de recubrimientos de DLC, haciendo énfasis en la técnica de
depósito de vapores químicos asistida por plasma. El sustrato seleccionado es
Silicio con orientación  1 0 0 . Será depositado sobre el Carbono Tipo
Diamante (Diamond Like Carbon, DLC) se preveé que este depósito conlleve a
la utilización de estos materiales en aplicaciones prácticas de la industria.
10
II.
ANTECEDENTES
El carbono, elemento fundamental desde un contexto universal, cobra vital
importancia debido a sus diversas propiedades y estructuras moleculares,
consecuencia de las hibridizaciones y características químicas únicas que
presenta. La hibridización que exhibe el carbono está dada por enlaces
triples, dobles o simples entre los átomos de carbono, definidos como sp,
sp2, sp3 (Fig. 1) los cuales son pertenecientes a los enlaces covalentes:
doble pi, pi () y sigma ().
Fig. 1. Ilustración esquemática de las tres posibles hibridizaciones del carbono.
Debido a esto el carbono en su alotropismo presenta distintas formas, entre
ellas: el diamante, carbono amorfo, grafito, grafeno, nanotubos de carbono,
fullereno y carbono tipo diamante, descritas para diferenciar la naturaleza de su
estructura y su hibridización.
11
El diamante
El diamante, tiene una distribución atómica de carbonos que es atribuida a la
“estructura diamante”, en la que los carbonos se disponen como dos redes del
tipo cúbica centrada en caras (FCC) desplazadas, una con respecto a la otra
(
1 1 1
4 4 4
) (Fig. 1.1). La arista del cubo es de 3, 56 Å y cada átomo de cristal se
encuentra a una distancia de 1,545 Å de sus cuatro vecinos más próximos. Los
enlaces, formados por la hibridización del tipo sp3 de los orbitales del carbono,
son de tipo .El ángulo de enlace es de 109,5°, su densidad 3,52 gcm-3.
(Reinoso, 2004)
La importancia de este alótropo de carbono es derivada de sus propiedades,
logrando ser el material con mayor dureza existente con 120 Gpa, su alta
resistencia al desgaste, su bajo coeficiente de fricción, las cuales le permiten
funcionalizar en aplicaciones tecnológicas, mecánicas y ópticas.
Fig. 1.1 Estructura cristalina del diamante.
12
Carbón Amorfo
Forma alotrópica sin ordenamiento en los átomos de carbono (Fig. 1.2),
presentando varias hibridizaciones posibles tipo sp1 (dos electrones de valencia
formando enlaces σ y los otros, en orbitales py y pz, formando enlaces), sp2, o
sp3 (Reinoso, 2004),su función primordial surge de estos enlaces también sus
propiedades tendrán modificaciones a través de estos .
Fig. 1.2 Estructura cristalina del carbón amorfo.
Grafito
El grafito tiene una estructura cristalina laminar, pues utiliza la hibridización sp2
para formar un plano trigonal que consta de tres enlaces sigma, el resto forma
un orbital pz y un enlace  relativamente débil que es perpendicular al triángulo
(Wei & Narayan, 2000). La distancia entre cada plano es de 3,348 Å (Fig.1.3),
13
estos planos trigonales se mantienen unidos por débiles fuerzas de Van der
Waals, lo que confiere al grafito ser un material blando así como los enlaces 
permiten una delocalización de electrones que convierten al grafito un material
eléctricamente conductor. El grafeno es definido como una capa aislada del
grafito, con espesor de 1 átomo de carbono.
Fig. 1.3 Estructura cristalina del grafito.
Nanotubos de Carbono
Los nanotubos de carbono están formados por láminas de grafeno hexagonal
enrolladas sobre sí mismas, se pueden clasificar en dos tipos diferentes según
sea el número de capas (Fig. 1.4), los nanotubos de carbono de capa múltiple
(MWNT de las siglas del inglés Multi Walled Carbon Nanotubes), que son
aquellos formados por capas concéntricas, las cuales están separadas
aproximadamente a una distancia similar a la distancia interplanar del grafito y
los nanotubos de carbono de capa única, que se puede describir como una
14
capa bidimensional de grafito “enrollada” formando un cilindro de diámetro
nanométrico (2 nm) y una longitud de 100 m (SWCNT, abreviaturas derivadas
de la denominación inglesa Single Wall Carbon Nanotube) (Atienzar Corvillo,
2007).
Fig. 1.4 Tipos de nanotubos de carbono según número de
capa.
Fullereno
La molécula originalmente buckminsterfullerene; posee 12 caras pentagonales y
20 hexagonales simétricamente distribuidas para formar un balón molecular.
Estas moléculas se asocian entre sí en un sólido para formar una red cristalina
con una estructura cúbica centrada en las caras (Fig.1.5). En la red cada
molécula de C60 está separada de su vecina más cercana por 1 nm, la
distancia entre sus centros es de 1 nm y se mantienen unidas por débiles
fuerzas de Van der Waals (Poole Jr. & Owens, 2007).
15
Fig. 1.5 Molécula C60 (buckminsterfullerene)
Carbono Tipo Diamante
Una forma en particular de los alotropos de Carbono, conocida como Carbono
Tipo Diamante por sus siglas en inglés (Diamond Like Carbon, DLC) es una de
las formas que en años recientes ha recibido gran atención de la comunidad
científica, debido a sus ambiciosas y únicas propiedades como alta dureza, bajo
coeficiente de fricción, estabilidad química y transparencia óptica. Estas
propiedades conllevan para las numerosas aplicaciones que se generan
conforme a los requerimientos de la industria, como el incremento en el tiempo
de vida útil de sus herramientas e instrumentaría, a partir del desarrollo de la
nueva tecnología o innovación de lo ya existente.
El Carbono Tipo Diamante es un material amorfo que se caracteriza por
presentar una combinación de la hibridización sp3/sp2 y cuyas propiedades
16
dependen de ciertos factores entre los que se encuentran la cantidad de
Hidrógeno presente en la estructura, obteniéndose un recubrimiento suave
cuando se tiene un alto índice de Hidrógeno, y un recubrimiento duro cuando se
tiene un bajo contenido de Hidrógeno.
Los métodos para producción de DLC son clasificados en dos grupos: los que
llevan a cabo el depósito a partir de un plasma cerca de la región próxima del
substrato, y los de un haz de iones.
En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV, UNIDAD
MONTERREY), en el laboratorio de Deposición Química de Vapor, CVD; se
cuenta con un equipo que realiza el depósito por medio de la técnica (Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) que mediante una descarga de
radiofrecuencia RF en una mezcla de gases hidrocarburos (metano, acetileno
etc..) entre dos electrodos, se genera un plasma que provoca un exceso de
iones en la región próxima a los electrodos, la energía de los iones depositados
se relaciona a las variables existentes durante el depósito : presión de gas,
temperatura, flujos de gas, esta última variable ha sido de gran
interés
particular, pues la literatura reporta que el DLC tendrá óptimas propiedades
fisicoquímicas cuando la influencia de hidrocarburos sea la adecuada para la
generación de enlaces sp3 por encima del 80%, donde el Diamond Like Carbon
será un depósito ideal en cuestión de propiedades mecánicas y de resistencia
al desgaste.
17
III.
JUSTIFICACIÓN
Actualmente se requieren herramientas de corte con alta eficiencia y de larga
duración, por lo tanto, sigue siendo un tema de interés para la comunidad
científica,
encontrar
las
condiciones
óptimas
para
la
obtención
de
recubrimientos con dichas características y de bajo costo para aplicación en el
sector industrial.
En el presente trabajo, mediante la aplicación de recubrimientos Carbono Tipo
Diamante (Diamond Like Carbon, DLC) a partir de fuentes de hidrocarburos, se
pretende determinar que parámetros definen las propiedades fisicoquímicas
sobre substratos cristalinos, pues a partir de estos existirá la metodología
establecida que nos permita el control de las variables en la técnica utilizada,
obteniendo un material de alta calidad, consiguiendo el desarrollo experimental
y la repetibilidad en substratos, siendo la razón innovadora del proyecto.
18
IV.
OBJETIVOS
4.1 Objetivo General
El objetivo principal del presente proyecto consiste en preparar y caracterizar de
recubrimientos de Carbono Tipo Diamante DLC (Diamond-Like Carbon) en
substratos de Silicio mediante la técnica de Depósito por Vapores Químicos
Asistido por Plasma (PECVD) (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,
PECVD), empleando como gases precursores Metano y/o acetileno. El proyecto
se centrará en estudiar las propiedades mecánicas y químicas de los
recubrimientos DLC mediante la variación de parámetros experimentales como
la razón de flujos Hidrógeno/Metano y/o Hidrógeno/Acetileno.
4.2 Objetivos Específicos
 Obtener recubrimientos tipo DLC sobre sustratos de silicio mediante la
técnica de PECVD. Variando los porcentajes en mezclas de gases
Hidrógeno/Metano y/o Hidrógeno/Acetileno.
 Definir los parámetros que nos permitan obtener un recubrimiento
homogéneo con resistencia mecánica sobre sustratos de Silicio.
19
 Caracterizar química y estructuralmente los recubrimientos obtenidos por
las técnicas de XPS, Raman, SEM y AFM.
 Caracterizar mecánicamente los recubrimientos obtenidos por las
técnicas de microindentación y resistencia al rayado (Scratch resistance).
20
V.
ALCANCE
El proyecto establecerá su desarrollo mediante tres periodos mensuales, sobre
los cuales las acciones a realizar se presentan en el siguiente orden
cronológico:
Primer periodo mensual
(30 de agosto 2015 – 30 de septiembre 2015)
 En este transcurso de tiempo se hará la búsqueda de los fundamentos
de técnica a usarse y se estudiarán los reportes ya publicados para la
discusión de los resultados obtenidos y hacer realce sobre el aporte del
presente trabajo.
 Lectura y comprensión del manual del sistema de depósito (Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) que permitan realizar las
funciones primordiales del equipo marca INTERCOVAMEX, modelo H2.
 Realizar los primeros depósitos para análisis y modificación de posibles
variables, teniendo un registro del tipo de muestra analizada y sus
condiciones para el depósito en una bitácora.

21
Segundo periodo mensual
(1 de octubre 2015 – 30 de noviembre 2015)
 Comparación de desarrollos experimentales y análisis de condiciones
óptimas para los recubrimientos Diamante Tipo Carbon (Diamond Like
Carbon, DLC) amorfo hidrogenado obtenidos con anterioridad, siendo
punto de partida para realizar tres
propuestas de desarrollos
experimentales, seleccionando el que nos permita modificar las variables
y condiciones identificadas para un producto final con las propiedades
deseadas (alta dureza y resistencia al desgaste).

Tercer periodo mensual
(1 de diciembre 2015 – 22 de enero 2015)
 Lectura y comprensión de los fundamentos de las técnicas de
caracterización: Microscopía Electrónica de Barrido (Scanning Electronic
Microscopy,
SEM),
Microscopía
de
Fuerza
Atómica
(AFM),
Espectroscopía Raman (Raman Spectroscopy), Microindentación y
Resistencia al Rayado (Scratch Resistance).
22
 Realizar las técnicas de caracterización
con mención anterior para
obtención de datos con la finalidad de establecer análisis y parámetros
que optimicen los procesos de depósito y propiedades de los
recubrimientos.
23
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS
A través de un panorama global, las limitaciones de este proyecto son
dependientes de variables como: costo y tiempo de entrega de los reactivos
químicos, que son factores que pueden generar retrasos en los objetivos y
alcances planteados con anterioridad.
Se desglosan las limitaciones de acuerdo a su influencia e importancia en el
desarrollo de este proyecto así como las políticas preventivas en seguridad e
higiene que rodean el proceso para generar recubrimientos de Carbono Tipo
Diamante.
El involucrarse con el manejo de un equipo de laboratorio para desarrollar
experimentación implica saber en extensión su infraestructura. Por su costo y
limitada existencia, su forma de operación debe ser correcta, con el fin de evitar
modificaciones en los productos obtenidos antes, durante y después de la
síntesis.
6.1 Primera limitación (Dominio en la operación del sistema de
depósito).
Para la obtención de recubrimientos se requiere de un alto vacío, es
proporcionado por tres distintas bombas: mecánica, turbo molecular y roots, si
no se lleva de manera secuencial el vacío, nuestra presión se altera teniendo
consecuencias sobre el alótropo a depositar.
24
La forma de operación de acuerdo al manual establece una metodología para el
sistema de depósito que no debe cambiarse. En medida sobre el conocimiento
del sistema a operar y todo lo que implica nos permite salvaguardar sus
componentes y las personas que se encuentran presentes al momento de
realizar los procedimientos para la deposición.
6.3
Segunda limitación (disponibilidad en los equipos para la
caracterización de las muestras).
Las técnicas de caracterización de materiales nos permiten conocer parámetros
fuera de nuestro alcance visual con muestras a diminutas escalas (en el rango
de los nanómetros), entre ellos: aspectos de composición atómica, estructural,
química y morfología.
Si no se tiene conocimiento de los principios fundamentales de la técnica
empleada, la información que se pretende obtener y aspectos sobre
preparación de la muestra, los datos a interpretar carecerán de veracidad.
Los
equipos
de
caracterización
obstaculizan
el
proyecto
cuando
la
disponibilidad de los mismos es limitada. Si el proceso de obtención de
información se retrasa, a consecuencia de esto, las modificaciones de los
desarrollos experimentales evitando la formulación de nuevas hipótesis tanto en
el cambio de los parámetros.
25
6.2
Políticas preventivas en seguridad e higiene.
Una de las cuestiones que caracteriza el trabajo dentro de un laboratorio, es
tener una concepción de riesgos y sus medidas de precaución así como higiene
presente en todo momento.

El reactor es un sistema de vacío, es necesario siempre utilizar guantes
para manipulación de muestras y exposición de otro componente al vacío.

El rack de la electrónica contiene componentes para 120V y 240V, hay
que evitar intercambiarlos a otro conector, debido que así se puede
sobrecargar alguna fase. Se debe contar con un contacto trifásico a 220V
10V; 3 fases, tierra y neutro (5 hilos) con protección para 40 Amperes
(Fusibles y pastillas).

El equipo está configurado para uso de gases reactivos e inertes, se
recomienda pureza 99.99%. El tanque de gas a conectar al equipo
deberá contar con: válvula de cierre, regulador de presión y tubería de
acero inoxidable de preferencia o flexible, con conectores Swagwlok de
¼.

Uso de guantes, que no contengan polvo ni pelusa, de preferencia de
nitrilo.

Acetona o alcohol, más recomendable Isopropílico, para limpieza general
del equipo.
26

Pinzas para manipular muestras.

Conocer la hoja de seguridad de los precursores y agentes químicos que
generen el producto final, para saber accionar en sucesos consecuentes
de un mal manejo, reacciones fuera de control o posibles fallas durante
los procedimientos.
Hacer uso de las indicaciones por parte de los responsables de los
laboratorios, utilizar el equipo de protección personal; todo con la finalidad de
garantizar la calidad de vida de todos los que conforman el entorno laboral.
27
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
A partir de investigaciones recientes, se nos ha permitido observar que existen
fenómenos críticos en la superficie de los materiales; Parte de los estudios
realizados identifican al desgaste, la fatiga y corrosión como la causa en la falla
de algunos materiales, siendo el área de superficie de gran interés pues a
través de recubrimientos duros se generan cambios a nivel molecular,
estructural y diseño, lo que nos permite incrementar su eficiencia.
Se define a un recubrimiento duro como materiales con alta dureza en el
sentido mecánico con buenas propiedades tribológicas (Bunshah, 2000), los
materiales se clasifican de acuerdo a sus propiedades tribológicas, ópticas,
electrónicas y la inercia ante la radiación.
7.1 Recubrimientos Duros
Recubrimiento duro es aquella película delgada con la que se recubre una
superficie de una pieza de uso técnico con la finalidad de proporcionarle mejora
en sus propiedades fisoquímicas de gran importancia para aplicaciones
específicas como: disminuir el coeficiente de fricción, aumentar la resistencia a
la corrosión, hacer extensas las propiedades ópticas, generar colores o texturas
en la superficie (López Mamián , 2015).
28
Se ha recurrido a las películas delgadas por la capacidad en el mejoramiento de
las propiedades mecánicas y tribológicas de componentes que se requieren en
el sector industrial, campo que permite la innovación para obtener materiales
con alta dureza, incremento en resistencia al desgaste, reducción de fricción,
entre otras. Se muestran los principales recubrimientos duros con sus
respectivas propiedades mecánicas y térmicas (ver Tabla 1).
De acuerdo a Sundgren y Hentzell (1986), los recubrimientos duros exhiben alta
dureza y alta temperatura de fusión, junto con estas propiedades debe haber
una alta adhesión entre el recubrimiento y el sustrato, que de lo contrario
conduciría al desprendimiento del recubrimiento
Las tensiones desarrolladas en el recubrimiento, ya sean debido a falta de
tensiones intrínsecas o tensiones térmicas (diferencias en el coeficiente térmico
de la capa y el sustrato) también pueden conducir al desprendimiento del
recubrimiento si la adhesión no es lo suficientemente alta. Esto es importante
para obtener una comprensión fundamental de las interacciones recubrimiento y
el sustrato.
En la actualidad, existe un gran número de recubrimientos duros y protectores,
que incluyen recubrimientos de nitruro de metal (TiN, CrN etc.), recubrimientos
de carburo (SiC, WC, etc.), recubrimientos de óxido (Al2O3, etc.) y boruros.
29
Material
Módulo de Young Coeficiente de Poisson(GPa) Coeficiente de Expansión Térmica (10-6K-1) Dureza (kg mm-2) Punto de Fusión (°C)
Recubrimientos
TiC
450
0.19
7.4
2900
3067
HfC
464
0.18
6.6
2700
3928
TaC
285
0.24
6.3
2500
3983
WC
695
0.19
4.3
2100
2776
Cr3C2
370
…
10.3
1300
1810
TiN
…
…
9.4
2000
2949
Al3O2
400
0.23
9.0
2000
2300
TiB2
480
…
8.0
3370
2980
94WC-6Co
640
0.26
5.4
1500
…
Aceros
250
0.30
12.0 - 15.0
800 - 1000
…
Al
70
0.35
23.00
30
658
Sustratos
Tabla 1. Propiedades mecánicas y térmicas de principales recubrimientos duros (Sundgren &
Hentzell, 1986)
Sabiendo que el diamante es el material con mayor dureza, las primeras
síntesis para reproducirlo artificialmente se hicieron a altas temperaturas y
presiones.
Con el descubrimiento de las utilidades que se logran a partir de películas
delgadas mediante la técnica de depósito de vapores químicos (Chemical Vapor
Deposition, CVD) utilizando un gas hidrocarburo para su producción, sus
propiedades se caracterizan por extremada dureza, conductividad eléctrica, alta
resistividad eléctrica, inercia química y gran intersticio en el ancho de la banda
óptica.
Sin embargo las limitantes se presentan al requerir altas temperaturas (900°C)
al momento de realizar la síntesis, teniendo menos elecciones de sustratos
(policristalinos en forma natural y con superficies ásperas de cara) causando
30
depósitos irregulares y no uniformes en la superficie, evitando el crecimiento en
cantidades escalares (Gupta, 2000).
Es así como las diferentes técnicas de síntesis brindan un material con
propiedades semejante a las del diamante y superiores a las del grafito, un
material con arreglo cristalino desordenado y amorfo; el Carbono Tipo Diamante
(Diamond Like Carbon, DLC). (Ver Tabla 2).
Alótropo
Constante de Red
Tipo de Enlace
Concentración de H2
(at.2%)
Dureza (Gpa)
DIAMANTE
GRAFITO
a-C:H ; ta-C:H
a-C; ta-C
a=3.567
a=2.46 c=6.71
Amorfo
Amorfo
3
10 - 50% sp (a-C) ; 50 - 95%
3
sp (ta-C)
sp
3
0
100
sp
2
40 - 80% sp
3
10 - 60
5 - 20
0
<1
0.1
20 – 80
Tabla 2. Comparación de Propiedades (diamante, grafito, carbono amorfo hidrogenado y no
hidrogenado).
7.2 Carbono Tipo Diamante
7.2.1 Estructura del Carbono Tipo Diamante
Se define a esta forma alotrópica, como una manifestación de los materiales
amorfos del Carbono, predominantes en el tipo de enlace sp 3, por su contenido
en Hidrógeno se les atribuye un nombre característico; El a-C: H (Diamond Like
Carbon) presenta 50 at% en Hidrógeno y fracciones menores al 50% respecto a
los enlaces sp3, mientras que el ta-C: H (Tetrahedral Carbon) tiene 1 at% en
Hidrógeno con contenido mayor al 85% en enlaces sp3. A partir del método de
31
obtención y los parámetros del depósito, el porcentaje de enlaces varía, con ello
las propiedades del material.
De acuerdo a la clasificación del diagrama de fase (Fig. 1.6) existen diferentes
formas del Carbono Amorfo, la diversidad de estos materiales carbonáceos se
debe al porcentaje crítico de enlaces sp3 en conjunto con el Hidrógeno,
elemento considerado factor influyente que determina las propiedades que
harán único al material en especie amorfa.
Fig. 1.6 Diagrama de Fase Ternario a-C, a-C: H, ta-C, ta-C: H
(Robertson , 1993)
El diagrama de fase ternario (Robertson , 1993) define al material carbonáceo
de acuerdo a las hibridizaciones y concentración de Hidrógeno que presenta.
32
Los materiales amorfos deben su naturaleza a la combinación cuatro veces
coordinada en hibridizaciones sp3, cuando existe esta predominancia son tipo
diamante (Diamond Like Carbon, DLC); mientras que cuando es una
combinación tres veces coordinada en hibridización sp2 presenta similitud con el
grafito, este material es catalogado como Carbono vidrioso (Glassy Carbon). A
través de observaciones y bajo ciertas condiciones, lo materiales presentan una
organización
atómica causando
la
formación
de
cristales de
grafito,
constituyendo el grafito microcristalino (c-grafito). (Reinoso, 2004).
7.3
El
Técnicas para depósitos de Carbono Tipo Diamante (DLC)
Carbono
tipo
diamante
con
hibridización
sp3
se
considera
termodinámicamente metaestable, ya que la energía libre de formación de
diamante a 300K es 394.5 kJ mol-1, en comparación con 391.7 kJ mol-1 para el
grafito. Ambas fases de Carbono presentan una gran barrera de activación, a
pesar de que la diferencia de energía libre sea 2.8 kJ mol-1. Esta energía libre
relativa de formación también dificulta en la conversión de grafito en diamante
(Wei & Narayan, 2000).
Debido a la gran barrera de activación se requiere de un procesamiento de no
equilibrio para la obtención de enlaces sp3 metaestables en las películas de
DLC; existen diversos métodos de procesamiento en equilibrio, tales como: la
evaporación de electrones de grafito o Carbono en donde la energía promedio
de la evaporación de especies está cerca de kT, lo que conduce a 100 % de
33
enlaces sp2 y la técnica de Depósitos de Vapores Químicos que nos permite
estabilizar la formación de enlaces sp2/sp3.
Estos métodos de deposición se encuentran clasificados en dos grupos:
Deposición Física de Vapor (Physical Vapor Deposition, PVD) basado en la
ablación energética del Carbono y Deposición Química de Vapor (Chemical
Vapor Deposition), donde fuentes de hidrocarburos precursoras son necesarias
para llevar a cabo la síntesis, se describen a continuación las técnicas para
cada uno de los grupos en la obtención del Carbono Tipo Diamante.
7.3.1 Deposición por Arco Catódico
Se produce un arco por la descarga eléctrica entre un cátodo de Carbono y un
ánodo, teniendo únicamente plasma de Carbono. Este método de deposición se
caracteriza por producir películas de DLC altamente resistentes, sin embargo
las condiciones y parámetros de deposición no descartan las posibilidades de
obtener Carbono amorfo
7.3.2 Deposición por Arco Filtrado
Es una de las modificaciones del método anterior. Durante la deposición son
removidos los contaminantes de las corrientes del plasma con un filtro
magnético, dejando solo las especies cargadas que serán depositas sobre el
sustrato; Las películas de DLC por este método poseen alta dureza y densidad
34
(SILVA & ROBERTSON, 1996), la reproducibilidad es mínima pues es un
método riguroso.
7.3.3 Deposición por Haz de Iones con Selector de Masa
Es una de las variantes del método de haz de iones, en este método el haz de
iones es acelerado a alta energía (5- 40 keV) y mediante un campo magnético
se filtra la especie atómica deseada (C+). El haz al final se desacelera para una
obtención de energía óptima sobre el sustrato. (Yamamoto, Watanabe, Wazumi,
Koga, & Iijima, 2003)
7.3.4 Sputtering
Este método consiste en la erosión de un electrodo de especie carbonácea en
presencia de un plasma (generalmente Argón); La especie rica en Carbono es
bombardeada por iones energéticos y no reactivos permitiendo el arranque
mecánico y directo de átomos, que serán transportados y depositados sobre un
substrato. La efectividad de la deposición depende de factores como: la energía
y masa de iones incidentes, número atómico y temperatura del blanco, ángulo
de incidencia de los iones, tipo de blanco (aleación, compuesto y cristalino)
(Belarmino Segura , 2003).
35
7.3.5 Ablación de Láser Pulsado
La deposición de las películas de DLC ocurre cuando la intensidad de un haz de
fotones incide sobre un sólido mediante pulsos cortos de alta energía, los
fotones transfieren esa energía a los electrones dentro del rango de 10 -12 s
(interacción fotón-electrón) y la energía de ese sistema de electrones es
transferida a los fotones (interacción electrón –fotón) en la estimación de tiempo
10-10 s. De esta forma la energía del fotón es calor y es requerida para la
producir la fusión y evaporación de la especie carbonácea para generar el
plasma y extenderle hacia el sustrato.
7.3.6 Deposición Física de Vapor Asistida por Plasma
Uno de los métodos que utiliza medios físicos para la obtención de especies
provenientes de un material (blanco), por evaporación se logra la deposición
sobre el sustrato. El plasma en este método permite la eficiencia del proceso
debido a la condición de no equilibrio, permitiendo la generación de especies a
bajas temperaturas que incrementan la velocidad de deposición por la
presencia de iones que son acelerados eléctricamente hacia el sustrato
(Belarmino Segura , 2003).
36
7.3.7 Deposición Química de Vapor Asistida por Plasma
Es uno de los métodos más usados para la obtención de materiales DLC, este
permite la generación de un plasma con diversidad de partículas cargadas y
neutras en direcciones aleatorias, el plasma es eléctricamente neutro en
promedio y se genera a partir de gases hidrocarburos, entre ellos: metano,
acetileno, benceno, ciclohexano, etano, etileno, hexano, isopropano, pentano,
propileno y propano.
Existen diversas variantes de este método de deposición, descarga por
corriente directa y radiofrecuencia por sus siglas en inglés (Direct Current
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, DC-PECVD y Radio Frecuency
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, RF-PECVD).
7.3.8 Características de la deposición por DC-PECVD
En la técnica DC; un voltaje negativo (bias) es aplicado hacia el sustrato, el
cual actúa como un electrodo, el contraelectrodo considerado puede ser el
segundo electrodo o las paredes conectadas a tierra de la cámara de
deposición. El voltaje negativo ioniza el hidrocarburo precursor produciendo el
plasma a través de los iones requeridos para el crecimiento de la película. El
voltaje y la presión total durante la deposición son los parámetros que deben
ser controlados. El sustrato para las deposiciones debe ser eléctricamente
conductor, siendo esta una de las limitantes al momento de la selección de
37
sustrato restringiendo la posibilidad de crecimiento de películas de DLC sobre
sustratos aislantes.
7.3.9 Características en deposición RF-PECVD
Por este método se produce un plasma mediante una descarga de corriente
alterna en el rango de radiofrecuencia entre dos electrodos plano - paralelos. A
esto tipo de descarga se le atribuye el nombre de descarga capacitiva, por la
forma en la que la potencia eléctrica es acoplada al plasma.
Las presiones de trabajo en los sistemas de deposición se encuentra entre 0.1 y
10 Torr. Este plasma está conformado por una mezcla de átomos, moléculas,
radicales en estado fundamental y excitado así como los iones producidos en
el seno de la descarga. Se caracterizan por presentar valores típicos de
densidad y temperatura comprendidos entre 108 - 106 cm-3
y de 1-8 eV,
respectivamente (Gordillo Vázquez & Sánchez Garrido , 2003). Por lo general la
temperatura de los neutros está cercana típicamente a la temperatura ambiente,
la temperatura de los iones puede oscilar entre los 500 y 100 K (Camero
Hernanz, 2006).
Los electrodos comúnmente son cilíndricos, la distancia de separación es corta
en comparación con el diámetro de los electrodos, esta se encuentra alrededor
de 0.5 y 10 cm y que, entre más corta sea la distancia cuánto mayor es la
presión de trabajo. Según la ley de Parchen el producto de la presión de trabajo
dada por la distancia de separación determina la tensión necesaria para la
38
ignición de la descarga y producción del plasma. El aire necesita 80% N 2 y 20%
de O2 para alcanzar una tensión mínima y así lograr un producto de 1Torr.cm.
A presiones elevadas, la tensión que se requiere aumenta dificultando la
creación del plasma si entre electrodos el espaciado es amplio. (Camero
Hernanz, 2006).
8.0 Mecanismos de reacción y crecimiento de películas
delgadas
El proceso para depositar material por el método CVD presenta un equilibrio
químico entre una fase gaseosa y una fuente sólida, la reacción específica es la
siguiente (Tonneau & Dallaporta, 1994):
𝐴𝐵(𝑔) → 𝐴(𝑔) + 𝐵(𝑔)
Durante la transición de estados físicos de la materia (fase gaseosa a fase
sólida) ocurren reacciones por medio de los radicales (átomos o moléculas con
número impar de los electrones de valencia) en la fase gaseosa.
Deberán existir radicales con enlaces rotos o un orbital a medio llenar. Con la
rotura de enlaces existen los radicales, la concentración de especies radicales
por lo general es muy baja. Sin embargo pueden ejercer un efecto explícito en
reacciones cinéticas por dos razones:
 Especies reactivas (el orbital a medio llenar absorbe un electrón de otro
enlace fácilmente.)
39
 Interacciones (impar + par =par), un radical (número impar de electrones)
interacciona con una molécula saturada (número par de electrones), el
resultado debe contener algunas especies con número de electrones;
otro radical.
Esta última puede provocar una reacción en cadena antes de ser consumida,
ya sea por impacto a una superficie sólida o interacción con otro radical. Si se
producen más radicales por un solo radical absorbido en la reacción en cadena,
generará otra reacción atribuyéndole el nombre: reacción con ramificaciones
(incremento de radicales con cada interacción) acelerando la velocidad de la
reacción, dado a esta el índice de los pasos subsecuentes no es muy
dependiente de la temperatura pues los radicales son tan reactivos que la
energía de activación es mínima o nula. Las reacciones por radicales pueden
ser sensibles a la temperatura sobre grandes rangos. (Silva Vidaurri , 2006).
Las especies que alcanzan el sustrato, se adsorben y difunden superficialmente
para finalmente dar inicio al proceso de recubrimiento, la formación de película;
que se da bajos los siguientes pasos:
1. Transporte de Masa. Trayectoria de átomos o moléculas hacia la
superficie del sustrato.
2. Adsorción (Fisisorción). Átomos o moléculas llegan a la superficie con
cierta energía, interaccionan con la superficie y pierden energía hasta
alcanzar el equilibrio térmico con ella, quedando adsorbidos. Cuando la
interacción no existe o es pequeña, los átomos no se adsorben (colisión
40
elástica). Posteriormente las moléculas inicialmente absorbidas se
difunden en la superficie saltando entre posiciones de energía mínima
(eventualmente también pueden ser desorbidas).
3. Difusión Superficial. Con la adhesión de átomos en la superficie a recubrir
aumenta la energía superficial, esta se minimiza si el átomo tiene
suficiente energía y tiempo para difundirse hacia un sitio de baja energía.
El índice de difusión incrementa con respecto a la temperatura.
4. Absorción
(Quimisorción).
Cuando
los átomos o moléculas son
absorbidos existe un proceso donde la fuerza adhesiva se debe a enlaces
covalentes entre moléculas y superficie.
5. Nucleación. Consiste en la formación de pequeños núcleos de materia a
partir de dobletes o tripletes que resultan de la movilidad de los átomos
que se absorben y se desplazan sobre la superficie del sustrato debido a
su energía térmica y a su energía de amarre a la temperatura del
sustrato.
6. Coalescencia. Los
pequeños núcleos se unen para formar mayores
cúmulos con dimensiones superiores y que se denominan pequeñas
islas. Las islas son estructuras cuasi-estables, cada una contiene
decenas o cientos de átomos cuya densidad típica es de 10
10
átomos/cm2. La formación de nuevos núcleos y nuevas islas continúa con
la incidencia de átomos o moléculas. En una segunda etapa de
coalescencia, las pequeñas islas se unen para formar islas mayores
41
separadas por pequeños canales que se van llenando con átomos o
moléculas incidentes. Algunas investigaciones determinan que islas en la
fase de coalescencia presentan una cierta reorientación cristalográfica
dependiendo de la temperatura del sustrato.
7. Recubrimiento. La superficie del sustrato se cubre por completo y los
átomos o moléculas incidentes aumentan el espesor de la película. La
calidad de la película dependerá de factores de depósito (temperatura,
presiones, flujos de gas) y especificaciones del sustrato (orientación
cristalográfica, aislante o no aislante) añadiendo los procesos de limpieza
al que sea sometido.
Fig.1.7 Proceso del crecimiento de una película delgada
42
9.0 APLICACIONES Y FUNCIONALIDADES
Uno de los principales aspectos que caracterizan a las películas de DLC es la
relación existente entre la nanoestructura de los recubrimientos y sus
propiedades. Por el alto porcentaje de enlaces sp3 la semejanza de propiedades
con el diamante es propia de este tipo de recubrimientos, tales como: elevada
dureza y módulo elástico, bajo coeficiente de fricción y de desgaste,
transparencia óptica y química inerte
teniendo así una amplia gama de
aplicaciones al modificar los parámetros de deposición (Grill, 1999).
Si la aplicación es tribológica deberá superar el elevado rango de tensión
interna, esta se considera una limitante pues dificulta la adherencia del material
al sustrato imposibilitando la obtención de películas mayores a una micra
consecuencia de la estrecha relación de stress del recubrimiento carbonáceo
con el porcentaje de enlaces sp3. Una de las razones que afecta las
propiedades tribológicas de este material es el gas precursor utilizado para su
síntesis; se ha estudiado recientemente el efecto del metano, etano, etileno,
acetileno sobre la fricción y resistencia al desgaste de las películas DLC.
Específicamente, las películas obtenidas a partir de atmósferas con mayor
índice en porcentaje de hidrógeno sobre carbono muestran bajos coeficientes
de fricción. Cuando el porcentaje de hidrógeno es superior en mezcla con
metano, disminuye el coeficiente de fricción como también se impide la
43
formación de enlaces dobles C  C sobre las películas de Carbono, teniendo
material con fases grafíticas.
Debido a su transparencia infrarroja, el DLC puede usarse como antireflejante y
como recubrimiento resistente al rayado o protector óptico infrarrojo (en una
longitud de onda de 8 -13 m) elaboradas de Ge, ZnS, ZnSe (P.Koidl, A.
Bubenzer, & Dischler, 1983) (Lettington, Koidl, & Oelhafen, 1987). Cuando los
depósitos de DLC son a bajas temperaturas, la aplicación es la resistencia al
desgaste en productos hechos de plástico y por lo tanto se utiliza para la
protección contra la abrasión en gafas de sol cuando el lente es de
policarbonato. (Kimock & Knapp, 1993).
Recientemente este tipo de materiales encuentra su principal aplicación en
recubrimientos tribológicos permitiendo la prolongación de vida útil en discos de
corte, engranajes pues incrementa la dureza en aceros y distintos carburos.
Cada técnica para depositar DLC optimiza
estas propiedades siendo los
factores de depósito los que influyan en la nanoestructura del material. Las
aplicaciones del Carbono Tipo Diamante adquieren vitalidad al incluirlo dentro
de la gama de materiales biocompatibles, ya que al presentar inercia química y
al ser impermeable a los líquidos sirve como protector contra la corrosión
siendo también una barrera de difusión para los implantes biológicos.
Otra de sus aplicaciones al emplearse como recubrimiento en metales (aceros
inoxidables, aleaciones de titanio) y polímeros (poliuretano, policarbonato,
polietileno) permiten la adaptación con tejidos celulares siendo utilizado en
44
componentes
para
válvulas
artificiales
reconstrucción de tejidos óseos.
45
del
corazón,
implantes
para
Fig.3 Diagrama de Gantt (Desarrollo de actividades de estadía profesional)
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES
46
IX.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
Teniendo en consideración los procesos experimentales y analíticos para
realizar este proyecto, se agrupan en tablas los medios necesarios que
conlleven a óptimos resultados: material y equipo de laboratorio como personal
involucrado.
Reactivo/Material
Acetona
Agua Desionizada
Alcohol Isopropílico
Acetileno (gas)
Argón (gas)
Metano -Hidrógeno (gas)
Nitrógeno (Gas)
Obleas de Silicio
Equipo
Baño Ultrasónico
Sistema de Depósito RF-PECVD
Síntesis de Carbono Tipo Diamante (DLC)
Fórmula
N° CAS
(CH3) 2CO
67-64-1
H2O
7732-18-5
CH3 CHOHCH3
67-63-0
C2H2
74-86-2
Ar
7440-37-1
CH4-H2
UHP
N2O
7727-87-9
Si 100
********
Modelo
USC-100
H2
N° Personas Involucradas
Marca
J.T. BAKER
Thermo Scientific
DEQ
AOC
AOC
AOC
AOC
WRS
Marca
STEREN
INTERCOVAMEX
Tabla 3. Recursos materiales y humanos utilizados durante la Síntesis de DLC.
Caracterización de Muestras
Modelo
Marca
Técnica
XPS
RAMAN
SEM - EDS
Reflectancia Espectral
AFM
N° Personas Involucradas
ESCALAB 250Xi
THERMO SCIENTIFIC
1
Lab Ram HR
JSM-6010PLUS/LA
HORIBA SCIENTIFIC
JEOL
1
1
F20UV
MFP 3D SA
FILMETRICS
ASYLUM RESEARCH
1
1
Tabla 4. Recursos materiales y humanos empleados para la caracterización de DLC.
47
X.
DESARROLLO DEL PROYECTO
10.1 Sistema de Depósito
El sistema H2, INTERCOVAMEX utilizado para la síntesis de recubrimientos de
DLC sobre Silicio Tipo P 1 0 0, se basa en la técnica de Depósitos de Vapores
Químicos Asistida por Plasma con Radiofrecuencia.
Se compone de un filamento de Tungsteno responsable de una descarga de
corriente alterna (13.56 MHz) que permite la producción de plasma entre dos
electrodos plano-paralelos con un diámetro de 12.0 cm (superior) y 12.75
(inferior), esta técnica de depósito adquiere su importancia cuando los vacíos
son dados por una bomba mecánica (adixen, Pascal 2021C2), turbomolecular
(adixen, TC400) y roots (RUVAC, WSU151), lográndose vacíos del orden de
10-6 Torr. El calentamiento se lleva a cabo mediante un calefactor introducido
dentro del electrodo aterrizado. El calefactor está conectado a un regulador con
el que se puede fijar la temperatura a la que se desea depositar. La lectura de
la temperatura se efectúa por medio de medio de un termopar conectado al
electrodo. El sistema cuenta con una válvula de vacío de venteo para romper el
vacío en la cámara (necesario para limpieza previa al depósito y retiro de
muestras ya depositadas. Se utilizan reguladores de flujo másico para cada uno
de los gases precursores, medidor de presión, y regulador de la potencia de RF
(Ver Fig. 1.8)
48
Fig. 1.8 Vista global del Sistema de Depósito H2,
INTERCOVAMEX.
10.2 Preparación del sustrato
Los sustratos se cortan de unas obleas de Silicio Tipo P con un diámetro de
100 +/- 0.5 mm, resistividad
<0.005 Ω-cm, espesor de 500 – 550 µm y
orientación 100. Realizamos corte de la oblea en formas cuadrangulares con
dimensiones de 1.1 cm x 1.1 cm con una punta diamante. Para cada proceso
de depósito se utilizan dos sustratos. Los sustratos son sometidos a baño
ultrasónico
durante
tres
minutos
inmersos
en
alcohol
Isopropílico,
posteriormente se hace un enjuague en agua desionizada y secado con aire
comprimido, se afecta una de la superficie de los dos sustratos con un
tratamiento abrasivo rayando con pasta de diamante (1m. Cuando existe este
tratamiento adicional se repite el mismo procedimiento de limpieza descrito
49
anteriormente. Finalmente los sustratos son colocados en el electrodo inferior
será sobre este donde se lleve el depósito.
A
B
C
D
E
F
Fig. 1.9 A. Corte de sustrato Si 1 0 0, B .Inmersión del sustrato en alcohol Isopropílico, C.
Baño Ultrasónico de sustratos, D. Tratamiento abrasivo, E. Agua desionizada empleada
para enjuague, F. Aire comprimido utilizado para secado.
10.3 Limpieza de la cámara de depósito
Este procedimiento se realiza antes de realizar el depósito, con la finalidad de
eliminar residuos de las especies químicas reactantes.
 Se fija una distancia electródica entre 3 a 6 cm, con alcohol Isopropílico
se limpia el interior de la cámara de depósito así como las superficies
inferior y superior de los electrodos, repitiendo la misma limpieza ahora
utilizando acetona.
50
 Por medio de las bombas de vacío, se realiza una limpieza del sistema y
una evacuación primaria.
 Cuando se alcanza una presión interna 1mTorr se realiza un
calentamiento de la cámara eliminando los restos de humedad dentro del
sistema. Durante el proceso de calentamiento se genera un bombeo con
el sistema de alto vacío para asegurar que la cámara de depósito no
contenga impurezas en fase gaseosa que puedan incorporarse al
momento del depósito, el vacío base para determinar este aspecto (10 -6
Torr). Una vez finalizado el calentamiento de limpieza se fija la
temperatura del sustrato. Los gases se introducen en la cámara y
estandariza la presión de depósito.
10.3 Proceso de Deposición
10.4.1 Plasma
Con la señal de RF se produce el plasma dentro de la cámara de depósito. La
señal se genera por un alto voltaje (alterno) a una frecuencia de 13.56 MHz.
La fuente de alto voltaje está conectada a un circuito de acoplamiento
electrónico que nos permite maximizar la transmisión de la señal de RF a uno
de los electrodos dentro de la cámara. Ya establecidas las condiciones dentro
de la cámara (flujos controlados de gases, presión base y atmosférica,
temperatura del sustrato), se activa el plasma para el depósito.
51
La energía de la señal de RF en el electrodo es transmitida a los electrones
libres presentes dentro de la cámara. Los electrones se aceleran provocando
una colisión entre ellos y las moléculas de los gases precursores
(hidrocarburos). La transferencia de energía en las colisiones puede producir la
excitación y/o ionización de estas moléculas, cuando se alcanza un cierto grado
de ionización en la mezcla de gases se llega al estado de plasma.
Cuando se activa el plasma, existe variedad en cuanto a reacciones dentro de
la cámara. Las especies activas (átomos, moléculas excitadas o en estados
metaestables) se difunden y llegan al sustrato donde se depositan las especies,
comenzando el crecimiento de la película. Las posibles reacciones son:
Excitación. e- + A2  A2* + eIonización. e- + A2  A2+ + 2eDisociación (varios tipos). e- + AB A + B + e- ó e- + AB  A+ + B + eEl espesor del depósito depende del tiempo que se deje activado el plasma.
b
a
Fig. 2.0 a. Activación de plasma para limpieza de cámara, b. Plasma de
gases precursores al momento de realizar depósito.
52
10.4.2 Obtención de películas
Iniciado el periodo de activación de plasma se verifican los valores de la presión
de trabajo, temperatura y flujo de gases durante todo el proceso.
En las películas del Carbono Tipo Diamante (DLC) la calidad de recubrimiento
(homogeneidad, adherencia y color) se debe a la relación directa entre el flujo
de gases, la presión y la energía a la que se efectúa el depósito (voltaje alterno
en RF). Por consiguiente las variables son el flujo de gases, el incremento en la
potencia y tiempo de duración del depósito.
Con el uso de dos mezclas de gases CH4-H2, CH4 (ver Tabla 5) y Ar, C2H2 (ver
Tabla 6) se realizaron los depósitos con los parámetros siguientes:
CH4-H2,CH4
Nombre de muestra
M1Si
M2SiTA
Temperatura Distancia Potencia Tiempo
Flujo de Gases
100 °C
3 cm
250 W
60 minutos 80 sccm,20 sccm
100 °C
3 cm
250 W
60 minutos 80 sccm,20 sccm
Tabla 5. Parámetros para depósito de película DLC con mezcla de gases CH4-H2, CH4.
Ar,C2H2
Nombre de muestra
M3Si
M4SiTA
Temperatura
100 °C
100 °C
Distancia Potencia Tiempo
3 cm
95 W
20 minutos
3 cm
95 W
20 minutos
Flujo de Gases
50 sccm, 1 sccm
50 sccm, 1 sccm
Tabla 6. Parámetros para depósito de película DLC con mezcla de gases Ar, C2H2.
53
10.4 Técnicas de caracterización para películas DLC
10.5.1 Microscopía Electrónica de Barrido
La microscopía electrónica de barrido o SEM (Scanning Electron Microscopy),
es una técnica de caracterización que nos permite determinar la morfología, el
tamaño de partícula y composición de los materiales a través de imágenes con
alta resolución de superficies. La incidencia de un haz de electrones de alta
energía (20 – 30 keV) sobre la muestra permitirá la exploración a través de una
barrido de superficie-, el haz incidente arranca electrones de la muestra los
cuales servirán para la formación de una imagen de la superficie. Como
resultado del haz incidente de los electrones en la superficie se pueden producir
fenómenos como la transmisión, la difracción, emisión de electrones
secundarios,
electrones
auger,
retrodifundidos,
emisión
de
característicos o el fenómeno de cátodoluminiscencia (ver Fig. 3.0).
Fig. 3 Fenómenos existentes al momento de la
incidencia del haz sobre la superficie.
54
rayos
X
Por esta razón, el microscopio puede ser usado en varios modos. El modo más
utilizado es el emisivo, una señal es detectada y es correspondiente a los
electrones emitidos por la superficie de la muestra, de tal forma que aquellos
caracterizados por una alta emisión secundaria son traducidos como puntos
brillantes. La variación de la intensidad sobre la pantalla da la sensación de
relieve correspondiente a la topografía de la muestra analizada. La microscopía
extiende su análisis a cualquier tipo de superficie por la facilidad en la
interpretación de las imágenes cuando es utilizado el modo emisivo (con
electrones secundarios) al igual que la alta resolución que puede lograrse.
Es posible determinar la composición química de un material a partir de los
rayos X emitidos en toda clase de muestras en 1m3. Con el detector de
energía dispersiva (Energy Dispersive Spectroscopy, EDS), se mide la energía
de los rayos X resultantes de la interacción de los electrones de alta energía
incidentes con los átomos de la muestra en el volumen referido. Se identifican
las especies químicas (elementos) de la zona enfocada por medio de la energía
que emiten los fotones. Se dispone de un detector de forma que cada fotón de
rayo X incidente sobre él libera su energía a través de la ionización de átomos
que lo constituyen. Los electrones que se producen dan origen a un pulso de
tensión cuya intensidad es proporcional a la energía de radiación que está
siendo detectada. La altura relativa de los picos es una estimación primaria de
la concentración de los elementos
dentro del volumen de la superficie
55
(Belarmino Segura , 2003). Se utilizó un microscopio marca JEOL, modelo
JSM-6010PLUS/LA
10.5.2 Microscopía de Fuerza Atómica
La Microscopía de fuerza atómica (Atomic Force Microscope, AFM) es una
técnica para medir la topografía de una superficie a escala micrométrica a
nanométrica. Esta técnica también se ha ampliado para permitir la medición de
muchas otras propiedades de la superficie. El microscopio de fuerza atómica
(AFM) sondea la superficie de una muestra con una punta afilada de un par de
micrones de largo y menos de 100 Å de diámetro. La punta está situada en el
extremo libre de un cantiléver o micro viga que es aproximadamente de 100 a
200μm de largo. Las fuerzas entre la punta y la superficie de la muestra causan
que el cantiléver se dobla o deflecte. Un detector mide la deflexión del cantiléver
y la forma como la punta escanea la superficie de la muestra. Las medidas de
deflexión del cantiléver permiten a un computador generar un mapa de la
topografía de la superficie. Para el análisis de la muestras se utilizó un
microscopio marca ASYLUM RESEARCH, modelo MFP 3D SA.
Fig.4 Esquema de Microscopio de
Fuerza Atómica
56
10.5.3 Reflectancia espectral (Filmetrics)
La forma en que se refleja la luz sobre la superficie de una película, depende de
las características propias de ésta, como su espesor y rugosidad. Las
constantes ópticas (n y k) describen cómo se propaga la luz en una película. En
otras palabras, el campo electromagnético que describe la luz viajando a través
de un material en un tiempo determinado está dado por:
𝐴 ∙ 𝐶𝑜𝑠 (𝑛
2𝜋

𝑥) ∙ exp(−𝑘
2𝜋

𝑥)
Donde X es la distancia o espesor, λ es la longitud de onda de la luz y n y k son
el índice de refracción y el coeficiente de extinción, respectivamente. Usando un
espectrofotómetro Filmetrics modelo F20-UV con una extensión de medición de
1 nm a 100 μm, fue posible determinar el espesor de las películas. Para
cualquier
medición
es
necesario
obtener
una
línea
base,
midiendo
primeramente la cantidad de luz que se refleja dentro de un amplio espectro de
longitudes de onda, para la muestra y un estándar de Silicio , para después
seleccionar y editar la estructura dependiendo del material, para finalmente
realizar y evaluar la medición, analizando estos datos y comparándolos con una
serie de espectros de reflectancia calculados, que se encuentran grabados en
la base de datos del software que utiliza el equipo.
57
10.5.4 Espectroscopia de Fotoelectrones de Rayos X (XPS)
La Espectroscopia de Fotoelectrones de Rayos X (XPS), se basa en la
medición de las energías cinéticas de electrones provenientes de átomos
ubicados en la superficie de las muestras que han sido eyectados de los
mismos por acción de un haz de rayos X. Para ello se utiliza un espectrómetro
de electrones, también designado en forma genérica analizador, que consta de
varias etapas: una fuente de rayos X, un analizador que separa los electrones
emitidos por la muestra según sus energías, un detector que realiza las cuentas
y una etapa de almacenamiento de datos, que normalmente se realiza con una
computadora. El proceso básico en espectroscopia de fotoelectrones es la
absorción de un quantum de energía y la eyección de un electrón, la energía de
enlace de un electrón de los átomos de la muestra está relacionada con la
energía cinética, y la energía de los electrones que escapan de la muestra que
luego son detectados e identificados. La ecuación que da cuenta de este
proceso es:
ℎ𝑣 = 𝐸𝐵 + 𝐸𝐾
Donde EB = Energía de enlace y EK es la energía cinética que adquiere el
electrón cuando abandona el material.
Cada elemento tiene un conjunto único de energía de enlace, lo que permite
identificar y determinar la concentración de los elementos en la superficie;
permite identificar los estados químicos de los elementos, ya que cuando
58
forman compuestos, sus energías de enlaces presentan variaciones debidas a
diferencias en el potencial químico y la polarizabilidad de los compuestos.
10.5.5 Espectroscopía RAMAN
La espectroscopía Raman es una técnica espectroscópica utilizada en la física
de la materia condensada y también en química para el estudio de los modos
vibracionales, rotacionales y otros de baja frecuencia en un sistema. Se basa en
hacer incidir un haz de luz monocromático de frecuencia 0 sobre una muestra
con la finalidad de determinar sus características moleculares y examinar la
luz dispersada. Gran parte de la luz dispersada presenta la misma frecuencia
que la luz incidente pero una mínima fracción tiene un cambio frecuencial,
resultado de la interacción luz con la materia. La luz que mantiene la misma
frecuencia 0 que la luz incidente es conocida como dispersión Rayleigh y no
brinda información sobre la composición de la muestra analizada. La luz
dispersada con frecuencias distintas a la de la radiación incidente, es la que
proporciona información de la composición molecular de la muestra, esta es
nombrada como dispersión Raman.
Estas frecuencias +r y -r corresponden a las frecuencias Raman, propias de
la naturaleza química y estado físico de la muestra son también, independientes
de la radiación incidente. Las variaciones existentes en la dispersión Raman
equivalen a variaciones de energía. Las oscilaciones a las que son sometidos
los iones y los átomos se realizan a frecuencias en función de la masa de las
59
partículas que intervienen y del comportamiento dinámico de los enlaces
existentes. A cada uno de los modos vibraciones y rotacionales de las molécula
les corresponde un valor determinado de la energía molecular.
La espectroscopía Raman nos
proporcionará picos correspondientes a los
estados de hibridización del Carbono. Para llevar a cabo esta técnica, se
empleó el espectroscopio Raman modelo Lab Ram HR, marca Hiroba Scientific
(CIMAV, UNIDAD CHIHUAHUA).
60
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS
A continuación se presentan las muestras obtenidas a través de la técnica de
depósito de vapores químicos asistida por plasma. Se aprecia la formación de
película sobre cuatro sustratos de Silicio 1 0 0, las muestras del inciso c)
presentan los parámetros para depósito de DLC de la Fig. 5 mientras que las
muestras del inciso d) los descritos en la Tabla. 6 referidos en el apartado
10.4.5 Obtención de películas. Las muestras del lado derecho de cada inciso
están afectadas abrasivamente con la finalidad de favorecer la nucleación y el
crecimiento sobre la superficie.
d)
c)
M1
M2R
M3
M4R
Fig. 5 Muestras con identificación obtenidas a distintos parámetros de depósito:
a) CH4-H2, CH4; b) Ar, C2H2
61
11.1 Efecto de la combinación de variables
11.1.1 Morfología y composición química
Las películas obtenidas son de distintas atmósferas de gases al momento de
realizar el depósito, los gases hidrocarburos utilizados: Una mezcla de metanohidrógeno (80 sccm- 20 sccm); metano (20 sccm) y Argón (50 sccm) con
acetileno (1 sccm), los flujos de gas fueron cambiando constantemente pues
con experimentaciones anteriores la descomposición de la molécula se llevaba
a cabo en tiempo mínimo produciendo un fino polvo sobre los sustratos
evitando la completa adhesión teniendo como resultado delaminación
de
película al someterla a un rayado mecánico con pinzas. Se estandarizaron los
flujos de gas, obteniendo películas homogéneas, uniformes y con adherencia.
Se realizaron análisis de las muestras por microscopía electrónica de barrido y
composición química, con finalidad de corroborar lo antes supuesto.
 Efecto del flujo de gas
En la Fig. 6 se presentan cuatro imágenes de SEM, se puede apreciar que
las superficies de las muestras M1 y M2R son lisas, salvo algunas pequeñas
imperfecciones debido a la manipulación para su análisis mientras M3 logra
una superficie lisa como uniforme y M4R tiene sobre la parte derecha de la
superficie esparcimiento y algunas zonas con cúmulos de partículas.
62
M1
M2R
M4R
M3
Fig. 6 Micrografías SEM correspondientes a las películas por PECVD.
M1 y M2R (CH4-H2, CH4); M3 y M4R (Ar, C2H2).
Los análisis de composición química se hicieron utilizando el detector EDS. De
acuerdo a la Tabla.6 la composición elemental de la M1 es 27.66 % en
porcentaje de Carbono mínima en comparación de la M2 con presencia de
74.87% (Tabla.7), si existe variación. Las muestras M3 (Tabla .8) con 72.88% y
M4 tiene 76.35 % (Tabla.9), presentan similitud en porcentaje de Carbono, la
variación es de 3.48 % muy poca. Los espectros de cuantificación en anexos.
63
M1
Fórmula
% másico
% atómico
C
14.22
27.66
O
1.56
2.28
Si
84.22
70.06
Total
100%
100%
Tabla. 7 Composición elemental muestra M1 por (EDS)
M2R
Fórmula
% másico
% atómico
C
58.75
74.87
O
6.43
0.09
Si
34.82
18.98
Total
100%
100%
Tabla. 8 Composición elemental muestra M2R por
(EDS)
M3
Fórmula
% másico
% atómico
C
58.43
72.88
O
12.27
11.49
Si
29.3
15.63
100%
100%
Total
Tabla. 9 Composición elemental muestra M3 por (EDS)
64
M4R
Fórmula
% másico
% atómico
C
63.15
76.35
O
11.76
10.67
Si
25.09
12.98
Total
100%
100%
Tabla. 9 Composición elemental muestra M4R por (EDS).
 Efecto de la Potencia
Fig.7 Micrografía AFM (Muestra M1)
Fig. 8 Micrografía AFM (Muestra M2R)
Fig.9 Micrografía AFM (Muestra M3)
Fig. 10 Micrografía AFM (Muestra M4R)
65
Para determinar el aumento de la rugosidad en función de la potencia y flujo de
gases, se analizan 4 muestras distintas por Microscopía de Fuerza Atómica
(AFM). Las micrografías muestran esquemas 3D de la morfología y orografía
superficial de las películas, de las cuales se obtuvieron los valores de la raíz
cuadrada media (RMS) de la rugosidad: 854.482 pm (M1), 1.09 nm (M2R),
6.667 nm (M3) y 430.104 pm (M4R), así como el área superficial 255780.2 nm 2
(M1), 2621164.5 nm2 (M2R) ,1.0 m2 (M3) y 253659.8 nm2 (M4R).
Para las muestras M1 y M2R, se incrementó la potencia a 250W por 60
minutos, parámetros considerados para llevar a cabo el depósito siendo
distintos los antes mencionados para las muestras M3 y M4R teniendo para
potencia 95W y tiempo para depósito de 20 minutos. Se observa que cuando la
potencia es a 250W (Fig. 7 y 8) la película incrementa su densidad y rugosidad
en la superficie mientras que para una potencia de 95W (Fig. 9 y 10) la
superficie es menos rugosa y parcialmente lisa.
La reducción de la potencia para el par de muestras M3 y M4 se debe por la
presencia de Argón en la atmósfera de la cámara de depósito, puesto que la
descomposición se produce por el impacto con iones de Argón y el ion de
acetileno disociado se recombina con un electrón presentando estos posibles
caminos de reacción:
Ar+ + C2H2  Ar + C2H2+
C2H2+ + e-  C2H + H
 CH2 + C
66
El aumento de la potencia para los depósitos de esta técnica afecta la superficie
de las películas provocando alta rugosidad. La potencia empleada para los
depósitos sobre las muestras M3 y M4R permite la obtención de partículas
menores en tamaño (10nm). La diferencia entre los picos y valles de las
muestras con las partículas de mayor tamaño sobre su superficies son de
4.15nm (M3) y 35.47nm (M4R).
11.2 Reflectancia Espectral
Se utilizó un espectrofotómetro con extensión de medición de 1nm a 100 m,
Filmetrics F20 UV, fue posible determinar el espesor de tres de las cuatro
muestras adjudicando las dimensiones de tamaño a la muestra faltante. Se
incide un haz de luz, una cantidad se refleja dentro de un amplio espectro de
longitudes de onda, para la muestra y la referencia estándar (Silicio); se hace
una correlación y edición de espectro de acuerdo al material, en este caso DLC,
los cálculos hechos son a través de una base de datos propias del software del
equipo. Con el análisis por esta técnica los espesores son 18.76 nm (muestra
M1), 17.08 nm (Muestra M3), 17.05 nm (M4R), se descarta la posibilidad de
hacer la prueba de nanoindentación puesto que se requiere de un espesor
mayor a 1m, si se hiciese la prueba los valores obtenidos carecerían de
veracidad
siendo
también
relativos.
Se
muestran
correspondientes a las mediciones hechas por esta técnica.
67
los
espectros
Fig.11 Espectro de DLC por técnica de Reflectancia Espectral de la muestra M1 (CH 4-H2, CH4)
Fig.11 Espectro de DLC por técnica de Reflectancia Espectral de la muestra M3 (Ar, C2H2)
68
Fig.11 Espectro de DLC por técnica de Reflectancia Espectral de la muestra M3 (Ar, C2H2)
11.3 Análisis XPS
Fig. 12 Espectro ancho de película DLC (CH4-H2, CH4)
69
La composición elemental de la película de DLC analizada a través de la
técnica XPS está dada por nitrógeno, potasio, carbono y oxígeno (Fig.12). La
ubicación de picos en los espectros, definen que la energía de enlace C1s está
en 285.05 eV y 284.45 eV, teniendo como referencia lo reportado en la
literatura, las películas son Diamante Tipo Carbono.
Fig.13 Espectro de C1s de película DLC (CH4-H2, CH4)
Las energías correspondientes a los picos son 284.28 eV, energía característica
de los enlaces sp2 y 284.89 eV corresponde a enlaces sp3. Un tercer pico de
intensidad mínima se produce a 285.5 eV, puede ser atribuido a la
contaminación de óxidos de carbón formados en la superficie de las muestras
debido a la exposición al aire. En la Fig. 12 se encontraron las energías de
enlace a partir de los picos característicos de los enlaces sp2 a 284.09 eV y los
enlaces sp3 a 285.12 eV y la contribución de óxidos de carbón a 288.05 eV.
(Ver Tabla. 10)
70
Nombre
2
C1s (sp )
C1s Scan A (sp3)
C1s Scan B y C (C-O)
Energía de enlace
Area CPS.Ev
% atómico
284.28
284.89
285.5
15277.24
35825.91
16852.51
22.5
52.7
24.8
Tabla 10. Características de Picos Carbonáceos de DLC por XPS.
En un principio se tenía pensado complementar la información de esta técnica
con espectroscopía Raman, sin embargo por limitaciones en cuestión de tiempo
los análisis siguen en proceso, razón por la que no se encuentran en este
documento.
71
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
A través de este proyecto y las técnicas de caracterización se concluye lo
siguiente:
 Existe dependencia de flujo de los gases interactuantes al momento de
realizar la deposición, la densidad del plasma y la energía de iones
pueden ser consideradas como el
efecto resultante del balance de
deposición y ataque sobre el sustrato, permitiendo la adecuada
adherencia de la película de DLC.
 El aumento de la potencia para depositar DLC con la mezcla CH4-H2; CH4
genera películas con mayor rugosidad de acuerdo a las micrografías de
AFM, sin embargo las películas presentan mayor espesor de acuerdo a
los resultados de Filmetrics debido al incremento de tiempo para su
depósito.
 La adición del gas de Argón nos permite la disociación de las moléculas
del Acetileno y aumenta la densidad del plasma logrando tener enlaces
radicales de Hidrógeno y Carbono, con esto se incrementan las
posibilidades para la formación de enlaces sp 3/sp2, característicos de
estas películas de Carbono.
72
 Se encontró que la variables que influyeron de forma significativa en las
propiedades fisicoquímicas de las películas fue el uso de Acetileno con
baja potencia 95W, la morfología de las películas son esféricas dentro del
rango de 10nm -15 nm en tamaño.
 Las películas obtenidas tienen espesores 17 y 18 nm , teniendo como
futuro rubro a perfeccionar el desarrollo experimental que brinde mayores
espesores para aplicación en las herramientas de corte .
 Las propiedades fisicoquímicas de DLC en las películas, lo convierten en
un material alternativo para tenerlo en cuenta en futuros desarrollos en el
campo de la biomedicina.
Se recomienda para este proyecto someter el sustrato a un tratamiento químico
para modificar la superficie y permitir con el incremento de su temperatura la
difusión y lograr así mayor adherencia para la película, también prolongar el
tiempo para depósito de material, logrando obtención de películas multicapa,
teniendo como resultado un material con mayores espesores brindándole
aplicaciones directamente industriales.
73
XIII. ANEXOS
90.0
[MAP 1]
[MAP 1]
10.0
80.0
Si
70.0
Si
60.0
Counts[x1.E+3]
Counts[x1.E+3]
8.0
50.0
40.0
30.0
6.0
4.0
C
20.0
10.0
2.0
CO
0.0
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
keV
6.00
7.00
8.00
9.00
O
0.0
0.00
10.00
1.00
Espectro de cuantificación elemental M1
5.0
3.00
4.00
5.00
keV
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
9.00
10.00
Espectro de cuantificación elemental M2R
[MAP 1]
[MAP 1]
5.0
4.0
Si
Si
4.0
Counts[x1.E+3]
Counts[x1.E+3]
2.00
3.0
2.0
3.0
2.0
C
C
1.0
0.0
0.00
O
O
1.0
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
keV
6.00
7.00
8.00
Espectro de cuantificación elemental M3
9.00
10.00
0.0
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
keV
6.00
7.00
8.00
Espectro de cuantificación elemental M4R
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