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Produção e caracterização de filmes de DLC:SiOx a partir de misturas gasosas de C2H2: SiH4:
N2O.
Leandro Ribeiro da Silva*, Sérgio A. de Souza Camargo Jr.
*[email protected], bolsista de mestrado do CNPq
Laboratório de Recobrimentos Protetores, PEMM-COPPE-UFRJ
CP 68505, 21941-972, Rio de Janeiro, RJ
Resumo
O presente trabalho visa à produção de filmes de DLC:SiOX a partir de misturas gasosas de SiH4, C2H2 e
N2O, depositados em substrato de silício por meio da técnica rf-PACVD ( deposição química a vapor
assistida por plasma com radio freqüência). A influência de alguns dos parâmetros de deposição, tais como a
tensão de autopolarização (self-bias) e composição da mistura gasosa, serão avaliadas em termos das
propriedades finais apresentadas pelo recobrimento, uma vez que recobrimentos desta forma produzidos
carecem de maiores investigações na literatura.
Palavras-chave: DLC, DLC:SiOX, PACVD.
Introdução
Os recobrimentos protetores são extensamente
empregados para otimizar o desempenho, a
durabilidade e o custo/benefício de produtos e de
processos produtivos. Suas aplicações estão
presentes nos mais diversos setores industriais,
tais como o automobilístico, o aeroespacial, o de
equipamentos eletrônicos, o de alimentos, de
sistemas ópticos, de ferramentas, entre outros.
Alguns problemas como desgaste corrosivo,
perda de eficiência por atrito, desgaste mecânico,
entre outros podem ser facilmente solucionados
com a aplicação de recobrimentos adequados, o
que em termos práticos, influenciam de modo
significativo a qualidade e o ganho de produção.
Os filmes de DLC são conhecidos pela sua
elevada dureza, baixo coeficiente de atrito contra
metais, alta resistência ao desgaste e inércia
química.
Entretanto,
existem
algumas
desvantagens que limitam a sua aplicação, tais
como altas tensões residuais compressivas, baixa
estabilidade térmica e coeficiente de atrito
dependente da umidade. Dentre estas a primeira
apresenta-se como a mais crítica.
Visando melhorar as propriedades e diminuir os
inconvenientes que o filme puro apresenta, temse utilizado a incorporação de elementos. O
elemento que mais se destaca é o silício. Os
filmes de DLC com Si incorporado (DLC:Si)
apresentam reduzida tensão interna, alta taxa de
deposição, boa adesão para diversos tipos de
substratos, alta dureza, boa estabilidade térmica,
baixo coeficiente de atrito entre outras. Por este
conjunto de propriedades os filmes DLC:Si
tornam-se um excelente candidato para um
grande número de aplicações tecnológicas [1].
Quando incorporamos oxigênio simultaneamente
com silício em filmes de DLC (DLC:SiOX ), estes
filmes apresentam redução em sua tensão interna
melhorando sua adesão, também se observa um
aumento na taxa de deposição e um aumento do
gap óptico deixando os filmes mais transparentes,
o que é conveniente em recobrimentos protetores
para aplicações ópticas. Estas mudanças na
estrutura dos filmes e conseqüentemente em
suas propriedades, ocorrem devido à relaxação
estrutural relacionada à ocorrência da segregação
de uma fase rica em a-Si:O, dispersa na matriz aC:H. Estes filmes são referidos por vezes como
DLN (Diamond-Like nanocomposites), possuindo
interessantes propriedades ópticas, mecânicas e
tribológicas [2].
Materiais e métodos
Os filmes de DLC:SiOx serão depositados a partir
da técnica rf-PACVD (deposição química a vapor
Painel PEMM 2010 – 29 e 30 de novembro de 2010
assistida por plasma com radio freqüência), e
serão depositados em substratos de silício,
variando-se o potencial de autopolarização. Esta
técnica de deposição destaca-se devido algumas
particularidades: o processo é realizado a baixa
temperatura, proporciona materiais homogêneos,
uniformes, e com propriedades dependentes
fortemente dos parâmetros de deposição.
Os filmes de DLC:SiOX serão depositados com os
gases acetileno (C2H2), silano (SiH4) e óxido
nitroso (N2O), variando alguns parâmetros. Estes
filmes serão produzidos em duas séries
exatamente, na primeira série o bias será mantido
constante e o conteúdo de N2O será variado
fixando o conteúdo de SiH4 em 5%, na segunda
série o bias será variado e o conteúdo de N2O
será mantido constante, novamente fixando o
conteúdo de SiH4 em 5%.
Os recobrimentos produzidos serão investigados
e caracterizados por meio de diferentes
parâmetros e metodologias. (i). Avaliação
estrutural: espectroscopia Raman, espectroscopia
no infravermelho, espectroscopia Auger, XPS.
(ii). Avaliação mecânica: dureza, módulo de
elasticidade, tensão interna.
Segundo Damasceno et.al.[2] os filmes de DLC
preparados com silício, porém sem adição de
oxigênio no plasma, apresentam tensão interna
na faixa de 1,65 GPa, quando se adiciona uma
pequena fração de oxigênio, sua tensão interna
aumenta consideravelmente para cerca de 2,25
GPa. Conforme se eleva o conteúdo de oxigênio,
a tensão interna diminui para níveis muito
inferiores a tensão dos filmes preparados sem
oxigênio, cerca de 0,9 GPa para filmes com 5
vol.% de O2. Esta tensão interna pode ser devido
o crescimento da fase SiOX, que é menos
tensionada que a fase DLC.
Os filmes DLN por apresentar estas excelentes
propriedades, possuem diversas aplicações
industriais, principalmente no setor tribológico. O
coeficiente de atrito contra aço costuma-se
apresentar na faixa de 0,05 a 0,15, mesmo em
ambiente úmido. O baixo coeficiente de atrito,
baixa tensão interna, boa adesão, entre outras
propriedades, fazem deste revestimento um
candidato promissor em diversas áreas
industriais, tais como: indústria automotiva, têxtil,
química ou na indústria biomédica [3].
Conclusões
Discussão
Quando o silício e oxigênio são incorporados
concomitantemente aos filmes de DLC,
importantes mudanças estruturais ocorrem, é
formado um material que consiste em um
compósito em escala atômica de redes aleatórias
de carbono e silício, onde a rede de carbono é
estabilizada pelo hidrogênio e a rede de silício é
estabilizada pelo oxigênio. Este tipo de estrutura
tem sido referida como (DLN) nanocompósitos
tipo diamante.
Filmes DLC:SiOx, apresentam interessantes
propriedades mecânicas, ópticas e tribológicas.
Embora a dureza deste material seja menor
quando comparada com a dureza dos filmes de
DLC puro, sua tensão interna é significantemente
reduzida quando se aumenta o conteúdo de O2,
resultando em uma boa adesão para os diversos
tipos de substratos, e ainda apresentam outras
benéficas propriedades, tais como: baixo
coeficiente de atrito alta estabilidade térmica e
tenacidade à fratura [2].
O trabalho depositará filmes de DLC:SiOX com
subseqüente
caracterização,
onde
as
propriedades de dureza, módulo elástico, tensão
interna serão avaliadas.
Agradecimentos
Os autores agradecem o CNPq pelo suporte
financeiro.
Referencias
[1] Damasceno, J.C., “Produção de ligas amorfas
hidrogenadas de carbono e silício com alta dureza e
reduzida tensão interna”, Tese de MSc.,
PEMM/COPPE/UFRJ,(2000).
[2] Damasceno, J.C., Camargo JR., S.S., Surface &
Coatings Technology 200, páginas 6279-6282, (2006).
[3] Neerinck, D.,Persoone, P., Diamond and Related
Materials Vol.7, páginas 468-471, (1998).
Painel PEMM 2010 – 29 e 30 de novembro de 2010