Propriedades mecânicas de filmes finos de carbono amorfo hidrogenados

Orientador: Francisco das Chagas MarquesDissertação (mestrado) - Universidade estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: 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 óticasAbstract: 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 coatingsMestradoFísicaMestre em Físic

Processo De Obtenção De Sensores De Pressão E Fontes De Elétrons à Base De Carbono E Controlados Por Pressão, E Material De Carbono Obtido Para Confecção Dos Dispositivos

Processo de obtenção de novos dispositivos eletroeletrônicos, em geral, especialmente sensores de pressão e fontes de elétrons controlados por pressão e outras aplicações potenciais, onde os dispositivos são confeccionados com um novo material a base de carbono, chamado de carbono amorfo nanoestruturado, cujas propriedades eletrônicas, tais como a emissão de campo e a condutividade elétrica, são dependentes da pressão, e onde os dispositivos são compostos por filmes de carbono amorfo nanoestruturado ou nC a-C, os quais podem ser preferencialmente preparados pela técnica de deposição conhecida como IBAD (lon Beam Assisted Deposition), ou deposição assistida por feixe de íons usando duas fontes de íons to tipo Kauffinan, e processo de obtenção de material carbono amorfo nanoestruturado ou nC a-C.BR0203947 (B1); BR0203947 (A)G01L9/00G01L21/34G01L9/00G01L21/34BR20020203947G01L9/00G01L21/34G01L9/00G01L21/3

Mudanças estruturais e eletrônicas de filmes de carbono amorfo bombardeados por gases nobres

Orientador: Francisco das Chagas MarquesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: O estudo de filmes de carbono amorfo vem atraindo grande atenção nos últimos anos principalmente devido às suas propriedades interessantes como alta dureza, baixo coeficiente de fricção, ser quimicamente inerte, e transparente no infravermelho. Entretanto, um maior entendimento da microestrutura dos filmes de a-C ainda é um desafio, principalmente devido à habilidade do carbono de ligar-se com diferentes hibridizações (sp, sp2, sp3). No presente trabalho realizamos um estudo das propriedades estruturais e eletrônicas de filmes de carbono amorfo preparados por Dual Ion beam sputtering deposition utilizando diferentes gases nobres (Ne, Ar, KI, Xe). Esse sistema consiste de dois canhões Kauffman, um para o bombardeio (sputtering) do alvo de grafite, e o outro para o bombardeio do filme durante o seu crescimento. O sputtering do alvo de grafite foi realizado, para todos gases nobres, com uma energia de bombardeio constante de 1500 eV. A energia de bombardeio (por gases nobres), durante o crescimento dos filmes, foi variada entre 0 e 800 eV. O stress compressivo e a energia de plasmons dos filmes (proporcional à densidade local) aumentam com o aumento da energia de bombardeio, atingindo valores de stress compressivo em torno de 12 GPa e energia de plasmon de aproximadamente 29.5 eV. Esse fenômeno acontece com o bombardeio de todos os gases utilizados. Esses resultados foram obtidos em um intervalo de energia de bombardeio entre 100 e 650 eV e são da mesma ordem dos valores publicados para filmes com uma alta concentração de ligações sp3 C-C (ta-C). Por outro lado, a análise estrutural dos filmes (XPS, UPS e Raman, densidade, TEM, STM, EELS, condutividade, efeito Hall, entre outras) indica uma estrutura composta basicamente de ligações sp2 (em torno de 90%). Não é conhecido na literatura um material de a-C que apresente uma estrutura grafítica com tão altos valores de stress e densidade microscópica (plasmon). Também observamos uma melhora nas propriedades eletrônicas dos filmes, através da redução da resistividade e da tensão de emissão de campo (field emission), com o aumento do stress da rede. Esses resultados nos levaram a propor novos dispositivos eletrônicos à base de carbono sensíveis a pressão. Entendemos que o intenso bombardeio por gases nobres durante o crescimento do filme, gera o alto valor de stress da rede e força os átomos de carbono para dentro matriz, compactando o material. O aparecimento do stress, aproxima os aglomerados grafiticos, causando a melhora nas propriedades eletrônicas e o aumento da densidade local (plasmons). Além disso, o estudo da interação entre os gases nobres aprisionados dentro da matriz de carbono, durante o crescimento do filmes, também foi realizado pelas técnicas de XANES/EXAFS e fotoemissão. Em particular, observamos a formação de clusters de gases nobres induzidos pela pressão interna da matriz de carbonoAbstract: Amorphous carbon (a-C) compounds have attracted great attention in the past years mainly due to their interesting properties such as high hardness, low coefficient of friction, chemical inertness, e infrared transparency. However, a better understanding of the a-C microstructure is still a challenge mainly due to the ability of carbon to bond with different hybridizations (sp, sp2, e sp3). In the present work, we report a study of amorphous carbon films prepared by Ion Beam-Assisted deposition (IBAD) using different noble gases (Ne, Ar, Kr, e Xe). The deposition system consists of two Kauffman's sources, one for the sputtering of the graphite target, and another for the assisting of the film during growth. The graphite target was sputtered by a 1500 V noble gas (NG) ion beam energy. The films were prepared in the range of 0 to 800 eV NG ion beam assisting energy. For all the noble gases used, the intrinsic stress e local density (plasmon) of the films increase with increasing assisting energy , reaching high values such as 12 GPa e 29,5 eV, respectively. On the other hand, structural analysis by XPS, UPS, Raman, density , hardness, TEM, STM, EELS, conductivity , Hall measurements, among others, indicate that the material is composed of a hard, highly stressed, and locally dense graphite-like network with 90% concentration of sp2 sites. It has no report in literature of a material with these characteristics. In addition, we also observed an improvement of the electronic properties of the films (resistivity e field emission) with increasing compressive stress. Based on these results, we propose new carbon electronic devices sensitive to pressure. We suggest that the strong noble gases ion bombardment generates the stress and forces 'knock-on' the carbon atoms beneath the surface. The increase in the internal stress reduces the distance between the sp2 clusters, increasing the local density (plasmons) e improving the electronic properties. Furthermore, the interactions between the noble gases, trapped during growth, and the carbon matrix was also explored. We observed by XANES/EXAFS the clustering of noble gases induced by the increasing matrix internal pressureDoutoradoFísicaDoutor em Ciência

Agglomeration defects on irradiated carbon nanotubes

Aligned carbon nanotubes (CNT) were irradiated in the longitudinal and perpendicular directions, with low energy carbon and helium ions in order to observe the formation of defects in the atomic structure. Analysis through Raman spectroscopy and scanning electron microscopy indicated bundle rupture and ion track formation on nanotube bundles. Aligned CNT presented a kind of defect comprising ravine formation and tube agglomeration on top of the substrate. The latter structure is possibly caused by static charge accumulation induced by the incoming ions. Fluence plays a role on the short range order. Higher fluence irradiation transforms CNT into amorphous carbon nanowires

Agglomeration defects on irradiated carbon nanotubes

Aligned carbon nanotubes (CNT) were irradiated in the longitudinal and perpendicular directions, with low energy carbon and helium ions in order to observe the formation of defects in the atomic structure. Analysis through Raman spectroscopy and scanning electron microscopy indicated bundle rupture and ion track formation on nanotube bundles. Aligned CNT presented a kind of defect comprising ravine formation and tube agglomeration on top of the substrate. The latter structure is possibly caused by static charge accumulation induced by the incoming ions. Fluence plays a role on the short range order. Higher fluence irradiation transforms CNT into amorphous carbon nanowires

Agglomeration defects on irradiated carbon nanotubes

Aligned carbon nanotubes (CNT) were irradiated in the longitudinal and perpendicular directions, with low energy carbon and helium ions in order to observe the formation of defects in the atomic structure. Analysis through Raman spectroscopy and scanning electron microscopy indicated bundle rupture and ion track formation on nanotube bundles. Aligned CNT presented a kind of defect comprising ravine formation and tube agglomeration on top of the substrate. The latter structure is possibly caused by static charge accumulation induced by the incoming ions. Fluence plays a role on the short range order. Higher fluence irradiation transforms CNT into amorphous carbon nanowires

Observation of ferromagnetism in PdCo alloy nanoparticles encapsulated in carbon nanotubes

INCT - INSTITUTO NACIONAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA METROLOGIA DE RADIAÇÃO EM MEDICINACNPQ – CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOFAPESP – FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOFAPEMIG - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE MINAS GERAISLNLS - LABORATÓRIO NACIONAL DE LUZ SÍNCROTRONCarbon nanotubes terminated by PdCo catalyst nanoparticles were grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition. Transmission electron microscopy reveals that these nanoparticles have a droplike shape and are completely encapsulated inside multiwalled nanotubes. Magnetization measurements showed the existence of a permanent magnetization with a small shape anisotropy effect. The magnetization of both cobalt and palladium was confirmed by x-ray magnetic circular dichroism. These results show that nanotubes ended by magnetic PdCo nanoparticles can be grown and could be used in magnetic storage media and electrical spin injection.9625INCT - INSTITUTO NACIONAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA METROLOGIA DE RADIAÇÃO EM MEDICINACNPQ – CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOFAPESP – FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOFAPEMIG - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE MINAS GERAISLNLS - LABORATÓRIO NACIONAL DE LUZ SÍNCROTRONINCT - INSTITUTO NACIONAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA METROLOGIA DE RADIAÇÃO EM MEDICINACNPQ – CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOFAPESP – FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOFAPEMIG - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE MINAS GERAISLNLS - LABORATÓRIO NACIONAL DE LUZ SÍNCROTRO