Entendimento químico da adesão de filmes de carbono amorfo em ligas ferrosas por meio de intercamadas contendo silício - Boeira, Carla Daniela (My University, 2021)
Diamond-like Carbon films (DLC) films, despite research being developed over four decades, have restricted industrial use and prevent massive application in recent years due to the low adhesion of this material to ferrous alloys. The low adhesion of these films is interpreted by different physical and chemical resources that contribute to the delamination process. The physical mechanisms refer to internal residual stresses caused by ions and atoms bombardment during the deposition process and the difference in thermal expansion of the film and substrate. While the chemical mechanisms involve the chemical affinity between substrate and film. The use of silicon-containing interlayers improves the adhesion of amorphous carbon films, as these interlayers takes the difference of the thermal expansion coefficients between substrate and film provide the properties present in the film/interlayer/substrate interfaces. Interfacial bonds such as C-C and Si-C may promote adhesion due to the use of silicon interlayers, but a better understanding of the interface chemistry of these systems is necessary to introduce the influence of residual elements as oxygen. Contaminating elements from the precursor used in the interlayer deposition process or even atmospheric residual from the chamber's vacuum system, can reduce this chemical affinity and consequently the expected adhesion. Studies have shown positive results for adhesion at temperatures above 300 °C, where the terminating oxygen from bonds is desorbed, but high levels can make the industrial application of these films unfeasible. Other deposition parameters of these interlayers such as deposition time, polarization voltages or even etching can also decrease the presence of elements such as oxygen and optimize the deposition application in temperature at than or equal to 85 °C. In this study, two different systems were proposed in order to analyse the influence of the chemical structure of the silicon-containing interlayer on the adhesion of amorphous carbon films. The different model systems the influence of nitrogen etching in interlayer silicon-containing and the influence of base pressure on pure silicon interlayers to adhere hydrogenated amorphous carbon films to ferrous alloys. The microstructure and chemistry of the film/interlayer/substrate systems were analysed and, subsequently, correlated to adhesion. The structures of the amorphous carbon films were analyzed by Raman spectroscopy. The chemical compositions and connections of the proposed systems included investigations scanning electron microscopy (SEM), glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES), Fourier transform spectroscopy (FTIR) and X-ray excited photoelectron spectroscopy (XPS). The adhesion was verified through tests governed by international standards such as Scotch test, Mercedes test and scratch test. The systems studied showed the best adhesion of films in systems where the lowest presence of oxygen was verified at the interfaces? interlayer for both models. Therefore, the oxygen is the main element that is harmful to adhesion. A physic-chemical model was proposed to correlate an adhesion with the amount of oxygen present in the deposition. This model can be considered for adhesion of amorphous carbon films, making it available as industrial applications and consequently the application in several areas. [resumo fornecido pelo autor]
Filmes de carbono tipo diamante (DLC), mesmo com pesquisas sendo desenvolvidas ao longo de quatro décadas, possuem uso industrial restrito e impedem a aplicação massiva nos últimos anos devido à baixa adesão deste material em ligas ferrosas. A baixa adesão desses filmes é interpretada por mecanismos físicos e químicos distintos que contribuem para o processo de delaminação. Os mecanismos físicos referem-se a tensões residuais internas causadas pelo bombardeamento de íons e átomos durante o processo de deposição e, também, à diferença de coeficientes de expansão térmica do filme e substrato. Enquanto nos mecanismos químicos envolvem a afinidade química entre substrato e filme, o uso de intercamadas contendo silício melhora a adesão de filmes de carbono amorfo, pois reduz a diferença dos coeficientes de expansão térmica entre substrato e filme e auxiliam nas ligações químicas presentes nas interfaces filme/intercamada/substrato. Ligações químicas que promovem adesão como C-C e Si-C podem ser obtidas com a utilização destas intercamadas, mas um melhor entendimento da química da interface destes sistemas, levando em consideração a influência de elementos residuais como oxigênio na região se faz necessário. Elementos contaminantes, provenientes do precursor utilizado no processo de deposição da intercamada, ou até mesmo residual atmosférico do sistema de vácuo da câmara, como o oxigênio, podem reduzir esta afinidade química e consequentemente a adesão buscada. Estudos mostram resultados positivos para adesão em temperaturas acima de 300 °C, onde o oxigênio terminante de ligações é dessorvido, porém elevadas temperaturas podem inviabilizar a aplicação industrial destes filmes. Outros parâmetros de deposição destas intercamadas como tempo de deposição, tensões de polarização ou mesmo tratamento químico com auxílio de plasma podem também diminuir à presença de elementos como o oxigênio e otimizar, portanto, as temperaturas de deposição maiores ou igual a 85 °C. Neste estudo, dois diferentes sistema modelo foram propostos de modo a analisar a influência da estrutura química da intercamada contendo silício na adesão de filmes de carbono amorfo. Os diferentes sistemas modelam a influência do tratamento a plasma de nitrogênio em intercamada contendo silício e a influência da pressão de base em intercamadas de silício puro, visando a adesão dos filmes de carbono amorfo hidrogenado em ligas ferrosas. A microestrutura e a química dos sistemas filme/intercamada/substrato foram analisadas e, posteriormente, correlacionadas à adesão. As estruturas dos filmes de carbono amorfo foram analisadas por espectroscopia Raman. A composição química e ligações dos sistemas propostos contaram com investigações por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GD-OES), por espectroscopia por transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). A adesão dos filmes foi avaliada através de testes regidos por normas internacionais, como Scotch test, Mercedes test e testes de esclerometria linear. Os sistemas estudados apontaram a melhor adesão dos filmes de carbono em sistemas onde foi verificada a menor presença de oxigênio nas interfaces da intercamada para ambos os modelos, o que concorda com trabalhos anteriores. O oxigênio, portanto, trata-se do principal elemento prejudicial à adesão. Foi proposto um modelo físico-químico que correlaciona à adesão a quantidade de oxigênio presente na deposição. Este modelo pode ser utilizado para adesão de filmes de carbono amorfo otimizando aplicações em processos industriais. [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Ciência dos materiais; Ligações químicas; Filmes finos de diamantes; Carbono - Aplicações industriais; Adesão; Silício; Materials science; Chemical bonds; Diamond thin films; Carbon - Industrial applications; Adhesion; Silicon