Thin film structures of diamond-like carbon prepared by pulsed plasma techniques

Abstract

Esta tesis presenta un estudio de la síntesis y la caracterización de carbono amorfo tipo diamante (DLC) preparado en capa delgada. Este material destaca por exhibir una alta dureza, baja fricción y buena resistencia al desgaste. Gracias a sus excelentes propiedades mecánicas y tribológicas, el DLC presenta numerosas aplicaciones como recubrimiento protector y lubricante sólido. Como ejemplos, podemos citar el recubrimiento de herramientas de corte, discos duros de ordenador y prótesis ortopédicas. Las técnicas más frecuentes para el depósito de DLC son el depósito químico en fase vapor activado por plasma (PECVD), el arco catódico, y la pulverización catódica con magnetrón.<br/>Una desventaja importante presentada por las capas de DLC es su elevado esfuerzo compresivo residual, factor que limita el grosor de las capas a unas pocas decenas de nanómetros. La superación de este grosor provoca inestabilidades en el material que conducen a problemas de adhesión e incluso a la delaminación de la capa. En la literatura se proponen varias soluciones para reducir las tensiones internas del DLC y así rebajar este esfuerzo mecánico, como por ejemplo el depósito de capas metálicas de anclaje y de estructuras repetitivas en multicapa de periodo nanométrico. El objetivo de esta tesis ha consistido en preparar diferentes estructuras de DLC y modificar sus propiedades mediante la variación de los parámetros tecnológicos de depósito. El análisis de los resultados de caracterización de las muestras nos ha proporcionado su estructura, morfología, propiedades químicas, ópticas, eléctricas y de superficie.<br/>Una parte de este trabajo trata sobre el crecimiento de DLC por la técnica de PECVD mediante una fuente pulsada-DC de alta potencia que alimenta un plasma de metano. Esta tecnología ofrece varias ventajas, como la reducción del esfuerzo intrínseco del DLC y el incremento de la velocidad de depósito, todo ello logrado utilizando una instalación más económica que las tradicionales de radiofrecuencia. Se ha hecho un estudio in-situ de los parámetros del plasma pulsado (temperatura electrónica, densidades iónica y electrónica, y potencial de plasma) medinte una sonda de Langmuir en modo de resolución temporal. De esta manera, se ha apreciado la dependencia de las propiedades de las capas con respecto a las variables fundamentales del proceso de depósito.<br/>Por otro lado, también se ha considerado la incorporación de átomos metálicos (Mo, Nb, Ti, W) en la red de carbono mediante la técnica de depósito de pulverización reactiva con magnetrón en atmósfera de argón y metano. Las capas de DLC con contenido metálico, que presentan una nanoestructura y una cristalinidad determinadas por el metal añadido y su abundancia, sufren un menor esfuerzo merced a una estructura más relajada sin que por ello se resienta en gran medida la dureza. Las propiedades tribológicas también se ven favorecidas al mostrar valores muy bajos (~0.03) de coeficiente de fricción.

<i>THESIS SUMMARY:<br/><br/>This thesis reports the study of the synthesis and characterisation of thin films of diamond-like carbon (DLC). This material exhibits high hardness, low friction and low wear rate. Due to its excellent mehanical and tribological properties, the DLC shows several applications as protective coating and solid lubricant. We can mention for instance coatings addressed to cutting tools, hard-disk drives and orthopedic implants. DLC films are commonly deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), cathodic arc, and magnetron sputtering.<br/>An important drawback of DLC films is their high residual compressive stress, which limits film thickness to a few tens of nanometers. Strong instabilities of the material are promoted by the overcoming of this thickness, leading to adhesion problems and even to film delamination. Some of the solutions proposed in the literature consist on the deposition of metallic buffer layers and multilayer structures of nanometric period. The aim of this thesis consisted on the preparation of different structures of DLC and the tailoring of their properties by varying the technological parameters of deposition. The analysis of the characterisation results of the samples provided us their structure, morphology, and chemical, optical and electrical properties.<br/>A part of this work deals with the growth of DLC by means of PECVD technique using a pulsed-DC power supplier that drives a methane plasma. This technology provides several advantages, as for example the reduction of the intrinsic stress of DLC and the increase of the deposition rate, being this achieved by making use of an installation more cost-effective than the employed for radiofrequency. The parameters of the pulsed plasma (electron temperature, ion and electron densities, and plasma potential) have been studied by means of a Langmuir probe in time-resolution mode. Thus, the film properties have been related to fundamental variables of the deposition process.<br/>On the other hand, we have also considered the incorporation of metal atoms (Mo, Nb, Ti, W) within the carbon network by means of reactive magnetron sputtering in an argon and methane mixture. The metal-containing DLC films, which present a nanostructure and crystallinity determined by the added metal and its abundance, suffer a lower stress thanks to a more relaxed structure without reducing significatively the hardness. The low values of the friction coefficient (~0.03) are indicative of the improvement of the tribological properties.</i>