Desarrollo de Nanocompuestos de Base Carbono en Capa Fina por Arco Catódico para

251 Pages·2013·41.93 MB·Spanish

Desarrollo de Nanocompuestos de Base
Carbono en Capa Fina por Arco Catódico para
Aplicaciones Mecánicas y Biomédicas

Luis Ángel Yate Gómez

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DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA Y ÓPTICA
Martí i Franquès 1, 08028 Barcelona

Desarrollo de Nanocompuestos de Base
Carbono en Capa Fina por Arco Catódico para
Aplicaciones Mecánicas y Biomédicas

Luis Ángel Yate Gómez

Programa de Doctorado en Física
Director: Arturo Lousa Rodríguez

Memoria presentada para optar al grado de Doctor
Barcelona 2013

Este trabajo se realizó en el Grupo de Capas Finas e
Ingeniería de Superficies del Departamento de Física

Aplicada y Óptica de la Universidad de Barcelona
bajo la dirección del Dr. Arturo Lousa Rodríguez, en

el marco del proyecto Programa Nacional de
Materiales MAT2006-13006-C02-02 y el programa
CONSOLIDER INGENIO 2010 bajo el proyecto

CSD2008-00023 Surface Functionalization of
Materials for High Added Value Applications

(FUNCOAT).

Resumen

Esta tesis se enfoca en el crecimiento y caracterización estructural y funcional de capas
finas de carburo de cromo y con el fin de establecer las relaciones entre la síntesis,
estructura y propiedades.
La tecnología de depósito empleada en este estudio fue el arco catódico filtrado a partir
de un blanco de cromo en una atmósfera reactiva de argón y acetileno (Ar + C H ).
2 2
Además, se diseñó un filtro lineal magnético para reducir el número de macropartículas
que se depositan en las capas y que son inherentes al proceso de arco catódico.
Las capas se depositaron sobre diferentes tipos de sustratos, silicio, vidrio y acero con el
fin de realizar diferentes caracterizaciones. Las principales caracterizaciones realizadas
fueron espectroscopias de foto-electrones de rayos-X (XPS), Raman y de infra-rojo
(FTIR), difracción de rayos-X (XRD), microscopia de transmisión electrónica (TEM),
así como nanoindentación y ball-on disk.
Durante el desarrollo de esta tesis se ha logrado obtener por primera vez estructuras
nanocompuestas formadas por nanocristales de carburo de cromo embebidas en una
matriz de carbono amorfo hidrogenado, nc-CrC/a-C:H, y también estructuras
nanocompuestas formadas por nanocristales de cromo embebidas en una matriz de
carburo de cromo amorfo, nc-Cr/a-CrC depositadas por medio de la técnica de arco
catódico filtrado. Se analizó principalmente el efecto de la presión total y presión parcial
de acetileno y el voltaje de polarización aplicado a los sustratos sobre la composición
química y la microestructura de las capas.
Los parámetros con mayor influencia en la composición química de las muestras
resultaron ser la presión total y la presión parcial de acetileno, lo que permitió obtener
capas con contenidos de carbono desde 13.1 hasta 72.4 at.%. El voltaje de polarización
tuvo también una gran importancia en la composición química pero se encontró que
principalmente tiene una fuerte influencia en la estructura cristalina de las capas. Las
capas depositadas a altas presiones, 6·10-2 mbar, y ricas en carbono presentaron una
estructura amorfa y/o con estructura de nanocompuesto consistente en nanocristales de
carburo de cromo embebidos en una matriz de carbono amorfo hidrogenado,
i
nc-CrC/a-C:H. Las capas depositadas a una presión intermedia, 3·10-2 mbar, presentaron
composiciones químicas cercanas a la estequiometria del Cr C y estructuras amorfas,
3 2
nanocompuestas o altamente cristalinas en función del voltaje de polarización. Las
capas depositadas a baja presión, 6·10-3 mbar, y ricas en cromo presentaron estructuras
amorfas, estructuras nanocompuestas consistentes en nanocristales de cromo embebidos
en una matriz de carburo de cromo amorfo, nc-Cr/a-CrC, y estructuras altamente
cristalinas en función del voltaje de polarización.
Las capas presentaron diferentes combinaciones de dureza y coeficientes de fricción en
función del contenido de carbono. Las capas depositadas a altas presiones y que fueron
ricas en carbono presentaron los mejores valores de coeficientes de fricción, hasta 0.15,
combinados con relativamente bajos valores de dureza, entre 3 y 8 GPa. Las capas
depositadas a una presión intermedia, con composiciones químicas cercanas a la
estequiometria del Cr C presentaron los mejores resultados de dureza, hasta 33 GPa y a
3 2
su vez buenos resultados de coeficiente de fricción, del orden de 0.3.
La combinación de buenas propiedades mecánicas y tribológicas proporciona un
material en forma de capa fina con un futuro prometedor para el desarrollo de
aplicaciones mecánicas, tribológicas y biomédicas.

ii
Abstract

This thesis is focused in the growth and structural and functional characterization of
chromium carbide thin films with the aim to establish synthesis, structure and property
performance relations.
The deposition technique employed in this study was filtered cathodic arc from a
chromium target in a reactive atmosphere of argon and acetylene (Ar + C H ). A linear
2 2
magnetic filter was designed in order to reduce the number of macroparticles that reach
the substrates and that are inherent to the arc cathodic process.
The thin films were deposited on silicon, glass and steel in order to perform different
characterizations. The more important characterizations performed in this thesis were
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman and infra-red (FTIR) spectroscopies,
X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), as well as
nanoindentation and ball-on disk.
During the development of this thesis it was reported for the first time the deposition of
nanocomposite structures consisting of chromium carbide nanocrystals embedded in an
amorphous hydrogenated carbon matrix, nc-CrC/a-C:H, and also nanocomposite
structures consisting of chromium nanocrystals embedded in an amorphous chromium
carbide matrix, deposited by filtered cathodic arc technique. The effect of the deposition
pressure, acetylene partial pressure and applied bias voltage on the chemical
composition and microstructure of the films was mainly studied.
The main parameters that influenced the chemical composition of the samples were the
total pressure and acetylene partial pressure, which allowed to deposit thin films with
carbon contents from 13.1 to 72.4 at.%. The bias voltage also had a remarkably effect
on the chemical composition, but it was found that it affects mainly to the crystalline
structure of the films. The films deposited at a high total pressure, 6·10-2 mbar, were
rich in carbon and presented an amorphous and/or nanocomposite structure consisting
of chromium carbide nanocrystals embedded en in amorphous hydrogenated carbon
matrix, nc-CrC/a-C:H. The films deposited at an intermediate pressure, 3·10-2 mbar,
presented chemical compositions near to the Cr C stoichiometry and amorphous,
3 2
iii
nanocomposite or highly crystalline structures as function of the bias voltage. The films
deposited at a low pressure, 6·10-3 mbar, were rich in chromium and presented
amorphous or nanocomposite structures consisting of chromium nanocrystals embedded
in an amorphous chromium carbide matrix, nc-Cr/a-CrC, or highly crystalline structures
as function of the bias voltage.
The deposited thin films presented different combinations of hardness and friction
coefficients as function of the carbon content. The films deposited at high pressures,
which were rich in carbon, presented the best friction coefficients, until 0.15 combined
with a relatively low hardness, between 3 and 8 GPa. The films deposited at an
intermediate pressure, with chemical compositions near to the Cr C stoichiometry,
3 2
presented the best hardness results, up to 33 GPa and at the same time good results of
friction coefficient, in the order of 0.3
The combination of good mechanical and tribological properties provides thin film
materials with a promising future for mechanical, tribological and biomedical
applications.

iv
Agradecimientos

Esta tesis no habría sido posible de no haber sido por la ayuda y participación de mucha
gente que me ayudó, guió y acompañó durante los últimos años.
En primer lugar tengo que agradecer al Dr. Arturo Lousa por haberme dado la
oportunidad de ser parte del grupo de investigación de Capas Finas e Ingeniería de
Superficies y tuvo la paciencia y dedicación para ofrecerme horas y horas de su tiempo
y por enseñarme no solo a ser un buen científico sino también a ser persona. Muchas
gracias profe, espero no olvidar ninguna de las lecciones.
Agradezco también al Dr. Joan Esteve por sus consejos y apoyo durante todo el tiempo
que estuve en la Universidad de Barcelona y por siempre mostrar una cara amable.
Un agradecimiento muy especial a los profesores del Departamento de Física Aplicada
y Óptica que influyeron y aportaron en mi formación durante estos años; Dr. Cèsar
Ferrater, Dr. Enric Bertran, Dr. José-Luis Morenza, y a los posdocs Paolo Frigeri y
Aldrin Antony por sus consejos e interés en mi trabajo.
También tengo que agradecer a mis compañeros y sobretodo amigos del Grupo de
Capas Finas e Ingeniería de Superficies; Leyre Martínez de Olcoz, que además de hacer
cientos de medidas de dureza en mis muestras me abrió las puertas de su hogar, intento
que me sintiera como en casa y dedico un día entero y mucha paciencia a que lograra
bajar una montaña esquiando sin caerme. A David Cano, que también dedicó mucho
tiempo midiendo la fricción de mis muestras. Gracias por las discusiones científicas y
por los cafés cuando necesitaba un descanso.
A todos los demás compañeros, colegas y amigos del Departamento. Un recuerdo muy
especial de todos; Damarys Serrano, Dani Ibarz, Oriol Nos, Jordi Cespedes, Maria Jose
“Coté”, Freddy Rojas, Julián “Rojo”, Noemí Aguiló, Oriol Arteaga, Adrian Patrascioiu,
Rubén Roldán, Eric Langenberg, Jofre Ventura y Javier Díez. Y como no, a los dos que
más echo de menos después de tantos años de amistad; Jorge Montes y Emerson Coy.
Un saludo muy especial al personal de la Secretaría del Departamento por ayudarme y
hacerme siempre las cosas más fáciles; Mayte, Dolores y Jordi.
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