Wilson S. Román^1,*, Henry Riascos¹, Julio C. Caicedo², Jose F. Gómez³, Rogelio Ospina⁴

1: Grupo Plasma, Láser y Aplicaciones, Universidad Tecnológica de Pereira –Colombia.

2: Grupo de Películas Delgadas, Universidad del Valle, Cali –Colombia.

3: Laboratorio de Optoelectrónica, Universidad del Quindío, Armenia – Colombia

4: Laboratorio de Física de Plasma, Universidad Nacional de Colombia, A.A.127, Manizales-Colombia

* e-mail: Steven_7475@hotmail.com

Las películas delgadas de carbono tipo diamante (DLC) y nitruro de boro (BN) fueron depositadas sobre sustratos de nitruro de silicio en forma de bicapa, mediante la técnica de deposición por láser pulsado (PLD). La deposición se realizó con un láser Nd: YAG con longitud de onda de 1064 nm, energía de 500 mJ por pulso, 9 ns de duración de pulso y tasa de repetición de 10 Hz. El crecimiento de la bicapa de DLC/BN se realizó en una atmósfera de argón, utilizando grafito y nitruro de boro como blancos con pureza (99,99% y 99,98%) respectivamente, la fluencia del láser se mantuvo constante en 2 J/cm² y durante el crecimiento se varió la temperatura del sustrato de 25 °C a 300 °C. El espesor fue determinado mediante perfilometría. Las películas fabricadas se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD) y espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR); la composición química se analizó mediante espectroscopía de rayos X por dispersión de energía (EDS), el estudio morfológico superficial se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), observándose de este modo una dependencia de la morfología como función de la temperatura de depósito.

Palabras Claves: Ablación láser, nitruro de boro (BN), DLC, nanoestructuras

The Diamond like carbon and boron nitride (DLC/BN) bilayer thin films were deposited onto silicon and nitride silicon substrates (100), by pulsed laser deposition system (PLD). The deposition was conducted with Nd:YAG laser with a wavelength of 1064 nm. The growth of bilayer was carried out under argon atmosphere, using graphite and boron nitride targets both of high purity (99.99% and 99. 98%) respectively. The laser fluence was kept constant at 2 J/cm² during deposition processes; the substrate growth temperature was varied from 25°C to 300°C. The thickness was determined with a profilometer. The films produced were characterized by X-ray diffraction (XRD), spectroscopy Fourier transform infrared (FTIR), the chemical composition was analyzed via Energy Dispersive X-ray (EDS). The morphological study was analyzed via scanning electron microscopy (SEM), observing a morphological dependence as function of temperature deposition.

Recibido: 23-09-2010 ; Revisado: 01-03-2011 Aceptado: 18-05-2011 ; Publicado: 27-05-2011

1. INTRODUCCIÓN

Las películas de carbono tipo diamante (DLC) y de Nitruro de Boro (BN) presentan excelentes propiedades mecánicas y tribológicas, como son baja fricción, alta resistencia al desgaste y la gran facilidad de crecer en diferentes sustratos especialmente en aceros industriales y silicio [1, 2], por lo que han suscitado gran interés en aplicaciones como lubricantes sólidos en múltiples ambientes [3, 4]. Sin embargo, los recubrimientos basados en DLC no presentan un buen comportamiento cuando se genera fricción en un ambiente lubricado o cuando se mecaniza metales con alto contenido de carbono debido a la tensión interna y la difusión del carbono que se presenta en estas películas, generando baja adherencia [5]. Por otro lado, el BN no ofrece durezas tan elevadas como el DLC, pero tanto la fase cúbica como la hexagonal no son alteradas por los fenómenos que afectan al DLC [6]. Hay que resaltar que la fase c-BN es transparente en un amplio intervalo de radiación y tiene una buena conductividad térmica. Además, dependiendo de la fase, se pueden obtener diferentes propiedades físico-mecánicas, presentando una mayor dureza y menor coeficiente de fricción para la fase cúbica en relación a la fase hexagonal [7], por ejemplo. El objetivo de este trabajo consiste en estudiar el efecto de la temperatura del sustrato (temperatura de depósito) sobre las propiedades estructurales y morfológicas de las películas en forma de bicapa de DLC/BN, depositadas por la técnica de láser pulsado.

2. PARTE EXPERIMENTAL

La deposición de películas delgadas de carbono tipo diamante (DLC) y nitruro de boro (BN) en forma de bicapa se realizó a partir de dos blancos estequiométricos, uno de grafito y el otro de h-BN, ambos de alta pureza (99,99% y 99,98%) respectivamente. La bicapa se obtuvo mediante ablación láser, usando un láser pulsado Nd: YAG, Spectra Physics, serie INDI 30, con una longitud de onda de 1064 nm, una energía del pulso de 500 mJ, duración de pulso de 9 ns, y tasa de repetición de 10 Hz. El haz del láser fue enfocado mediante una lente de vidrio, de distancia focal 24,5 cm, sobre la superficie del blanco en un ángulo de 45º respecto a la normal de la superficie del blanco; la distancia entre la superficie del blanco y la del sustrato se mantuvo constante a 6,5 cm. El proceso de ablación se llevó a cabo en una cámara de vacío como lo muestra la Figura 1. Se alcanzó una presión residual de 20x10^-5 Pa, más detalles sobre el sistema experimental se muestra en el trabajo [8]. Los parámetros de deposición utilizados fueron: La temperatura del sustrato se varió en el intervalo de temperatura de 25 °C a 300°C, se creció en una atmósfera de argón (Ar⁺) a una presión constante de 2,66 Pa. La fluencia del láser se mantuvo constante en 2 J/cm². Para el estudio de las propiedades de la bicapa DLC/BN en función de la temperatura del sustrato, se utilizaron diferentes técnicas.

Para determinar la estructura cristalina se empleó un difractómetro Bruker D8 Advance, en el modo de haz rasante. El análisis de los enlaces para las películas fue realizado mediante espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) con un espectrómetro Shimadzu IR Prestige-21 (500 – 4000 cm^-1) en modo de transmitancia, el cual utiliza una fuente cerámica tipo Nerst. El estudio de la morfología, se llevó a cabo con un microscopio electrónico de barrido Philips, XL 30 FEG y se midieron los espesores con un perfilómetro Dektak 8000 de punta de diamante, de este modo los resultados de los espesores se determinan a partir de una curva de profundidad como función de la distancia de desplazamiento.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para estudiar el efecto de la variación de la temperatura del sustrato sobre las películas en forma de bicapas de DLC/BN, se depositaron las películas a 3 diferentes valores de temperatura del sustrato, temperatura ambiente (25 °C), 150 °C y 300 ºC, dejando constantes todos los demás parámetros de deposición. Por lo tanto, la secuencia de la bicapa se genera depositando sobre la superficie del sustrato comercial de Si/Si3N4, la capa de DLC y posteriormente se deposita la capa de BN. Mediante los resultados de perfilometría se determinó el espesor de las películas en forma de bicapa de DLC/BN, obteniéndose un valor aproximado de 500 nm para todas las bicapas de DLC/BN crecidas variando la temperatura del sustrato.

3.1 Análisis de XRD.

En la Figura 2 se muestra el diagrama de difracción de rayos X de las bicapas (DLC/BN) obtenidas por deposición de láser pulsado (PLD), en donde se observan reflexiones en los planos de Bragg correspondientes a las direcciones (0002) y (0004) en su fase cristalina hexagonal (h-BN), para un máximo de intensidad en 26,82° y 55,11° respectivamente. Se encontraron además las reflexiones en el plano Bragg (101) correspondiente a la fase beta del nitruro de silicio, beta (β- Si₃N₄) [9, 10]. El tamaño promedio del cristal o (pequeño cristal) de la capa correspondiente a h-BN (0002) se determinó con la ecuación (1), conocida como la ecuación de Scherrer:

Para la ecuación de Scherrer: K es la constante de Scherrer, λ la longitud de onda del difractómetro de rayos X, y β_hkl  es el ancho del pico a la altura media, expresada en radianes. El tamaño del cristal varió desde 67 nm a 31 nm con el incremento de la temperatura del sustrato desde 25 C a 300°C [11]. La Figura 2 muestra los diagramas de difracción de rayos X para las bicapas crecidas a diferentes temperaturas del sustrato, en ellos se aprecia un ligero corrimiento hacia ángulos altos en 2θ para el pico de mayor intensidad referente a h-BN(0002) en relación con la difracción del material en polvo (JCPDF 00-009-0012), dicho corrimiento está representado por la línea punteada en el diagrama de difracción de rayos X, así como también una variación en sus respectivas intensidades con respecto a la variación de la temperatura de sustrato, evidenciando una influencia de la temperatura del sustrato en la formación de la estructura hexagonal del BN.

3.2 Análisis de FTIR.