JÃ³venes a la InvestigaciÃ³n 2009 - CNyN - UNAM

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Jóvenes a la Investigación 2009 15 de junio – 3 de julio del 2009SINTESIS DE PELICULAS DE NITRURO DE RENIO PORPULVERIZACION CON MAGNETRON: ESTUDIO PRELIMINARNATALIA JIMENEZ LOPEZ 1 , GERARDO SOTO HERRERA 2 , PHILIPPE CHARLES ROBIN 21Instituto tecnológico de Chihuahua (ITCH) Av. Tecnológico #2909 col. 10 de mayo C.P. 31310 ChihuahuaChihuahua México.2Universidad Nacional Autónoma de México. Carr. Tijuana-Ensenada km. 107 Ap. Postal 22860 Ensenada BajaCalifornia México.Este trabajo presenta la síntesis de la película de nitruro de renio por medio de la técnica de Sputtering-Magnetron y si es posible depositar una película denitruro de Renio sobre un sustrato de silicio. Se determina que si es posible depositar la película de nitruro de renio analizando los resultados por medio de rayosX y microscopia electrónica de barrido.Introducción:La ciencia y la ingeniería siempre han estado en busca denuevos materiales para aplicaciones especificas y conmayores ventajas. Esta vez se han estado realizandoinvestigaciones para encontrar nuevos materiales quetengan propiedades muy similares a las del diamante, sobretodo en busca de su extraordinaria dureza.El diamante, sabemos que por sus propiedades físicas yquímicas tienen una dureza de aproximadamente 75 GPa ypuede llegar a soportar muy altas temperaturas, lo cual lohace muy atractivo para diversas industrias.RESULTADOSSe deposito la película de nitruro de renio, con el patrón de difracción derayos X se comparo el patrón de rayos X del renio y el patrón de lapelícula de ReN 2 observando que la estructura del renio si tuvo uncambio ya que se logro acomodar átomos de N 2 dentro de la estructura.se muestran en las siguientes figurasEstructuraoriginal delRenioOBJETIVO Depositarsobre un sustrato desilicio una película denitruro de renio porpulverizacion-magnetron.Presentacióny discusión delresultadoHay dos maneras de producir materiales superduros, quesean extremadamente difíciles de comprimir o resistentes ala deformación, propiedad que resulta muy necesaria para ladureza. Una manera, como mencionamos, es imitar aldiamante, y la manera de imitarlo es usar carbonocombinándolo con nitrógeno o usando alguno de estoselementos para mantener enlaces cortos. La otra esencontrar metales que ya sean incompresibles e intentarhacerlos duros.La elección del renio fue por su incompresibilidad y suspropiedades químicas, su configuración electrónicaXe4f 14 5d 5 6s 2 , puede lograr una excelente hibridación con elnitrógeno, debido al tamaño de este y por las fuerzaselectroestáticas y llegar a mantener una estructura enequilibrio, el resultado de esta hibridación es el enlacecovalente que hace que incremente la plasticidad y su puntode fusión.La síntesis de esta película se realizo por medio de la técnicade sputtering-magnetrón utilizando gas argón como gasinerte y nitrógeno como gas reactivo depositada sobre unsustrato de silicio. La confirmación de la película de nitrurode renio se realizo mediante espectroscopia de rayos X ymicroscopia electrónica de barrido.Debido al tamaño de los recubrimientos, Dentro de la cámara demagnetrón-sputtering, debemos mantener un atmosfera completamentelimpia, para ello la presión de vacio que usamos es de 2*10 -6 . la presiónde trabajo es de 6*10 -13 mTorrs, esta presión es la que usamos en lamezcla de gas argón con nitrógeno y la temperatura de trabajo es de300 Y 200 grados Celsius, esta temperatura permite cristalizar mejor elnitruro de renio sobre el sustrato de silicio .Los factores mas importantes para lograr buenas películas de nitruro derenio, son la temperatura, la presión de trabajo, presión parcial denitrógeno, así como también el tiempo de exposición.Lo que ocurre dentro de la cámara, es que los iones del gas argón sonbombardeados sobre la superficie del blanco de renio ayudados por elmagnetrón, el magnetrón atrae en gran cantidad iones de argón y lesproporciona mayor fuerza para tomar átomos de blanco de renio por queestos iones deben tener la fuerza necesaria para romper las fuerzas deatracción entre los átomos de renio. cuando esto sucede ya existe unapresión de gas nitrógeno, y los iones de gas argón siguenbombardeando la superficie del blanco de renio y los átomos de renio ala misma vez siguen ionizando átomos de gas argón haciendo de esteproceso una cascada. Los átomos arrancados de la superficie del renioson atriados al sustrato. De los átomos de renio son arrancadoselectrones debido a las colisiones enrtre iones de argon y atomos derenio pero estos electrones de renio se mezclan de nuevo con los ionesdel argón emitiendo energía en forma de luz, color rosa y morado. segúnel tiempo que le demos pueden cristalizar de mejor manera mientras quesucede esto atomos del gas nitrogeno se van metiendo dentro de laestructura atómica de renio y la tasa de deposición ira incrementando. latemperatura ayuda a proporcionarles la energia necesaria paracristalizar sobre el sustrato de silicio.123Los sustratos de Si fueron analizados también por microscopia debarrido mostrando sobre la superficie del sustrato una película delgadade ReN2 con un espesor de tamaño adecuado aprox. 1μm. Y unaestructura columnar como muestra las figurasBibliografía, referencias o literatura citada:Zhouwen Chen, Mingxia Gu and Chang Appl. Physics Letters 2007, 91.ww.angstromsciences.com/www.ajaint.comPosible estructurade la pelicula deNitruro de RenioCONCLUSIONESSi es posible realizar películas delgadas por medio de la técnica depulverizacion-magnetron. Sin embargo, hacen falta mas pruebas desíntesis y de caracterización estructural para demostrar cuales sonlas condiciones ideales para la síntesis de películas delgadas deReN 2 para que sean incompresible y aproximadamente tan durocomo el diamante. Estos análisis pueden ser espectroscopia Auger ynanoidentacion entre otros.Agradecimientos:Quiero agradecer con todo mi corazón a todas las lindas personasque colaboraron conmigo para poder desarrollar este proyectobridándome su tiempo y atención, GRACIAS!!!UNAM, CNyN, Dr. Gerardo Soto H., Dr. Philippe Charles R.,Felipe Ramírez H., Israel Gradilla, Eloísa Aparicio, Dr. Wencelde la Cruz, Dr. Jesús Heiras.Proyecto PAPIME PE100409Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAMEnsenada, BC, México
Jóvenes a la Investigación 2009 15 de junio – 3 de julio del 2009Depósito de MoC y N x por Erosión CatódicaReactiva con Magnetrón DCAlejandro Lizárraga 1 Phillipe Robin 2 Enrique Sámano 21Universidad Autónoma de Baja California Facultad de Ingeniería Mexicali, B. C.2Centro de Nanociencias y Nanotecnología UNAM Ensenada, B. C.Con el desarrollo de las nanociencias uno de los conceptos que se tuvo que redefinir fue el de superficie, pues ahora podemos entender que juega un papel crucial y que corresponde auna parte tangible del material que puede representar desde las primeras líneas de átomos hasta algunos nanómetros o incluso micras de éste y que además es posible aprovechar suspropiedades especiales en el desarrollo de nuevas aplicaciones. Una de estas aplicaciones es la de las películas delgadas. Se pueden emplear para la fabricación de recubrimientosreflejantes o antireflejantes, materiales fotosensibles, celdas fotovoltaicas, fabricación de semiconductores, maximización de la integración de circuitos, optimización de propiedadesmecánicas y tribológicas, etc.Introducción.Una de las técnicas para la síntesis de estosrecubrimientos con una buena tasa de depósito es unmétodo de tipo PVD (Physical Vapor Deposition) conocidacomo erosión catódica reactiva por magnetrón o sputteringreactivo por magnetrón.El sputtering es un proceso en el que se aceleran ionesenergéticos hacia una superficie para que choquen contraella y sacar átomos de la superficie. El sputtering es unproceso físico pues consiste en transferir el momento linealde los iones hacia los átomos de la superficie, si dichomomento lineal es mayor que la fuerza de los enlaces, elátomo en superficie es literalmente arrancado de ella.Los parámetros de voltaje para el plasma son I=0.27 A,V≈370 V y P =100 W. Se pretende que la corriente y lapotencia permanezcan constantes y que el voltaje varíecon los cambios en el plasma.Para permitir que la capa cristalice, es necesario someter alsustrato a un tratamiento térmico durante el proceso (300°C).Resultados.(a)Mo MN 23 N 23N KL 23 L 23dN(E)/dE [U.A]C KL 23 L 23[1] Fig. 1 -representación delproceso desputtering100 200 300 400 500Energía cinética [eV]Fig. 6 - Propiedades mecánicas en función de la carburación.La técnica consiste en generar un plasma de un gas inertecomo el argón en una camara de ultra alto vacío (2x10 -7Torr). Para generar el plasma, se aplica una diferencia depotencial en la cámara para ionizar el gas. Un vez ionizado,se concentra el plasma sobre un blanco por medio de unmagnetrón. El blanco esta hecho de la especie que sedesea depositar sobre el sustrato. Una vez se inicia elproceso se sputtering, se bombea un flujo constante dealgún gas reactivo para agregar otras especies al sustrato.(b)E*dN(E)/dE (u.a)P CH4=3.9% P N2=26.1%P CH4=7.5% P N2=22.5%P CH4=15% P N2=15%P CH4=22.5% P N2=7.5%P CH4=30% P N2=0%Mo=1;N=0.85;C=1.66Mo 2 C 0.09 N 0.54Mo 2 C 0.23 N 0.39Mo 2 C 0.30 N 0.33Mo 2 C 0.40 N 0.19Mo 2 C 0.16Manual AESMo=0.34;N=0.32;C=0.18Mo 2 C 0.29 N 0.49Mo 2 C 0.61 N 0.30Mo 2 C 1.01 N 0.28Mo 2 C 1.26 N 0.20Mo 2 C 0.48(a)[2] Fig. 2 - Diagramade un plasma desputtering pormagnetrón.Objetivo.Por medio de la técnica de sputtering reactivo sintetizarpelículas delgadas de MoC y N x tomando como base laestructura del nitruro de molibdeno (MoN x ) hasta llegar alcarburo de molibdeno (MoC x ); tratando de mantener laproporción de molibdeno y reemplazar lugares en la redcristalina donde típicamente habría nitrógeno, por átomosde carbono, con la finalidad de mejorar las propiedadesmecánicas y/o tribológicas.Experimental.El trabajo experimental se harán un total de 5 depósitos.Para la síntesis de las capas se trabajó a presión totalconstante de 5 mTorr y se utilizaron como gases reactivosel nitrógeno (N 2 ) y el metano (CH 4 ), donde la presión deestos gases combinados correspondía al 30 % de lapresión de la cámara, variando la proporción entre el N 2 yel CH 4. .(a)(b)Fig. 3 - Fotografías de la cámara de depósito (a) vista externa dela cámara, con los instrumentos de medición, (b) vista internade la cámara.Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM100 200 300 400Energía de enlace (eV)Fig. 4 - Espectros Auger (a) espectro típico de una muestra deMoC y N x (b) espectros de los depósitos realizados.Tabla 1 - Comparación de la concentración de los gases con laestequiometria de los compuestos resultantes.Fig. 5 – Difractogramas XRD de las muestras MoC y N x .(b)(c)Fig. 7 - Modelosgenerados porcomputadora de lasredes cristalinas de(a)MoN x , (b)MoC y N x y(c)MoC xMoNCConclusiones.En los espectros Auger se encontró la presencia de Mo, Cy N. De los análisis de rayos X, encontramos que laestructura corresponde a una de tipo fcc; i.e. grupo espacial225. La dureza de los recubrimientos donde lasconcentraciones de carbono eran más bajas se encontróalrededor de los 28 GPa y el módulo de Young cerca de los300 GPa. Concluyendo que el material tiene excelentespropiedades mecánicas. Donde la cantidad de carbono eramayor, se baja la dureza, pero está comprobado en otrosmateriales que al agregar más carbono a la red y al bajar ladureza, disminuye el coeficiente de fricción del material, semejoran las propiedades tribológicas.Este trabajo de investigación podría servir como base paradeterminar que proporciones de carbono y nitrógenooptimizan mejor las propiedades del material para finesespecíficos y que se diseñen para tener característicasespecíficas.Agradecimientos.A mis padres a quienes les debo la vida. Al Dr. PhillipeRobin por su extraordinario apoyo durante el proyecto y asu alumno Felipe Ramírez. Y por supuesto a losorganizadores del proyecto por brindarme la oportunidad.Proyecto PAPIME PE100409Bibliografía, referencias o literatura citada.[1]http://www.alacritas-consulting.com/sputtering_process.gif[2]http://www.angstromsciences.com/images/angstrom-sciencessputtering-process.jpgEnsenada, BC, México
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