Jóvenes a la Investigación 2009 - CNyN - UNAM

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