Studies of thermal stability of a-C:H:Si coatings produced by radio-frequency plasma assisted chemical vapour deposition (RF-PACVD) method

• Autorzy: Batory D. , Jędrzejczak A. , Sobczyk-Guzenda A. , Szymański W. , Niedzielski P.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2016.4.5

Warianty tytułu

PL

Badania stabilności termicznej powłok a-C:H:Si wytwarzanych metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą częstotliwości radiowej (RF PACVD)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work the thermal stability of silicon-doped diamond-like carbon (DLC) films was investigated. The studied coatings were produced by radio-frequency plasma assisted chemical vapour deposition (RF-PACVD) method with use of tetramethylsilane (TMS) as a silicon precursor. As-deposited Si-DLC coatings with three different silicon concentrations were annealed at 400°C, 500°C, and 600°C for 1 hour in air atmosphere. For comparison DLC coatings were also examined. It has been shown that the level of disorder of Si-DLC increases with the increase of silicon concentration. Silicon admixture improves the thermal stability of Si-DLC coatings by slowing down and delaying the graphitization processes compared to the undoped DLC films. Furthermore, an increase in hardness of the Si-DLC coatings annealed at the temperature of 400°C has been observed. The DLC and Si-DLC coatings with the lowest Si concentration annealed at 500°C, and all of the coatings annealed at 600°C have been completely degraded. The coatings with the highest concentration of silicon that have stood the annealing process at 500°C have demonstrated a high degree of graphitization and degradation, manifesting itself in the lowest mechanical properties and a significant reduction in their thickness.

PL

Diamentopodobne warstwy węglowe (DLC) charakteryzują się szeregiem unikatowych właściwości, do których można zaliczyć m.in. wysoką biokompatybilność, dużą twardość, mały współczynnik tarcia oraz odporność na korozję. Dlatego powłoki DLC są powszechnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym, a także medycznym. Pomimo wielu korzystnych właściwości wykazują one niską stabilność termiczną, co ogranicza ich zastosowanie. Jednym z możliwych rozwiązań powodujących zwiększenie temperatury pracy powłok węglowych jest włączenie do ich struktury atomów domieszki. Celem pracy było zbadanie stabilności termicznej powłok (DLC) domieszkowanych krzemem. Powłoki wytworzono metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą częstotliwości radiowej (RF PACVD). Jako prekursor krzemu zastosowano tetrametylosilan (TMS). Powłoki Si-DLC o różnej zawartości Si były wygrzewane w trzech różnych temperaturach w atmosferze powietrza. Dla celów porównawczych stabilność temperaturową badano również dla niedomieszkowanych powłok DLC.

Słowa kluczowe

EN

thermal stability; silicon doping; DLC films

PL

stabilność termiczna; domieszkowanie krzemu; powłoki DLC

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 37, nr 4
• Strony: 178--183
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Batory D.

• Institute of Materials Science and Engineering, Lodz University of Technology, Lodz, Poland

autor

Jędrzejczak A.

• Institute of Materials Science and Engineering, Lodz University of Technology, Lodz, Poland

autor

Sobczyk-Guzenda A.

• Institute of Materials Science and Engineering, Lodz University of Technology, Lodz, Poland

autor

Szymański W.

• Institute of Materials Science and Engineering, Lodz University of Technology, Lodz, Poland

autor

Niedzielski P.

• Institute of Materials Science and Engineering, Lodz University of Technology, Lodz, Poland

Bibliografia

• [1] Grill A.: Diamond-like carbon coatings as biocompatible materials — an overview. Diamond and Related Materials 12 (2010) 51÷70.
• [2] Vetter J.: 60 years of DLC coatings: historical highlights and technical review of cathodic arc process to synthesize various DLC types, and their evolution for industrial applications. Surface and Coatings Technology 257 (2014) 213÷240.
• [3] Bewilogua K., Hofmann D.: History of diamond-like carbon films — From first experiments to worldwide applications. Surface and Coatings Technology 242 (2014) 214÷225.
• [4] Thorwarth G., Falub C. V., Müller U., Weisse B., Voisard C., Tobler M., Hauert R.: Tribological behavior of DLC-coated articulating joint implants. Acta Biomaterialia 6 (2010) 2335÷2341.
• [5] Sharma R., Barhai P. K., Kumari N.: Corrosion resistant behaviour of DLC films. Thin Solid Films 516 (2008) 5397÷5403.
• [6] Ferrari A. C.: Diamond-like carbon for magnetic storage disks. Surface and Coatings Technology 180 (2004) 190÷206.
• [7] Zhang S., Biu X. L., Li X.: Thermal stability and oxidation properties of magnetron sputtered diamond-like carbon and its nanocomposite coatings. Diamond and Related Materials 15 (2006) 972÷976.
• [8] Batory D., Jedrzejczak A., Kaczorowski W., Kolodziejczyk L., Burnat B.: The effect of Si incorporation on the corrosion resistance of a-C:H:SiOx coatings. Diamond and Related Materials 67 (2016) 1÷7.
• [9] Roy R. K., Choi H. W., Yi J. W., Moon M.-W., Lee K.-R., Han D. K., Shin J. H., Kamijo A., Hasebe T.: Hemocompatibility of surface-modified, silicon-incorporated, diamond-like carbon films. Acta Biomaterialia 5 (2009) 249÷256.
• [10] Choi J., Nakao S., Miyagawa S., Ikeyama M., Miyagawa Y.: The effects of Si incorporation on the thermal and tribological properties of DLC films deposited by PBII&D with bipolar pulses. Surface and Coatings Technology 201 (2007) 8357÷8361.
• [11] Camargo S. S., Baia Neto A. L., Freire Jr F. L., Carius R., Finger F.: Improved high-temperature stability of Si-incorporated a-C:H films, Diamond and Related Materials 7 (1998) 1155÷1162.
• [12] Wu W. J., Hon M. H.: Thermal stability of diamond-like carbon films with added silicon. Surface and Coatings Technology 111 (1999) 134÷140.
• [13] Kiessig H.: Untersuchungen zur totalreflexion von röntgenstrahlen. Annals of Physics 10 (1931) 715÷768.
• [14] Robertson J.: Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering R 37 (2002) 129÷281.
• [15] Ferrari A. C., Robertson J.: Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Phys. Rev. B 61 (2000) 14095÷14107.
• [16] Casiraghi C., Piazza F., Ferrari A. C., Grambole D., Robertson J.: Bonding in hydrogenated diamond-like carbon by Raman spectroscopy. Diamond and Related Materials 14 (2005) 1098÷1102.
• [17] Bertoti I., Toth A., Mohai M., Szepvolgyi J.: Chemical structure and mechanical properties of Si-containing a-C:H and a-C thin films and their Cr- and W- containing derivates. Surface and Coatings Technology 206 (2011) 630÷639.
• [18] Wu W. J., Hon M. H.: Thermal stability of diamond-like carbon films with aded silicon. Surface and Coatings Technology 111 (1999) 134÷140.
• [19] Silverstein R. M., Bassler G. C., Morrill T. C.: Spectrometric identification of organic compounds. Chapter 3. Wiley, Chichester (1991) 72÷118.
• [20] Lambert J. B., Shurvell H. F., Lightner D. A., Cooks R. G.: Introduction to organic spectroscopy. Chapter 10. Macmillan, New York (1987) 174÷177.
• [21] Arkles Ed. B.: Infrared analysis of orgnosilicon compounds, Spectra– structure correlations. Reprinted from Silicone Compounds. Register and Review, Petrorch System (1987).
• [22] Grill A.: Porous pSiCOH ultralow-k dielectrics for chip interconnects prepared by PECVD. Annual Review of Materials Research 39 (2009) 49÷69.
• [23] Lee K. R., Kima M. G., Cho S. J., Eun K. Y., Seong T. Y.: Structural dependence of mechanical properties of Si incorporated diamond-like carbon films deposited by RF plasma-assisted chemical vapor deposition. Thin Solid Films 308-309 (1997) 263÷267.
• [24] Donnet C., Erdemir A.: Tribology of diamond-like carbon films. Fundamentals and Applications, ISBN 978-0-387-30264-5 (2008).

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.