Naprężenia własne w warstwach węglowych osadzanych na podłożu tytanowym

• Autorzy: Raczkowski R. , Dudek M.

Warianty tytułu

EN

The residual stress in carbon films deposited on titanium substrates

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Wysokie naprężenia ściskające występujące w warstwach węglowych znacząco ograniczają ich grubość, gdyż prowadzą do jej delaminacji. W prezentowanej pracy zbadano wpływ ujemnego potencjału autopolaryzacji na wartość naprężeń występujących w warstwach węglowych wytworzonych na tytanowym podłożu podczas procesu RF PECVD. Otrzymane wyniki pokazują, że metoda pomiaru naprężeń oparta na zależności Stoney'a pozwala na dokładne pomiary naprężeń w przypadku warstw osadzanych na wybranym podłożu. Maksimum naprężeń ściskających jest obserwowane dla małych wartości potencjału autopolaryzacji (-300 V) i stale maleje wraz ze wzrostem napięcia. W przedziale od -500 V do -600 V mierzone naprężenia zmieniają się z naprężeń ściskających na rozciągające. Po zmianie znaku naprężenia w warstwie wzrastają wraz z wartością potencjału autopolaryzacji. Wpływ mikrostruktury na naprężenia wewnętrzne w warstwach był analizowany przy użyciu spektroskopii Ramana.

EN

High compressive stress present in carbon films significantly limits their thickness because of delamination. In this work, the effect of substrate bias on the amount of stress in carbon films deposited on titanium substrate by the RF PECVD technique was investigated. The results obtained show that the Stoney formula provides a very convenient and accurate way to measure the stress in the case of films deposited on selected substrates. The maximum of compressive stress is observed at low bias voltage (-300 V) and it steadily decreases with the increasing value of this voltage. In the range from -500 V to -600 V the measured stress changes from compressive to tensile and it continuously increases with further bias increase. The effects of the film microstructure on the film's internal stress were also studied using Raman spectroscopy.

Słowa kluczowe

PL

RF PECVD; warstwy węglowe; naprężenia

EN

RF PECVD; carbon films; stress

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 13, no. 93
• Strony: 19--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., wykr.

Twórcy

autor

Raczkowski R.

• Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul. Stefanowsкiego 1/15, 90-924 Łódź

autor

Dudek M.

• Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul. Stefanowsкiego 1/15, 90-924 Łódź

Bibliografia

• [1] D. Dowson, Friction and Wear of Medical Implants and Prosthetic Devices, ASM Handbook, Vol. 18, ASM International, 1992, p. 656-664.
• [2] V. Fridrici, S. Fouvry, Ph. Kapsa, Effect of shot peening on the fretting wear of Ti-6Al-4V, Wear 250 (2001), 642
• [3] M. Dudek, S. Fouvry, B. Wendler,Ph. Kapsa, T. Liskiewicz, The effect of diffusion treatments in a glow-discharge plasma in Ar+O2 atmosphere on friction and wear of Ti-6Al-4V alloy, Vacuum 70 (2003), 187.
• [4] E. Mitura, S. Mitura, P. Niedzielski, Z. Has, R. Wolowiec, A. Jakubowski, J. Szmidt, A. Sokolowska, P. Louda, J. Marciniak, B. Koczy, Diamond-like carbon coatings for biomedical applications, Diamond and Related Materials 3 (1994), 896.
• [5] S. Mitura, A. Mitura, P. Niedzielski, P. Couvrat, Nanocrystalline diamond coatings, Chaos, Solitons and Fractals 10 (1999), 2165.
• [6] D. Bociąga, J. Grabarczyk, P. Niedzielski, M. Krakus, K. Mitura, Zastosowanie biomateriałów z warstwami węglowymi do przekłu¬wania ciała, Inżynieria Biomateriałów 43-44 (2005), 66.
• [7] B. Burnat, W. Kaczorowski, G. Bogusławski, T. Blaszczyk, H. Scholl, Corrosive features of Ti with nanocrystalline diamond layers obtained by means radio freguency and microwave/radio freguency plasma chemical vapor deposition methods, Inżynieria Biomateriałów 56-57 (2006), 34.
• [8] S. Aisenberg, R. Chabot, Ion-Beam Deposition of Thin Films of Diamondlike Carbon, Journal of Applied Physics 42 (1971), 2953.
• [9] Z. Has, S. Mitura, M. Cłapa, J. Szmidt, Electrical properties of thin carbon films obtained by r. F. Methane decomposition on an R. F. -powered negatively self-biased electrode, Thin Solid Films 136 (1986), 161.
• [10] S. Mitura, Z. Has, V.I. Gorokhovsky, System for depositing hard diamond-like films onto complex-shaped machine elements in an r.f. arc plasma, Surface and Coatings Technology 47 (1991), 106.
• [11] P.C.T. Ha, D.R. McKenzie, M.M.M. Bilek, E.D. Doyle, D.G. McCulloch, P.K. Chu, Control of stress and delamination in single and multi-layer carbon thin films prepared by cathodic arc and RF plasma deposition and implantation, Surface and Coatings Technology 200 (2006), 6405.
• [12] Y. Lifshitz, Hydrogen-free amorphous carbon films: correlation between growth conditions and properties, Diamond and Related Materials 5 (1996), 388.
• [13] A. Grill, Plasma-deposited diamondlike carbon and related Ma¬terials, IBM Journal of Research and Development 43 (1999), 147.
• [14] J. Sawicki, M. Dudek, Modelowanie metodą elementów skończonych naprężeń własnych w warstwach węglowych osadzanych na stali medycznej, Inżynieria Materiałowa 6 (2008), 854.
• [15] S.G. Malhotra, Z.U. Rek, S.M. Yalisowe, J.C. Bilello, Analysis of thin films stress, Thin Solid Films 301 (1997), 45.
• [16] A. Perry, J.A. Sue, P.J. Martin, Practical measurements of the residual stress in coatings Surface and Coatings Technology 81 (1996), 17.
• [17] D.S. Knight, W.B. While, Characterization of diamond films by Raman spectroscopy, Journal of Materials Research 4 (1989), 385.
• [18] M. Clapa, S. Mitura, P. Niedzielski, A. Karczemska, J. Hassard, Colour carbon coatings, Diamond and Related Materials 10 (2001) 112.
• [19] W. Okrój, M. Kamińska, L. Klimek, W. Szymański B. Walkowiak, Blood platelets in contact with nanocrystalline diamond surfaces, Diamond and Related Materials 15 (2006), 1535.
• [20] A. Kluba, D. Bociaga, M. Dudek, Hydrogenated amorphous carbon films deposited on 316L stainless steel, Diamond and Related Materials 19 (2010), 533.
• [21] M. Ohring, The Materials Science of Thin Films, Plenum Press, New York, 1992, p. 418, 552.
• [22] H. Windischmann, K.J. Gray, Stress measurement of CVD diamond films, Diamond and Related Materials 4 (1995), 837.
• [23] J.G. Kim, J. Yu, Comparative study of residual stress measurement methods on CVD diamond films, Scripta Materialia 39 (1998), 807.
• [24] Y. Catherine, in Diamond and Diamondlike Films and Coatings, NATO-ASI Series B: Physics, R. E. Clausing, L.L. Horton, J.C. Angus, and P. Koidl, Eds., Plenum Publishing Co., New York, 1991, p. 193
• [25] S. Mitura, Nucleation of Diamond Powder Particles in an RF Methane Plasma, Journal of Crystal Growth 80 (1987), 417.
• [26] M.A. Tamor, W.C. Vassell, K.R. Carduner, Atomic constraint in hydrogenated "diamond-like" carbon, Applied Physics Letters 58 (1991), 592.
• [27] K. Tachibana, M. Nishida, H. Harima, Y. Urano, Diagnostics and modelling of a methane plasma used in the chemical vapour deposition of amorphous carbon films, Journal of Physics D: Applied Physics 17 (1984), 1727.
• [28] T. Itoh, N. Mutsukura, Mechanical properties of a-C:H thin films deposited by r.f. PECVD method, Vacuum 77 (2004), 11.
• [29] A. von Keudell, W. Jacob, Growth and erosion of hydrocarbon films investigated by in situ ellipsometry, Journal of Applied Physics 79 (1996), 1092.
• [30] A. von Keudell, Surface processes during thin-film growth, Plasma Sources Science and Technology 9 (2000), 455.
• [31] X.L. Peng, T.W. Clyne, Residual stress and debonding of DLC films on metallic substrates, Diamond and Related Materials 7 (1998), 944.
• [32] R.O. Dillon, J.A. Woollam, V. Katkanant, Use of Raman- Scattering to Investigate Disorder And Crystallite Formation in As-Deposited and Annealed Carbon-Films, Physical Review B 29 (1984), 3482.
• [33] H.C. Tsai, D.B. Bogy, Critical Review: Characterization of diamondlike carbon films and their application as overcoats on thin-film media for magnetic recording, Journal of Vacuum Science and Technology A 5 (1987), 3287.
• [34] F. Tuinstra, J.L. Koenig, Raman spectrum of graphite, Journal of Chemical Physics 53 (1970), 1126.
• [35] J. Schwan, S. Ulrich, V. Bathori, H. Ehrhardt, S.R.P. Silva, Raman spectroscopy on amorphous carbon films, Journal of Applied Physics 80 (1996), 440.
• [36] S. Ager, S. Anders, A. Anders, I.G. Brown, Effect of intrinsic growth stress on the Raman spectra of vacuum-arc-deposited amorphous carbon films, Applied Physics Letters 66 (1995), 3444.

Uwagi

PL

Praca była finansowana przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (Grant Nr 3T08C06129).