Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/23752
Title: Deposição de diamante CVD sobre nitreto de silício por filamento quente
Other Titles: Diamond coating of silicon nitride by hot filament chemical vapour deposition
Author: Tallaire, Alexandre Jean-Baptiste
Advisor: Costa, Florinda Mendes da
Silva, Rui Ramos Ferreira e
Keywords: Filmes de diamante
Deposição química de vapor
Engenharia de materiais
Nucleação
Ferramentas cortantes
Nitreto de silício
Defense Date: 2002
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: O presente trabalho foi dedicado ao desenvolvimento no Departamento de Cerâmica e do Vidro, de um equipamento de deposição de filmes de diamante CVD (“Chemical Vapour Deposition”) sobre substratos cerâmicos e metálicos utilizando o método do filamento quente. O diamante possui propriedades mecânicas, térmicas e eléctricas excepcionais devido à sua estrutura cristalina muito rígida. Apesar do seu elevado preço, estas propriedades tornam o diamante num material de eleição para várias aplicações. O interesse em sintetizá-lo, por vários métodos, evocados na abordagem teórica desse trabalho, é cada vez maior. A deposição de filmes finos de diamante CVD policristalino encontrou uma das suas aplicações mais prometedoras na área das ferramentas de corte. A opção por substratos de natureza carburígena à base de nitreto de silício (Si3N4) para a deposição de diamante CVD, constituiu uma alternativa aos substratos convencionais de carboneto de tungsténio (WC/Co) que permitiu melhorar a adesão filme/substrato. Os estudos já realizados mostraram que controlando as condições de deposição é possível sintetizar filmes de diamante aderentes com uma determinada morfologia e com uma alta pureza. Neste trabalho pretendeu-se determinar os parâmetros de deposição óptimos para a nucleação e o crescimento de filmes de alta qualidade usando o equipamento de CVD de filamento quente (HFCVD). Amostras de Si3N4 sinterizadas no laboratório foram cobertas com diamante e sistematicamente caracterizadas por análise Raman para obter informações sobre a qualidade do filme e observadas por microscopia de varrimento. Foram também realizadas análises por microscopia de força atómica e difracção dos raios X. Os resultados obtidos foram discutidos em termo de optimização dos parâmetros de deposição (concentração em metano, temperatura da amostra, pré-tratamento superficial…). Com o processo de HFCVD desenvolvido foi possível crescer filmes de diamante sobre substratos de Si3N4. A comparação com os filmes crescidos usando um reactor comercial de micro-ondas e a medição da adesão confirmaram a boa qualidade dos filmes.
This work is essentially aimed at developing a Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) apparatus for the growth of diamond thin films on ceramic and metal substrates in the Department of Ceramic and Glass Engineering of the University of Aveiro. The strong covalent structure of the diamond lattice is responsible for its outstanding mechanical, thermal and electrical properties. These combine to make the diamond one of the most technologically and scientifically valuable materials. Its scarcity and high cost have motivated the searchers to attempt to synthesize it through different techniques that will be enumerated. One of the most promising applications of CVD diamond polycrystalline film is its use as cutting tool. For such purpose, adhesion between the substrate and the film is critical and needs to be improved by the use of appropriated substrates such as silicon nitride (Si3N4) rather than the conventional WC/Co inserts. Some studies have shown that perfect control of the deposition conditions allows the production of adherent diamond films with a determined morphology and a high purity. In the present research, the parameters of deposition of a HFCVD equipment were optimised in order to nucleate and grow high quality diamond films. Substrates of Si3N4 sintered in our laboratories were covered with diamond. Each sample was systematically characterised by Raman analysis and Scanning Electronic Microscopy to evaluate the quality of the films. Moreover, Atomic Force Microscopy and X-Ray diffraction were performed. The results were discussed in order to determine the best HFCVD deposition process (concentration in methane, substrate’s temperature, surface pre-treatments…) leading to good quality diamond films. The study of the adhesion and the comparison with the films grown using a commercial microwave equipment have confirmed the successful improvement of the quality.
L’objectif principal de ce travail a été le développement, au sein du laboratoire du Département de Génie Céramique et Verre de l’Université d’Aveiro, d’un équipement permettant la réalisation de dépôts chimiques de films polycristallins de diamant en phase vapeur par la technique du filament chaud sur des substrats céramiques et métalliques. Le diamant se distingue des autres matériaux par sa structure cristalline covalente très rigide qui lui donne ses propriétés remarquables tant au niveau mécanique que thermique et électrique. Bien que rare et cher, il excelle dans de nombreuses applications, d’où l’intérêt grandissant porté à sa synthèse par différentes méthodes qui seront par ailleurs évoquées. La réalisation de films fins de diamant CVD polycristallin a ouvert les portes à la production d’outils de coupe toujours plus performants. L’adhérence du dépôt au substrat qui reste un facteur limitatif a été améliorée par l’utilisation de substrats de nitrure de silicium (Si3N4) au lieu des traditionnels substrats de carbure de tungstène (WC/Co). De nombreuses études ont montré qu’un parfait contrôle des conditions de déposition permettait d’obtenir des films adhérents possédant la morphologie désirée et une pureté élevée. La technique CVD par filament chaud (HFCVD) développée au cours de ce travail a été optimisée de manière à obtenir les paramètres de déposition idéaux permettant la nucléation puis la croissance de films de diamant de bonne qualité. Différents films ont été réalisés sur des substrats céramiques de Si3N4 préparés au laboratoire. Les échantillons ainsi recouverts ont été systématiquement caractérisés par analyse Raman et observés par microscopie électronique à balayage afin d’en évaluer la qualité. Par ailleurs la microscopie à force atomique et la diffraction des rayons X ont également été utilisées. Les résultats obtenus seront discutés en terme de paramètres de déposition (concentration en méthane, température du substrat, prétraitement superficiel…) toujours en vue d’une amélioration substantielle de la qualité et de la morphologie du film. Un procédé de dépôt par HFCVD a ainsi été élaboré permettant l’obtention de films de diamant sur des substrats de Si3N4 dont la bonne qualité a été confirmée par la comparaison avec un équipement de micro-ondes et la mesure de l’adhésion.
Description: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/23752
Appears in Collections:DEMaC - Dissertações de mestrado
UA - Dissertações de mestrado

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