Preparation of nanostructured carbon films by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

Mgr. Adrian Stoica, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Téma předkládané disertační práce je zaměřeno na přípravu a charakterizaci nanostrukturovaných modifikovaných diamantu podobných uhlíkových tenkých vrstev, připravených za nízkého tlaku metodou plazmatem urychlené chemické depozice z plynné fáze. Nejprve byl studován vliv dopování deuteriem na optické a mechanické vlastnosti hydrogenovaných uhlíkových vrstev. Optická emisní spektroskopie byla použita k získání informací o procesech probíhajících se ve výbojích ve směsích metanu s deuteriem. Práce se zaměřuje na vliv dalších typů příměsí, byly rovněž studovány diamantu podobné vrstvy obsahující křemík a kyslík a/nebo dusík. Tyto vrstvy byly deponovány ze směsí plynů CH4, HMDSO (hexametyldisiloxan), HMDSZ (hexametyldisilazan), H2, a N2 jakožto ochranné povlaky na polymerních substrátech jako polyfenylsulfid a skleněnými vlákny zesílený polyester. Složením směsí plynů bylo možné měnit strukturu a chemické složení vrstev ve velmi širokém rozsahu. Bylo možné minimalizovat tlakové pnutí ve vrstvách a zároveň optimalizovat parametry výboje pro dosažení dobré adheze k různým typům podložek. Vyvinuté povlaky odolaly v teplotám dosahujícím téměř až bodu tání polymerních substrátů bez poškození delaminací. Dále byly optimalizovány povlaky s vrstevnatým anebo gradientním složením připravené z modifikovaných amorfních uhlíkové vrstev a bylo zkoumáno jejich možné použití jakožto ochranných povlaků na kovových substrátech. V tomto případě byly připraveny tenké vrstvy s monotónně měnícím se elastickým modulem a tvrdostí za účelem snížení tangenciálního pnutí na rozhraní vrstva-substrát. Mechanické vlastnosti byly studovány instrumentovanou vtiskovou technikou. Hodnoty celkové volné povrchové energie byly určeny z měření kontaktních úhlů různých kapalin s povrchem studovaného materiálu. Optické vlastnosti povlaků byly stanoveny ze spektrofotometrických a z elipsometrických měření. Byly prověřeny taktéž tribologické vlastnosti vybraných povlaků.

Abstract:

The topic of the present dissertation thesis is focused on the preparation and characterization of nanostructured modified diamond-like carbon thin films, prepared by low pressure radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition. First, the effect of deuterium addition on the mechanical and optical properties of hydrogenated amorphous carbon films was studied. A basic optical emission spectroscopy study was used as a "fingerprint" process in the deuterium containing plasma to examine the emitting species in the discharges. Second, diamond-like carbon films containing silicon, oxygen and/or nitrogen, were deposited as protective coatings on polymers substrates such as polyphenylene sulphide and glass fiber reinforced polyethylene from gas mixtures of CH4, HMDSO (hexamethyldisiloxane), HMDSZ (hexamethydisilazane), H2, and N2. Gas composition was changed in order to vary the content of doping elements in the films. The compressive stress in the films was reduced, and the optimum conditions for good adhesion to polymer substrates were found. The optimized coatings withstood temperatures approaching substrate melting point without creation of cracks and delaminations. Other modified amorphous carbon films, with graded composition, were prepared and their possible application as protecting coatings for metal substrates was investigated. In this case, thin films with monotonically varying elastic modulus and hardness were prepared in order to suppress delamination from substrate. Throughout the entire work, the mechanical properties were studied by the instrumented indentation technique. Total surface free energy and contact angle values were determined by contact angle measurements using the SEE System. The optical properties of the coatings were determined from spectrophotometric and ellipsometric measurements. A tribological investigation of selected coatings was also performed.

Keywords

Depozice tenkých vrstev, PECVD, nanostrukturovaný modifikovaný DLC. Thin film deposition, nanostructured modified DLC.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 1. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 14. 2. 2013
• Supervisor: doc. RNDr. Vilma Buršíková, Ph.D.
• Reader: assoc.prof. Rodica Vladoiu, Ing. Jaroslav Sobota, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Plasma Physics