Cilt/Volume : 23
122. Sayı
|
|
ELMAS İNCE FİLMLERİNİN ÜRETİMİ, MODİFİKASYONU VE KULLANIM ALANLARI
PRODUCTION, MODIFICATION AND USAGE AREAS OF DIAMOND THIN FILMS
ÖZET
Bu makalede, elmas benzeri karbon ve hidrojen emdirilmiş elmas benzeri karbon malzemeleri arasındaki yapısal farkları analiz etmek ve bu malzemelerin üretim yöntemlerini tanımlamak amaçlanmıştır. Elmas benzeri filmler, kimyasal ve fiziksel buhar biriktirme teknikleri ile üretilebilmektedir. Birbirinden farklı bir çok teknik/metot kullanıldığından elmas benzeri filmlerin fiziko-kimyasal özellikleri değişmektedir. Genelde elmas benzeri filmler, birçok uygulamalar için aranan karakteristiklere sahiptir. Bu karakteristikler, biriktirme tekniği ve proses parametreleri ile değişim göstermektedir. Plastik lenslerde koruyucu kaplama, elektrik devresi uygulamaları, kesici takım uygulamaları ve aşırı yükler altında çalışan makina parçaları vb. elmas benzeri filmlerin uygulama alanlarından bazılarıdır.
ABSTRACT
This paper will analyze the structure differences between diamond-like carbon and hydrogenated diamond-like and highlight some methods for producing thin films of this hard carbons. Diamond-like films can be deposited by chemical vapour deposition and physical vapour deposition. Because diamond like films have been generated using a wide variety of techniques, the physico-chemical properties of such films vary considerably. In general diamond-like films have characteristics that are desirable in a number of applications. These characteristics can be changed by varying the deposition techniques and process parameters. Some of the applications include using diamond-like films as protective coatings on windows, electrical device cutting tools and machine part under high loads etc.
1. GİRİŞ
Bilimin ilerlemesine ve teknolojideki gelişmeler, yeni malzemelerin gelişmesi için itici gücü oluşturmaktadır. Malzemelerde yenilikler ve keşifler, yüksek kalitede malzemelerin gelişimine odaklanmaktadır. Malzeme özelliklerini ve performansını belirleyen parametreler arasında, yalnızca bileşim değil, uygun üretim yöntemleri ile yapı ve/veya mikroyapının kontrolü de yer almaktadır. Yapı, bileşim, üretim ve performans arasındaki ilişki, Şekil1’de gösterilen beşken ile verilmektedir. Tabanda yer alan dört parametre (yapı/bileşim, performans, özellik ve üretim), yeni malzemelerin geliştirilmesi ve malzeme özeliklerinin iyileştirilmesi için verimli yol ve yöntemleri sunmaktadır. Beşkene ilave edilen köşe (teori/simülasyon),malzeme araştırma ve geliştirmede teori ve yorumlama işlemlerinde önemli bir avantaj sağlamaktadır [1].
Son on yıl içinde lazer, ultrayüksek vakum, mikrodalga, plazma ve fiziksel/kimyasal buhar biriktirme (PVD/CVD) gibi teknolojilerin keşfi ileri malzemelerin üretilmesini/fabrikasyonunu ve sentezlenmesini şiddetle etkilemiştir. Lazer teknolojisi, kompleks malzemelerin ince filmlerinin kolay ve hızlı üretimini mümkün kılmaktadır. Mikrodalga ve plazma teknolojileri de ileri malzemelerin üretilmesi/sentezlenmesinde önemli rol oynamaktadır. Ayrıca sıvı ve katı fazdaki kaynaklar, CVD/PVD teknikleri ile kompleks yapıların elde edilmesi için malzeme bilimcisine fırsat sunmaktadır. Ultrayüksek vakum teknolojilerinin (10–9–10–11 Torr) gelişimi, malzeme araştırma ve geliştirme çalışmaları üzerinde önemli etkiye sahiptir. Bununla birlikte yüzeye çarpan, kaplanacak atomların enerjisi, parametrelerin ve sentezleme metotlarından uygun olanının seçimi ile kontrol edilmektedir; örneğin sıçratma biriktirme süresince atomların enerjisi 1-30 eV civarında olurken buharlaştırma ile biriktirmede enerji 0,05 eV’a kadar düşüktür. Atomların enerjisi, taban malzeme yüzeyindeki kirlenmeleri kontrol etmektedir. Havadan taban malzeme yüzeyine adsorplanan zerrecikler, yüzeyde monotabaka meydana getirmektedir. Doğal olarak, bu şekilde adsorplanmış tabakalar, yüzey üzerindeki filmin yapısını ve yapışmasını etkiler. Bu nedenle ultrayüksek vakum altında yüzeye çarpan yüksek enerji atomlar, yüzeydeki kirlenmeyi gidermekte ve biriktirme hızını artırmaktadır [1].
Performans ve özellikler üzerinde malzemelerin bileşimi, doğrudan etkilidir. Bu sebeple nanometrelik bir alanda dahi bileşimdeki değişiklik ve kontrolü önemli olmaktadır. Malzemelerin davranışlarının bilinmesinde, yapılarının ve özelliklerinin tahmin edilmesinde, bilgisayar teknolojisindeki hızlı gelişmelerin sonucunda elde edilen donanımların, rolü büyüktür. Ticari olarak mevcut birçok “software” paketleri vardır. Malzeme bilimcileri, yukarıda bahsi geçen modern sentezleme ve üretim sistemlerinin avantajlarını kullanmakta, teori ve simülasyon çalışmalarında bunlardan yararlanmaktadırlar.
Günümüzde malzeme beşgeni görüşü doğrultusunda gerçek kristal elmas özelliklerine sahip elmas ve elmas benzeri ince filmlerin üretilmesine önem verilmeye başlanmıştır. Birçok sert karbon ince filmleri tanımlanmıştır; elmas benzeri karbon (DLC), hidrojen adsorplanmış elmas benzeri karbon (H-DLC) ve amorf karbon filmleri (a-C, a,DLC ve a-C:H). Bu yazıda, ince karbon kaplamaların üretiminde kullanılan kimyasal buhar biriktirme -CVD- (mikrodalga, RF ve DC ısı deşarj plazma, termal olarak aktive edilmiş veya sıcak tel metotları gibi) ve fiziksel buhar biriktirme -PVD- (iyon kaplama, iyon ışını ve iyonun destekli biriktirme) teknikleri özetlenmiştir. Ayrıca elmas benzeri filmin kararlılığının ve reaksiyon hızının artırılmasında kullanılan hidrojenin, film yapısına ve özelliklerine etkisi ile elmas benzeri filmlerin kullanım alanları incelenmiştir.
2. ELMAS VE ELMAS BENZERİ KARBON ÜRETEMİ
Elmas, yalnızca yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda kararlıdır (Şekil 2). Bu nedenle, elmasın sentezi normal olarak aşırı derecede sıcaklık ve basınç gerektirmektedir. Buna rağmen, ileri sentezleme teknikleri ve parametrelerin uygun seçimi ile termodinamik kısıtlamanın üstesinden gelinmekte ve yarı kararlı elmas filmlerinin sentezlenmesi mümkün olmaktadır. Amorf ve yarı kararlı, doğal elmasın özelliklerinin birçoğuna sahip bu karbon malzemesi “Elmas Benzeri Karbon” olarak tanımlanmıştır [1,2].
Kristalin elementel karbon, doğal olarak iki farklı allotropik yapıdadır; Elmas ve grafit [2-4]. Bunlar çoğu bakımdan birbirlerinden farklılık gösterirler. Elmas, bilinen en sert malzeme ve elektriksel olarak yalıtkandır. Saf elmas renksizdir. Grafit, yumuşak siyah bir malzemedir ve yönlenmeye bağlı olarak elektriksel iletkenliğe sahip olabilir. Elmas ve grafit arasındaki farklılık, bağ yapılarından kaynaklanmaktadır. Kristal elmas latisi oldukça yoğun (3,5 gr/cm3) ve sıkı bağlıdır. Her bir karbon atomu, diğer dört karbon atomla tetrahedral geometride (sp3) kovalent bağlıdır (Şekil 3). Grafit ise düz, zayıf bağlı ve hegzagonal yapıdadır. Her bir yapı eşit, üç açılı, birbirlerine yakın üç karbon atomunun diğer bir karbon atomuyla bağlanması ile (sp2) oluşur. Grafit, elmastan daha az (2,6 gr/cm3) yoğunluktadır [2,3,5].
Gerçek kristalin elmasa benzer olarak, DLC filmleri karbonun ve serbest hidrojenin karışımıdır. DLC’nin biriktirme hızı karbon atomlarının varlığı ile sınırlıdır. Genellikle karbonun düşük sıçratma özelliğinden dolayı yavaş biriktirme hızları görülmektedir. Biriktirme hızını artırmak için hidrojen (metan veya asetilen gibi) gazları, argon gazına ilave edilmektedir. Hidrokarbon/argon iyon ışınlarından biriktirilen filmlerin analizi, büyük miktarda hidrojen bulunduğu ve böylece orjinal elmas benzeri karbondan farklı özellikte olduğu gözlenmiştir [4,6]. Hidrojen emdirilmiş DLC malzemelerinde yapıda %20-%50 atomik hidrojen içeriği, optik, sertlik ve elektrik dirençliliği gibi film özelliklerini etkilemektedir. Yüksek enerjili Ar iyonları ile bombardıman sonucu bünyeye giren argon ise DLC filmleri içinde sıkışmıştır. Karbon filmlerinin sıkı paketlenme yoğunluğundan dolayı normal koşullarda sıkışmış argonun dışarı diffüze olması mümkün değildir.
Elmas benzeri malzemeler bazı yapısal benzerliklere sahiptir. Hem DLC hem de H-DLC yarı kararlıdır. Bunula birlikte, DLC ve H-DLC’nin yapı yönünden farklı olduğu gözlenmiştir. Kısmi oranlarda mikrokristalin veya polikristalin ve amorf fazlar, biriktirme parametrelerine bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. X-ışınları incelemesi, DLC filmlerin latis sabitinin, kübik elmasın latis sabitine yakın bir değeri sahip olduğunu göstermiştir [3]. Sonuç olarak birkaç mikron boyutunda elmas kirstalleri iyon destekli sıçratma ve buharlaştırma kaplama yöntemleriyle üretilmiş DLC filmlerinde gözlenmiştir. Sp3 bağların kararlılığını artırmak için hidrojen emdirilen DLC malzemelerde mikrokristal yapı zaman zaman gözlenmesine rağmen amorf yapı oluşturmaktadır [2-4].
2.1. DLC Filmlerinin Fiziksel Buhar Biriktirme İle Üretimi
Elmas benzeri ince filmlerin üretiminde iyon ışını biriktirme (Ion Beam Deposition), iyon kaplama (Ion Plating) ve iyon destekli biriktirme (Ion Assisted Deposition) gibi fiziksel buhar biriktirme teknikleri kullanılmaktadır.
Film biriktirme teknolojisinde iyon ışınlarının kullanımı son 15 yılda yaygınlık kazanmıştır. İyon ışınının kullanılmasının sebebi, diğer plazma kaynaklarına kıyasla, kotrol edilebilmesidir. İyon ışını dar enerji aralığında ve belirli yönde üretilir ve ışın enerjisi, iyon akımı ve yoğunluğu gibi önemli parametreler kontrol edilebilmektedir [2,3]. Yüksek enerjili iyon kaynakları ile taban malzemelerinin etkileşimi 1x10–4 ile 1x10–5 Torr veya daha düşük basınçlarda meydana gelmekteir. Bu yüksek vakum, flaksların ve partiküllerin kontrolüne izin vermektedir. Büyüyen film yüzeyine eV ile keV enerji aralığında iyonların çarpması, yarı kararlı elmas bezeri karbon filmlerinin üretilmesine sebep olmaktadır. İyon biriktirmede, enerjili iyon ışını taban malzemeye yönlenmekte ve çarpan iyonlar, hem biriken atomların hem de film oluşumu için gerekli enerjinin sağlanması için kullanılmaktadır. Bununla birlikte çarpan iyon ışını, film birikmesi için gerekli aşağıdaki işlemlere [3] sebep olmaktadır;
• 10-30 eV enerjide, iyon ışını zayıf bağlı gazların veya empuritelerin tercihli sıçratılmasına sebep olur. Bu etkiden dolayı, düşük enerjili iyon ışını, taban malzemeye zarar vermeksizin empuritelerin yüzeyden temizlenmesi için kullanılır.
• 50 eV enerjide çoğu malzemelerin fiziksel sıçratması başlar. Bu proses, filmlerin yapışmasını iyileştirmek için kaplama öncesi yüzey oksitleri gibi sıkı bağlı kirlerin temizlenmesi için kullanılır.
• 40 eV’un üzerindeki enerjilere sahip iyon ışını ile biriktirme işlemi, ara yüzeyde yeni yapıların oluşumuna sebep olur. Genellikle bu, yapışmayı iyileştirir. Elmas benzeri karbonun birikmesinde yüzey karbürlerin oluşumu, bunun bir örneğidir.
• 50-100 eV aralığındaki çarpan iyonlar, katının yüzeyinde latis hareketi oluşturur.
• 100 eV’un üzerinde enerjiye sahip enerjiye sahip iyonlar, iyon biriktirme işlemini görür. Şekil 4, iyon bombardımanı altında bir tabakanın büyümesi sırasında meydana gelen olayları göstermektedir.
İyon ışını ile birlikte sisteminin temel parçaları şunlardır; (i) 40 ile birkaç yüz eV aralığında enerjiye sahip iyon kaynağı; (ii) iyon ışını ve gaz arasında çarpışma ile enerji kaybını minimuma indirmek için yüksek vakum ünitesi; (iii) taban malzeme tutucusu; (iv) taban malzeme yüzeyinden fazla enerjiyi boşaltmak için ısı düşürcü. İyon ışını ile biriktirmede taban malzeme vakum ünitesine yerleştirilir ve iyonlarla bombardımana uğratılır. İyon ışınları, inert gaz, birken atomlar ve moleküllerin toplamıdır [3].
Elmas benzeri karbon filmleri, ilk olarak Aisenberg ve arkadaşları tarafından 1969 yılında iyon ışını biriktirme ile üretilmiştir. Burada düşük basınç tankındaki plazmadan çıkartılan karbon ve argon iyonlarının ışını kullanılmıştır [6]. Kullanılan katot ve anot elektrotlar ,yüksek saflıkta karbondan yapılmış ve su soğutmalıdır (Şekil 5). Bu nedenle burada üretilen elmas benzeri karbon filmlerinde argon dışında empurite bulunmamaktadır.
Biriktirmede kulanılan karbon iyonları, argon iyonları ile yüksek saflığa sahip karbon katodunun sıçratılması ile sağlanmaktadır. Burada sıçratılmış karbon atomları, argon plazma içinde iyonize edilmekte ve su soğutmalı elektromagnetlerin sağladığı eksenel magnetik alan, plazma yoğunluğunu artırmak için kullanılmaktadır. Ayrıca eksenel magnetik alan, plazmadan biriktirme ünitesine karbon ve argon iyonlarının çıkmasına ve taban malzemeye yönlenmesine yardımcı olmaktadır. Karbon filmlerinin kirlenmesini önlemek için saf elektrot kullanılmasına rağmen biriktime hızını artırmak için hidrokarbon gazı Ar plazma içine ilave edilmektedir [6]. Tablo 1, Aisenberg ve arkadaşlarının iyon ışını kaynağını kullanarak ürettikleri elmas benzeri kaplamalar için ölçtükleri biriktirme hızlarını göstermektedir. Sisteme hidrokarbon ilavesi ile elde edilen yüksek hidrojen içerikli elmas benzeri karbon filmlerinde hidrojen içeriğinin azaltılması için 400°C’ye kadar ısıtılmış taban malzemelerin hidrokarbon iyon ışını ile biriktirilmesi veya alternatif olarak ısıtılmış taban malzemelerine yüksek negatif bias voltajının birlikte uygulanması gerekmektedir [3].
İyon kaplama, iyon ışını biriktirmeye benzemektedir. Bu yöntemde film malzemesi, iyonlarla taşınmakta ve negatif olarak bias voltajı yüklenmiş taban malzemeye yönlendirilmesi ile elmas benzeri ince film üretilmektedir [3,4].
Son 15 yıldan beri sp3 karbon-karbon bağı içeren yarı kararlı amorf ince filmlerinin üretimi iyon destekli biriktirme teknikleri ile başarılmıştır. İyon destekli biriktirme tekniğinin birçok çeşitleri vardır. Magnetron sıçratma, iyon ışını sıçratma ve iyon destekli biriktirme bunlardan bazılarıdır. İyon ışını biriktirme ile kıyaslandığında, iyon destekli biriktirme ile daha yüksek hızlarda ve daha geniş alanda üzerine DLC kaplamaları oluşturulmaktadır [3,4]. Bu metotta, inert gaz kaynağı, buhar fazında karbon iyonlarını taban malzemeye taşınması için kullanılmaktadır (Şekil 6).
İyon ışını sıçratma, magnetron sıçratma, lazer buharlaştırma ve elektron ışını buharlaştırma, sert karbon filmlerinin iyon destekli biriktirme yöntemi ile elde edilmesinde atomizasyon kaynağı olarak kullanılmıştır. Buhar biriktirilmiş karbonun iyon bombardımanına uğratılması ile filmin elmas benzeri yönü artmaktadır. İyon sıçratılmış karbon filmleri 600-1000 eV enerjili Ar ve bombardımana uğratıldığı zaman geçirgen (saydam) olduğu ve ayrıca film içinde kristalin bölgelerin gözlendiği rapor edilmiştir [4].
2.2. DLC Filmlerinin Kimyasal Buhar Biriktirme İle Üretimi
Grafite göre elmasın yarı kararlı olduğu sıcaklık ve basınçlarda CVD ile gaz fazındaki hidrokarbondan (metan, oksijen-asetilen ve helejon gibi) elmasın sentezi, William G. Eversole tarafından başarılmıştır [7,10]. 700-1000°C sıcaklıklarda ve 10-40 mTorr basınçlarda CH4/H2 karşımından CVD teknikleri ile yarı kararlı ve kristalein elmas ince filmleri biriktirilebilmektedir. CVD prosesinin genel akış şeması Şekil 7’de gösterilmektedir.
Kristalin elmas ince filmlerinin üretimi, -mikrodalga, RF ve DC- ısı (glow) deşarj plazma, sıcak tel ve yanma metotları gibi CVD teknikleri ile başarılmaktadır. Elmas filmlerinin üretimi gaz fazında homojen reaksiyonlarla başlamakta ve büyüyen filmin yüzeyinde heterojen prosesler yardımı ile devam etmekte ve sp3 elmas yapısı kararlılık kazanarak film üretimi son bulmaktadır. Elmas oluşumunda birçok temel prosesler vardır ve bunlar üç grupta toplanmaktadır (1) hidrokarbon kaynağının ayrışması, atom ve iyonların oluşumu; (2) reaksiyonla taban malzemeye taşınım; ve (3) karbon ilavesi ve büyüyen filmin kararlı hale gelmesidir.
Düşük basınçlı plazma metodunun (Şekil 8) temel özelliği düşük gaz sıcaklığına ve yüksek elektron sıcaklığına sahip olmalarıdır [10]. Malzemenin dördüncü hali olan plazmada atomların ve moleküllerin önemli çoğunluğu elektriksel olarak yüklü veya iyonize edilmiştir. Plazma, birbirleri ve cidar ile çarpışan pozitif ve negatif iyonların, serbest elektronların, köklerin, atomların ve moleküllerin birleşmesiyle oluşmaktadır. Elektronların ve diğer yüklü atom ve iyonların kütleleri arasındaki farktan ve düşük gaz basıncında elektron-nötron arasındaki zayıf çarpışma hızlarından dolayı, uygulanan elektrik alanının enerjisi serbest elektronlara doğru iletilmektedir. Ard arda inelastik çarpışmalarla hızlanmış elektronlar, bazı plazma reaksiyonları ile film oluşumuna katkıda bulunmaktadır. Plazmada iyon/kök dengesinin ve beslenen gaz bileşiminin kontrolü taban malzemenin bias voltajını kontrol ederek gerçekleştirilir. Sonuç olarak plazmada elektron enerjisinin, iyonların ve köklerin dengesinin kontrolü, film özelliklerinin ve biriktirme hızlarının iyileştirilmesinde anahtar faktördür [10].
Düşük basınçlı plazma tekniklerine kıyasla elmas biriktirme hızını 2 kat artıran termal plazma metotları geliştirilmiştir. Termal plazmada büyüyen elmasın üzerindeki atmosferik basınçla elektron, iyon ve nötral atom veya moleküllerin sıcaklığı gaz sıcaklığı ile aynı (yaklaşık 5000 ile 8000°C) olmaktadır. Bu sıcaklık ve enerji seviyelerinde gaz fazındaki kararlı partiküller (elektron, iyon, atom ve moleküler) hidrokarbon oluşturmaya meylederler. Bu metotta, taban malzeme üzerindeki yüksek gaz sıcaklığının etkisi, su soğutmalı sistemin eklenmesi ile azaltılmaktadır [10].
Kristalize elmas ince filmlerinin üretiminde kullanılan sıcak tel metodunda, düşük basınçlarda 2000°C’ye kadar ısıtılmış tungsten flamanları ve sulandırılmış CH4/H2 gaz karışımı kullanılmaktadır. Tel için gerekli 2000°C, düşük basınç aralığında hidrojenin ayrışması için eşik sıcaklığıdır. Rehenium hariç diğer refrakter metal (tantalyum ve molibden gibi) yüzeylerinde elmas biriktirme koşulları altında kararlı karbür oluşmaktadır. Karbür oluşturmayan rehenium, yüksek sıcaklıkta ağırlıkça % 1 karbonu bünyede çözerek distorsiyona ve gevrekliğe sebep olmaktadır [7.10]. Sıcak tel CVD ünitesinin basit şematiği Şekil 9’da gösterilmiştir.
Son olarak elmas ince filmlerinin üretiminde kullanılan asetilen yanması ile elmasın sentezlenmesi, ilk olarak Hirose ve Konda tarafından 1988’de rapor edilmiştir [7.10]. Oksi asetilen alevleri, oksijen ve asetilen oranlarına bağlı olarak gaz sıcaklığı 3000°C’ye çıkmaktadır. Yanma deney düzeneği, su soğutma sistemi, tek veya çok nozullu oksi-asetilen meşalesi ve kütle akışını kontrol eden sistemlerden oluşmaktadır. Kaplanacak taban malzeme, biriktirme öncesi parlatılmakta ve 800-1000°C arasındaki sıcaklığa ısıtılmakta ve oksijen/asetilen gaz karışımının alevinde O2/C2H2 oranı 0.85 ile 1.1 aralığındadır. Meşale alevi, üç farklı zondan oluşmaktadır. Nozula yakın olan birinci zon, renksiz ve saydamdır. İkinci zon, parlak beyaz renklidir ve akkor yanma bölgesi olarak adlandırılır .Burada, oksijenle asetilenin yanması meydana gelmekte ve elmas birikimi gözlenmektedir. Bu zonun büyüklüğü O2/C2H2 oranına bağlıdır. Elmasın birikmesinin gözlenmediği üçüncü zon mavidir. Bu zonda atmosferik oksijenle yanma ürünleri tutuşmaktadır.
3. DLC FİLMLERİNİN ÖZELLİKLERİ VE KULLANIM ALANLARI
İnce elmas filmleri, Tablo 2’de sunulduğu gibi artı fiziksel ve kimyasal özellikli olağan dışı bir malzemedir. Sert, direngen, ısıyı ileten, elektriği yalıtan ve oldukça düşük sürtünme katsayısına sahip bir malzemedir. DLC filmlerinin sahip olduğu özellikler, ince filmlerinin üretim yöntemine ve parametrelerine bağlı olarak geniş bir yelpazede değişim göstermektedir [9,12,13].
Elmasın sahip olduğu en önemli özellik, yüksek sıcaklık yarı iletkenliğidir. Hızlı boşluk hareketi (1600 cm2 V-1 san-1), düşük dielektrik sabiti (5,5) ve yüksek band aralığı gibi özellikler elektriksel özellikler arasında yer alır. Yüksek sıcaklık ve yüksek frekanslı işlemler için elmasın, transistor olarak kullanımı günümüz gelişmeleri arasındadır [10,11].
Optik uygulamalar için elmasın IR ve/veya optik geçirimlilik özelliği öne çıkmaktadır [7.10]. Düşük basınçlı iyon ışını biriktirme ile üretilen DLC filmleri optik olarak saydamdır. Daha yüksek biriktirme basıncında üretilen filmler daha az geçirgenlik gösterirler. DLC filmlerin optik saydamlığı, elektromagnetik radyasyonla etkileşen serbest elektronların var olmadığını ve filmlerin elektriksel olarak yalıtkan olduğunu göstermektedir. Daha hızlı basınçlarda ve daha yüksek hızlarda biriktirilen flimler daha az yalıtkandır. DLC filmlerinin direnci, 1012 ohm.cm iken H-DLC filmlerin direnci 107 ohm.cm ile 1016 ohm.cm arasında değişmekte ve hidrojen içeriğinin artması ile bu oranın arttığı bulunmuştur [3,4].
Elektronik ve IR ilişkili uygulamalara ilave olarak elmas filmleri, sertliğin, termal iletkenliğin/genleşmenin, kimyasal soyluluğun önemli olduğu uygulamalar ile
implant malzemesi olarak tıpta kullanılmaktadır. Elmas, mükemmel radyasyon direncine ve düşük termal genleşme katsayısına sahiptir [11]. DLC ve H-DLC filmleri hidroflorik asit, nitrik asit, sulfurik asit, asetik asit, baz ve asetilen gibi çözeltilere karşı kimyasal olarak dayanıklıdır.
İyon ışını biriktirme ile üretilen H-DLC filminin özellikleri, kullanılan hidrokarbon gazının elementel bileşimine, iyon enerjisine bağlıdır. DLC ve H-DLC’nin iyon ışını ile biriktirilmesinde taban malzemenin ısıtılmasına ihtiyaç duyulmadığı için sıcaklığa duyarlı parçaların kaplanması mümkündür. İnce filmlerle ilişkili olan bir diğer sorun, taban malzemeye yapışma mukavemetidir. DLC filmler, Si, Ge, Mo, ve W gibi elementlerin karbürlerinden oluşan taban malzemeye yüksek yapışma sergilerler. Biriktirme öncesi yüzey empüritelerini uzaklaştırmak için iyon bombardımanı ile taban malzemelerinin temizlenmesi, DLC filmlerinin yapışmasını artırmaktadır.
DLC kaplamaların disk üzeri pin deneyleri ile sürtünme katsayısı 0.05-0.1 arasında bulunmuştur. Düşük yüklü batıcı uç kullanarak DLC ve H-DLC filmlerinin vickers mikrosertlikleri 2000-5000 kg/mm2 arasında ölçülmüştür [7,10]. H-DLC filmlerinde CH4’ün artması sertlik ve young modulunda artışa yol açtığı bulunmuştur [7] İnce film sertliğinin doğru olarak belirlenmesi için batma derinliği, film kalınlığının % 20’sinden daha az olmalıdır.
Geçirgen DLC filmleri plastik lenslerde koruyucu kaplama olarak kullanılmaktadır. Kaplamanın sertliği, plastiklere iyi yapışma ve düşük biriktirme sıcaklığı gibi özellikler DLC filmlerini optik uygulamalar için listenin başına almaktadır. DLC kaplamaları, Ge kızılötesi optiklerin geçirimliliğini iyileştirmek için kullanılmıştır. DLC ve H-DLC’nin yansıma indeksleri, Ge ve havanın yansıma indeksleri arasında bir değere eşit olduğu için elmas benzeri kaplamalar, arayüzey yansıma kayıplarını azaltarak geçirimliliğin iyileşmesinde yeteneklidir. DLC ve H-DLC kaplamaları, Si güneş enerjisi hücrelerinin yansıma kayıplarını azaltmak için kullanılmaktadır.
Yüksek direnç, geniş band aralığı gibi elektriksel özelliklerin yanında termal özelliklere de sahip olmaları elmas benzeri kapları elektrik devresi uygulamaları için avantajlı konuma getirmektedir. Yüksek termal iletkenlik ve yüksek elektriksel direnç, DLC’yi yüksek sıcaklık devreleri için dielektrik tabakası olarak çekici yapmaktadır [3]. Ayrıca negatif elektron afinitesine sahip olan elmas, elektron tabancası ve düz yüzey panel göstericisi için soğuk katot malzemesi olarak kullanılmaktadır.
Yüksek sertlik, pürüzsüz yüzey ve düşük sürtünme katsayısı, elmas benzeri karbon filmleri ile kesici takım (Şekil 10) uygulamalarında ve aşırı yükler altında çalışan makina parçalarında yaygın olarak kullanılmaya sevketmiştir [3].
DLC ve H-DLC filmlerinin sahip olduğu özelliklere bağlı olarak uygulama alanları genişlemektedir Sonuç olarak elmas benzeri karbon filmlerinin sahip olduğu özellikler aşağıdaki şekilde özetlenebilir: (i) geçirgenlik; (ii) elektriksel yalıtkanlık; (iii) termal iletkenlik; (iv) asit baz ve çözeltilere karşı kimyasal direnç; (v) sertlik; (vi) taban malzemeye iyi yapışma; (vii) pürüzsüz yüzey;
(viii) yüksek aşınma direnci; (ix) düşük sürtünme katsayısı; ve (x) biriktirme sırasında düşük (oda sıcaklığı) sıcaklık.
KAYNAKLAR
[1] GÜR, T.M.; “Tools And Strategies For Developing New Materials”; Advanced Materials, v8, (1996), p 883-894.
[2] HIRVONEN, J.P.; KOSKINEN, J.; LAPPALAINEN, R. And ANTTILA, A.; “Preparation And Properties of High Density, Hydrogen Free Hard Carbon Films With Direct Ion Beam Or Arc Discharge Deposition”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 197-216.
[3] POUCH, J.J. and ALTEROVITZ, S.A.; Properties And Characterization Of Amorphous Carbon Films, p 1-40, Ohio, 1990.
[4] SAVVIDES, N.; “Diamondlike Thin Films and Their Properties”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 407-426
[5] GREEN, D.C.; MCKENZIE, D.R. and LUKINGS, P.B.; “The Microstructure Of Carbon Thin Films”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 103-124
[6] INGRAM, D.C.; “Diamondlike Carbon (DLC): Its Fabrication, Analysis And Modification By Ion Beams”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 475-494.
[7] LETTINGTON, A. and STEEDS, J.W.; Thin Film Diamond; Champman & Hall., p 1-14, 15-30, 91-105, 127-141, 143-152, New York, 1994
[8] KOIDL, P; WILD Ch.; DISCHLER, B.; WAGNER, J. and RAMSTEIZER, M.; “Plasma Deposition, Properties And Structure Of Amorphous Hydrogenated Carbon Films”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 41-70
[9] MIRTICH, M.J.; “Jon Beam Deposited Diamondlike Carbon Films”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 217-236
[10] YARBROUGH, W.A.; INSPEKTOR, A. and MESSIER, R.; “The Chemical Vapor Deposition Of Diamond” Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 151-174.
[11] ROBERTSON, J.; “Electronic Structure and Bonding Of a-CH”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 125-150.
[12] MIYOSHI, K.; POUCH, J.J.; and ALTEROVITZ, S.A.; “Plasma-Deposited Amorphous Hydrogenated Carbon Films And Their Tribological Properties”; Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 645-656.
[13] TSAI, H.; “Structure And Physical Properties Of Amorphous Hydrogenated Carbon (a-C:H) Films;” Materials Science Forum, v 52&53, (1989), p 71-102.
|
|
||||
|
Adres: |
Tel: |
(312) - 425 41 60 |
E-Posta: |
|
| Faks: |
(312) - 418 93 43 |
|||
|
|
||||
|
TÜRKİYE ÜNİVERSİTELERİ |
||||
|
ÜNİVERSİTELERİN METALURJİ, SERAMİK VE MALZEME BÖLÜMLERİ |
||||
Web Tasarım
|
||||