Mudanças estruturais e eletrônicas de filmes de carbono amorfo bombardeados por gases nobres

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lacerda, Rodrigo Gribel
Data de Publicação: 2002
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1592375
Resumo: Orientador: Francisco das Chagas Marques
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spelling Mudanças estruturais e eletrônicas de filmes de carbono amorfo bombardeados por gases nobresCarbonoGases rarosSemicondutores amorfosOrientador: Francisco das Chagas MarquesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: O estudo de filmes de carbono amorfo vem atraindo grande atenção nos últimos anos principalmente devido às suas propriedades interessantes como alta dureza, baixo coeficiente de fricção, ser quimicamente inerte, e transparente no infravermelho. Entretanto, um maior entendimento da microestrutura dos filmes de a-C ainda é um desafio, principalmente devido à habilidade do carbono de ligar-se com diferentes hibridizações (sp, sp2, sp3). No presente trabalho realizamos um estudo das propriedades estruturais e eletrônicas de filmes de carbono amorfo preparados por Dual Ion beam sputtering deposition utilizando diferentes gases nobres (Ne, Ar, KI, Xe). Esse sistema consiste de dois canhões Kauffman, um para o bombardeio (sputtering) do alvo de grafite, e o outro para o bombardeio do filme durante o seu crescimento. O sputtering do alvo de grafite foi realizado, para todos gases nobres, com uma energia de bombardeio constante de 1500 eV. A energia de bombardeio (por gases nobres), durante o crescimento dos filmes, foi variada entre 0 e 800 eV. O stress compressivo e a energia de plasmons dos filmes (proporcional à densidade local) aumentam com o aumento da energia de bombardeio, atingindo valores de stress compressivo em torno de 12 GPa e energia de plasmon de aproximadamente 29.5 eV. Esse fenômeno acontece com o bombardeio de todos os gases utilizados. Esses resultados foram obtidos em um intervalo de energia de bombardeio entre 100 e 650 eV e são da mesma ordem dos valores publicados para filmes com uma alta concentração de ligações sp3 C-C (ta-C). Por outro lado, a análise estrutural dos filmes (XPS, UPS e Raman, densidade, TEM, STM, EELS, condutividade, efeito Hall, entre outras) indica uma estrutura composta basicamente de ligações sp2 (em torno de 90%). Não é conhecido na literatura um material de a-C que apresente uma estrutura grafítica com tão altos valores de stress e densidade microscópica (plasmon). Também observamos uma melhora nas propriedades eletrônicas dos filmes, através da redução da resistividade e da tensão de emissão de campo (field emission), com o aumento do stress da rede. Esses resultados nos levaram a propor novos dispositivos eletrônicos à base de carbono sensíveis a pressão. Entendemos que o intenso bombardeio por gases nobres durante o crescimento do filme, gera o alto valor de stress da rede e força os átomos de carbono para dentro matriz, compactando o material. O aparecimento do stress, aproxima os aglomerados grafiticos, causando a melhora nas propriedades eletrônicas e o aumento da densidade local (plasmons). Além disso, o estudo da interação entre os gases nobres aprisionados dentro da matriz de carbono, durante o crescimento do filmes, também foi realizado pelas técnicas de XANES/EXAFS e fotoemissão. Em particular, observamos a formação de clusters de gases nobres induzidos pela pressão interna da matriz de carbonoAbstract: Amorphous carbon (a-C) compounds have attracted great attention in the past years mainly due to their interesting properties such as high hardness, low coefficient of friction, chemical inertness, e infrared transparency. However, a better understanding of the a-C microstructure is still a challenge mainly due to the ability of carbon to bond with different hybridizations (sp, sp2, e sp3). In the present work, we report a study of amorphous carbon films prepared by Ion Beam-Assisted deposition (IBAD) using different noble gases (Ne, Ar, Kr, e Xe). The deposition system consists of two Kauffman's sources, one for the sputtering of the graphite target, and another for the assisting of the film during growth. The graphite target was sputtered by a 1500 V noble gas (NG) ion beam energy. The films were prepared in the range of 0 to 800 eV NG ion beam assisting energy. For all the noble gases used, the intrinsic stress e local density (plasmon) of the films increase with increasing assisting energy , reaching high values such as 12 GPa e 29,5 eV, respectively. On the other hand, structural analysis by XPS, UPS, Raman, density , hardness, TEM, STM, EELS, conductivity , Hall measurements, among others, indicate that the material is composed of a hard, highly stressed, and locally dense graphite-like network with 90% concentration of sp2 sites. It has no report in literature of a material with these characteristics. In addition, we also observed an improvement of the electronic properties of the films (resistivity e field emission) with increasing compressive stress. Based on these results, we propose new carbon electronic devices sensitive to pressure. We suggest that the strong noble gases ion bombardment generates the stress and forces 'knock-on' the carbon atoms beneath the surface. The increase in the internal stress reduces the distance between the sp2 clusters, increasing the local density (plasmons) e improving the electronic properties. Furthermore, the interactions between the noble gases, trapped during growth, and the carbon matrix was also explored. We observed by XANES/EXAFS the clustering of noble gases induced by the increasing matrix internal pressureDoutoradoFísicaDoutor em Ciências[s.n.]Marques, Francisco das Chagas, 1957-Kleiman, George GershonGalvão, Douglas SoaresBrito, Arnaldo Naves deCraievich, Aldo FelixUniversidade Estadual de Campinas. Instituto de Física Gleb WataghinPrograma de Pós-Graduação em FísicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASLacerda, Rodrigo Gribel20022002-11-06T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf110 p. : il.(Broch.)https://hdl.handle.net/20.500.12733/1592375LACERDA, Rodrigo Gribel. Mudanças estruturais e eletrônicas de filmes de carbono amorfo bombardeados por gases nobres. 2002. 110 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1592375. 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