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Type: TESE
Title: Propriedades ópticas, mecânicas e estruturais de filmes de carbono amorfo
Title Alternative: Optical, mechanical and structural properties of amorphous carbon films
Author: Oliveira Junior, Myriano Henriques de
Advisor: Marques, Francisco das Chagas, 1957-
Abstract: Resumo: Neste trabalho desenvolvemos um sistema de deposição de filmes finos pela técnica de arco catódico filtrado (FCVA- Filtered Cathodic Vacuum Arc), que possibilita o desenvolvimento de ligas metálicas e, sobretudo, a deposição de filmes de carbono amorfo altamente tetraédrico. Utilizando este sistema desenvolvemos filmes de carbono amorfo (a-C) com elevada dureza (estimado em cerca de 50 a 60GPa) e alta concentração de ligações sp3 C-C em função da polarização do substrato. Estudamos as propriedades ópticas, mecânicas (stress e dureza), estruturais (Raman e RBS) e a estabilidade térmica (efusão de gases) destes filmes em função da energia de deposição. Também desenvolvemos e caracterizamos filmes de carbono crescidos por FCVA assistido por um feixe de íons secundário de Ar e Kr com diferentes energias, onde analisamos os efeitos da energia deste feixe sobre as propriedades físicas do material resultante. Além das estruturas de carbono intrínseco realizamos um estudo sobre filmes de carbono amorfo hidrogenado depositados por PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) com diferentes tensões de bias (de 60 à 550V) e atmosferas mistas de CH4/Kr, onde variamos a pressão parcial deste gás nobre entre 0 e 50%. Estudamos a influência deste gás nobre sobre as propriedades estruturais do material assim como a forma como os átomos deste elemento se distribuem dentro da rede amorfa. Esta última análise foi baseada em estudos conduzidos a partir da absorção de raios-x na borda K do átomo de criptônio, onde verificamos a aglomeração destes átomos na forma de estruturas solidas. Também investigamos os processos de transformações estruturais ocorridas em estruturas a-C:H e ta-C com a temperatura baseadas na efusão de gases. Para este estudo construímos um sistema que funciona em ultra-alto vácuo, com temperatura controlada variando de ambiente até cerca de 1000 graus. Os estudos sobre as propriedades estruturais foram baseados, sobretudo, em medidas de espectroscopia de espalhamento Raman com radiação de excitação na região do visível e do ultravioleta, o que possibilita a obtenção de informações mais detalhadas sobre a forma como os átomos sp2 e sp3 distribuem-se no material. Por fim, exploramos o potencial de aplicação de três tipos de carbono amorfo; tipo polimérico (PLC), tipo diamante (DLC) e tetraédrico (ta-C) como monocamadas antirefletoras para células solares de silício cristalino e comparamos com o desempenho obtido com camadas fabricadas com materiais usualmente empregados na indústria para tal aplicação. Os resultados mostraram que filmes de carbono amorfo podem ser utilizados como camada anti-refletora. Os filmes de carbono tipo polimérico apresentaram resultados muito semelhantes aos obtidos com camadas convencionais de dióxido de estanho

Abstract: In this work we designed, manufactured and characterized a Filtered Cathodic Vacuum Arc (FCVA) deposition system. This technique is usually applied in the preparation of metallic alloys and highly sp3 - hybridized amorphous carbon thin films. By using this system we prepared a series of amorphous carbon films (a-C) with high hardness (up to ~60GPa) and high concentration of sp3 C-C bonds varying the deposition energy of the C+ ions. Mechanical (hardness and intrinsic stress) and structural (Raman, RBS and gas effusion) were investigated. Another series of a-C was developed by FCVA, but using an assisted beam of Ar or Kr as a function of the ion energy. The main purpose of this work is to understand of the effects of the bombardment of an energetic ion beam on the physical properties of the films. Another study performed on hydrogenated amorphous carbon films (a-C:H) were carried out on samples deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The films were prepared with different self-bias, varying from 60 up to 550V, and different mixed atmospheres of methane and krypton gases, varying the partial pressure of krypton from 0 to 50%. Films prepared at low bias are polymeric-like (PLC), while films prepared at high bias are diamond-like (DLC). We had performed investigations on the influence of this noble gas on the structural properties of the a-C:H films and how the Kr atoms are arranged within the amorphous matrix. The distribution of Kr atoms was studied mainly by x-ray absorption on the krypton absorption K-edge. Due to the absence of EXAFS oscillations the spectra were interpreted using the XANES region, which gave us evidences of clustering of Kr atoms. The processes involved in the a-C:H nd ta-C structural transformations during the thermal annealing were analyzed by means of thermal gas effusion measurements (using a quadrupole spectrometer) in a system developed in our laboratory. Raman scattering spectroscopy measurements were carried out with excitation radiation in the visible and ultraviolet ranges. This choice is justified due to the more detailed information obtained by multiwavelength Raman spectroscopy on the distribution of sp2and sp3sites within the amorphous carbon matrix. Finally, we had evaluated the possibility of the application of three types of amorphous carbon structures, the diamond-like and polymeric-like carbon, and the ta-C as antireflective coating on crystalline silicon solar cells. We observed that all amorphous carbon structures (DLC, PLC and ta-C) increase the short-circuit current of the solar cells. In the case of PLC films, the result is comparable to that obtained with conventional antireflective coating such as tin dioxide (SnO2)
Subject: Carbono amorfo
Arco catódico
Carbono tetraédrico
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2009
Appears in Collections:IFGW - Dissertação e Tese

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