Program NUCLEU - Proiect PN

Παρουσίαση με θέμα: "Program NUCLEU - Proiect PN"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Program NUCLEU - Proiect PN 09 37 01 03 31.05.2013
Experimentari tehnologice cu instalatia multifunctionala pentru depuneri de straturi subtiri in vid din dotarea DFH, pentru determinarea parametrilor tehnologici in vederea realizarii straturilor subtiri lubrifiante multiple, cu grosime superlattice (1-10nm) nanometrica (10-100nm) si micrometrica (>100nm) prevazute in cererile de brevet de inventie ale IFIN-HH inregistrate la OSIM cu nr. A/00621; A/00622; A/00623 si A/00729/ Program NUCLEU - Proiect PN Gheorghe Mateescu Alice Mateescu

2 Cuprins Obiectivul fazei – Dry Lubricant Coatings
Prezentarea instalatiei multifunctionale penrru depuneri de straturi subtiri in vid prin metoda Pulverizarii Magnetron in c.c./ c.c. pulsat/ RF (IM-DSSV-PM) Materiale de interes pentru realizarea acoperirilor tribologice prin metoda Pulverizarii Magnetron Standard/ Reactiv in cc/ cc-pulsat/ RF Magnetroane de pulverizare – Generalitati 5. Evaluarea capabilitatilor tehnice ale instalatiei 6. Experimentari tehnologice in vederea stabilirii domeniului de variatie al presiunilor de lucru si al ratelor de depunere pentru materialele utilizate 7. Depunerea unor materialele lubriafiante uscate Concluzii Bibliografie PN

3 1. 1. Obiectul CBI A/00621; A/00622; A/00623; A/00729 1. 2
1.1. Obiectul CBI A/00621; A/00622; A/00623; A/ Obiectivul fazei si Modul de realizare Noi Procedee si Noi Materiale de realizare a acoperirilor tribologice tip DRY LUBRICANT COATINGS 2-A) Determinarea parametrilor tehnologici ai IM-DSSV-PM din DFH in vederea realizarii straturilor subtiri lubrifiante multiple, cu grosime: a) superlattice (1-10nm) b) nanometrica (10-100nm) c) micrometrica (>100nm) 2-B) Evaluarea capabilitatilor tehnice ale instalatiei pentru realizarea acoperirilor tribologice cu structura superlattice, nanometrica, micrometrica, prin Pulverizare Magnetron (PM) Standard/Rectiv in CC si RF, din urmatoarele materiale: Ti; Al; C si Se Timp de vidare; vid limita, neetanseitati Determinarea vidului dinamic de echilibru (cu aport de gaz) si compararea acestuia cu domeniul de lucru al magnetroanelor Determinarea parametrilor tehnologici (q/p; Umag si Imag; R) pentru depunerea: 1) Ti; Al; C si Se- prin PM-S in CC (materiale cu conductivitate electrica de tip metalic) 2) TiN – prin PM-R in CC (compusi metalici) 3) C si PTFE – prin PM in RF (materiale semimetalice si izolante) PN

4 Domenii de utilizare a rezultatelor fazei
Realizarea de acoperiri tribologice nanocompozite monostrat/ multistrat din materiale lubrifiante de top: C; MoS2; WS2; TiSe2; TaSe2; NbSe2; hBN: PTFE Acoperirile nanocompozite lubrifiante contin 2 faze nemiscibile: o faza nanocristalina dintr-un material lubrifiant de top (C; hBN; MoS2; WS2; TaSe2, etc.) dispersata intr-o matrice nanocristalina sau amorfa de tip: a) Ceramic (oxizi, carburi, nitruri, siliciuri) b) Metalic (Ti, Al, W etc.) c) Polimeric (PTFE) Realizarea de acoperiri tribologice monostrat sau multistrat din materiale cu proprietati complementar-cumulative 3. Realizarea de acoperiri monostrat cu compozitie graduala PN

5 Acoperiri tribologice tip “Dry Lubricant Coatings”
Functie de conditiile de lucru si de mediu si in acord cu revendicarile din CBI mentionate anterior acoperirile tribologice trebuie sa indeplineasca partial sau in totalitate urmatoarele caracteristici esentiale (proprietati complementar-cumulative): 1. Coeficient de frecare redus 2. Duritate ridicata 3. Tenacitate ridicata 4. Aderenta buna la substrat 5. Conductivitate termica ridicata 6. Rezistenta mare la coroziune Lubrifianti solizi utilizati initial in domeniul aerospatial: 1. Solizi lamelari, precum: “chalcogene” ale metalelor de tranzitie (ca de ex.: MoS2 si WS2) si Grafit; 2. Metale moi (ca de ex.: Pb; Au; Ag; In); 3. Polimeri (ca de ex.: Poliamide si Polytetrafluorethylene=PTFE) PN

6 2. Prezentarea IM-DSSV-PM
Figura 2 - IM-DSSV-PM_Incinta Figura 1 - IM-DSSV-PM Figura 3 – Ansamblu magnetroane PN

7 3. Materiale de interes pentru realizarea acoperirilor tribologice prin metoda Pulverizarii Magnetron Standard/ Reactiv in c.c./ c.c. pulsat/ RF Nr. Crt. Materialul tintei de pulverizare Temp. de topire- (Tt in 0C) Greutate specifica γ (in g/cm3) Rezistivitate ρ (in Ω.m) Depunere prin Pulverizare Magnetron (PM) Rezultate de interes pentru acoperirile tribologice: 1. co-pulverizarii cu Se 2. PMR-cu gazul reactiv Standard (S) in: tip Reactiv (R) in: CC HPMS RF/ cc-pulsat 1 Ag 962 10,5 1, x 2 Al 660 2,70 2, N2 → AlN 3 B 2300 2,34 1,06 - CH4 → B4C C2H2 → B4C C6H6 → B4C N → BN 4 C -Grafit ≈3625 1,8-2,1 3.10-3 5 Mo 2610 10,2 Mo& Se→ MoSe2 6 Nb 2468 8,57 Nb& Se → NbSe2 7 Se 1541 4,81 1,2.10-7 Se+Metal Material lubrifiant PN

8 Pulverizare Magnetron (PM)
Nr. Crt, Materialul tin Tintei de pulverizare Temp. de topire- (Tt in 0C) Greutate specifica γ (in g/cm3) Rezistivitate ρ (in Ω.m) Depunere prin Pulverizare Magnetron (PM) Rezultate de interes pentru acoperirile tribologice: 1. co-pulverizarii cu Se 2. PMR-cu gazul reactiv Standard (S) in: tip Reactiv (R) in: CC HPIMS RF/ cc-pulsat 8 Ta 2996 16,6 x Ta& Se → TaSe2 9 Ti 1660 4,5 4,2.10-7 - Ti& Se → TiSe2 CH4 → TiC C2H2 → TiC C6H6 → TiC N2 → TiN O2 → TiO2 10 V 1890 5,96 11 Zn 420 7,14 5,9.10-8 12 Zr 1852 6,49 13 Y 1522 4,47 14 W 3410 19,35 5,6.10-8 W& Se → WSe2 CH4 → W2C C2H2 → W2C C6H6 → W2C PN

9 Nr. crt. Material Tinta de pulverizare Temp. De topire- (Tt in 0C) Greutatea specifica γ (in g/cm3) Rezistivitat ρ (in Ω.m) Depunere prin Pulverizare Magnetron (PM) Rezultate de interes pentru acoperirile tribologice: 1. co-pulverizarii cu Se 2. PMR-cu gazul reactiv Standard (S) in: tip Reactiv (R) in: CC HPIMS RF/ cc-pulsat 15 AlN >2200 3,26 >1012 x - 16 Al2O3 2072 3,97 1, 17 B4C 2350 2,52 10-3…10-4 18 BN/hBN ≈3000 2,25 >1010 Proprietati de izolator electric 19 MoS2 1185 4,80 5.103 20 TaC 3880 13,93 N → TaCN 21 TaN 3360 16,30 CH4 → TaCN C2H2 → TaCN C6H6 → TaCN 22 TiC 3140 4,93 (3...8).10-5 N → TiCN 23 TiN 2930 5,22 1, CH4 → TiCN C2H2 → TiCN C6H6 → TiCN PN

10 Pulverizare Magnetron (PM)
Nr. Crt. Material tinta de pulverizare Temp. De topire- (Tt in 0C) Greutate specifica γ (in g/cm3) Rezistivitat ρ (in Ω.m) Depunere prin Pulverizare Magnetron (PM) Rezultate de interes pentru acoperirile tribologice: 1. co-pulverizarii cu Se 2. PMR-cu gazul reactiv Standard (S) in: tip Reactiv (R) in: CC HPIMS RF/ cc-pulsat 24 TiO2 1830 4,26 - x 25 Y2O3 2410 5,01 26 W2C 2860 17,15 8.10-7 27 WS2 1250 7,5 Proprietati de semiconductor 28 PTFE 330 2,9 1023 …1025 PN

11 Structura cristalina WS2 si MoS2
Structura cristalina a politipurilor 2Hc-WS2 si 2Hc-MoS2, cu detaliere pentru: a) Planurile atomice; Legaturile chimice dintre planurile atomice; Legaturile de coordinatie, ale atomilor metalici (W sau Mo); Constantele de retea; Celula elementara; b) Poliedrele de coordinatie (prisme triunghiulare) ale atomilor metalici (W sau Mo); c) Celulele elementare si poliedrele de coordinatie ale structurii cristaline; d) Secventa de impachetare compacta (AbA BaB) a planurilor atomice de S si Me in plan vertical; e) Secventa de impachetare schematica (AbA BaB) a planurilor atomice de S si Me in plan vertical; f) Secventa de impachetare compacte (AbA BaB) a planurilor atomice de S si Me in plan orizontal; g) Secventa de impachetare schematica (AbA BaB) a planurilor atomice de S si Me in plan orizontal; Constantele de retea pentru WS2: a = 3,154Å; c/2 = 6,181Å; c = 12,362Å; Constantele de retea pentru MoS2: a = 3,16Å; c/2 = 6,15Å; c = 12,30Å; PN

12 Figura 4 – Structura cristalina WS2/ MoS2
PN

13 Figura 4 – Structura cristalina WS2/ MoS2
PN

14 Structura cristalina a grafitului natural
b) a) Figura 5 - Structura cristalina a grafitului natural cu impachetare AA (politipul 2H) a) Vedere spatiala b) vedere in plan PN

15 Figura 6 - Structura cristalina a grafitului natural cu impachetare AB AB (politipul 2H) a) Vedere spatiala cu detalierea celulei elementare si a constantelor de retea PN

16 Figura 6 - Structura cristalina a grafitului natural cu impachetare AB AB (politipul 2H) b) Vedere in plan orizontal a structurii de tip hexagon centrat (fagure de miere) PN

17 Figura 7 - Structura cristalina a grafitului natural cu impachetare ABC (politipul 2H) Vedere spatiala cu detalierea celulei elementare si a constantelor de retea PN

18 Structura cristalina a nitrurii de bor hexagonala (h-BN
Figura 8 a) - Schema structurala spatiala pentru nitrura de bor hexagonala (h-BN) cu impachetare AA AA PN

19 Figura 8 b) - Schema structurala plana pentru nitrura de bor hexagonala (h-BN), cu impachetare AA AA
PN

20 Figura 9 a) - Schema structurala spatiala pentru nitrura de bor hexagonala (h-BN) cu impachetare ABC
PN

21 4. Magnetroane de pulverizare - Generalitati
Date tehnice penru magnetroanele ONIX-2TM PN

22 Domeniul teoretic si practic de lucru al magnetroanelor
Domeniul teoretic de lucru al magnetroanelor: 0, mTorr = Torr 1Torr = 1,33322 mbar 1mbar = 0,75 Torr Rezulta domeniul de lucru al magnetroanelor: 6, mbar , mbar Domeniul practic de lucru al magnetroanelor (cu tinta metalica avand grosimea de 0,25’ =6,125mm) fara a se tine cont de materialul tintei de pulverizare, este prezentat cu galben-aprins in tabelul urmator, iar cu galben-deschis sunt prezentate limitele domeniului teoretic in care se preconizeaza ca functionarea magnetroanelor este posibila, dar instabila. PN

23 Randament de pulverizare si rata de pulverizare
S= randament de pulverizare = Nr. de atomi pulverizati/ Nr. de atomi incidenti S = 0 …. 10 [atomi/ion] si depinde de: -masa si energia atomului incident -unghiul de impact al atomului incident -materialul tintei de pulverizare R = Rata de pulverizare = M/(ρ.NA.e) x S.jp [Ǻ/s] M = masa [kg/mol] ρ = densitatea materialului [kg/m3] NA =6,02x10 E 26 (Nr. lui Avogadro) e = 1,6 x 10E-19 [As ]= Sarcina electronului S = randamentul de pulverizare [atomi/ion] jp = densitatea curentului de ioni incidenti [a/m2] R/2r = Nr. de monostraturi pe secunda r = Raza atomului depus r-W =1,37Ǻ = 0,137nm; r-Ag = 1,45Ǻ=0,145nm Folosind o rata de depunere R=0,1 Ǻ/s , un monostrat cu grosime superlattice (1- 10nm) din W se depune in s PN

24 Randament de pulverizare si rate de pulverizare pentru materialele uzuale
Material tinta Densitate [g/cc] Randamentul la 600 eV Rata* (Å/sec) Ag 10.5 3.4 380 Al 2.7 1.2 170 Au 19.31 2.8 320 Be 1.85 0.8 100 B4C 2.52 20 BN 2.25 C 0.2 Mo 10.2 0.9 120 MoS2 4.8 40 Nb 8.57 0.6 80 Ni 8.9 1.5 190 Pd 12.02 2.4 270 Pt 21.45 1.6 205 Si 2.33 0.5 PN

25 31.05.2013 PN 09 37 01 03 Material tinta Densitate [g/cc]
Randamentul la 600 eV Rata* (Å/sec) SiC 3.22 50 SiO2 2.63 70 Sn 5.75 800 SnO 6.45 20 Ta 16.6 0.6 85 TaN 16.3 40 Ta2O5 8.2 Th 11.7 0.7 Ti 4.5 80 TiN 5.22 TiO2 4.26 V 5.96 W 19.35 PN

26 31.05.2013 PN 09 37 01 03 Material tinta Densitate [g/cc]
Randamentul la 600 eV Rata* (Å/sec) W90Ti10 14.6 80 WC 15.63 50 Y 4.47 0.6 85 YBCO 5.41 10 Zn 7.14 340 ZnO 5.61 40 ZnS 3.98 Zr 6.49 0.7 ZrO2 5.6 PN

27 Figura 10 – Ratele de pulverizare pentru magnetron rectangular
Rata de pulverizare (Ǻ/s) pentru magnetronul rectangular MPC 100-Balzers Figura 10 – Ratele de pulverizare pentru magnetron rectangular PN

28 Rata uzuala de depunere pentru diferite materiale
PN

29 5. Evaluarea capabilitatilor tehnice ale instalatiei
Timp (Minute) Presiune (mbar) 2 30 27 1,2.10-5 55 5,6.10-6 81 3,7.10-6 4 3 29 1,1.10-5 56 5,5.10-6 83 3,6.10-6 6 1,1 31,3 1,0.10-5 58 5,3.10-6 86 3,5.10-6 7 2,0.10-1 33 9,7.10-6 60 5,1.10-6 88 3,4.10-6 8 3,5.10-4 36 9,0.10-6 61 5,0.10-6 91 3,3.10-6 9 1,5.10-4 38 8,4.10-6 62 4,9.10-6 94 3,2.10-6 10 8,0.10-5 40 8,0.10-6 63 4,8.10-6 97 3,1.10-6 11 6,0.10-5 41 7,7.10-6 64 4,7.10-6 100 3,0.10-6 12 4,3.10-5 42 7,6.10-6 66 4,6.10-6 104 2,9.10-6 14 3,1.10-5 43 7,4.10-6 67 4,5.10-6 108 2,8.10-6 16 2,5.10-5 44 7,2.10-6 68 4,4.10-6 112 2,7.10-6 17 2,3.10-5 45 7,0.10-6 70 4,3.10-6 117 2,6.10-6 18 2,0.10-5 47 6,7.10-6 71 4,2.10-6 122 2,5.10-6 20 1,8.10-5 48 6,5.10-6 73 4,1.10-6 129 2,3.10-6 22 1,6.10-5 51 6,3.10-6 75 4,0.10-6 142 2,2.10-6 24 1,4.10-5 52 6,0.10-6 77 3,9.10-6 150 2,1.10-6 26 1,3.10-5 53 5,8.10-6 79 3,8.10-6 159 2,0.10-6 1200 (20h) 3,0.10-7 Evolutia vidului in camera tehnologica PN

30 Neetanseitate camera tehnologica
PN

31 6. Experimentari tehnologice in vederea stabilirii domeniului de variatie al presiunilor de lucru si al ratelor de depunere pentru materialele utilizate QAr - Debit gaz (cm3/min) Presiune TV1 (mbar) TV2 QAr – 0,5 - 110 3, 1, 390 1, 5, 1 3,7.10-5 120 3, 1, 400 1, 5, 2 1,1.10-4 131 3, 1, 410 1, 6, 3 1,8.10-4 140 3, 1, 420 2, 6, 4 2,6.10-4 150 3, 1, 440 2, 7, 5 3,5.10-4 2,5.10-3 160 3, 1, 450 2, 7, 10 4,1.10-4 2,9.10-3 180 4, 2, 470 3, 8, 15 7,4.10-4 3,0.10-3 200 4, 1, 480 3, 8, 20 9,5.10-4 3,3.10-3 220 2, 490 3, 9, 25 1,3.10-3 5,3.10-3 240 4,4 10-3 2, 500 3, 9, 30 1, 5,8.10-3 250 4, 2, 510 4, 1, 40 1, 6,6.10-3 310 7, 3, 540 5, 1, 50 2, 7,3.10-3 320 8, 3, 550 5, 1, 60 2, 8,0.10-3 330 9, 4, 560 6, 1, 70 2, 8,6.10-3 340 1, 4, 570 6, 1, 80 2, 9,4.10-3 350 1, 4, 580 7, 1, 90 3, 1, 360 1, 4, 600 8, 1, 100 3, 380 1, 5, 620 1, 1, PN

32 Figura 11 – Variatia presiunii de echilibru in spatiul tehnologic,
Debit gaz [cm3/min] Presiune [mbar] Figura 11 – Variatia presiunii de echilibru in spatiul tehnologic, functie de debitul de gaze (Argon si Azot) introdus PN

33 7. Depunerea unor materiale lubrifiante uscate
Figura 12 – Variatia ratei de depunere, a tensiunii si a curentului, fiunctie de puterea injectata in plasma, pentru grafit PN

34 Figura 13 – Variatia ratei de depunere,
a tensiunii si a curentului, fiunctie de puterea injectata in plasma, pentru Se PN

35 Parametrii tehnologici pentru depunere Ti
PN

36 Parametrii tehnologici pentru depunere Al
PN

37 Parametrii tehnologici pentru depunere C
PN

38 Parametrii tehnologici de realizare a nitrurilor metalice de Al si Ti
prin pulverizare magnetron reactiva in cc Materialele metalice precum Ti si Al, dar si nitrurile acestor metale (experimentate in acesta faza) si in acord cu CBI sunt utilizate ca material dopant (2-10%) pentru materialele lubrifiante de top: C; hBN; TaSe2; WS2; MoS2, etc. in vederea realizarii acoperirilor lubrifiante nanocompozite Parametrii tehnologici utilizati pentru realizarea TiN si AlN: Material QAr +QN2 (cm3/min ) Presiune-TV1 (mbar) Parametrii plasmei magnetron R (Å/s) U (V) I (mA) P (% din Pmax) TiN 25+10 1,5.10-3 400 499 50 6...9 AlN 20+10 1,4.10-3 365 446 40 6 ...8 Pmax = 600W PN

39 Depunere Ti cu R=0,80Ǻ/s PN

40 Depunere Al cu R=1,46 Ǻ/s PN

41 Depunere Seleniu cu R=1 …1,91Ǻ/s
PN

42 Depunere Seleniu cu R=1,48Ǻ/s
PN

43 8. Concluzii Instalatia Multifunctionala din dotarea DFH, pentru depuneri de straturi subtiri in vid prin metoda Pulverizarii Magnetron Standard sau Reactiv, in DC si RF permite realizarea de straturi multiple cu structura superlattice, nanometrica si micrometrica Faza a dat posibilitatea de determinare a parametrilor tehnologici de depunere a catorva materiale de (Ti, Al, C; Se) ce se intentioneaza a fi utilizate in cadrul proiectului “NOI ACOPERIRI LUBRIFIANTE USCATE NANOSTRUCTURATE PENTRU APLICATII TRIBOLOGICE, OBTINUTE PRIN METODE DE DEPUNERE CU DESFASURARE IN VID SAU IN ATMOSFERA DESCHISA (ACOPERIRI LUBRIFIANTE USCATE)”, PN

44 9. Bibliografie Carte tehnica “Instalatie Multifunctionala pentru depuneri de straturi subtiri in vid prin pulverizare magnetron”- Torr International Inc.-USA Carte tehnica –Thin Film Deposition Controller type SQC-310. Tehnologii Avansate-Straturi subtiri depuse in vid, Gheorghe Mateescu, 2000, Editura Doroteea, Lucrare editata cu sprijinul MCT. A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high power densities, V. Kuznetsov, K. Macak, J. Schneider, U. Helmersson, I. Petrov, Surface and Coating Technolgy (2-3): , Cerere de brevet de inventie IFIN-HH, Nr. A/00621/ OSIM–“Metoda de acoperire in vid a pieselor metalice cu straturi subtiri lubrifiante si antiuzura uscate, pe baza de bisulfura de wolfram (WS2), dintr-un compus nou (WS2+Metal), prin metode tip PVD Proposal Patent –“Metoda de realizare in vid a straturilor subtiri lubrifiante si antiuzura dintr-un compus nou, prin metode tip PVD”-Autori Gh. Mateescu; Alice Mateescu Cerere de brevet de inventie IFIN-HH, Nr. A/00622/ OSIM –“Metoda de acoperire in vid a pieselor metalice cu straturi subtiri lubrifiante si antiuzura uscate, pe baza de bisulfura de wolfram (WS2), dintr-un compus nou (WS2+C), prin metode tip PVD sau IPVD.”-Autori: Gheorghe Mateescu; Alice-Ortansa Mateescu Cerere de brevet de inventie IFIN-HH, Nr. A/00623/ OSIM –“Metoda de acoperire in vid a pieselor metalice cu straturi subtiri lubrifiante si antiuzura uscate, pe baza de bisulfura de wolfram (WS2), dintr-un compus nou (WS2+Metal+C), prin metode tip PVD sau IPVD.”-Autori: Gheorghe Mateescu; Alice-Ortansa Mateescu Cerere de brevet de inventie IFIN-HH, Nr. A/00729/ OSIM -“Metoda de realizare in vid a straturilor subtiri tribologice multiple cu proprietati complementar-cumulative, prin metode “Physical Vapor Deposition” (PVD) sau “Ionized Physical Vapor Deposition” (IPVD) -Autori: Alice-Ortansa Mateescu; Gheorghe Mateescu K. J. Lesker –Deposition Techniques: Materials names A-Z SPECS- Sputtering yield- PN