Arcul termoionic in vid

ARCUL TERMOIONIC IN VID

Alaturi de tehnologiile traditionale de obtinere a acoperirilor, asistam la dezvoltarea, perfectionarea si extinderea unor tehnici moderne de depunere a acestora, prin metode fizice si fizico-chimice, ce asigura puritate si aderenta ridicata, printr-o varietate foarte mare de procedee de obtinere a acoperirilor.

Intre metodele moderne de depunere care asigura o puritate, aderenta sau rezistenta mecanica remarcabile se numara si tehnologia Arcului Termoionic in Vid (TVA), o metoda originala, dezvoltata in cadrul Institutului National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si a Radiatiilor, preluata si de colectivul de Fizica Plasmei de la Universitatea Ovidius, Constanta.

O analiza preliminara comparativa a diverselor metode de evaporare in vid si de depunere a filmelor subtiri, a condus la ideea ca metoda arcului termoionic in vid (TVA) reprezinta o cale noua, de mare originalitate. In acelasi timp aceasta metoda reprezinta o prioritate romaneasca in obtinerea de filme subtiri de calitate deosebita. De aceea este imperios necesara ideea de a stabili care este locul acestei metode alaturi de cele consacrate. Deoarece acest sistem poate incalzi la temperaturi inalte orice material, metoda TVA este una din cele mai adecvate metode pentru evaporarea carbonului.

In prezent exista trei metode consacrate de obtinere a filmelor subtiri de carbon fara hidrogen: arcul de carbon filtrat (FVCA), fasciculul de ioni de carbon separati prin spectrometrie de masa (MSIBD) si depunerea carbonului prin ablatie cu laser pulsat (PLD). Alaturi de acestea, trebuie luata in considerare si combinatia extrem de performanta care asociaza avantajele depunerii prin metoda arcului in vid cu laserul pulsat, generand arcul in vid indus de laser (LASER-Arc)

Arcul Termoioniv in Vid constituie un nou tip de arc cu ajutorul caruia se pot face depuneri de straturi subtiri cu un grad de puritate crescuta in conditiile in care stratul care se depune este bombardat cu ionii de energie mare chiar ai materialului care se depune.

In acest moment aceasta tehnologie a fost elaborata si pusa la punct in detaliu pentru numeroase aplicatii, cele mai relevante fiind mentionate in paragrafele urmatoare.

1 Principiul metodei arcului termoionic in vid (TVA)

Metoda Arcului Termoionic in Vid (TVA) utilizata pentru preparea filmelor subtiri este situata intre metoda de depunere utilizand evaporarea materialului in vid prin incalzirea, topirea si evaporarea sa cu un fascicul de electroni si arcul in vid (catodic sau anodic) urmata de depunere. Ca si arcul anodic in vid (AVA), descarcarea TVA produce vapori puri ai materialului de evaporat fara sa fie necesar alt gaz de sustinere al descarcarii, prin evaporarea si ionizarea materialului de la anod, insa in acest caz este utilizat in plus un filament catodic incalzit, in timp ce in cazul arcului anodic catodul este rece, neincalzit. Arcul catodic in vid (CVA) prezinta o cadere catodica foarte mica de ordinul 10-20 V, iar datorita faptului ca intensitatea curentului aplicat este foarte mare sunt inglobate macroparticule in straturile depuse, fapt ce reprezinta un dezavantaj substantial al acestuia.

In metoda TVA incalzirea catodului se realizeaza printr-o sursa externa si nu prin bombardament ionic precum in cazul clasic (arc in vid). In cazul descarcarii TVA se folosesc catozi din materiale refractare pentru a asigura o emisie termoelectronica suficienta la temperaturi mai mici decat punctul lor de topire.

In principiu, Arcul Termoionic in Vid este produs intre un catod, reprezentat de un filament de wolfram care este montat in interiorul unui cilindru Whenelt cu rol in focalizarea fasciculului de electroni si un anod, care in cazul clasic este o nacela cu forma unei linguri in care se afla materialul ce urmeaza a fi depus. In prima faza se aplica pe catod un curent pentru incalzirea filamentului, astfel incat sa se produca fenomenul de emisie termoelectronica de pe suprafata filamentului de wolfram.

Sub actiunea incidentei fasciculului energetic de electroni, directionat prin cilindrul Whenelt asupra anodului, materialul din nacela mai intai se topeste, dupa care incepe sa fiarba si apoi are loc evaporarea sa. In spatiul interelectrodic dintre tunul electronic si nacela ce contine materialul de evaporat se stabileste o densitate stationara de atomi ai materialului continuu evaporat. La aplicarea unei tensiuni inalte DC, in conditii de vid inaintat se aprinde o descarcare stabila in vaporii materialului evaporat.

Se obtine astfel o plasma ce contine ionii energetici. Energia ionilor provine din faptul ca plasma se afla la un potential inalt fata de masa. Aceasta face ca filmul care se depune sa fie bombardat cu ioni de energie mare, natura ionilor care bombardeaza fiind chiar cea a materialului care se depune.

Astfel, in cazul metodei TVA, depunerea straturilor subtiri are loc prin condensarea simultana pe substrat atat a atomilor neutrii evaporati de la nod cat si a ionilor accelerati la valori ale energiei apropiate de marimea caderii catodice. Acesta reprezinta un avantaj major pentru obtinerea unui grad ridicat de puritate deoarece descarcarea este initiata in vid, iar filmul este bombardat chiar in timpul nucleatiei sale cu atomii proprii ionizati, care datorita energiei lor compactizeaza stratul depus.

In functie de marimea caderii catodice ionii pot avea o energie foarte mare dirijata catre pereti. Energia dirijata a ionilor poate ajunge la valori de ordinul a 500 eV.

In urma unui studiu preliminar s-a ajuns la concluzia ca descarcarea in arc poate fi controlata de urmatorii parametrii: curentul de arc I_arc, curentul de emisie termoelectronica al catodului - determinat de temperatura catodului incalzit T_c, distanta interelectrodica d si unghiul dintre o linie perpendiculara pe anod si axa catodului (φ).

Fig. 1.1 Schema de principiu a arcului TVA

2 Configuratia electrozilor

Arcul Termoionic in Vid (TVA) poate fi realizat in conditii de vid inaintat (10^-5-10^-6) mbar intre electrozii a caror configuratie este posibila intr-o geometrie liniara sau cilindrica atunci cand este vorba de un singur tun electronic la catod. De asemenea, se poate realiza si montajul cu doua tunuri electronice, dispuse simetric fata de pozitia anodului. Din punctul de vedere al modului in care se produce emisia termoionica in vid, catodul poate fi incalzit direct sau indirect.

1 Geometria liniara

Dispozitivul experimental al arcului termoionic in vid (TVA) in geometrie liniara, pentru doua pozitii relative ale electrozilor, in cazul in care catodul este incalzit direct este aratat in fig.1. Catodul era confectionat initial din sarma de wolfram cu diametru de 0,2 mm rotita de 4 ori dupa un diametru de 1 mm cu o suprafata de emisie de 6,5 mm², montat in interiorul unui cilindru Whenelt cu diametru de 12 mm si lungimea de 15 mm, prevazut cu un orificiu frontal.

S-a constatat insa ca aparitia unui mic defect intr-un punct din sarma filamentului incalzit va duce la incalzirea si evaporarea sarmei in acel punct ducand astfel la distrugerea filamentului. Mai mult decat atat, datorita depunerilor de material evaporat pe cilindrul Whenelt, diametrul frontal al cilindrului se va micsora in timp, obturand emisia electronilor.

Din acest motiv s-a recurs ulterior la confectionarea filamentului din sarma cu o grosime mai mare de 1-2 mm, nerotita, ci doar indoita in forma de ,,ac de par" pentru a asigura maximul de emisie termoelectronica.

Fig.1 Configuratia electrozilor pentru TVA in cazul catodului cu incalzire directa

In al doilea caz, al catodului cu incalzire indirecta (fig. 2), incalzirea filamentului are loc prin bombardament electronic cu ajutorul unui catod auxiliar. Catodul principal este o pastila de W-ThO₂ 4% cu un diametru de 4 mm si o grosime de 2-3 mm, prevazut de-a lungul unui diametru al pastilei cu doi suporti conductori de sectiune 1 mm Catodul principal este incalzit prin bombardament electronic folosind un catod secundar inconjurat de un cilindru Whenelt secundar. Catodul principal este montat in interiorul cilindrului Whenelt confectionat din molibden care este prevazut cu un orificiu frontal mai larg decat diametrul catodului cu 1-2 mm.

La nivelul pieselor suport ale catodului este montata o foita de material refractar ca scut ce separa cilindrul Whenelt in doua parti pentru a evita o legatura necontrolata intre catodul secundar si cel principal prin fascicolul de electroni sau difuzia plasmei.

Exista cateva avantaje ale catodului cu incalzire indirecta, cele mai relevante fiind urmatoarele:

Catodul incalzit indirect are o durata de viata mai mare decat cel cu incalzire directa si totodata asigura un curent de descarcare mai mare;

Nu mai apare depunerea nedorita care se produce la catodul cu incalzire directa prin orificiul Whenelt.

Fig.2 Catodul cu incalzire indirecta

Arcul TVA cu doua tunuri electronice si un anod

Desigur ca in functie de tipul materialului care urmeaza sa fie depus si configuratiile electrozilor au suferit modificari fata de configuratia de baza prezentata anterior.

Astfel, pentru obtinerea unor depuneri uniforme si simetrice a filmelor subtiri pe o directie perpendiculara pe nacela anodului ce contine materialul de evaporat se mai poate introduce inca un catod (fig. 3) fata de configuratia clasica. Acest catod, care poate functiona independent fata de primul, va putea fi incazit direct sau indirect, la fel ca si primul, si va putea avea inclinari diferite fata de axa perpendiculara pe nacela anodului. Prin aceasta modificare s-a realizat un sistem care asigura expandarea plasmei arcului TVA pe o directie perpendiculara pe nacela anodului ce contine materialul de evaporat.

Astfel, anodul va fi incalzit pe o suprafata mai mare decat in cazul unui singur catod si din acest motiv noul montaj experimental poate fi utilizat cu succes pentru materiale speciale, cum ar fi de exemplu materialele dielectrice si semiconductori unde transportul de caldura nu se face aat de repede ca la metale.

Fig. 3 Arcul cu doua tunuri si un anod

Folosind un tun electronic suplimentar se pot controla de asemenea parametrii importanti cum ar fi: energia ionilor si rata de depunere. Pentru o cadere de potential mare si un curent de descarcare mic sustinut de primul catod se obtine o energie marita a ionilor si ca urmare o mai buna aderenta a filmului subtire depus pe substrat.

Apoi se poate sustine descarcarea prin intermediul celui de al doilea tun electronic, la o cadere de tensiune mica si un curent de descarcare mare pentru a obtine o rata de depunere mare.

2 Geometria cilindrica

O alta configuratie care sa permita minimalizarea opturarilor ale spatiului in care se expandeaza plasma TVA a fost realizarea arcului termoionic cu geometrie cilindrica.

In cazul acestei geometrii (fig. 4), catodul folosit are o forma circulara de diametrul 16 mm si este constituit dintr-o sarma de wolfram de de diametrul 0,6 mm. Catodul este plasat central in interiorul unui cilindru Whenelt care este prevazut cu orificii frontale de diametre de 9 mm si 12 mm.

Fig. 4 Schema de principiu a instalatiei experimentale cu geometrie cilindrica

Pe suprafata laterala a cilindrului exista patru orificii care permit trecerea filamentului si a suportilor acestuia ce au rolul de al sustine atunci cand acesta este adus la temperaturi ridicate. Trecerile sunt izolate electric in corpul cilindrului cu ceramica asa cum se poate observa in fig. 5.

Fig. 5 Sectiune transversala prin cilindrul Whenelt

Anodul este construit dintr-o tija de fier cu trecere izolata la inalta tensiune si etansa la vid, in varful careia este fixat prin filetare cu un surub, creuzetul. In acest caz pentru confectionarea nacelei s-a folosit molibdenul, diametrul superior al acesteia fiind de 5 mm, iar adancimea de 0,6 mm. Ca si in cazul geometriei liniare nu s-a folosit un sistem de racire a anodului sau catodului. Cu ajutorul unui sistem mecanic poate fi modificata, dar pentru a se asigura miscarea axiala a creuzetului, sistemul este prevazut cu un cilindru de ghidaj care face corp comun cu sistemul de sustinere al cilindrului Whenelt avand rolul de a focaliza electronii emisi de catod prin emisie termoelectronica. Prin aplicarea unui potential convenabil pe acesta, poate fi controlata traiectoria electronilor emisi astfel incat sa se obtina o cat mai buna focalizare a fasciculului electronic pe suprafata materialului de evaporat.

Arcul TVA cu doua tunuri electronice si doi anozi

In ceea ce priveste depunerilor de materiale exista cazuri in care se impune producerea unor filme subtiri utilizand condensarea simultana pe suprafata de depunere a doua metale (materiale) diferite obtinandu-se o structura compozita care nu este neaparat un aliaj, in sensul ca poate avea aspectul unei structuri formate din amestecarea a doua pulberi diferite eventual nanostructurate. In acest aranjament experimental metoda TVA isi demonstreaza inca o data potentialul extraordinar pe care il are in realizarea filmelor subtiri multicomponente produse din materiale a caror conditii de depunere pot fi controlate in mod individual si independent.

In dreptul fiecarui anod care contine materiale diferite se afla cate un tun eletronic cu filamentul incalzit separat si care este conectat la tensiune inalta fata de pamant. Descarcarea se aprinde simultan intre catozii cu filament de wolfram si cele doua nacele aflate in scurtcircuit. O data descarcarea aprinsa, curentul de descarcare pentru fiecare din cele doua arcuri este strict controlat de temperatura filamentului fiecarui catod. Ca urmare, in timpul depunerii pentru oricare dintre cele doua materiale, intensitatea curentului poate fi modificata doar schimband temperatura catodului.

Pentru a evita anumite cazuri precum ,,interactia" celor doua plasme de tip TVA create intre fiecare pereche de electrozi, cele doua tunuri electronice sunt separate de un ecran.

Fig.6 Arcul TVA cu doua tunuri electronice si doi anozi

In acest mod au putut fi obtinute combinatii intre diferite materiale, cum ar fi de exemplu nanostructuri pe baza de carbon (C-Me) cu proprietati mecanice si tribologice semnificativ imbunatatite dar si compusi feroelectrici (Fe-Cr), aliaje (Cu-Ni, Cu-Ag), materiale superconductoare (Mg ,Br₂) sau multistraturi cu rol de protectie antioxidanta pentru anumite materiale (Re-Cr-Ni pe Nb)

3 Functionarea arcului. Conditia de aprindere

In primul rand, pentru a se initia descarcarea in arcul TVA presiunea in incinta trebuie sa fie mai mica de 10^-5 mbar. La presiuni mai ridicate arcul se aprinde in gazul rezidual si in acest caz anodul nu mai este incalzit.

In al doilea rand, aprinderea arcului se realizeaza in mai multe etape. Intai este incalzit filamentul catodului la o temperatura inalta care sa asigure o emisie termoelectronica semnificativa. Apoi se aplica o tensiune astfel incat, datorita accelerarii electronilor de la catodul incalzit spre anod acesta intai incepe sa se topeasca si apoi se evapora in mod continuu. Se creaza astfel o densitate stabila de atomi ai materialului anodului evaporat in spatiul interelectrodic.

O crestere ulterioara a tensiunii aplicate va duce la aprinderea arcului in vaporii generati de la anod si simultan va creste semnificativ curentul dintre anod-catod, in timp ce tensiunea pe arc va scadea.

Astfel se stabileste arcul termoionic in vid, arcul fiind mentinut de vaporii anodului evaporat. Este un arc cu catodul incalzit care asigura electronii necesari prin emisie termoelectronica, care are insa anumite particularitati care il diferentiaza fata de arcul obijnuit cu catod incazit din exterior.

Deci, tensiunea aplicata in cazul arcului TVA trebuie pe de o parte sa genereze gazul necesar pentru a sustine curentul de descarcare, iar pe de alta parte, imediat dupa aprindere trebuie sa mentina o densitate stabila de atomi neutrii evaporati din catod, stiut fiind faptul ca o parte din tensiune este preluata de rezistenta de balast si de caderea de potential a plasmei.

Cu aceste observatii, putem defini cele trei conditii pe care trebuie sa le indeplineasca tensiunea de strapungere pentru aprinderea arcului TVA:

Rata de evaporare a atomilor neutrii de la suprafata anodului sa fie suficient de mare astfel incat in spatiul interelectrodic sa fie mentinuta o densitate stationara a atomilor neutrii;

Sa asigure prin ciocniri inelastice electroni - atomi neutrii, destui ioni capabili sa mentina densitatea de sarcina necesara descarcarii, compensand in mod continuu pierderile de ioni prin procesele de recombinare si de difuzie ambipolara;

Imediat dupa aprindere sa mentina cel putin aceeasi rata de evaporare a atomilor de la anod ca inainte de aprinderea arcului.

Din punctul de vedere al aplicatiilor ca metoda de depunere pentru tehnologia TVA, acest fapt reprezinta un avantaj extraordinar, deoarece se pot lua in considerare depuneri pe orice tip de substrat, incluzand materialele plastice sau materialele cu punct mic de topire [14,15].

4. Particularitatile arcului termoionic in vid in comparatie cu alte tipuri de descarcare

Vom evidentia particularitatile arcului termoionic in vid, relevand prin aceasta originalitatea acestui tip de descarcare. Astfel, arcul termoionic in vid se produce in conditiile de vid inaintat sau chiar ultrainalt, in timp ce in cazul descarcarii luminiscente aprinderea are loc intr-un gaz-suport.

In cazul arcului termoionic in vid, gazul suport este reprezentat de vaporii metalici care se evapora continuu din anodul incalzit de fasciculul incident de electroni. Daca U este tensiunea inalta aplicata si I este curentul electric (respectiv intensitatea fasciculului de electroni) atunci puterea care incalzeste anodul este U·I.

Pentru ca descarcarea de tip arc termoionic sa se aprinda (valoarea minima necesara pentru tensiune spre a se aprinde), descarcarea trebuie sa asigure simultan:

trecerea curentului electric de descarcare, in urma ionizarilor prin ciocniri electronice;

puterea minima necesra U·I pentru a genera densitatea de atomi de metal in spatiul dintre electroni.

O data aprinsa descarcarea electrica, nu rezulta automat ca ea devine stabila. Daca in cazul descarcarii luminiscente, descarcarea se stabilizeaza imediat (cu ajutorul rezistentei de balast) pe o valoare stabila a curentului, in cazul arcului termoionic in vid, aprinderea descarcarii modifica radical conditiile de lucru.

In figura 4.1 se arata distributia de potential in spatiul dintre electrozi inainte si dupa aprinderea arcului termoionic.

Fig. 4.1  Distributia de potential dintre electroni

Caderea de tensiune pe arcul U^' este mult mai mica decat U'. Caderea de tensiune pe arc este de fapt formata din trei caderi distincte si anume:

U₁ - caderea de tensiune la catod

U₂-U₁ - caderea de tensiune in plasma arcului

U₃-( U₂+U₁) - caderea de tensiune la anod

Rezulta de aici ca pentru a se mentine aceeasi putere incidenta la nivelul anodului (care sa mentina rata de evaporare premergatoare aprinderii), trebuie sa avem indeplinita conditia: 

[U₃-( U₂-U₁)]·I_arc≥ U·I

Cu alte cuvinte, pierderea in caderea de tensiune care accelereaza electronii spre anod, trebuie sa fie compensata de cresterea curentului de descarcare a arcului termoionic in vid. Evident, in aceste conditii putem vorbi doar prin analogie despre o tensiune de aprindere pe care o identificam cu valoarea U din relatia U·I. Arcul termoionic in vid, deci isi genereaza gazul suport necesar pentru trecerea curentului electric de descarcare.

In concluzie, metoda TVA prezinta interes pentru evaporarea oricarui material solid datorita urmatoarelor particularitati:

v    descarcarea in arc genereaza o plasma a oricarui material solid fara intermediul altui gaz si fara sa contina macroparticule de impuritati cu un grad de ionizare de pana la 20%;

v    acest arc ofera posibilitatea controlului in timpul depunerii a energiei ionilor produsi in plasma si directionati catre substrat prin intermediul curentului de arc sau al curentului de incalzire a filamentului;

v    nu sunt necesare sisteme aditionale de accelerare a ionilor catre substrat, cum ar fi de exemplu grilele sau polarizarea caracteristice descarcarii in RF [16].

5 Aplicatiile metodei TVA

Studiile privind arcul TVA vizeaza in primul rand aplicatiile acestuia ca metoda de depunere a filmelor subtiri pe un anumit substrat de interes [17-20] din mai multe motive:

• depunerea are loc in vaporii materialului anodului, filmul depus continand chiar ionii aceluiasi material, si deci se obtine un strat cu un inalt grad de puritate;
• datorita bombardamentului ionic filmele depuse nu prezinta o structura columnara, au o rugozitate redusa fara granulatie si un grad mare de aderenta;
• energia ionilor depusi poate fi controlata in timpul depunerii depinzand de factorii geometrici si operationali prezentati;
• plasma de vapori a materialului anodului este extrem de stabila;
• caderea catodica ajunge pana la nivelul kilovoltilor;
• grad mare de ionizare datorita densitatii mari a plasmei, fiind adecvata pentru depunerea aricarui tip de material, indiferent de punctul de topire al acestuia.

Folosind aceasta tehnologie pana in prezent s-au realizat urmatoarele depuneri cu metoda TVA:

1. depuneri de straturi metalice: cu Ti, Cu, Zn, Ni, Cr, Ag, etc
2. depuneri de aliaje Al-Ag₂O₃, Cu-Sn, Ni-Cr, etc
3. depuneri de oxizi: MgO, TiO
4. depuneri de carbon realizandu-se structuri tip DLC (Diamond Like Carbon)
5. depuneri de materiale refractare: W, Re, Be

De exemplu, una din primele aplicatii a avut drept scop producerea straturilor subtiri aderente pentru metalizarea suprafetelor plastice combinat apoi cu procesul de electroplacare pana la atingerea grosimii dorite.

Folosirea metodei TVA a determinat obtinerea unui grad mare de aderenta intre plastic si metal - ca prim strat - depunerea facandu-se la curenti mici si tensiuni inalte, urmand ca rata mare de depunere sa fie apoi asigurata de curenti mari si tensiune mica [17,21].

Exista insa si aplicatii speciale, o parte dintre ele fiind inca la nivel de experimentare in laboratoarele de cercetare, insa altele sunt deja introduse in procesul industrial de fabricare.

6 Dispozitivul experimental al metodei TVA pentru nanostructuri de carbon

Dispozitivul experimental folosit pentru realizarea depunerilor de filme subtiri de carbon prin metoda TVA este o instalatie de depuneri prin evaporare in vid, si consta    intr-un sistem dublu cu actionare hidraulica, cu multiple ferestre de vizualizre a descarcarii, situate la unghi de 90s pentru a preveni obturarea vizualizarii datorita depunerilor pe ferestre.

Fig. 6.1 Fotografie a instalatiei experimentale de depunere prin metoda TVA

Sistemul experimental este alcatuit din:

incinta dubla cu actionare hidraulica si accesorii

sistem hidraulic pentru deplasarea rotativa a incintelor

tablou electric de comanda

pompa vid preliminar Edwars 12m³/h

pompa vid cu difuzie 1000l/s

sistem de masurare a presiunii

ventile manuale DN 40 - 2buc si 160(sertar)

Sursa de inalta tensiune asigura o tensiune continua reglabila care este destinata alimentarii cu inalta tensiune a electrozilor pentru a produce arcul termoionic in vid in interiorul incintei de vid.

Este important de mentionat rolul acestei surse (fig. 6.2) de mare putere (U=5kV si I=1A), deoarece arcul termoionic in vid se aprinde la aplicarea unei tensiuni inalte, energia ionilor produsi in descarcare fiind intr-o relatie de directa proportionalitate cu tensiunea aplicata intre anod si catod.

Fig. 6.2 Sursa de inalta tensiune

De asemenea, exterior incintei sunt etansate cele doua joje: joja Pirani cu o capacitate de 10^-1-10^-3 mbar si joja Pening de 10^-3-10^-6 mbar ambele conectate la dispozitivul de masurare a presiunii. Dispozitivul de monitorizare a grosimii substratului asigura cunoasterea in orice moment a grosimii stratului depus pe probe (fig. 6.3).

Fig. 6.3. Sistem de monitorizare a grosimii

Camera de depunere este vidata cu ajutorul unei combinatii de pompe de vid (fig.6.4):

pompa vid preliminar Edwars 12m³/h

pompa vid cu difuzie 1000l/s

Fig. 6.4. Pompe de vid

Configurarea instalatiei de depunere pentru obtinerea straturilor nanostructurate de carbon a fost facuta astfel incat sa corespunda urmatoarelor cerinte:

• sistem hidraulic pentru deplasarea rotativa a incintelor;
• treceri izolatoare de tensiune inalta si curent mare exterior - vid;
• ecran prevazut cu miscare de rotatie pentru obtinerea unor straturi compacte;
• presiunea reziduala in sistemul de depunere: 2x10^-6 mbar;
• posibilitatea de cuplare a sistemului de monitorizare a grosimii stratului depus prin rezonatorul de cuart;

Interiorul unei astfel de instalatii este prezentat in figura 6.5 unde pot fi usor recunoscute elementele componente din incinta de depunere:

tunul electronic cu incalzire directa (catodul);

suport pentru substraturi;

ecran pentru obturarea probelor inainte de atingerea parametrilor optimi de depunere;

Fig. 6.5. Circuitul interior al instalatiei experimentale

Premergator procesului de depunere, prin metode fizico-chimice si mecanice se asigura indepartarea impuritatilor organice si neorganice de la suprafata substratului, precum si activarea acestuia pentru imbunatatirea aderentei depunerilor. Acest lucru se realizeaza prin curatarea cu ultrasunete in acetona tehnica a mostrelor cu ajutorul dispozitivului ultrasonic cleaner 8848-Cole -Parmer (fig.6.6).

Fig. 6.6 Ultrasonic Cleaner 8848 -Cole Parmer

Cerintele specifice care sunt impuse asupra descarcarii in arcul termoionic in vid pentru obtinerea unor nanostructuri de carbon sunt:

presiune de lucru: 10^-5 mbar;

curent de arc: 100-200 mA;

curent de incalzire filament: 40-50 A;

anodul : carbura de titan ;

atmosfera in camera de depunere : vid.

Initial,  dupa ce se obtine presiunea de lucru specificata in incinta, de ordinul a 4-6x10^-5 mbar, are loc incalzirea filamentului la intensitati de peste 40 A pentru a produce emisia electronica evaporarii carburii de titan.

Acest fascicul de electroni este focalizat datorita cilindrului Whenelt pe anod. Apoi se aplica o tensiune inalta reglabila intre anod si catod astfel incat, datorita accelerarii electronilor de la catodul incalzit spre anod, acesta incepe sa se topeasca si apoi sa se evapore in mod continuu. Se creeaza astfel o densitate stabila de atomi ai materialului anodului evaporat in spatiul interelectrodic. O crestere ulterioara a tensiunii aplicate va face ca, la o anumita valoare, densitatea de vapori sa fie suficienta ca sa produca o descarcare in arc si mai departe sa o sustina, atat timp cat densitatea vaporilor de TiC este mentinuta la parametrii constanti.

Catodul este un filament din tungsten de   mm montat in interiorul cilindrului Whenelt. Rolul acestui cilindru este crucial deoarece concentreaza electronii pe suprafata anodica. Ionii bombardati pe substrat sunt doar ionii materialului depunator (carbon si titan) continut in creuzet: anodul. In plus, energia ionilor poate fi controlata deplin din exteriorul vasului de descarcare prin controlul valorii scazute a arcului de tensiune. Rezulta faptul ca in timpul pregatirii depunerii, straturile subtiri in crestere sunt bombardate de ioni energetici cu o valoare bine stabilita a energiei ionilor. Datorita electronilor accelerati din catod ce incalzesc anodul, se stabileste o evaporare continua a materialului anodului. La o crestere ulterioara a tensiunii aplicate, o descarcare stralucitoare se stabileste brusc in spatiul interelectrodic.

Ca mostre au fost utilizate placute din sticla si silicon montate pe port la o distanta de 150 mm de anod iar distanta dintre anod si catod a fost stabilita la 7 mm. Sistemul are un paravan ce protejeaza mostrele pana la realizarea parametrilor de depunere. Odata ce descarcarea este stabila, paravanul este indepartat si are loc depunerea direct pe substraturi.

Pornirea instalatiei se realizeaza actionand comutatorul general si pornind pompa de vid preliminar.Se deschide ventilul 1 la maxim urmarindu-se valoarea presiunii ce trebuie sa scada. Dupa inchiderea ventilului 1, se comuta vacuumetrul pe canalul 2, deschiderea ventilului 2 fiind posibila dupa ce presiunea atinge valoarea de p=2x10^-2mbar. Se porneste pompa de difuzie si concomitent se face racirea cu un debit scazut de apa. Cand temperatura pe pompa de difuzie este de aproximativ 50⁰C se deschide ventilul 3, ventilul 2 ramanad deschis. Dupa deschiderea ventilului 3, la ventilele 1 si 2 nu se mai actioneaza.

7 Date experimentale

In lucrarea de fata s-a initiat o descarcare in vapori de TiC mentinuta constanta timp de 8 minute la o presiune de lucru p=2x10^-5 mbar, in timp ce filamentul catodului a fost incalzit extern timp de 30 minute cu un curent de intensitate 40 A (If).

Plasma TiC a fost aprinsa la o tensiune de scurtcircuit de 1.65 kV, curentul anodic fiind de 621 mA dupa cum se poate observa in tabelul 7.1.

Tabel 7.1 Curentul si tensiunea pe arc

Fig. 7.1. Caracteristica volt-amperica a descarcarii in vapori TiC

Observam o crestere a tensiunii concomitent cu o crestere a curentului de arc, dupa care acesta ramane practic constant datorita incalzirii filamentului. Cand arcul se aprinde, tensiunea scade dupa cum se poate observa in caracteristica volt-amperica a arcului termoionic in vapori TiC.

Trebuie subliniat faptul ca ,,punctul de functionare" de pe caracteristica volt-amperica poate fi modificat dupa dorinta fara a se ,,stinge" T.V.A. in orice punct de pe caracteristica. Motivatia unei asemenea schimbari este data de faptul ca fiecare zona de pe caracteristica volt-amperica prezinta avantaje specifice respectiv la curenti mici si tensiuni mari energia ionilor este mare. Dezavantajul in cazul utilizarii acestei zone este rata mica de evaporare. In zona de curenti mari si tensiune mica pe arc, rata de evaporare este foarte mare dar ionii nu au o energie mare. Deci, mergand de-a lungul caracteristicii  volt-amperice putem schimba continuu parametrii plasmei, de la energii mari ale ionilor la energii mici.

Descarcarea TVA este controlata de fasciculul catodic de electroni prin intermediul unor parametrii importanti de operare cum ar fi arcul de tensiune si curentul arcului datorat proprietatilor degazorului ale vaporilor de titan. Structura filmelor subtiri depinde de influenta energiei ionilor emisi de catod [22].

In figurile 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, se poate vizualiza arcul termoionic in vid in diferite momente ale descarcarii.

Fig. 7. Arcul termoionic inainte de descarcare

Fig. 7.3 Arcul termoionic inainte de descarcare

Fig. 7.4 Arcul termoionic in timpul descarcarii

Fig. 7.5 Arcul termoionic in timpul descarcarii