Filmes de diamante nanocristalino infiltrados em substratos de silício poroso através das técnicas CVD/CVI

• Main Author: Cláudia Renata Borges Miranda
• Other Authors: Neidenêi Gomes Ferreira
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2009
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/04.06.12.17

O crescimento de filmes de diamante nanocristalino (NCD - Nanocrystalline Diamond) obtido através da infiltração nos poros do silício poroso (PS - Porous Silicon) foi estudado utilizando microscopia eletrônica de alta resolução, difração de raios-x de alta resolução, espectroscopia de fotoelétrons de raios-x e espectroscopia de espalhamento Raman. Os filmes de NCD/PS resultaram em um material compósito, com grande potencial de aplicação eletroquímica, principalmente devida à sua grande área supercial ativa. Utilizando o processo de anodização com ácido fluorídrico e acetonitrila foram produzidas camadas de PS com poros em microescala, do tipo pirâmide invertida, adequados para a deposição e infiltração dos filmes NCD. Para otimizar o processo de crescimento o reator de deposição química a partir da fase vapor (HFCVD - Hot Filament Chemical Vapor Deposition) foi adaptado para um reator de infiltração química a partir da fase vapor (HFCVI - Hot Filament Chemical Vapor Infiltration). Este procedimento permitiu que os gases reagentes infiltrassem na estrutura porosa onde a nucleação é iniciada, seguida da coalescência e formação do filme tanto nas paredes como no fundo dos poros. Nesta configuração uma entrada adicional de CH4 foi posicionada próxima ao PS que permitiu mudar a posição do fluxo em relação à amostra e possibilitou a utilização do fluxo adicional exatamente abaixo da amostra ou acima desta, porém ambas as entradas foram abaixo dos filamentos. Este sistema permitiu ainda combinações na variação das concentrações de CH4 nas duas entradas no intervalo entre 0,5 e 1,0 vol %. Os filmes obtidos com entrada de gás acima da amostra apresentaram as melhores características de NCD em todo o intervalo de variação de metano estudado. Numa segunda configuração, para melhorar a infiltração do NCD no PS foi utilizado carbono vítreo reticulado (CVR) como fonte adicional de carbono. Nestes experimentos, enquanto o fluxo principal de metano variou entre 0 e 1,0 vol. %, foram utilizados CVR obtidos com três índices de grafitização diferentes, tratados termicamente em 1300, 1500 e 2000°C. A amostra de PS foi posicionada sobre o CVR permitindo que o hidrogênio atômico atacasse a superfície do mesmo durante o processo de crescimento do filme, retirando desta estrutura o carbono que participa das reações de crescimento do NCD. Foi observada uma forte dependência no crescimento do filme em função do CVR utilizado, devido às variações das propriedades físico-químicas deste material com sua temperatura de obtenção. Particularmente, os filmes obtidos a partir do CRV 2000 e concentração de metano de 1,0 vol. % apresentaram a melhor morfologia com cobertura total das paredes e dos poros, seguindo a morfologia do substrato, cuja qualidade e cristalinidade foram confirmadas pelos espectros Raman e de raios-x, respectivamente. De maneira geral, as duas configurações utilizando fontes adicionais de carbono produziram com sucesso filmes de NCD infiltrados nos poros do Si com apenas 60 min de crescimento. === The growth of nanocrystalline diamond films (NCD) on porous silicon (PS) substrate was studied using high resolution scanning electron microscopy, high resolution X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and Raman scattering spectroscopy. The NCD/PS films resulted in a composite material, with great potential for electrochemical application, mainly due to its high active surface area. The morphology of PS pores in microscale, which looks like an inverted pyramid, was produced in a suitable way for the deposition and infiltration of NCD films, from anodization process, using the solution of fluoridric acid dissolved in acetonitrile additive. To optimize the process a Hot Filament Chemical Vapor Deposition reactor was changed for a Hot Filament Chemical Vapor Infiltration reactor. This procedure allowed the infiltration of the reacting gases into the porous structure where the nucleation takes place, followed by the coalescence and the film formation into pore bottoms and walls. In this configuration an additional entrance of CH4 was located next to the PS substrate using two distinct positions. These positions concerned the NCD films obtained with the use of the additional flow accurately underneath of the sample or above it, nonetheless both entrance were located below the filaments. This system still allowed combinations in CH4 concentrations for the two entrances in the range between 0.5 and 1.0 vol %. The films produced using the above gas entrance, presented the best NCD characteristics, in the whole range of methane variation. In the second configuration, to improve the NCD infiltration in the PS substrate, a piece of reticulated vitreous carbon (RVC) was used as an additional carbon source. In these experiments, while the main methane flow varied between 0 and 1.0 vol. %, RVC produced at three different graphitization index, treated thermally at 1300, 1500 and 2000 °C, were used as a second carbon source. The PS sample was placed in the center of RVC piece allowing the atomic hydrogen attack on its surface during the film growth, removing from its structure the necessary carbon to promote the reactions to form the NCD layer. The strong dependence in the film growth as a function of the RVC treated at different temperatures was observed, due to the physical-chemical property variations of this material with its graphitization index. Particularly, the films obtained from the RVC-2000 and 1.0 vol. % of methane concentration presented the best morphology with a continuous NCD film covering the pore wall and bottom following the substrate morphology, with high quality and crystallinity, confirmed from its Raman and X-ray spectra, respectively. In general, the two used configurations for additional carbon sources provided NCD film infiltration in PS substrate with success for only 60 min of growth time.