Estudo do ambiente de crescimento de filmes nanoestruturados de diamante

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: Divani Barbosa Gavinier
• Orientador(a): Evaldo José Corat, Patrícia Regina Pereira Barreto
• Banca de defesa: Adriana Faria Azevedo, Alessandra Venâncio Diniz, José Carlos Lombardi
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: The behavior of diamond crystallite size decreasing down to nanometer scale has been subject of many pioneering studies. A major advance was achieved with the addition of inert gas into typical microcrystalline diamond (MCD) deposition conditions. This discovery provided a route to control the microstructure of the diamond film, leading to thick and smooth nanocrystalline diamond (NCD). Even though the inert gas addition is being broadly used and engineered in the development of many applications, the changes in the chemical physical processes occurring during the diamond deposition are not yet well understood. The question of why the NCD grows at this condition has actually been subject of many discussions. This thesis has been developed around this important theme. In order to advance in the elucidation of this process, the comparison of the experiments with and without an inert gas is necessary. This thesis, first, reviews the growth of diamond microstructures (without the addition of an inert gas), the influence of inert gas addition in this environment, and the diamond growth models. Second, experiments are performed by studying two of the most fundamental parameters to uncover the basic chemical process: the dependence on substrate temperature and the dependence on carbon content in the gas mixture. Third, the CHEMKIM software package is used to simulate the experimental results in order to gain insight into the major reactions occurring within the gaseous phase. Finally, it performs a comparison between computational simulation and experimental results. The results obtained reveals that the mechanism for NCD growth is most probably the same of MCD growth, but with a higher competition with the growth of sp^3 (diamond) and sp^2 (graphitic) carbon phases. At the extreme condition of ultrananocrystalline diamond (UNCD) growth the competition appears to be so high that the activation process (temperature dependence) favors the preferential growth of sp^2 phase, instead of sp^3, at the high temperature end.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/08.14.15.37

Atualmente o estudo do ambiente de crescimento de nanoestruturas de diamante tem sido assunto de grande interesse científico. O maior avanço alcançado nesta área foi obtido através da inserção de um gás inerte nas condições típicas de crescimento de diamante microcristalino (MCD). Com a inserção deste novo gás o ambiente de crescimento é consideravelmente modificado, proporcionando assim um controle do tamanho do grão de diamante depositado. Apesar da utilização de um gás inerte estar sendo amplamente disseminada e projetada no desenvolvimento de muitas aplicações, as mudanças nos processos físico-químicos que este novo gás acarreta durante o processo de deposição ainda não se encontram bem compreendidas. A pergunta do porque o diamante nanocristalino (NCD) cresce nesta circunstância é atualmente assunto de intensas discussões na comunidade científica e esta tese foi elaborada em torno deste importante tema. Para se obter maiores esclarecimentos sobre esta questão, a comparação entre os resultados obtidos através de experimentos e simulação computacional de um ambiente de crescimento com e sem um gás inerte é indispensável. Nesta tese, na primeira parte, é realizada uma revisão a respeito do crescimento do MCD (sem a adição de um gás inerte), da influência da adição de um gás inerte neste ambiente e dos modelos de crescimento de diamante. Na segunda parte, experimentos são desenvolvidos com a finalidade de se estudar dois dos parâmetros fundamentais para se entender o processo físico-químico básico de crescimento destes filmes: a dependência da temperatura do substrato e a dependência da concentração de carbono na mistura gasosa. Na terceira parte, no intuito de se entender melhor as reações químicas envolvidas na fase gasosa, o pacote computacional CHEMKIM é usado para simular os experimentos realizados. Finalizando, é feita uma comparação entre os resultados experimentais e os simulados computacionalmente. Os resultados obtidos por esta tese revelam que o mecanismo de crescimento do NCD é o mesmo do MCD, porém, com uma maior competição entre as fases de crescimento do carbono sp^3 (diamante) e sp^2 (grafite). Em condições com alta concentração de gás inerte, onde é possível obter grãos ultrananocristalino, a competição parece ser tão elevada que o processo de ativação (que têm dependência com a temperatura) favorece o crescimento da fase sp^2 em detrimento da fase sp^3, principalmente em altas temperaturas.