nano coating

Prof. Dr. Hatem AKBULUT 30 Ekim 2006 Pazartesi 1

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİMETALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ

NANO NANO KAPLAMA TEKNİKLERİ



Buhar Biriktirme

Bir kaynaktan transfer edilen malzemenin kimyasal kompozisyonunun kontrol altına alınarak bir altlık üzerine biriktirilmesidir.



Buhar Biriktirmenin Özellikleri

- Buhar biriktirme temelde bir kaplama prosesidir.

- Kaplama hızı değiştirilebilir. İstendiğinde kaplama hızıayarlanabilir. Yüksek olabilir veya 3 nm/dakika gibi çok düşük de seçilebilir.

- Yüzey kimyasal yapısını değiştirmek için kullanılabilir.

- Her türlü malzeme kaplanabilir

- Yarı iletken üretiminde çok yaygın olarak kullanılabilir.



PVD ile daha çok geçiş metallerinin nitrürleri üretilir

TiN, TiCN, TiBN ve TiAlN nitrürleri PVD ile kaplandığı gibi CVD ile de kaplanabilir

PVD de kaplama hızı yüksek , altlığa yapışma problemi var

CVD de kaplama hızı düşük, altlığa iyi yapışma(kimyasalların korozyon etkisi var)

İyon destekli PVD ile iyon bombardımanı iri tanelerin he oluşumunu engeller ve taneler nano boyutta büyür.

TiN, CrN, VN ve ZrN iyon bombardımanlı PVD ile başarılıolarak nano boyutta üretiliyor.

Fiziksel Buhar Depozisyonu (PVD)



Şekil. İyon demeti destekli depozisyonsisteminin şematik temsili.



a) b)

Şekil. TiN ün, a) 100 eV da yapılan kaplama ve b) 200 eV iyon bombardımanı altında yapılan kaplamalar

Çok katmanlı TiN/AlN, TiN/VN, TiN/NbN, TiN/VN ve TiN/NbNkaplamaların sertliği 5000 HV değerine kadar çıkabilmekte

(5 nm tane boyutlu kaplamalar için)



Şekil. Polimerlerde dolgu malzemesi olarak kullanılan nanomika pulcukları a)TiO2 pigmenti kaplanmış, b) BaSO4 pigmenti kaplanmış.

a) b)



a) b)

Şekil. Nano boyutta a)TiO2 kaplanmış mika, b) TiO2 /SiO2 /TiO2 kaplanmış mika.

TiN/ZrN 15 tabakalı çok katmanlı kaplama Doğru akım Magnetiksaçılma (magnetron sputtering) yöntemi ile kaplanmış.



Ti ve Zr hedef metalleri Ar:N2 (200:56) ortamında buharlaştırılmışAltlık malzeme WC-Co sermet malzemesi.

a) b)

Şekil. TiN/ZrN 15 tabakalı çok katmanlı nano kristalin kaplama.



CVD bir kimyasal reaksiyon prosesidir.Bir veya birden fazla gazın sıcak bir altlık üzerinde ayrışarak kararlı bir katı ürün oluşturması

CVD İşleminin Temel Basamakları:(a) Kimyasal madde buharının yüzeye taşınması..(b) Kimyasal buharın yüzeye absorbe olması(c) Yüzeyde heterojen reaksiyon.(d) Büyümenin olacağı yüzey noktalarına buhar difüzyonu.(e) Filmin çekirdekleşmesi ve büyümesi.(f) Buharın istenmeyen bileşenin yüzeyden itilmesi veyasistem dışına alınması

Kimyasal Buhar Depozisyonu (CVD)



İnce film oluşturma açısından CVD, PVD den çok daha kompleks bir metottur.

CVD, çok saf, yoğun ve ince taneli kaplamaların oldukça hızlıbiriktirme hızlarında yapılmasına imkan veren bir yöntemdir.

Özellikle plazma desteği ile kompleks şekilli parçaların kaplanması ve üretilmesine imkan verir.

CVD, metalik, seramik ve yarı iletken kaplamaların üretiminin çok yaygın yapıldığı bit tekniktir.

Örnek: CH4 + H2 + 3Cl2 ⎯→ C (Elmas veya grafit) + 6HCl2TiCl4 + N2 + 4H2 ⎯→ 2TiN + 8HCl



CVD ile Nano Malzeme üretiminde iki yöntem mevcuttur:

I) Önce CVD kaplamasonra ikinci işlemler(dağlama, nano işlemevs.)

II) Önce dağlama sonrakaplama (Dağlananyüzeylere tercihlikaplama) Şekil. Si üzerinde önce dağlama sonra Ge

kaplanarak elde edilen nano yüzükler



Yarı İletken ve Optik Kaplamalar Lazer destekli CVD ile üretilebilmektedir.

Şekil. Kesikli (pulsed) Lazer kaplama ile 600 oC de Al2O3 üzerinekaplanan SnO2 yarı iletken tabakası

SnO2 kaplamalar: Katı hal gaz sensörleri, likid kristal monitörler, transparent iletken elektrotlar



Silicon Nano Çubuklar CVD ile üretilebilmektedir:Bir Si tek kristali üzerine buhar halde SiH4, CH4 ve H verilmiştir. W filament H2 gazını aktif etmek için kullanılmıştır. Filament Sıcaklığı = 2570 K, Altlık Sıcaklığı = 1373 K. Sıcak filament moleküler H ni atomik H ne ayrıştırmaktadır. Si kristal üzerindeki Fe(NO3)3 partikülleri katalizör olarak davranır.

Şekil. Sıcak filament CVD ile üretilen birβ-SiC ün TEM yapısı



Termal Sprey Kaplamalar

Termal PlazmaPlazma genelde maddenin dördüncü hali olarak adlandırılır (Katı, Sıvı, Gaz ve Plazma)Bir plazma, molekül, atomlar, iyonlar (nötr veya enerjik haldeki iyonlar) elektronlar ile fotonlardan meydan gelen bir karışımdır. Plazma elektriksel olarak nötraldir



Yüksek saflıktaki atmosferde kimyasal reaksiyon meydana getirir.Hızlı biriktirme ile nanoölçekte kaplamalar ortaya çıkarır.Nano ölçekteki partikül üretimini sağlayabilir.Nano malzemelerin büyük hacimlerde

Termal plazma patlamayan ve iyonize gaz, patlayıcı gaz ve elektrik enerjisinden kaynağını alır.Plazma termal püskürtülecek kaplama malzemesi tozlarınıısıtır(metal, nonmetal, ceramics, ceramic-metal, plastic)

Partikülleri ergitir veya kuvvetli şekilde partikülleri hedefe püskürtür.



Termal Plazma Türleri

A) Plazma Sprey (PS), B) Yüksek Hızlı Oksijen Yakıtlı (HVOF) PlazmaC) Püskürtme, patlamalı püskürtme (DG)D) Electrik Ark Sprey

HVOF, PS den daha hızlı püskürtme sağlar.5-100 nm boyutunda partiküller besleme haznesineyüklenir ve püskürtme ile yüzeye kaplanır.Yüzeyler püskürtme ile kaplanırPlazma sıcaklığı 4000 – 10.000 K değerlerine ulaşırH2, Ar ve He gazları taşıyıcı gazlar olarak bilinirO2 HVOF kaplamada yakıt olarak kullanılır



Şekil. Plazma püskürtme ile ZrO2 kaplanan yüzey



Şekil. A) Mikrokristalin ve B) nano kristalin ZrO2 kaplanan yüzeyde aşınma hızı



Daldırma veya Döndürme İle Kaplama

Kaplanacak malzeme sıvı olmalı (düşük maliyetli proses)

Malzeme kompozisyon ve kimyasal yapısını bozan vakum, yüksek sıcaklık gibi proseslere gerek yoktur.

Sol-Jel veya benzeri teknikler ile uygun vizkozite ve kristal boyutunda malzeme hazırlanması

Döndürülen altlık üzerine viskoz sıvı damlatma veya altlığın sıvı içine daldırılması.



Döndürme kaplama yöntemi safhaları



Bir malzemenin elektrot olarak bağlanıp elektrik akımı kaplanması

Elektrolitik Kaplama



Temelde bir kaplama prosesidir. Korozyona dayanım, dekoratif uygulama ve fiziksel özelliklerin yüzeyde değiştirilmesi, amacı ile uygulanır

Çok düşük kaplama hızları ve kalınlıkları kontrol edilebilir.

Kompleks kimyasallarla kaplama yapılabilir.

Yarı iletken üretimin de de çok yaygın kullanılır.



Elektrolitik kaplama ile üretilen nano kristalin malzemelerin değişik avantajları:

(a) Düşük maliyet ve endüstriyel uygulaması vardır.

(b) Operasyon basittir. İstenen kimyasal kompozisyon, mikroyapı ve kristal tane boyutu kolay bir şekilde ayarlanabilir.

(c) Değişken uygulamalara yöneliktir. Porozitesizmalzeme ve kaplamalar çok farklı amaçlar için üretilebilir

(d) Yüksek üretim hızları seçilebilir.



Kontrollü akım altında Ni kaplama özel ilgi çekmekte

Kaplama banyosuna 5-20 nm boyutlu partikül ilavesi(elmas, Al2O3, SiC)

MMK kaplamalar

Nanokristalin partiküller metal ile birlikte katotta biriktirilir. Şekil. Nano elmas partiküllü

kompozit Ni/Elmas kaplama,



Tablo. Geleneksel Ni partikülleri ve nano kristalin Ni tozları ile eldeedilen özelliklerin karşılaştırılması

Özellik 10 μm 100 nm 10 nmAkma Gerilmesi (MPa) (25 oC) 103 690 ⟩ 900Maksimum Çekme Gerilmesi (MPa) (25 oC) 403 1100 ⟩ 2000Çekme Uzaması (%) (25 oC) 50 ⟩ 15 1Eğme Uzaması (%) (25 oC) - ⟩ 40 -Elastik Modül (GPa) (25 oC) 207 214 204Vickers Sertliği (kg/mm2) 140 300 650Deformasyon sertleşmesi üssü 0,4 0.15 0Yorulma Mukavemeti (MPa) (108 çevrim/havada/25 oC)

241 275 -

Aşınma Hızı (Kuru hava, pin-on disk)(mm3

/mm)1330 - 7,9



Şekil. Elektrolitik kaplama ile üretilen üçtabakalıInSb yapısı



İlk adımdaPVD, CVD veya lazer ilekaplamayapımı.

Takibenmaskeleme(paternlemeile beraber ) yapılıpkaplamadağlanması. Şekil. Paralel elektrodlu tepkime

odasında plazmayla dağlama (kazıma).

Litografi Prosesleri



Temel Litografi Teknikleri;

- Elektron demet Litografisi

- Derin UV Litografisi

- X-Işını Litografisi

- 2ve 3 boyutlu Nano baskıLitografisi

- Mikro-temas baskı litografisi

- Atom litografisi

- Derin kalem ucu işleme litografisi

Şekil. CVD Plazma kaplanmasonrasında elde edilen tabakadan kimyasal dağlama litografisi ile üretim



Litografi ile üretilen Nanoçubuklardan örnekler



Litografi ile üretilen Nano örnekler

nano coating

Documents