Método de recubrimiento de superficies sólidas con películas delgadas
Dentro de la cámara de deposición física de vapor por pulverización de plasma (PS-PVD), el polvo cerámico se introduce en la llama de plasma, que lo vaporiza y luego lo condensa en la pieza de trabajo (más fría) para formar el recubrimiento cerámico.Diagrama de flujo del proceso PVD
La deposición física de vapor ( PVD ), a veces llamada transporte físico de vapor ( PVT ), describe una variedad de métodos de deposición al vacío que se pueden utilizar para producir películas delgadas y recubrimientos sobre sustratos que incluyen metales, cerámicas, vidrio y polímeros. La PVD se caracteriza por un proceso en el que el material pasa de una fase condensada a una fase de vapor y luego regresa a una fase condensada de película delgada. Los procesos de PVD más comunes son la pulverización catódica y la evaporación . La PVD se utiliza en la fabricación de artículos que requieren películas delgadas para funciones ópticas, mecánicas, eléctricas, acústicas o químicas. Los ejemplos incluyen dispositivos semiconductores como células solares de película delgada , [1] dispositivos microelectromecánicos como resonadores acústicos a granel de película delgada, películas de PET aluminizadas para envases de alimentos y globos , [2] y herramientas de corte revestidas de nitruro de titanio para trabajar metales. Además de las herramientas de PVD para fabricación, se han desarrollado herramientas especiales más pequeñas que se utilizan principalmente para fines científicos. [3]
El material de origen también se deposita inevitablemente en la mayoría de las demás superficies del interior de la cámara de vacío, incluidas las fijaciones utilizadas para sujetar las piezas. Esto se denomina sobreimpulso.
Ejemplos
Deposición por arco catódico : un arco eléctrico de alta potencia descargado en el material objetivo (fuente) expulsa parte del mismo en forma de vapor altamente ionizado que se deposita sobre la pieza de trabajo.
Deposición física de vapor por haz de electrones : el material a depositar se calienta a una alta presión de vapor mediante bombardeo de electrones en un vacío "alto" y se transporta por difusión para depositarse por condensación en la pieza de trabajo (más fría).
Deposición evaporativa : el material a depositar se calienta a una alta presión de vapor mediante calentamiento por resistencia eléctrica en vacío "alto". [4] [5]
Deposición por láser pulsado : un láser de alta potencia separa el material del objetivo y lo convierte en vapor.
Epitaxia láser térmica : un láser de onda continua evapora fuentes elementales individuales e independientes que luego se condensan sobre un sustrato.
Deposición catódica : una descarga de plasma incandescente (generalmente localizada alrededor del "objetivo" mediante un imán) bombardea el material, eliminando una parte en forma de vapor para su posterior deposición.
Deposición de electrones pulsados: un haz de electrones pulsados altamente energéticos elimina material del objetivo generando una corriente de plasma en condiciones de no equilibrio.
Probador de rayaduras: prueba de adherencia del recubrimiento
Microanalizador de rayos X: investigación de las características estructurales y la heterogeneidad de la composición elemental de las superficies de crecimiento [6]
Comparación con otras técnicas de deposición
Ventajas
Los recubrimientos PVD son a veces más duros y resistentes a la corrosión que los recubrimientos aplicados mediante procesos de galvanoplastia . La mayoría de los recubrimientos tienen una buena resistencia a las altas temperaturas y al impacto, una excelente resistencia a la abrasión y son tan duraderos que rara vez se necesitan capas protectoras.
Los recubrimientos PVD tienen la capacidad de utilizar prácticamente cualquier tipo de material de recubrimiento inorgánico y algunos orgánicos en un grupo igualmente diverso de sustratos y superficies utilizando una amplia variedad de acabados.
Los procesos PVD suelen ser más respetuosos con el medio ambiente que los procesos de recubrimiento tradicionales, como la galvanoplastia y la pintura. [7]
Se puede utilizar más de una técnica para depositar una película determinada.
La PVD se puede realizar a temperaturas más bajas en comparación con la deposición química de vapor (CVD) y otros procesos térmicos. [8] Esto lo hace adecuado para recubrir sustratos sensibles a la temperatura, como plásticos y ciertos metales, sin causar daños ni deformaciones. [9]
Las tecnologías PVD se pueden aplicar en laboratorios pequeños o en grandes sistemas industriales, lo que ofrece flexibilidad para distintos volúmenes y tamaños de producción. Esta escalabilidad las hace accesibles tanto para aplicaciones comerciales como de investigación. [8]
Desventajas
Ciertas tecnologías específicas pueden imponer restricciones; por ejemplo, la transferencia de línea de visión es típica de la mayoría de las técnicas de recubrimiento PVD, sin embargo, algunos métodos permiten una cobertura total de geometrías complejas.
Algunas tecnologías PVD operan a altas temperaturas y vacíos, lo que requiere atención especial por parte del personal operativo y, a veces, un sistema de agua de enfriamiento para disipar grandes cargas de calor.
Aplicaciones
Vidrios anisotrópicos
Esta figura ofrece una ilustración sencilla del proceso de PVD en el que las moléculas de gas depositadas deseadas entran en la cámara después de condensarse y luego se condensan nuevamente en una película delgada, como el vidrio anisotrópico.
La PVD se puede utilizar como una aplicación para fabricar vidrios anisotrópicos de bajo peso molecular para semiconductores orgánicos . [10] El parámetro necesario para permitir la formación de este tipo de vidrio es la movilidad molecular y la estructura anisotrópica en la superficie libre del vidrio. [10] La configuración del polímero es importante donde necesita ser posicionado en un estado de energía más bajo antes de que las moléculas agregadas entierren el material a través de una deposición. Este proceso de agregar moléculas a la estructura comienza a equilibrarse y ganar masa y volumen para tener más estabilidad cinética. [10] El empaquetamiento de moléculas aquí a través de PVD es frontal, es decir, no en el extremo de cola larga, también permite una mayor superposición de orbitales pi, lo que también aumenta la estabilidad de las moléculas agregadas y los enlaces. La orientación de estos materiales agregados depende principalmente de la temperatura para saber cuándo se depositarán o extraerán las moléculas de la molécula. [10] El equilibrio de las moléculas es lo que proporciona al vidrio sus características anisotrópicas. La anisotropía de estos vidrios es valiosa ya que permite una mayor movilidad del portador de carga. [10] Este proceso de empaquetamiento en vidrio de forma anisotrópica es valioso debido a su versatilidad y al hecho de que el vidrio proporciona beneficios añadidos más allá de los cristales, como la homogeneidad y flexibilidad de la composición.
Aplicaciones decorativas
Al variar la composición y la duración del proceso, se puede producir una gama de colores mediante PVD sobre acero inoxidable. El producto de acero inoxidable coloreado resultante puede tener la apariencia de latón, bronce y otros metales o aleaciones. Este acero inoxidable coloreado mediante PVD se puede utilizar como revestimiento exterior de edificios y estructuras, como la escultura Vessel en la ciudad de Nueva York y el Bund en Shanghái. También se utiliza para herrajes, paneles y accesorios interiores, e incluso se utiliza en algunos productos electrónicos de consumo, como los acabados Space Gray y Gold del iPhone y el Apple Watch. [ cita requerida ]
Herramientas de corte
El PVD se utiliza para mejorar la resistencia al desgaste de las superficies de las herramientas de corte de acero y disminuir el riesgo de adherencia y pegado entre las herramientas y una pieza de trabajo. Esto incluye herramientas utilizadas en el trabajo de metales o el moldeo por inyección de plástico . [11] : 2 El recubrimiento es típicamente una capa cerámica delgada de menos de 4 μm que tiene una dureza muy alta y baja fricción. Es necesario tener una alta dureza de las piezas de trabajo para asegurar la estabilidad dimensional del recubrimiento para evitar la fragilización. Es posible combinar el PVD con un tratamiento de nitruración de plasma del acero para aumentar la capacidad de carga del recubrimiento. [11] : 2 El nitruro de cromo (CrN), el nitruro de titanio (TiN) y el carbonitruro de titanio (TiCN) se pueden utilizar para el recubrimiento PVD para matrices de moldeo de plástico. [11] : 5
Otras aplicaciones
Los recubrimientos PVD se utilizan generalmente para mejorar la dureza, aumentar la resistencia al desgaste y evitar la oxidación. También se pueden utilizar con fines estéticos. Por lo tanto, estos recubrimientos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como:
Recubrimiento iónico : método de recubrimiento de superficies sólidas con iones.
Deposición de película delgada – Capa delgada de material Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento– Deposición de una capa delgada de material
^ Selvakumar, N.; Barshilia, Harish C. (1 de marzo de 2012). "Revisión de recubrimientos espectralmente selectivos depositados físicamente en fase de vapor (PVD) para aplicaciones solares térmicas de temperatura media y alta" (PDF) . Materiales de energía solar y células solares . 98 : 1–23. doi :10.1016/j.solmat.2011.10.028.
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Lectura adicional
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Enlaces externos
"Society of Vacuum Coaters" (Sociedad de Recubrimientos al Vacío). svc.org . Society of Vacuum Coaters . Consultado el 3 de octubre de 2019 .
Raghu, Saril (19 de abril de 2009). Herramienta de deposición física de vapor. YouTube.com. Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2021. Consultado el 3 de octubre de 2019 .
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