Novas fases amorfas de carbono produzidas por irradiação iônica de filmes de C/sub 60/, [alfa]-C e [alfa]-C:H

Abstract

Neste trabalho estuda-se a formação de novas fases de carbono amorfo através da irradiação iônica de filmes de fulereno, a-C e a-C:H polimérico. Os efeitos da irradiação iônica na modificação das propriedades ópticas e mecânicas dos filmes de carbono irradiados são analisados de forma correlacionada com as alterações estruturais a nivel atômico. O estudo envolve tanto a análise dos danos induzidos no fulereno pela irradiação iônica a baixas fluências, correspondendo a baixas densidades de energia depositada, quanto a investigação das propriedades físico-químicas das fases amorfas obtidas após irradiações dos filmes de fulereno, a-C e a-C:H com altas densidades de energia depositada. As propriedades ópticas, mecânicas e estruturais das amostras são analisadas através de técnicas de espectroscopia Raman e infravermelho, espectrofotometria UV-VIS-NIR, microscopias ópticas e de força atômica, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons, tais como retroespalhamento Rutherford e análises por reação nuclear. As irradiações produzem profundas modificações nas amostras de fulereno, a-C e a-C:H, e por conseqüência significativas alterações em suas propriedades ópticas e mecânicas. Após máximas fluências de irradiação fases amorfas rígidas (com dureza de 14 e 17 GPa) e com baixos gaps ópticos (0,2 e 0,5 eV) são formadas. Estas estruturas não usuais correspondem a arranjos atômicos com 90 a 100% de estados sp2. Em geral fases sp2 são planares e apresentam baixa dureza, como predito pelo modelo de “cluster”. Entretanto, os resultados experimentais mostram que as propriedades elásticas das novas fases formadas são alcançadas através da criação de uma estrutura sp2 tridimensional. A indução de altas distorções angulares, através da irradiação iônica, possibilita a formação de anéis de carbono não hexagonais, tais como pentágonos e heptágonos, permitindo assim a curvatura da estrutura. Utilizando um modelo de contagem de vínculos é feita uma análise comparativa entre a topologia (estrutura geométrica) de ligações C-sp2 e as propriedades nanomecânicas. São comparados os efeitos de estruturas sp2 planares e tridimensionais (aleatórias) no processo de contagem de vínculos e, conseqüentemente, nas propriedades elásticas de cada sistema. Os resultados mostram que as boas propriedades mecânicas das novas fases de carbono formadas seguem as predições do modelo de vínculos para uma rede atômica sp2 tridimensional. A formação de uma fase amorfa dura e 100% sp2 representa uma importante conquista na procura de novas estruturas rígidas de carbono. A síntese da estrutura desordenada sp2 tridimensional e vinculada aqui apresentada é bastante incomum na literatura. O presente trabalho mostra que o processo de não-equilíbrio de deposição de energia durante a irradiação iônica permite a formação de distorções angulares nas ligações sp2-C, possibilitando a criação de estruturas grafíticas tridimensionais.

The formation of new carbon amorphous phases through the ion irradiation of fullerene, a-C and polymeric a-C:H films is presented. The ion irradiation effects on the optical and mechanical properties modifications of the irradiated carbon films are analysed and correlated with the structural alterations at the atomic level. This study involves the analysis of the induced damages in C60 by the ion irradiation at low fluences, corresponding to low deposited energy densities, as well as the investigation of the physical and chemical properties in the amorphous phases obtained after irradiation of three carbon films, with high deposited energy densities. The optical, mechanical and structural properties of the samples are analysed through the Raman and FTIR spectroscopy, AFM, nanoindentation and ion beam analysis technniques such as Rutherford backscattering and nuclear reaction analysis. The irradiation produces deep modifications on the C60, a-C and a-C:H films, and, as a consequence, significant alterations in their optical and mechanical properties. After high fluences of irradiation, rigid amorphous phases with hardness of 14-17 GPa and with low optical gaps of 0,2 to 0,5 eV are produced. These unusual structures correspond to atomic arrangements with 90 to 100% of sp2 phases. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the cluster model. However, the experimental results show that the elastic properties of the produced new phases are due to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high bond angle distortions by the ion irradiation induces the formation of non hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. A comparative analysis between the C-sp2 bonds topology (geometric structure) and the nanomechanic properties is made using a constraint-counting model. The effect of the flat and three-dimensional (aleatory) sp2 structures on the counting of the constraints and consequently on the elastic properties of each system are analysed. The results show that the improved mechanical properties of the newly produced carbon phases follow the predictions of the constraint-counting model for an atomic three-dimensional sp2 network. The formation of a hard and 100% amorphous phase represents an important conquest in the search of new rigid carbon structures. The synthesis of a three-dimensional and constrainted sp2 disordered structure presented here is uncommon in the literature. Our work shows that the non-equilibrium process of energy deposition during ion irradiation allows the formation of angular distortions on the sp2-C bonds, making the creation of three-dimensional graphite structures possible.