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I film sottili sono utilizzati per diverse applicazioni tecnologiche: una delle più importanti è la protezione di superfici. La crescente richiesta di nuovi film funzionali è stata un forte stimolo per lo sviluppo di nuove tecniche di deposizione che consentono un migliore controllo del processo.

Presso l'Istituto IENI di Padova è stato progettato e realizzato un sistema High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS): si tratta di una tecnologia Physical Vapor Deposition (PVD) emergente. Si basa sul Magnetron Sputtering (MS) e guadagna sempre maggiore interesse tra accademici ed industriali. Caratteristiche particolari dell’HIPIMS sono l'elevato grado di ionizzazione del metallo sputterato e l'alto tasso di dissociazione del gas che sono dovuti a densità di potenza elevate (dell'ordine del kW⋅cm-2) in brevi impulsi di decine di microsecondi e basso duty cycle (rapporto tempo on / off <10%). La potenza di picco ed il ciclo di lavoro sono scelti in modo tale da mantenere una potenza media al catodo simile a quella tipica dello sputtering convenzionale (1 ÷ 10 W⋅cm-2). A causa dell'elevato grado di ionizzazione, è facile variare l'energia e la direzione delle particelle cariche positivamente che giungono al substrato tramite l’applicazione allo stesso di una tensione negativa di polarizzazione (bias voltage).

Le caratteristiche peculiari di questa tecnica consentono di lavorare sia in modalità reattiva che non reattiva. Con alcuni opportuni accorgimenti, diventa possibile produrre rivestimenti conduttivi e non conduttivi (metalli, ossidi, nitruri e carburi).

I principali vantaggi dell’HIPIMS sono:

  1. la possibilità di migliorare notevolmente l’adesione tramite un pretrattamento della superficie del substrato prima della deposizione (substrate etching). Il substrato viene polarizzato utilizzando alte tensioni permettendo agli ioni del plasma di essere impiantati alla profondità di alcuni nm.
  2. la deposizione di film (anche su geometrie complesse) con microstrutture ad alta densità, con un aumentato rapporto durezza/modulo di Young rispetto ai rivestimenti PVD convenzionali e morfologia superficiale liscia.

Presso l’Istituto IENI di Padova l'apparato HIPIMS è impiegato nello sviluppo di rivestimenti protettivi, tra cui:

Rivestimenti Mo e Mo/MoN aventi basso coefficiente di attrito ed elevatissima resistenza all'usura per un motore a combustione interna;

Rivestimenti a base AlTiN con elevata resistenza alla corrosione fino a 800 °C, buone proprietà meccaniche e una migliorata aderenza.


 

1 S. M. Deambrosis, E. Miorin, F. Montagner, V. Zin, M. Fabrizio, M. Sebastiani, F. Massimi, E. Bemporad “Structural, morphological and mechanical characterization of Mo sputtered coatings”, Surface & Coatings Technology, in press.

2 S. M. Deambrosis, E. Miorin, F. Montagner, V. Zin, M. Fabrizio, M. Sebastiani, E. Bemporad “Mo-N coatings on aluminum silicon alloy engine pistons: synthesis by HiPIMS PVD technique and characterization” submitted to Thin Solids Films.

3 S. M. Deambrosis, E. Miorin, F. Montagner, V. Zin, M. Fabrizio “Power and pressure effect on HiPIMS tungsten coatings”, 16th International Conference on Thin Films (ICTF16), 13-16 October, 2014 Dubrovnik, Croatia.

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