PROCEDIMIENTO DE DEPOSICIÓN DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS POR DEPOSICIÓN FÍSICA EN FASE DE VAPOR Y PROCEDIMIENTO DE GENERACIÓN DE RUGOSIDADES.

Procedimiento de deposición de nanopartículas metálicas por deposición física en fase de vapor y procedimiento de generación de rugosidades.

Procedimiento de deposición de nanopartículas metálicas en todo tipo de sustratos por pulverización catódica, donde porque la deposición se realiza a una densidad de potencia entre 0.2-5 W/cm2 a una presión entre 60 y 180 Pa, en presencia de un gas noble. Gracias del procedimiento de la invención es posible depositar nanopartículas sobre cualquier tipo de substrato (polímeros, fibras, silicio...), a bajas temperaturas, en particular a temperatura ambiente, sin limitaciones en el área de deposición y sin restricciones en cuanto al tiempo en el cual se realiza el depósito. Tras la deposición, invirtiendo la polaridad, se pueden realizar rugosidades de escala nanométrica en el sustrato.

Procedimiento de deposición de nanopartículas metálicas por deposición física en fase de vapor y procedimiento de generación de rugosidades.

CAMPO DE LA INVENCiÓN

La presente invención se encuadra dentro de los procedimientos de deposición física en fase vapor (PVD por sus siglas en inglés) . Más en concreto, la invención se refiere a un procedimiento de deposición de nanopartículas que puede realizarse a cualquier temperatura, en particular a temperatura ambiente y sobre cualquier substrato.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

Existen numerosos métodos de deposición de nanopartículas sobre superficies sólidas mediante pulverización catódica (denominados comúnmente "sputtering") . Estos procesos suelen ser de aplicación a temperaturas en torno a los 400 oC, lo que puede dañar la estructura de las superficies a tratar. Para solucionar este problema, se han intentado depositar nanopartículas sobre fibras de carbono mediante la preparación de soluciones de ferrofluidos [Shen Zu et al., Carbon nanotubes growth on carbon fibers, Diamond and Related Materials, 12, 1825 (2003) ], donde tras la inmersión de las fibras sobre la solución, es necesaria la aplicación de un tratamiento térmico a 400 oC para eliminar los elementos orgánicos residuales. También se han preparado soluciones acuosas que contienen una sal metálica, en la cual posteriormente se sumergen las fibras y sobre las que queda depositado un recubrimiento continuo, pero para obtener nanopartículas metálicas resulta necesaria la aplicación de una etapa de reducción en una atmosfera de hidrógeno a una temperatura de 400 oC [S. Sharma and S. Lakkad, Compressive strength of carbon nanotubes grown on carbon fibers reinforced epoxy matrix multiscale hybrid composites, Surface and Coatings Technology, 205, 350 (2010) ]. El mismo procedimiento se aplica cuando el metal es depositado mediante la técnica de dip coating [S. Sharma and S. Lakkad, Morphology study of carbon nanospecies grown on carbon fibers by thermal CVD technique, Surface and Coatings Technology, 203, 1329 (2009) ]. Mediante la técnica de Magnetrón Sputtering se depositan películas sobre las fibras a una temperatura de 300 oC; para generar las nanopartículas metálicas resulta necesaria la aplicación de una etapa térmica en una atmósfera que contenga hidrógeno a temperaturas superiores a los 660 oC [M. AI-Haik et al., Hybrid carbon fibers/carbon nanotubes structures for next generation polymeric composites, Journal of Nanotechnology, 2010, ID 860178 (2010) , W. Li et al., Controlled growth of carbon nanotubes on graphite foil by chemical vapor deposition, Chemical Physical Letters, 335, 141 (2001) ]. En la solicitud US2009/0142584 A1 se describe un procedimiento de pulverización a temperaturas menores de 100°C mediante el que se depositan partículas de tamaño menor o igual a 20 nm en substratos térmicamente sensibles utilizando presiones en la cámara de pulverización entre 15-60 Pa y tiempos menores de 20s, densidad de potencia de plasma entre 0.2 y 5 W /cm2 y distancia entre electrodos entre 20 y 100 mm. Sin embargo, este procedimiento presenta el problema de que a mayor tiempo de aplicación, las nanopartículas comienzan a coalescer formando una película delgada. Otra desventaja de dicho procedimiento es que mediante el mismo solo se logra depositar una capa de nanopartículas, es decir no es posible depositar capas sucesivas de nanopartículas. Como máximo es posible depositar 50000 nanopartículas por li, lo cual corresponde a una nanopartícula al lado de otra. Esta solicitud menciona que la descarga es inestable con escasas o ninguna nanopartículas depositadas a presiones mayores de 60 Pa. Sin embargo en la literatura existente está demostrado de que es posible establecer descargas estables a presiones mayores de 60 Pa [G. Auday et al., Experimental studies of effective secondar y emission coefficient for rare gases and copper electrodes, Journal of Applied Physics, 83, 11 (1998) ].

OBJETO DE LA INVENCiÓN

La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone un procedimiento de deposición de nanopartículas metálicas en todo tipo de substratos por pulverización catódica, donde la deposición se realiza a una densidad de potencia entre 0.2-5 W/cm2 a una presión entre 60 y 180 Pa, preferentemente entre 100 y 120 Pa y en presencia de un gas inerte y opcionalmente también de hidrógeno. De preferencia, el gas inerte es argón. El blanco empleado comprende un metal u óxido de metal en forma compacta o de nanopartículas. La invención se refiere también a un procedimiento de generación de rugosidades en el rango de los nanómetros sobre fibras de carbono que comprende, tras una deposición según el procedimiento anterior, invertir la polaridad de los electrodos de la cámara de deposición, a una temperatura entre 100 Y 350°C, densidad de potencia entre 0.2-5 W/cm2 y presión entre 60 y 180 Pa.

Gracias al procedimiento de la invención es posible depositar nanopartículas metálicas sobre cualquier tipo de superficies, incluso en aquellas térmicamente sensibles como las poliméricas o las fibras de carbono. Los procesos involucrados durante la deposición de las nanopartículas no dañan la integridad del substrato dado que la totalidad del proceso se puede realizar incluso a temperatura ambiente

BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente:

Figura 1: son micrografías de AFM que muestran nanopartículas metálicas depositadas mediante el procedimiento de la invención. La figura (a) muestra el resultado sobre un substrato de fibra de carbono, y la (b) sobre resina epoxy.

Figuras 2a-2c: son micrografías de AFM de 1IJm x1IJm con sus correspondientes perfiles de altura que muestran los distintos resultados de aplicar el procedimiento de la invención durante un tiempo variable.

Figuras 3a y 3b: son micrografías de AFM con sus correspondientes perfiles de altura que muestran los resultados de llevar a cabo el procedimiento de la invención empleando distintos materiales como blanco.

Figuras 4a y 4b: son micrografías de AFM que muestran rugosidades nanométricas generadas mediante un procedimiento según un segundo aspecto de la invención sobre un substrato de fibra de carbono.

DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN

Las principales ventajas del procedimiento de la invención radican en la deposición de nanopartículas sobre cualquier tipo de substrato como polímeros, fibras, silicio (figuras 1 a y 1 b) , a bajas temperaturas, en particular a temperatura ambiente, sin limitaciones en el área de deposición y sin restricciones en cuanto al tiempo en el cual se realiza el depósito. Además se puede realizar empleando cualquier tipo de blanco, como los fabricados a partir de la compactación de nanopartículas. La deposición puede realizarse por lo tanto sobre fibras de carbono u otros substratos que requieren un proceso a temperatura ambiente. Mediante el procedimiento de la invención se consiguen nanopartículas de entre 1 y 50nm.

El procedimiento de pulverización catódica se aplica a baja densidad de potencia, entre 0.2-5 W/cm2 y en un rango de presiones entre 60 y 180 Pa, con resultados óptimos entre 100 Y 120 Pa, en presencia de un gas noble y opcionalmente también de hidrógeno para evitar un proceso reactivo. En particular, en presencia de argón se han comprobado mayores rendimientos.

Gracias al rango de densidad de potencias entre 0.2 y 5 W/cm2 combinado con las altas presiones entre 60 y 180 Pa se obtienen nanopartículas independientemente del tiempo de aplicación, ya que las mismas no sufren fenómenos de aglomeración o coalescencia. Como consecuencia de ello, modificando el tiempo de deposición es posible controlar la densidad de nanopartículas sobre el substrato. Este efecto se consigue gracias a que con los parámetros escogidos se puede controlar el camino medio libre de los átomos de manera que no se cree una película. En la cámara de pulverización catódica, los átomos extraídos del blanco junto con el plasma de argón forman un gas. El camino libre medio de los átomos en el gas depende de su presión y temperatura según la expresión:

/ _ kBT

-J2nd2p

donde kB es la constante de Boltzmann, d es el diámetro de los átomos eyectados, T y P son la temperatura y la presión del gas respectivamente. Por lo tanto, es posible alterar el camino medio libre de los átomos a través de cambios en la presión... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de deposición de nanopartículas metálicas en todo tipo de substratos por pulverización catódica OC, caracterizado porque la deposición se realiza a una densidad de potencia entre 0.2-5 W/cm2 a una 5 presión entre 60 y 180 Pa y en presencia de un gas inerte.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque el gas inerte es argón.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque se realiza en presencia también de 10 hidrógeno.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el blanco empleado comprende un metal u óxido de metal en forma compacta o de nanopartículas.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la presión está entre 100 y 120 Pa.

6. Procedimiento de generación de rugosidades en el rango de los nanómetros sobre fibras de carbono yepoxi caracterizado porque comprende, tras una deposición según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, invertir la 20 polaridad de los electrodos de la cámara de deposición, a una temperatura entre 100 Y 350°C, densidad de potencia entre 0.2-5 W/cm2 y presión entre 60 y 180 Pa.

FIG. 1A

FIG. 1B

FIG. 2A

FIG. 2C

FIG. 4A

FIG. 4B