Author: Nicolò Patron ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: La possibilità di utilizzare un materiale simile al diamante per ricoprire con uno strato sottile le superfici più diverse, sfruttandone in questo modo le eccezionali proprietà di durezza e di inattività chimica è realtà da circa un ventennio. Solo più recentemente l’affinarsi dei metodi di analisi ha permesso di comprendere meglio il collegamento tra le molte tecniche di deposizione utilizzabili e le proprietà dei corrispondenti film prodotti. Questo tipo di ricoprimenti di carbonio prendono il nome di Diamond-Like Carbon (DLC) e comprendono materiali che differiscono tra loro per la frazione di atomi di carbonio ibridizzati sp3 e per il contenuto di idrogeno. L’elevata durezza, il basso coefficiente d’attrito nei confronti dell’acciaio, di alcuni materiali ceramici e soprattutto dello stesso materiale Diamond-Like [1-4] e anche il fatto che questi strati sono chimicamente inerti ne fanno un materiale spesso utilizzato come film protettivo. Industrie come l’IBM, la Conner Peripherals e la Seagate [1,5] gia alla metà degli anni ’80 avevano in mano la tecnologia per depositare ricoprimenti duri di carbonio sulla superficie dei dischi rigidi di loro produzione, dischi utilizzati nei calcolatori elettronici per il salvataggio dei dati. In ambito ingegneristico la peculiare proprietà di autolubrificazione [1,6] dei film DLC permette di produrre dispositivi meccanici di dimensioni micrometriche (micro electro-mechanical device, MEMD) [7], di alta precisione e che non necessitano di alcuna manutenzione.
I film DLC presentano anche un’elevata biocompatibilità nei confronti del sangue, deifibroblasti (cellule che formano il tessuto connettivo) e degli osteoblasti (cellule che formano le ossa), per questo vengono recentemente utilizzati per ricoprire le teste dei femori artificiali e anche particolari valvole cardiache [8,9]. La proprietà di emissione elettronica a bassissimi campi elettrici di estrazione permette l’utilizzo di questi ricoprimenti per a costruzione di schermi detti ad emissione di campo (Field Emission Display, FED) [10-13] . Il carbonio ha una grande varietà di strutture, cristalline e amorfe, perché i suoi orbitali atomici del guscio di valenza (2s, 2p) sono in grado di formare tre tipi di ibridizzazioni stabili: sp3, sp2, sp1. Le combinazione lineari tra un orbitale s e tre orbitali p danno luogo a quattro orbitali ibridi sp3 ognuno dei quali è formato da un lobo più grande che punta verso un angolo di un tetraedro regolare ed uno minore che punta nella direzione opposta. La configurazione sp3 è quella del diamante in cui un elettrone di un atomo di carbonio a valenza quattro è assegnato a ciascuno degli orbitali ibridi diretti verso i vertici di un tetraedro regolare.
Questi formano un forte legame σ con un atomo adiacente. In Fig. 1.3 è illustrata la cella fcc del diamante con gli atomi di carbonio ibridizzati sp3 e quindi in configurazione tetraedrica. La sovrapposizione di un orbitale s con due orbitali p porta alla formazione di tre orbitali ibridi sp2 giacenti su un piano e con il lobo maggiore diretto verso gli angoli di un triangolo equilatero. L’orbitale pz che non partecipa all’ibridizzazione rimane su un asse passante per l’atomo di carbonio e normale al piano degli orbitali ibridi. La configurazione a tre legami planari sp2 è quella tipica della grafite in cui tre dei quattro elettroni di valenza entrano nei rispettivi orbitali ibridi. I legami σ che vengono creati giacciono sul piano definito dai due orbitali p usati nell’ibridizzazione e formano tra loro angoli di 120°. Il
quarto elettrone del carbonio si trova sull’orbitale pz e partecipa alla formazione di un legame π con uno o più elettroni di orbitali pz di uno o più atomi vicini. L’orbitale ibrido sp è frutto della combinazione lineare di un orbitale s con un px e come questo ha simmetria cilindrica rispetto l’asse x. L’elettrone in questo ibrido partecipa alla formazione un legame σ con un atomo di carbonio adiacente, i due elettroni