O carbono tipo diamante (DLC) é um material de revestimento que alia alta resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito. Devido a essas propriedades, o DLC pode ser aplicado em peças metálicas para facilitar a conformação em ferramentas de dobra e ainda para a diminuição de perdas por atrito em componentes de motores. Porém, limitações como a baixa adesão e a complexidade da técnica de deposição restringem sua utilização. Diversas estudos propõem alternativas para a otimização do filme, como a inclusão de intercamadas, dopagens ou a aplicação de diferentes parâmetros e processos de deposição, porém não há um consenso na bibliografia de qual opção ou combinação traz o melhor resultado, especialmente visando uma aplicação industrial de baixo custo. Nesse contexto, a proposta deste trabalho é realizar um estudo sistemático de diferentes arquiteturas filme/intercamada utilizando um composto a base de silício para a formação da intercamada e da zona de dopagem e, após encontrar a melhor combinação em termos de adesão, pesquisar o efeito da tensão nessa combinação específica. A técnica de deposição química a vapor assistida por plasma pulsado utilizando confinamento eletrostático foi utilizada para aplicar o revestimento e as diferentes arquiteturas sobre o aço AISI O1 e AISI 4140. As dopagens e intercamadas foram produzidas a partir de hexametildisiloxano, previamente vaporizado, que permite a formação do filme e das diferentes arquiteturas num processo único e simples. A qualidade superficial dos filmes foi avaliada por microscopia ótica, enquanto a estrutura físico-química foi analisada por microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente. Por fim, as propriedades mecânicas e tribológicas do filme foram avaliadas por medições de nanodureza e por testes de nanoesclerometria linear, respectivamente. Os resultados mostram que as diferentes arquiteturas de dopagem do DLC com silício promovem uma piora nas propriedades do filme, com o aumento nos defeitos superficiais e a diminuição da dureza e da carga crítica para sua delaminação. A combinação de DLC e uma única intercamada contendo silício apresenta-se como a melhor opção para aplicações tribológicas. Por outro lado, uma maior tensão elétrica no plasma de formação da intercamada de silício aumenta a carga crítica de delaminação e minimiza os defeitos nas bordas das amostras. O conhecimento gerado viabilizou a obtenção de um revestimento para aplicações industriais em grande escala e baixo custo de produção. / Diamond-like carbon (DLC) coatings combine high wear resistance and low friction coefficient. Due to these properties, DLC can be applied on metal parts to facilitate the conformation process in bending tools and also for the reduction of friction losses in engine components. However, limitations as low adhesion and the technical complexity of the deposition process as a whole reduce its use. Several studies show alternatives to the optimization of the film, as the use of interlayers, doping and/or the application of different etching gases and deposition process parameters. However, there is a consensus in the bibliography that an combination of the above alternatives should bring the best result, especially for a low-cost industrial application. In this context, the aim of this study is to carry out a systematic study of different architectures of the film/interlayer system using precursors containing silicon for the formation of interlayer/doping zone to reach the best system in terms of DCL integrity and adhesion. The technique of deposition by pulsed direct current plasma enhanced chemical vapor deposition assisted by electrostatic confinament was used to apply the coating and different architectures on the AISI O1 and AISI 4140 steels. The interlayers were produced from hexamethyldisiloxane with silicon acting also as dopant in carbon film under different conditions, allowing the film formation in a single simple process. The surface integrity of the films was evaluated by optical microscopy, while the physical and chemical structure was analyzed by scanning electron microscopy and glow discharge optical emission spectroscopy. Finally, mechanical and tribological properties of the film were evaluated by nanohardness and nanoscratch measurements, respectively. The results show that different doping architectures of DLC with silicon promote detrimental properties in the DLC, with the increase in the surface defects and the decrease of hardness and critical load for delamination. Moreover, the combination of DLC plus a single silicon-containing interlayer is the best option to optimize the tribological properties. On the other hand, a higher applied plasma voltage in the silicon interlayer deposition guarantees high critical loads for DLC delamination and low density of defects without delamination events at the sample edges. This knowledge made possible to obtain DLC coatings for industrial applications in large scale and low cost of production.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第25401号 / エネ博第480号 / 新制||エネ||90(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)准教授 八木 重郎, 教授 大垣 英明, 教授 長﨑 百伸 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DGAM

L’utilisation d’un col modulaire lors de la pose d’une prothèse totale de hanche introduit une nouvelle interface, entre la tige et le col, qui est susceptible de s’endommager par fretting lors de la marche. L’alliage Ti–6Al–4V est très largement utilisé pour les tiges et les cols. Cependant, les contacts Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V présentent un frottement élevé et une forte usure adhésive dans les conditions de fretting. Les revêtements DLC (diamond-like carbon) ont été largement utilisés comme revêtements protecteurs pour les pièces métalliques. Ainsi, ils peuvent être introduits dans les contacts entre la tige en Ti–6Al–4V et le col en Ti–6Al–4V. L’objectif de cette thèse est d’étudier les comportements tribologiques du revêtement DLC et de l’alliage Ti–6Al–4V dans les conditions de fretting pour application au contact entre la tige et le col. Les essais de fretting sont menés avec un contact cylindre sur plan sous différentes valeurs d’amplitude de déplacement (± 20 μm, ± 40 μm, et ± 70 μm) et de force normale (entre 200 N et 1 200 N). En outre, les effets de différents revêtements (DLC A et DLC B), différentes rugosités de surface (lisse et rugueuse), différentes positions de revêtement (revêtement sur le plan, sur le cylindre et sur les deux surfaces), différents environnements (dans l’air et dans le sérum de veau) sont analysés. Par ailleurs, l'origine du faible frottement du contact entre Ti–6Al–4V et revêtement DLC est explorée. Les propriétés mécaniques du tribofilm formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée sont également étudiées.Pour les tests de fretting sans revêtement (contact Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V) dans l’air, le coefficient de frottement est élevé, entre 0.8 et 1.2. Le volume d’usure croît avec l’amplitude de déplacement. Pour les tests avec revêtement, le Ti–6Al–4V peut être bien protégé, sous des charges relativement faibles. Le coefficient de frottement (d’environ 0,2) et le volume usé sont faibles. Sous fortes charges, le revêtement est presque totalement éliminé. Le frottement et le volume d'usure sont similaires à ceux des essais sans revêtement. Le revêtement plus dur (DLC A) a de meilleures propriétés tribologiques que le DLC B. Le revêtement sur la surface lisse présente une meilleure performance en fretting que sur la surface rugueuse. Le revêtement sur une surface cylindrique présente une meilleure performance tribologique que sur une surface plane. Le revêtement DLC est plus endommagé lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC que contre du Ti–6Al–4V non revêtu. Le revêtement fonctionne mieux en présence de sérum que dans l’air. Un tribofilm est formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC sous de faibles charges. Le tribofilm présente une dureté plus élevée, un module de Young plus élevé, un module de compression plus élevé, une limite d'élasticité plus élevé que l’alliage Ti–6Al–4V. Un modèle tribologique est proposé pour la formation du tribofilm et l'explication de l'origine du faible frottement, par une analyse approfondie des surfaces de contact, sur les points de vue mécaniques et chimiques. / The use of modular neck adapter when placing a total hip prosthesis introduces a new interface, between the femoral stem and the neck adapter, which is propitious to fretting damage during walking. Ti–6Al–4V alloy has been widely used in neck adapters and femoral stems. However, the Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contacts present high friction and severe adhesive wear under fretting conditions. Diamond-like carbon (DLC) coatings have been widely used as protective coatings for metallic parts. Thus, they can be introduced into Ti–6Al–4V neck adapter / Ti–6Al–4V femoral stem contacts.The objective of this thesis is to investigate the tribological behaviors of DLC coating and Ti–6Al–4V alloy under fretting conditions for application to neck adapter / femoral stem contact. Fretting tests are conducted with a cylinder / flat contact under different values of displacement amplitude (±20 µm, ±40 µm, and ±70 µm) and normal force (between 200 N and 1 200 N). Furthermore, the effects of different DLC coatings (DLC A and DLC B), different surface roughness (smooth and rough), different coating positions (coating on the flat, on the cylinder, and on both surfaces), different environments (laboratory air and calf serum) are analyzed. Besides, the origin of low friction of Ti–6Al–4V / DLC coating contact is explored. The mechanical properties of tribofilm formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface is studied.For fretting tests without coating (Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contact) under laboratory air condition, the friction coefficient is high, between 0.8 and 1.2. The wear volume increases with the displacement amplitude. For fretting tests with coating, Ti–6Al–4V can be well protected under relatively low load conditions. The friction coefficient is low (around 0.2) and the wear volume is small. Under high load conditions, the coating is almost totally removed. The friction and wear volume are similar to tests without coating. The harder coating (DLC A) has better tribological property than DLC B. The coating on the smooth surface exhibits better fretting performance than on the rough surface. Coating on a cylindrical surface shows better tribological performance than on a flat surface. The DLC coating is damaged more severely when it slides against a DLC coating than against the uncoated Ti–6Al–4V alloy. The coating performs better under the serum condition than under the laboratory air condition. A tribofilm is formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface when sliding against a DLC coating under low load conditions. The tribofilm shows higher hardness, higher Young’s modulus, higher compression modulus, higher yield strength than the Ti–6Al–4V alloy. A tribological model is proposed for tribofilm formation and explanation of origin of low friction, by in-depth analysis of contact surfaces, on mechanical and chemical points of view.

Les revêtements de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H) avec incorporation de silicium et d’oxygène (a-C:H:Si:O) sont une catégorie de lubrifiants solides, de la famille des Diamond-Like Carbon (DLC), présentant aussi bien de bonnes propriétés mécaniques que tribologiques et une bonne stabilité thermique. Bien qu’il soit établi que le comportement tribologique de ces couches est moins dépendant de l’environnement que celui des couches a-C:H, sans éléments d’addition, l’origine physicochimique de ce comportement reste à élucider. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre une collaboration internationale entre le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’Ecole Centrale Lyon et le département de Génie Mécanique et Mécanique Appliquée de l’Université de Pennsylvanie, et a pour objectifs d’apporter des réponses à ces questions ouvertes. Un large éventail de techniques expérimentales complémentaires, notamment la nanoindentation, la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie à mesure de force (FFM), la microscopie optique et électronique, le Raman, la spectroscopie de photoélectron X (XPS) et la spectroscopie de structure près du front d’absorption de rayons X (NEXAFS) a été mis en oeuvre pour non seulement établir une carte d’identité mécanique, structurale et chimique du revêtement initial, mais aussi comprendre les modifications structurelles induites par le frottement. Afin de contrôler l’environnement au cours des essais tribologiques, nous avons utilisé d’une part un tribomètre linéaire alternatif, que nous avons équipé d’un système de soufflage de gaz permettant de changer rapidement l’environnent au cours des essais, et d’autre part un tribomètre analytique à environnement contrôlé autorisant des expérimentations tant sous vide poussé qu’à pression élevée de gaz. Ainsi, nous avons pu montrer que le coefficient de frottement augmente avec le taux de vapeur d’eau dans l’environnement et cela est réversible lorsqu’on diminue brusquement l’humidité. En outre, la vapeur d’eau protège la couche de l’usure alors que la présence d’oxygène la favorise. Grace aux observations en microscopie électronique, nous avons pu prouver que le comportement tribologique des couches a- C:H:Si:O, lors d’un frottement contre de l’acier 100Cr6, est essentiellement contrôlé par la formation de jonctions adhésives dans l’interface. Sous vide poussé ou à faible pression de gaz (<1 mbar de vapeur d’eau, <10 mbar d’oxygène ou <50 mbar d’hydrogène), la rupture de ces jonctions adhésives a lieu dans l’acier, résultant en un transfert de matériau de l’acier vers l’a-C:H:Si:O s’accompagnant d’un coefficient de frottement élevé (μ≈1.2). Au delà de ces pressions seuils de gaz, les jonctions adhésives se rompent du côté du a-C:H:Si:O, le transfert de matière s’opérant alors dans la direction opposée, du revêtement vers l’acier. Des analyses NEXAFS ont révélé que ce phénomène s’expliquait par une réaction dissociative entre les éléments du gaz environnant et les liaisons carbone C–C contraintes, favorisée par la sollicitation mécanique en extrême surface de l’a-C:H:Si:O. Ceci résulte en une diminution drastique du coefficient de frottement à des valeurs d’un ordre de grandeur inférieures à celles obtenues dans la configuration précédente. L’ensemble de ces résultats nous a ainsi permis de développer un modèle expérimental expliquant les mécanismes fondamentaux d’interaction entre l’environnement et les lubrifiants solides du type a-C:H:Si:O. / Like Carbon (DLC) coatings that exhibit outstanding mechanical properties, thermal stability and tribological performance. It is well established that the frictional and wear performances of a-C:H:Si:O are less dependent on environment than that of pure hydrogenated amorphous carbon (a-C:H). However the fundamental mechanisms accounting for such excellent tribological behavior of a-C:H:Si:O are still not fully understood. The present work, which is part of a collaboration between the Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes of Ecole Centrale de Lyon and the department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics of University of Pennsylvania, consists in using a multi-scale, multidisciplinary and multi-technique experimental approach for understanding the influence of environment on the tribological response of a-C:H:Si:O. A wide rang of complementary techniques, including nanoindentation, Atomic Force Microscopy (AFM), Friction Force Microscopy (FFM), optical and electron microscopy, Raman, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and near edge x-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS), have thus been used to fully characterize the structure, composition and mechanics of the studied material, as deposited as well as after tribological testing. Control of the environment has been achieved first thanks to an open air linear reciprocating tribometer that we equipped with a gas blowing system, thus allowing a quick change of the sliding environment, and a environment-controlled analytical tribometer operating from high vacuum to elevated pressures of desired gases. We were able to evidence the strong influence of the amount of water vapor in the environment on the friction behavior of a- C:H:Si:O, with a reversible behavior when abruptly changing the environment. Contrary to water vapor, oxygen promotes the wear of a-C:H:Si:O. SEM observations revealed that while sliding a-C:H:Si:O against 52100 steel, the frictional response is controlled by the build-up and the release of adhesive junctions within the interface. Under high vacuum and below a threshold pressure of water vapor (1 mbar), oxygen (10 mbar) and hydrogen (50 mbar), adhesive junctions are released in the steel, resulting in a transfer of material from steel to a-C:H:Si:O and in a high coefficient of friction (μ≈1.2). However, as the gas pressure is increased above the threshold, the adhesive junctions break on the a-C:H:Si:O side, leading to a material transfer in the opposite direction, from the a-C:H:Si:O to the steel. NEXAFS spectroscopy revealed that a dissociative reaction occurs between the gaseous species and the strained C–C atoms in the near surface region ofa-C:H:Si:O, thus resulting in a drastic decrease of the steady state coefficient of friction by at least an order of magnitude. In light of these observations, an analytical model has been proposed to describe the fundamental interaction mechanisms between the environment and the a-C:H:Si:O/steel tribopairs.

Ce travail explore le contrôle de la composition et la cinétique du panache d’ablation laser en régime ultrabref par mise en forme temporelle des impulsions laser femtoseconde. L’objectif est l’optimisation du dépôt de couches minces et de nanoparticules. Le chapitre 1 est une synthèse de la littérature sur le dépôt de couches minces par ablation laser femtoseconde, en particulier de films de Diamond-Like Carbon et de nanoparticules. L’influence de la mise en forme temporelle du laser sur les mécanismes d’ablation est développée, ainsi que le diagnostic du panache d’ablation. Le chapitre 2 présente les dispositifs expérimentaux de mise en forme temporelle et de diagnostic du panache d’ablation par spectroscopie d’émission résolue en temps et espace et spectroscopie d’extinction. Le chapitre 3 rapporte l’impact de l’utilisation d’impulsions doubles et élargies sur les panaches de l’aluminium et du bore. L’augmentation de la composante ionique du plasma d’aluminium est expliquée au travers de simulations hydrodynamiques. Dans le chapitre 4, différentes formes temporelles sont employées pour l’ablation du graphite et le dépôt de couches de Diamond-Like Carbon. Le contrôle de la cinétique du panache est atteint en peuplant plus ou moins ses différentes composantes de vitesse : molécules, atomes et ions. Si la structure du Diamond-Like Carbon déposé n’est pas affectée, une amélioration de la surface des couches est observée. Le chapitre 5 montre l’efficacité et la sensibilité de la spectroscopie d’extinction optique pour la mesure in situ de la distribution en taille des nanoparticules métalliques dans le panache d’ablation laser femtoseconde / This work explores the control of ultrafast laser ablation plume composition and kinetics by temporal shaping of femtosecond laser pulses. The goal is the optimization of thin films and nanoparticles deposition. Chapter 1 is a synthesis of the literature on femtosecond laser deposition of thin films. The focus is on Diamond-Like Carbon films and nanoparticles. The impact of laser temporal pulse shaping on the ablation mechanisms is developed. Ablation plume diagnostic methods are detailed. Chapter 2 describes the experimental setup for temporal pulse shaping and plasma diagnostic. The latter is done through space and time-resolved optical emission spectroscopy and extinction spectroscopy. Chapter 3 reports on the impact of doubles pulses and long pulses on aluminium and boron ablation plumes. Ion yield enhancement in aluminium ablation plasma is explained through hydrodynamics simulations. In chapter 4, various temporal pulse shapes are used for graphite ablation and Diamond-Like Carbon thin films deposition. The control of the plume kinetics is reached by selectively populating the various plume speed components: molecules, atoms, ions. Even though the deposited Diamond-Like Carbon structure is unaffected, it has been observed an improvement of the thin films surface. Chapter 5 shows the efficiency and sensitivity of optical extinction spectroscopy for in situ measurement of nanoparticles size distribution in femtosecond laser ablation plumes

Dans ces travaux de recherche nous avons cherché à développer et optimiser un procédé d'oxydation avancée dédié au traitement de l'eau. Pour cela, nous avons développé un procédé combinant la génération de radicaux hydroxyles par décharge plasma à pression atmosphérique et un catalyseur fixe. L'originalité de ce travail a été d'utiliser un système d'écoulement permettant l'obtention d'un film liquide (épaisseur<1mm) afin de permettre une interaction entre le plasma, le liquide et la surface catalytique. Les résultats ont montré que l'utilisation d'une décharge de type DBD était préférable au Glidarc, thermique, énergétique et produisant trop de NOx. Les valeurs d'efficacité respectives étaient de 0,67g.kWh-1 pour la DBD et 0,23g.kWh-1 pour le Glidarc. Les résultats ont également montré que le matériau de la contre-électrode/plaque d'écoulement pouvait influencer l'efficacité du procédé. Ainsi dans le cas du laiton, la présence de réactions de corrosion produisant des NO2- réduit l'efficacité de moitié comparée à une plaque d'acier. Le développement d'un modèle CFD 1D à partir des données expérimentales du procédé a été effectué. Ce modèle a permis d'estimer que l'efficacité énergétique de production des HO est de 4,4.10-9 molHO.J-1 pour la décharge DBD. Il a également permis de montrer que le facteur majoritairement limitant était la diffusion moléculaire des espèces dans le liquide. En effet les réactions chimiques ne dure pas plus de 1µs après l'impact du streamer et n'ont lieu que dans les premiers 5% d'épaisseur de liquide. Enfin, un dépôt catalytique de DLC dopé à l'argent et réalisé par rf-PECVD a permis d'améliorer de près de 10% l'efficacité maximale du procédé. / The aim of this research lies in the development and optimization of an advanced oxidation process dedicated to wastewater treatment. This process combines an atmospheric plasma discharge with an immobilized catalyst (Ag-DLC) in order to generate hydroxyl radicals. The novelty of this work relies in the use of a falling thin film system (thickness < 1mm) to promote the interaction between plasma discharge, the solution and the catalytic surface. The results demonstrate the interest of employing a Dielectric Barrier Discharge configuration instead of a Glidarc system. Indeed, the Glidarc system leads to a too high production level of NOx. The efficiencies of these two processes were respectively 0,67 g.kWh-1 and 0,23 g.kWh-1 for the DBD and the Glidarc system. Moreover, the influence of the counter-electrode / flowing plate material on the process efficiency was pointed out. Compared to stainless steel, the presence of corrosion reactions on the brass surface produced NO2- and thus, reduced the process efficiency. The production of HO??radicals at the plasma / water interface was estimated to be 4,4.10-9 molHO.J-1 by the use of 1D CFD modeling. Side reactions such as HO? recombinaison appear as the major limiting factors. Futhermore the model demonstrates that the time needed to complete all the chemical reactions was less than 1 µs and these reactions occurred only in the first 5% of the top liquid film. Finally with an Ag-DLC based catalytic coating elaborated by RF-PECVD, the efficiency was increased to 10% compared to the best efficiency observed with the non-catalytic system.

WC-Co cutting tools are widely used in the machining industry. The application of diamond coatings on the surfaces of the tools would prolong the cutting lifetime and improves the manufacturing efficiency. However, direct chemical vapor deposition (CVD) of diamond coatings on WC-Co suffer from severe premature adhesion failure due to interfacial graphitization induced by the binder phase Co. In this research, a combination of hydrochloric acid (HCl) and hydrogen (H2) plasma pretreatments and a novel double interlayer of carbide forming element (CFE)/Al were developed to enhance diamond nucleation and adhesion. The results showed that both the pretreatments and interlayers were effective in forming continuous and adhesive nanocrystalline diamond coatings. The method is a promising replacement of the hazardous Murakami's regent currently used in WC-Co pretreatment with a more environmental friendly approach.<p> Apart from coatings, diamond can be fabricated into other forms of nanostructures, such as nanotips. In this work, it was demonstrated that oriented diamond nanotip arrays can be fabricated by ion beam etching of as-grown CVD diamond. The orientation of diamond nanotips can be controlled by adjusting the direction of incident ion beam. This method overcomes the limits of other techniques in producing nanotip arrays on large areas with controlled orientation. Oriented diamond nano-tip arrays have been used to produce anisotropic frictional surface, which is successfully used in ultra-precision positioning systems.<p> Diamond-like carbon (DLC) has many properties comparable to diamond. In this thesis, the preparation of á-C:H thin films by end-Hall (EH) ion source and the effects of ion energy and nitrogen doping on the microstructure and mechanical properties of the as-deposited thin films were investigated. The results have demonstrated that smooth and uniform á-C:H and á-C:H:N films with large area and reasonably high hardness and Youngs modulus can be synthesized by EH ion source with a low ion energy. The EH ion beam deposition of carbon-based thin films have potential applications such as protective coatings on high capacity magnetic memory disk, for which coating uniformity and smoothness cannot be achieved by the traditional sputtering methods.

WC-Co cutting tools are widely used in the machining industry. The application of diamond coatings on the surfaces of the tools would prolong the cutting lifetime and improves the manufacturing efficiency. However, direct chemical vapor deposition (CVD) of diamond coatings on WC-Co suffer from severe premature adhesion failure due to interfacial graphitization induced by the binder phase Co. In this research, a combination of hydrochloric acid (HCl) and hydrogen (H2) plasma pretreatments and a novel double interlayer of carbide forming element (CFE)/Al were developed to enhance diamond nucleation and adhesion. The results showed that both the pretreatments and interlayers were effective in forming continuous and adhesive nanocrystalline diamond coatings. The method is a promising replacement of the hazardous Murakami's regent currently used in WC-Co pretreatment with a more environmental friendly approach.<p> Apart from coatings, diamond can be fabricated into other forms of nanostructures, such as nanotips. In this work, it was demonstrated that oriented diamond nanotip arrays can be fabricated by ion beam etching of as-grown CVD diamond. The orientation of diamond nanotips can be controlled by adjusting the direction of incident ion beam. This method overcomes the limits of other techniques in producing nanotip arrays on large areas with controlled orientation. Oriented diamond nano-tip arrays have been used to produce anisotropic frictional surface, which is successfully used in ultra-precision positioning systems.<p> Diamond-like carbon (DLC) has many properties comparable to diamond. In this thesis, the preparation of á-C:H thin films by end-Hall (EH) ion source and the effects of ion energy and nitrogen doping on the microstructure and mechanical properties of the as-deposited thin films were investigated. The results have demonstrated that smooth and uniform á-C:H and á-C:H:N films with large area and reasonably high hardness and Youngs modulus can be synthesized by EH ion source with a low ion energy. The EH ion beam deposition of carbon-based thin films have potential applications such as protective coatings on high capacity magnetic memory disk, for which coating uniformity and smoothness cannot be achieved by the traditional sputtering methods.

Amorphous, hydrogenated carbon films (a-C:H) have been prepared in a PECVD device from methane and ethine as the source gases.The aim was to deposit films at high growth rates while keeping high hardness (25 ± 3 GPa). Hardness, hydrogen content and surface roughness were investigated dependent on the process conditions. Further investigation showed, that the mechanical properties of the a-C:H films are determined by the energy of the ions and the ratio between the film forming ion and the film forming neutral fluxes. On the basis of the collected data the optimal deposition conditions were determined and suggestions for further improvement of the deposition were made. / Amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) wurden mittels PECVD-Verfahren abgeschieden, wobei Methan und Ethin als Quellgase verwendet wurde. Ziel war dabei die Abscheidung der Schichten mit hohen Aufwachsraten unter Beibehaltung hoher Härten (25 ± 3 GPa). Härte, Wasserstoffgehalt und Oberflächenrauhigkeit der Schichten wurden in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen untersucht. Weitere Untersuchungen zeigten, daß die mechanischen Eigenschaften der a-C:H Schichten von der Energie der Ionen und dem Verhältnis der schichtbildenden Ionen- und Neutralteilchenflüsse bestimmt werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten können die optimalen Abscheidebedingungen festgelegt, und Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Schichtabscheidung gemacht werden.

Dans ces travaux de recherche nous avons cherché à développer et optimiser un procédé d'oxydation avancée dédié au traitement de l'eau. Pour cela, nous avons développé un procédé combinant la génération de radicaux hydroxyles par décharge plasma à pression atmosphérique et un catalyseur fixe. L'originalité de ce travail a été d'utiliser un système d'écoulement permettant l'obtention d'un film liquide (épaisseur<1mm) afin de permettre une interaction entre le plasma, le liquide et la surface catalytique. Les résultats ont montré que l'utilisation d'une décharge de type DBD était préférable au Glidarc, thermique, énergétique et produisant trop de NOx. Les valeurs d'efficacité respectives étaient de 0,67g.kWh-1 pour la DBD et 0,23g.kWh-1 pour le Glidarc. Les résultats ont également montré que le matériau de la contre-électrode/plaque d'écoulement pouvait influencer l'efficacité du procédé. Ainsi dans le cas du laiton, la présence de réactions de corrosion produisant des NO2- réduit l'efficacité de moitié comparée à une plaque d'acier. Le développement d'un modèle CFD 1D à partir des données expérimentales du procédé a été effectué. Ce modèle a permis d'estimer que l'efficacité énergétique de production des HO est de 4,4.10-9 molHO.J-1 pour la décharge DBD. Il a également permis de montrer que le facteur majoritairement limitant était la diffusion moléculaire des espèces dans le liquide. En effet les réactions chimiques ne dure pas plus de 1µs après l'impact du streamer et n'ont lieu que dans les premiers 5% d'épaisseur de liquide. Enfin, un dépôt catalytique de DLC dopé à l'argent et réalisé par rf-PECVD a permis d'améliorer de près de 10% l'efficacité maximale du procédé.