Il est généralement admis que les films à base de carbone constituent d'excellentes alternatives pour augmenter la résistance à l'usure et/ou accroître les propriétés lubrifiantes des alliages métalliques. Communément, les films de carbone sont obtenus par des procédés en phase vapeur. Cependant, ces procédés présentent certaines contraintes de mise en oeuvre et représentent des investissements lourds. L’électrodéposition est, dans la plupart des développements industriels, une alternative très intéressante en raison principalement de son faible coût d’exploitation. Mais dans le cas spécifique de l’élaboration de films de carbone obtenus par électrodéposition en milieu organique, les faibles vitesses de dépôt semblent une limitation qui nécessite de mener des recherches sur des électrolytes à plus forte conductivité ionique. L'addition de liquides ioniques, comme électrolyte support, dans un électrolyte organique pourrait contribuer à une augmentation de la conductivité de celui-ci et permettre un accroissement de la vitesse de dépôt. Dans ce contexte, le présent travail a pour but d’évaluer l'effet de l’addition d’un liquide ionique protique, le Lactate de 2-HydroxyEthanolAmine (2HEAL), à un électrolyte organique, le N,N-DiMéthylFormamide (DMF),sur les caractéristiques de films de carbone déposés par électrodéposition sur un substrat en alliage de titane Ti6Al4V. Nous montrons que l'addition de liquide ionique dans une solution de DMF augmente en effet la conductivité des électrolytes en permettant d’appliquer des densités de courant plus élevées et d’atteindre des vitesses et épaisseurs de dépôt élevées. Nous mettons également en évidence que la concentration en liquide ionique dans l’électrolyte influence fortement la morphologie de surface des dépôts et la structure du film de carbone déposé avec une augmentation de la teneur d’atomes de carbone hybridés sp³. Le film carboné à la surface de l’alliage de titane obtenue par cette voie présente une amélioration significative de la résistance à l'usure tant par rapport aux films obtenus sans addition de liquides ioniques que par rapport au substrat non revêtu. / É sabido que filmes de carbono são excelentes alternativas para aumentar a resistência ao desgaste e/ou aumento das propriedades lubrificantes de ligas metálicas. Geralmente, os filmes de carbono são obtidos por processos em fase de vapor. No entanto, estes processos têm certas limitações de implementação e representam grandes investimentos. A eletrodeposição é na maior parte das vezes uma alternativa industrial atraente, principalmente por causa de seu baixo custo operacional, mas, no caso específico da deposição de filmes de carbono produzidos por eletrodeposição em meio orgânico, as taxas de deposição são muito baixas, o que gera uma limitação que requer um estudo aprofundado sobre eletrólitos com maior condutividade iônica. A adição dos líquidos iônicos, como eletrólito suporte, num eletrólito orgânico pode contribuir para um aumento na condutividade do mesmo e permitir o aumento da taxa de deposição. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito da adição de um líquido iônico prótico, o lactato de 2-hydroxietanolamina (2HEAL), em um eletrólito orgânico, a N,N-dimetilformamida (DMF), sobre as características dos filmes de carbono depositados por eletrodeposição em um substrato de liga de titânio Ti6Al4V. Observou-se que a adição de líquido iônico, em uma solução de DMF aumenta, efetivamente, a condutividade do eletrólito e acarreta a geração de maiores densidades de corrente de deposição e, consequentemente, taxas de deposição mais elevadas, originando filmes com maiores espessuras de camada. Também foi demonstrado que a concentração de líquido iônico no eletrólito influencia fortemente a estrutura e a morfologia superficial dos filmes de carbono depositados, com um aumento na quantidade de hibridizações sp³. A presença de carbono na superfície da liga de titânio, contribui para uma melhoria significativa da sua resistência ao desgaste em comparação com os filmes produzidos sem a adição de líquidos iônicos. / It is generally accepted that carbon films are excellent alternatives for increasing the wear resistance and/or increasing the lubricating properties of metal alloys. Commonly, the carbon films are obtained by vapor phase processes. However, these processes have certain limitations of implementation and represent large investments. The electrodeposition is in most industrial development an attractive alternative mainly because of its low operating cost, but in the specific case of the carbon film deposition by electrodeposition in an organic medium, low deposition rates seem a limitation that requires research on electrolytes with higher ionic conductivity. The addition of ionic liquids, as a support electrolyte, in an organic electrolyte may contribute to an increase in the conductivity thereof and allows an increase of the deposition rate. In this context, this work aims to evaluate the effect of adding a protic ionic liquid, 2-HydroxyEthanolAmine Lactate (2HEAL), in an organic electrolyte, N,N-DiMethylFormamide (DMF), on the characteristics of obtained carbon films electrodeposited on a substrate of Ti6Al4V titanium alloy. It was indeed observed that the addition of ionic liquid in a DMF solution increases the conductivity of the electrolyte and allows the application of higher current densities leading to higher deposition rate and higher film thicknesses. It was also demonstrated that the ionic liquid concentration in the electrolyte strongly influences the surface structure and the morphology of the deposited carbon film with a relative increase in amount of sp³-hybridized carbon atoms. The presence of the carbonaceous film at the surface of the titanium alloy contributes to a significant improvement in its wear resistance to wear compared to films produced without the addition of ionic liquids or compared to the bare substrate.

Il est généralement admis que les films à base de carbone constituent d'excellentes alternatives pour augmenter la résistance à l'usure et/ou accroître les propriétés lubrifiantes des alliages métalliques. Communément, les films de carbone sont obtenus par des procédés en phase vapeur. Cependant, ces procédés présentent certaines contraintes de mise en oeuvre et représentent des investissements lourds. L’électrodéposition est, dans la plupart des développements industriels, une alternative très intéressante en raison principalement de son faible coût d’exploitation. Mais dans le cas spécifique de l’élaboration de films de carbone obtenus par électrodéposition en milieu organique, les faibles vitesses de dépôt semblent une limitation qui nécessite de mener des recherches sur des électrolytes à plus forte conductivité ionique. L'addition de liquides ioniques, comme électrolyte support, dans un électrolyte organique pourrait contribuer à une augmentation de la conductivité de celui-ci et permettre un accroissement de la vitesse de dépôt. Dans ce contexte, le présent travail a pour but d’évaluer l'effet de l’addition d’un liquide ionique protique, le Lactate de 2-HydroxyEthanolAmine (2HEAL), à un électrolyte organique, le N,N-DiMéthylFormamide (DMF),sur les caractéristiques de films de carbone déposés par électrodéposition sur un substrat en alliage de titane Ti6Al4V. Nous montrons que l'addition de liquide ionique dans une solution de DMF augmente en effet la conductivité des électrolytes en permettant d’appliquer des densités de courant plus élevées et d’atteindre des vitesses et épaisseurs de dépôt élevées. Nous mettons également en évidence que la concentration en liquide ionique dans l’électrolyte influence fortement la morphologie de surface des dépôts et la structure du film de carbone déposé avec une augmentation de la teneur d’atomes de carbone hybridés sp³. Le film carboné à la surface de l’alliage de titane obtenue par cette voie présente une amélioration significative de la résistance à l'usure tant par rapport aux films obtenus sans addition de liquides ioniques que par rapport au substrat non revêtu. / É sabido que filmes de carbono são excelentes alternativas para aumentar a resistência ao desgaste e/ou aumento das propriedades lubrificantes de ligas metálicas. Geralmente, os filmes de carbono são obtidos por processos em fase de vapor. No entanto, estes processos têm certas limitações de implementação e representam grandes investimentos. A eletrodeposição é na maior parte das vezes uma alternativa industrial atraente, principalmente por causa de seu baixo custo operacional, mas, no caso específico da deposição de filmes de carbono produzidos por eletrodeposição em meio orgânico, as taxas de deposição são muito baixas, o que gera uma limitação que requer um estudo aprofundado sobre eletrólitos com maior condutividade iônica. A adição dos líquidos iônicos, como eletrólito suporte, num eletrólito orgânico pode contribuir para um aumento na condutividade do mesmo e permitir o aumento da taxa de deposição. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito da adição de um líquido iônico prótico, o lactato de 2-hydroxietanolamina (2HEAL), em um eletrólito orgânico, a N,N-dimetilformamida (DMF), sobre as características dos filmes de carbono depositados por eletrodeposição em um substrato de liga de titânio Ti6Al4V. Observou-se que a adição de líquido iônico, em uma solução de DMF aumenta, efetivamente, a condutividade do eletrólito e acarreta a geração de maiores densidades de corrente de deposição e, consequentemente, taxas de deposição mais elevadas, originando filmes com maiores espessuras de camada. Também foi demonstrado que a concentração de líquido iônico no eletrólito influencia fortemente a estrutura e a morfologia superficial dos filmes de carbono depositados, com um aumento na quantidade de hibridizações sp³. A presença de carbono na superfície da liga de titânio, contribui para uma melhoria significativa da sua resistência ao desgaste em comparação com os filmes produzidos sem a adição de líquidos iônicos. / It is generally accepted that carbon films are excellent alternatives for increasing the wear resistance and/or increasing the lubricating properties of metal alloys. Commonly, the carbon films are obtained by vapor phase processes. However, these processes have certain limitations of implementation and represent large investments. The electrodeposition is in most industrial development an attractive alternative mainly because of its low operating cost, but in the specific case of the carbon film deposition by electrodeposition in an organic medium, low deposition rates seem a limitation that requires research on electrolytes with higher ionic conductivity. The addition of ionic liquids, as a support electrolyte, in an organic electrolyte may contribute to an increase in the conductivity thereof and allows an increase of the deposition rate. In this context, this work aims to evaluate the effect of adding a protic ionic liquid, 2-HydroxyEthanolAmine Lactate (2HEAL), in an organic electrolyte, N,N-DiMethylFormamide (DMF), on the characteristics of obtained carbon films electrodeposited on a substrate of Ti6Al4V titanium alloy. It was indeed observed that the addition of ionic liquid in a DMF solution increases the conductivity of the electrolyte and allows the application of higher current densities leading to higher deposition rate and higher film thicknesses. It was also demonstrated that the ionic liquid concentration in the electrolyte strongly influences the surface structure and the morphology of the deposited carbon film with a relative increase in amount of sp³-hybridized carbon atoms. The presence of the carbonaceous film at the surface of the titanium alloy contributes to a significant improvement in its wear resistance to wear compared to films produced without the addition of ionic liquids or compared to the bare substrate.

Il est généralement admis que les films à base de carbone constituent d'excellentes alternatives pour augmenter la résistance à l'usure et/ou accroître les propriétés lubrifiantes des alliages métalliques. Communément, les films de carbone sont obtenus par des procédés en phase vapeur. Cependant, ces procédés présentent certaines contraintes de mise en oeuvre et représentent des investissements lourds. L’électrodéposition est, dans la plupart des développements industriels, une alternative très intéressante en raison principalement de son faible coût d’exploitation. Mais dans le cas spécifique de l’élaboration de films de carbone obtenus par électrodéposition en milieu organique, les faibles vitesses de dépôt semblent une limitation qui nécessite de mener des recherches sur des électrolytes à plus forte conductivité ionique. L'addition de liquides ioniques, comme électrolyte support, dans un électrolyte organique pourrait contribuer à une augmentation de la conductivité de celui-ci et permettre un accroissement de la vitesse de dépôt. Dans ce contexte, le présent travail a pour but d’évaluer l'effet de l’addition d’un liquide ionique protique, le Lactate de 2-HydroxyEthanolAmine (2HEAL), à un électrolyte organique, le N,N-DiMéthylFormamide (DMF),sur les caractéristiques de films de carbone déposés par électrodéposition sur un substrat en alliage de titane Ti6Al4V. Nous montrons que l'addition de liquide ionique dans une solution de DMF augmente en effet la conductivité des électrolytes en permettant d’appliquer des densités de courant plus élevées et d’atteindre des vitesses et épaisseurs de dépôt élevées. Nous mettons également en évidence que la concentration en liquide ionique dans l’électrolyte influence fortement la morphologie de surface des dépôts et la structure du film de carbone déposé avec une augmentation de la teneur d’atomes de carbone hybridés sp³. Le film carboné à la surface de l’alliage de titane obtenue par cette voie présente une amélioration significative de la résistance à l'usure tant par rapport aux films obtenus sans addition de liquides ioniques que par rapport au substrat non revêtu. / É sabido que filmes de carbono são excelentes alternativas para aumentar a resistência ao desgaste e/ou aumento das propriedades lubrificantes de ligas metálicas. Geralmente, os filmes de carbono são obtidos por processos em fase de vapor. No entanto, estes processos têm certas limitações de implementação e representam grandes investimentos. A eletrodeposição é na maior parte das vezes uma alternativa industrial atraente, principalmente por causa de seu baixo custo operacional, mas, no caso específico da deposição de filmes de carbono produzidos por eletrodeposição em meio orgânico, as taxas de deposição são muito baixas, o que gera uma limitação que requer um estudo aprofundado sobre eletrólitos com maior condutividade iônica. A adição dos líquidos iônicos, como eletrólito suporte, num eletrólito orgânico pode contribuir para um aumento na condutividade do mesmo e permitir o aumento da taxa de deposição. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito da adição de um líquido iônico prótico, o lactato de 2-hydroxietanolamina (2HEAL), em um eletrólito orgânico, a N,N-dimetilformamida (DMF), sobre as características dos filmes de carbono depositados por eletrodeposição em um substrato de liga de titânio Ti6Al4V. Observou-se que a adição de líquido iônico, em uma solução de DMF aumenta, efetivamente, a condutividade do eletrólito e acarreta a geração de maiores densidades de corrente de deposição e, consequentemente, taxas de deposição mais elevadas, originando filmes com maiores espessuras de camada. Também foi demonstrado que a concentração de líquido iônico no eletrólito influencia fortemente a estrutura e a morfologia superficial dos filmes de carbono depositados, com um aumento na quantidade de hibridizações sp³. A presença de carbono na superfície da liga de titânio, contribui para uma melhoria significativa da sua resistência ao desgaste em comparação com os filmes produzidos sem a adição de líquidos iônicos. / It is generally accepted that carbon films are excellent alternatives for increasing the wear resistance and/or increasing the lubricating properties of metal alloys. Commonly, the carbon films are obtained by vapor phase processes. However, these processes have certain limitations of implementation and represent large investments. The electrodeposition is in most industrial development an attractive alternative mainly because of its low operating cost, but in the specific case of the carbon film deposition by electrodeposition in an organic medium, low deposition rates seem a limitation that requires research on electrolytes with higher ionic conductivity. The addition of ionic liquids, as a support electrolyte, in an organic electrolyte may contribute to an increase in the conductivity thereof and allows an increase of the deposition rate. In this context, this work aims to evaluate the effect of adding a protic ionic liquid, 2-HydroxyEthanolAmine Lactate (2HEAL), in an organic electrolyte, N,N-DiMethylFormamide (DMF), on the characteristics of obtained carbon films electrodeposited on a substrate of Ti6Al4V titanium alloy. It was indeed observed that the addition of ionic liquid in a DMF solution increases the conductivity of the electrolyte and allows the application of higher current densities leading to higher deposition rate and higher film thicknesses. It was also demonstrated that the ionic liquid concentration in the electrolyte strongly influences the surface structure and the morphology of the deposited carbon film with a relative increase in amount of sp³-hybridized carbon atoms. The presence of the carbonaceous film at the surface of the titanium alloy contributes to a significant improvement in its wear resistance to wear compared to films produced without the addition of ionic liquids or compared to the bare substrate.

Nesse trabalho foram estudados os efeitos da irradiação iônica em filmes de carbono amorfo hidrogenado, sem (a-C:H) e com a presença de N e F (a-C:N:H e a-C:F:H, respectivamente). Os filmes foram crescidos através da técnica de Deposição Química na Fase Vapor Assistida por Plasma. Após a deposição, os filmes foram irradiados com N+ a 400 keV e Xe++ a 800 keV. Esses íons e suas energias foram escolhidos de modo que nas irradiações com N+ e Xe++ predomine o poder de predomine o poder de freamento eletrônico e nuclear, respectivamente. Alterações nas propriedades estruturais, ópticas e mecânicas foram investigadas através das técnicas de perfilometria, espectroscopia Raman, espectroscopia na região do infravermelho próximo, visível e ultravioleta, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons (análises por retroespalhamento de Rutherford e análise por reação nuclear). Os resultados revelam que a irradiação causa um decréscimo na concentração atômica de H em todas as amostras, e na concentração de F nas amostras de a-C:F:H. Não foram verificadas alterações na concentração de N nos filmes de a-C:N:H. Os espectros Raman e as medidas do gap de Tauc revelam que a irradiação provoca um decréscimo na concentração de estados sp3, devido à conversão C-sp3 → C-sp2. Após as máximas fluências de irradiação, independente do íon precursor, todos os filmes apresentam uma estrutura amorfa rígida, composta com 95 a 100 % de estados sp2. Geralmente, como prevê o modelo de “clusters”, fases sp2 são planares e apresentam baixos valores de dureza. Ao contrário, nossos resultados mostram que após as maiores fluências de irradiação todos os filme combinam boas propriedades mecânicas e tensão interna nula. A rigidez da estrutura resulta do elevado grau de distorção angular nas ligações carbono sp2, o que permite a formação de anéis não hexagonais, como pentágonos e heptágonos, possibilitando a formação de sítios curvos, criando uma estrutura tridimensional. Além disso, com a redução dos estados sp3 obtivemos estruturas não usuais. Filmes de carbono amorfo tipicamente apresentam elevados valores de dureza e tensão interna compressiva, o que limita a espessura máxima do filme, prejudica sua adesão sobre determinados substratos e torna o filme suscetível à falhas mecânicas por delaminação. Através da irradiação iônica foi possível a formação de novas fases metaestáveis combinando elevada dureza e tensão interna nula, ou seja, uma nova classe de materiais com grande potencial tecnológico. / In this work, the effect of ion irradiation in amorphous hydrogenated carbon films, without (a-C: H) and with the presence of N and F (a-C: N: H and a-C: F: H, respectively) was studied. The films were deposited by the Plasma Enhanced Chemical Vapor technique. After deposition they were irradiated with 400 keV N+ and 800 keV Xe++, energies at which electronic and nuclear stopping powers respectively predominate, at fluences ranging from 1 x1014 to 3 x 1016 ions cm-2. Density and atomic composition of the samples before and after irradiation were investigated by perfilometry and ion beam analysis techniques (Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis). The carbon structure of the films was probed by micro-Raman analysis. Hardness and elastic modulus measurements were performed via nanoindentation technique. The intrinsic stress variation was measured through the flexion method. The results show that the irradiation produce hydrogen loss in all the samples, and loss of F in the a-C:F:H samples. The concentration of N in the a-C:N:H samples is not modified during the irradiations. The Raman and Tauc gap measurements showed that high fluences of irradiation lead to an increase in the number and/or size of the sp2-C sites, due to the C-sp3 → C-sp2 conversion. After the maximum fluencies of irradiation, for both ions, all the films present a rigid amorphous structure with 95 to 100% of sp2 phase. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the clusters model. In contrast, our results show that after the irradiation process all films are hard and present null intrinsic stress. The rigidity of the structure is attributed to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high degree bond angle distortions by the ion irradiation induce the formation of non-hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. The formation of new amorphous carbon phases, which combine relatively high hardness and null intrinsic stress, was possible through ionic irradiation, creating a new class of materials with great technological potentialities.

Nesse trabalho foram estudados os efeitos da irradiação iônica em filmes de carbono amorfo hidrogenado, sem (a-C:H) e com a presença de N e F (a-C:N:H e a-C:F:H, respectivamente). Os filmes foram crescidos através da técnica de Deposição Química na Fase Vapor Assistida por Plasma. Após a deposição, os filmes foram irradiados com N+ a 400 keV e Xe++ a 800 keV. Esses íons e suas energias foram escolhidos de modo que nas irradiações com N+ e Xe++ predomine o poder de predomine o poder de freamento eletrônico e nuclear, respectivamente. Alterações nas propriedades estruturais, ópticas e mecânicas foram investigadas através das técnicas de perfilometria, espectroscopia Raman, espectroscopia na região do infravermelho próximo, visível e ultravioleta, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons (análises por retroespalhamento de Rutherford e análise por reação nuclear). Os resultados revelam que a irradiação causa um decréscimo na concentração atômica de H em todas as amostras, e na concentração de F nas amostras de a-C:F:H. Não foram verificadas alterações na concentração de N nos filmes de a-C:N:H. Os espectros Raman e as medidas do gap de Tauc revelam que a irradiação provoca um decréscimo na concentração de estados sp3, devido à conversão C-sp3 → C-sp2. Após as máximas fluências de irradiação, independente do íon precursor, todos os filmes apresentam uma estrutura amorfa rígida, composta com 95 a 100 % de estados sp2. Geralmente, como prevê o modelo de “clusters”, fases sp2 são planares e apresentam baixos valores de dureza. Ao contrário, nossos resultados mostram que após as maiores fluências de irradiação todos os filme combinam boas propriedades mecânicas e tensão interna nula. A rigidez da estrutura resulta do elevado grau de distorção angular nas ligações carbono sp2, o que permite a formação de anéis não hexagonais, como pentágonos e heptágonos, possibilitando a formação de sítios curvos, criando uma estrutura tridimensional. Além disso, com a redução dos estados sp3 obtivemos estruturas não usuais. Filmes de carbono amorfo tipicamente apresentam elevados valores de dureza e tensão interna compressiva, o que limita a espessura máxima do filme, prejudica sua adesão sobre determinados substratos e torna o filme suscetível à falhas mecânicas por delaminação. Através da irradiação iônica foi possível a formação de novas fases metaestáveis combinando elevada dureza e tensão interna nula, ou seja, uma nova classe de materiais com grande potencial tecnológico. / In this work, the effect of ion irradiation in amorphous hydrogenated carbon films, without (a-C: H) and with the presence of N and F (a-C: N: H and a-C: F: H, respectively) was studied. The films were deposited by the Plasma Enhanced Chemical Vapor technique. After deposition they were irradiated with 400 keV N+ and 800 keV Xe++, energies at which electronic and nuclear stopping powers respectively predominate, at fluences ranging from 1 x1014 to 3 x 1016 ions cm-2. Density and atomic composition of the samples before and after irradiation were investigated by perfilometry and ion beam analysis techniques (Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis). The carbon structure of the films was probed by micro-Raman analysis. Hardness and elastic modulus measurements were performed via nanoindentation technique. The intrinsic stress variation was measured through the flexion method. The results show that the irradiation produce hydrogen loss in all the samples, and loss of F in the a-C:F:H samples. The concentration of N in the a-C:N:H samples is not modified during the irradiations. The Raman and Tauc gap measurements showed that high fluences of irradiation lead to an increase in the number and/or size of the sp2-C sites, due to the C-sp3 → C-sp2 conversion. After the maximum fluencies of irradiation, for both ions, all the films present a rigid amorphous structure with 95 to 100% of sp2 phase. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the clusters model. In contrast, our results show that after the irradiation process all films are hard and present null intrinsic stress. The rigidity of the structure is attributed to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high degree bond angle distortions by the ion irradiation induce the formation of non-hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. The formation of new amorphous carbon phases, which combine relatively high hardness and null intrinsic stress, was possible through ionic irradiation, creating a new class of materials with great technological potentialities.

Nesse trabalho foram estudados os efeitos da irradiação iônica em filmes de carbono amorfo hidrogenado, sem (a-C:H) e com a presença de N e F (a-C:N:H e a-C:F:H, respectivamente). Os filmes foram crescidos através da técnica de Deposição Química na Fase Vapor Assistida por Plasma. Após a deposição, os filmes foram irradiados com N+ a 400 keV e Xe++ a 800 keV. Esses íons e suas energias foram escolhidos de modo que nas irradiações com N+ e Xe++ predomine o poder de predomine o poder de freamento eletrônico e nuclear, respectivamente. Alterações nas propriedades estruturais, ópticas e mecânicas foram investigadas através das técnicas de perfilometria, espectroscopia Raman, espectroscopia na região do infravermelho próximo, visível e ultravioleta, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons (análises por retroespalhamento de Rutherford e análise por reação nuclear). Os resultados revelam que a irradiação causa um decréscimo na concentração atômica de H em todas as amostras, e na concentração de F nas amostras de a-C:F:H. Não foram verificadas alterações na concentração de N nos filmes de a-C:N:H. Os espectros Raman e as medidas do gap de Tauc revelam que a irradiação provoca um decréscimo na concentração de estados sp3, devido à conversão C-sp3 → C-sp2. Após as máximas fluências de irradiação, independente do íon precursor, todos os filmes apresentam uma estrutura amorfa rígida, composta com 95 a 100 % de estados sp2. Geralmente, como prevê o modelo de “clusters”, fases sp2 são planares e apresentam baixos valores de dureza. Ao contrário, nossos resultados mostram que após as maiores fluências de irradiação todos os filme combinam boas propriedades mecânicas e tensão interna nula. A rigidez da estrutura resulta do elevado grau de distorção angular nas ligações carbono sp2, o que permite a formação de anéis não hexagonais, como pentágonos e heptágonos, possibilitando a formação de sítios curvos, criando uma estrutura tridimensional. Além disso, com a redução dos estados sp3 obtivemos estruturas não usuais. Filmes de carbono amorfo tipicamente apresentam elevados valores de dureza e tensão interna compressiva, o que limita a espessura máxima do filme, prejudica sua adesão sobre determinados substratos e torna o filme suscetível à falhas mecânicas por delaminação. Através da irradiação iônica foi possível a formação de novas fases metaestáveis combinando elevada dureza e tensão interna nula, ou seja, uma nova classe de materiais com grande potencial tecnológico. / In this work, the effect of ion irradiation in amorphous hydrogenated carbon films, without (a-C: H) and with the presence of N and F (a-C: N: H and a-C: F: H, respectively) was studied. The films were deposited by the Plasma Enhanced Chemical Vapor technique. After deposition they were irradiated with 400 keV N+ and 800 keV Xe++, energies at which electronic and nuclear stopping powers respectively predominate, at fluences ranging from 1 x1014 to 3 x 1016 ions cm-2. Density and atomic composition of the samples before and after irradiation were investigated by perfilometry and ion beam analysis techniques (Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis). The carbon structure of the films was probed by micro-Raman analysis. Hardness and elastic modulus measurements were performed via nanoindentation technique. The intrinsic stress variation was measured through the flexion method. The results show that the irradiation produce hydrogen loss in all the samples, and loss of F in the a-C:F:H samples. The concentration of N in the a-C:N:H samples is not modified during the irradiations. The Raman and Tauc gap measurements showed that high fluences of irradiation lead to an increase in the number and/or size of the sp2-C sites, due to the C-sp3 → C-sp2 conversion. After the maximum fluencies of irradiation, for both ions, all the films present a rigid amorphous structure with 95 to 100% of sp2 phase. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the clusters model. In contrast, our results show that after the irradiation process all films are hard and present null intrinsic stress. The rigidity of the structure is attributed to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high degree bond angle distortions by the ion irradiation induce the formation of non-hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. The formation of new amorphous carbon phases, which combine relatively high hardness and null intrinsic stress, was possible through ionic irradiation, creating a new class of materials with great technological potentialities.

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.

Sensores de filme de carbono, construídos a partir de resistores com 2 Ω de resistência nominal, foram utilizados para aplicações em áreas de interesse ambiental e farmacêutico sem a modificação prévia de suas superfícies. Através de um tratamento eletroquímico em meio ácido, é possível obter uma faixa de potencial (para ambos os limites anódico e catódico) maior comparado aos eletrodos de carbono convencionalmente utilizados. Devido ao fato dos sensores serem confeccionados em escala industrial na Alemanha, seu custo é muito baixo, tornando possível sua utilização na forma de eletrodos descartáveis. Além disso, são caracterizados por uma grande versatilidade, reprodutibilidade e estabilidade. Para comprovar a viabilidade dos eletrodos de filme de carbono como transdutores voltamétricos, amostras de paraquat foram analisadas em águas de rio e potável. A associação com a voltametria de onda quadrada possibilitou obter um limite de detecção inferior ao limite máximo estabelecido para o herbicida em água potável. Estudos por voltametria cíclica mostraram dois picos para a redução do paraquat, similares aos descritos na literatura. Os sensores de filme de carbono também foram adaptados ao sistema de análise por injeção em fluxo para a determinação amperométrica de paracetamol e de ambroxol em formulações farmacêuticas. Em ambos os estudos, foi possível obter ampla faixa linear de concentração, baixos limites de detecção e sensibilidade elevada. Estudos de repetibilidade com os dois analitos apresentaram desvios padrões relativos de até 3%, comprovando a ausência de efeito de memória. Os resultados obtidos durante as análises em fluxo com os novos sensores amperométricos concordaram com as metodologias descritas nas farmacopéias. Ao longo dos quatro anos de doutoramento também foram desenvolvidos outros estudos, os quais estão descritos nos apêndices desta tese. / Carbon film sensors, built from resistors of 2 Ω nominal resistance, were employed for application in the environment and pharmaceutical fields without previous modification of the electrode surface. When these sensors are electrochemically treated they obtain a wider potential window (both anodic and cathodic regions) than many other forms of carbon. Due to the fact that sensors are produced on industrial scale in Germany, the cost of each unit is very low, a feature that enables the use of these electrodes in disposable form. Moreover, they have great versatibility, reproducibility and stability. To prove the suitability of the carbon film electrodes as voltammetric sensors paraquat samples were analysed in river and drinking water. The association with the square wave voltammetry led to a detection limit below the allowed upper limit for herbicide analysis in drinking water. Previous results with cyclic voltammetry showed two peaks for paraquat reduction, in agreement with the literature data. The carbon film sensors were also adapted to the flow injection analysis system for amperometric determination of acetaminophen and ambroxol in pharmaceutical formulations. It was possible to obtain a wide linear working range, low detection limit and high sensitivity for both analytes. During the repeatabilty studies, acetaminophen and ambroxol showed relative standard desviations lower than 3% without any memory effect. The results obtained with a new amperometric sensor associated to FIA were in good agreement with those recommended by pharmacopoeias. In the appendices of this thesis are described other studies which have been developed for four years of PhD.

Sensores de filme de carbono, construídos a partir de resistores com 2 Ω de resistência nominal, foram utilizados para aplicações em áreas de interesse ambiental e farmacêutico sem a modificação prévia de suas superfícies. Através de um tratamento eletroquímico em meio ácido, é possível obter uma faixa de potencial (para ambos os limites anódico e catódico) maior comparado aos eletrodos de carbono convencionalmente utilizados. Devido ao fato dos sensores serem confeccionados em escala industrial na Alemanha, seu custo é muito baixo, tornando possível sua utilização na forma de eletrodos descartáveis. Além disso, são caracterizados por uma grande versatilidade, reprodutibilidade e estabilidade. Para comprovar a viabilidade dos eletrodos de filme de carbono como transdutores voltamétricos, amostras de paraquat foram analisadas em águas de rio e potável. A associação com a voltametria de onda quadrada possibilitou obter um limite de detecção inferior ao limite máximo estabelecido para o herbicida em água potável. Estudos por voltametria cíclica mostraram dois picos para a redução do paraquat, similares aos descritos na literatura. Os sensores de filme de carbono também foram adaptados ao sistema de análise por injeção em fluxo para a determinação amperométrica de paracetamol e de ambroxol em formulações farmacêuticas. Em ambos os estudos, foi possível obter ampla faixa linear de concentração, baixos limites de detecção e sensibilidade elevada. Estudos de repetibilidade com os dois analitos apresentaram desvios padrões relativos de até 3%, comprovando a ausência de efeito de memória. Os resultados obtidos durante as análises em fluxo com os novos sensores amperométricos concordaram com as metodologias descritas nas farmacopéias. Ao longo dos quatro anos de doutoramento também foram desenvolvidos outros estudos, os quais estão descritos nos apêndices desta tese. / Carbon film sensors, built from resistors of 2 Ω nominal resistance, were employed for application in the environment and pharmaceutical fields without previous modification of the electrode surface. When these sensors are electrochemically treated they obtain a wider potential window (both anodic and cathodic regions) than many other forms of carbon. Due to the fact that sensors are produced on industrial scale in Germany, the cost of each unit is very low, a feature that enables the use of these electrodes in disposable form. Moreover, they have great versatibility, reproducibility and stability. To prove the suitability of the carbon film electrodes as voltammetric sensors paraquat samples were analysed in river and drinking water. The association with the square wave voltammetry led to a detection limit below the allowed upper limit for herbicide analysis in drinking water. Previous results with cyclic voltammetry showed two peaks for paraquat reduction, in agreement with the literature data. The carbon film sensors were also adapted to the flow injection analysis system for amperometric determination of acetaminophen and ambroxol in pharmaceutical formulations. It was possible to obtain a wide linear working range, low detection limit and high sensitivity for both analytes. During the repeatabilty studies, acetaminophen and ambroxol showed relative standard desviations lower than 3% without any memory effect. The results obtained with a new amperometric sensor associated to FIA were in good agreement with those recommended by pharmacopoeias. In the appendices of this thesis are described other studies which have been developed for four years of PhD.