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En el depósito físico en fase vapor (PVD), se utilizan diversos gases en función del proceso específico y de las propiedades de recubrimiento deseadas. Estos gases pueden clasificarse a grandes rasgos en gases inertes y gases reactivos. Los gases inertes, como el argón, se utilizan principalmente en los procesos de pulverización catódica para facilitar la expulsión de los átomos del material objetivo. Los gases reactivos como el oxígeno, el nitrógeno, el metano y el acetileno se utilizan para reaccionar químicamente con el material expulsado, formando compuestos como óxidos, nitruros y carburos. La elección del gas depende de factores como el peso atómico del material objetivo y la composición química deseada del revestimiento.

Explicación de los puntos clave:

1. Gases inertes en PVD:

   • Argón (Ar): El gas inerte más utilizado en PVD, especialmente en los procesos de sputtering. Se elige el argón porque es químicamente inerte, lo que significa que no reacciona con el material objetivo. Su peso atómico es cercano al de muchos materiales objetivo, lo que lo hace eficaz para la transferencia de momento durante el sputtering.
   • Neón (Ne): Se utiliza para la pulverización catódica de elementos ligeros debido a su bajo peso atómico, que encaja bien con materiales diana más ligeros.
   • Criptón (Kr) y Xenón (Xe): Estos gases inertes más pesados se utilizan para la pulverización catódica de elementos pesados. Su mayor peso atómico los hace más eficaces a la hora de transferir impulso a los materiales objetivo más pesados.

2. Gases reactivos en PVD:

   • Oxígeno (O2): Se utiliza para formar revestimientos de óxido metálico. Cuando el oxígeno reacciona con los átomos metálicos expulsados del objetivo, forma compuestos como el óxido de titanio (TiO2) o el óxido de aluminio (Al2O3), que se utilizan habitualmente por su dureza y propiedades ópticas.
   • Nitrógeno (N2): Reacciona con átomos metálicos para formar nitruros metálicos, como el nitruro de titanio (TiN) o el nitruro de aluminio (AlN). Estos revestimientos son conocidos por su resistencia al desgaste y se utilizan a menudo en herramientas de corte y revestimientos decorativos.
   • Metano (CH4) y acetileno (C2H2): Estos gases se utilizan para formar carburos metálicos, como el carburo de titanio (TiC) o el carburo de wolframio (WC). Los recubrimientos de carburo se valoran por su dureza y resistencia al desgaste y la corrosión.
   • Hidrógeno (H2): A veces se utiliza en combinación con otros gases para modificar las propiedades del revestimiento, como la reducción de óxidos o la alteración de la microestructura de la película depositada.

3. Sistema de entrada de gas de proceso:

   • Los gases se suministran desde bombonas de gas y se controlan mediante una serie de válvulas y medidores antes de entrar en la cámara de vacío. Esto garantiza un control preciso de los caudales y la composición de los gases, lo que es fundamental para conseguir las propiedades de recubrimiento deseadas.
   • El sistema debe calibrarse cuidadosamente para mantener la mezcla de gases y la presión correctas dentro de la cámara, ya que estos parámetros afectan directamente a la calidad y consistencia del revestimiento PVD.

4. Sputtering reactivo:

   • En el sputtering reactivo, se introducen gases reactivos como nitrógeno o acetileno en el proceso de sputtering. Estos gases reaccionan químicamente con los átomos del material expulsado, formando recubrimientos compuestos directamente sobre el sustrato.
   • Este proceso permite la deposición de una amplia gama de materiales, como óxidos, nitruros y carburos, con un control preciso de la composición química y las propiedades del revestimiento.

5. Aplicaciones de los distintos gases:

   • Argón: Utilizado en procesos de sputtering no reactivos en los que el objetivo es depositar películas metálicas puras sin modificación química.
   • Oxígeno: Se utiliza para crear revestimientos de óxido transparentes, duros y resistentes al desgaste, a menudo utilizados en aplicaciones ópticas y de protección.
   • Nitrógeno: Comúnmente utilizado en la producción de revestimientos de nitruro duros y resistentes al desgaste para herramientas y maquinaria.
   • Metano/acetileno: Se utiliza para producir revestimientos de carburo, que son extremadamente duros y resistentes al desgaste, lo que los hace adecuados para herramientas de corte y aplicaciones de alto esfuerzo.

6. Consideraciones para la selección del gas:

   • Correspondencia del peso atómico: El peso atómico del gas de sputtering debe ser próximo al del material objetivo para garantizar una transferencia de momento eficaz. Por este motivo, el argón se utiliza habitualmente para muchos metales, mientras que el neón, el criptón o el xenón se emplean para elementos más ligeros o más pesados, respectivamente.
   • Reactividad: La elección del gas reactivo depende de la composición química deseada del revestimiento. Por ejemplo, el oxígeno se utiliza para revestimientos de óxido, el nitrógeno para revestimientos de nitruro y el metano o acetileno para revestimientos de carburo.
   • Control del proceso: Los caudales de gas, la presión y la mezcla deben controlarse cuidadosamente para conseguir las propiedades de revestimiento deseadas. Esto requiere una instrumentación y una supervisión precisas durante todo el proceso de PVD.

En resumen, los gases utilizados en PVD se seleccionan en función de su función en el proceso de deposición, ya sea como gases inertes para sputtering o como gases reactivos para la formación de recubrimientos compuestos. La elección del gas, junto con el control preciso de los parámetros del proceso, es crucial para conseguir las propiedades de recubrimiento deseadas en las aplicaciones de PVD.

Tabla resumen:

Tipo de gas	Ejemplos	Papel en PVD	Aplicaciones
Gases inertes	Argón (Ar), Neón (Ne)	Facilitan el sputtering expulsando los átomos del material objetivo sin reacción química	Pulverización catódica no reactiva para películas metálicas puras
Gases reactivos	Oxígeno (O2), Nitrógeno (N2)	Reaccionan químicamente con el material objetivo para formar óxidos, nitruros o carburos	Recubrimientos duros y resistentes al desgaste para herramientas, óptica y aplicaciones decorativas
Gases reactivos	Metano (CH4), acetileno (C2H2)	Forman carburos metálicos de extrema dureza y resistencia al desgaste	Herramientas de corte y aplicaciones de alto esfuerzo
Gases reactivos	Hidrógeno (H2)	Modifica las propiedades del revestimiento reduciendo los óxidos o alterando la microestructura	Aplicaciones especializadas que requieren modificaciones precisas del revestimiento

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