Síntesis de películas delgadas de tántalo por la técnica de magnetrón sputtering y su caracterización mecánica

Abstract

En esta investigación se sintetizaron películas delgadas de tántalo (Ta) mediante la técnica de magnetrón sputtering DC con aplicación del bias sputtering, con el objetivo de caracterizar mecánicamente estos recubrimientos para mitigar el deterioro superficial de materiales causado por procesos de corrosión, desgaste y fatiga. La deposición se realizó bajo condiciones controladas de vacío, presión y potencia, obteniéndose recubrimientos homogéneos sobre sustratos de oblea de silicio (100). La caracterización mecánica incluyó el análisis del estrés, evaluado mediante la ecuación de Stoney; ensayos de nanoindentación para determinar la dureza; y el estudio morfológico a través de la microscopía electrónica de barrido (SEM). Los resultados mostraron que las películas presentan un régimen de estrés intrínsecamente compresivo en toda la gama de espesores estudiada, con mayores magnitudes en las capas delgadas debido a la limitada movilidad atómica y a la coalescencia inicial de islas. Al aumentar el espesor, el estrés disminuye gradualmente, reflejando mayor densificación y estabilidad estructural, fenómeno descrito por la fórmula empírica: 𝐴 (𝐵)=−45.52(1−𝑒−1𝐵⁄), donde A representa el estrés (GPa) y B el espesor (nm). La dureza promedio se ubicó entre 7.2 – 7.5 GPa, estabilizándose al superar los efectos superficiales asociados a la rugosidad y tensiones iniciales. El análisis por SEM reveló una microestructura columnar densa con microvacíos intercolumnarios, coherente con el estado tensional medido. En conjunto, estos resultados confirman la viabilidad de obtener películas delgadas de tántalo con propiedades mecánicas estables y reproducibles, destacando su potencial en aplicaciones aeroespaciales, térmicas, electrónicas y biomédicas