Comportamiento mecánico de multicapas basadas en films delgados porosos

RAMALLO, JUAN IGNACIO; MORRONE, JOSEFINA; LIONELLO, DIEGO F.; ANGELOMÉ, PAULA C.; FUERTES, MARÍA CECILIA

Encuentro; XXI Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados NANO 2022; 2022

En los últimos años, se han dirigido esfuerzos en intentar imitar las nanoestructuras laminares presentes en algunos insectos dadas sus propiedades ópticas y de hidrofobicidad, entre otras [1]. Basado en estas nanoestructuras naturales, se han diseñado y sintetizado diversos tipos de cristales fotónicos (medios electromagnéticos periódicamente estructurados que generalmente poseen ciertos rangos de frecuencias en los cuales la luz no puede propagarse a través del material) para construir sensores ópticos [2]. Estos sensores basados en cristales fotónicos responsivos se han construido utilizando multicapas de silicio poroso [2] y compuestas por capas alternadas de SiO2 y TiO2 [3], entre otros materiales. La evaluación de las multicapas como sensores ópticos implica determinar la durabilidad y estabilidad de este tipo de dispositivos construidos con materiales porosos [4]. En particular, el estudio de las interfaces en multicapas porosas se torna vital para evaluar el desempeño de estos dispositivos, interesando tanto su estabilidad mecánica como la adhesión al sustrato y la adhesión entre capas.En el presente trabajo se estudió el efecto de las interfaces en las propiedades mecánicas e integridad de multicapas porosas construidas alternando films de SiO2 y TiO2. Se construyeron dos tipos de multicapas: 1) basadas en films formados por el ensamblado denanopartículas de SiO2 o TiO2 (NPs) [5], y 2) basadas en films mesoporosos de SiO2 y TiO2 sintetizados por sol gel (SG) [6]. Para el estudio mecánico de estos materiales se utilizó la nanoindentación, realizando ensayos hasta diferentes cargas máximas [6]. Se observó que laspropiedades mecánicas de ambos sistemas multicapa son semejantes (Figura 1): la dureza (H) es similar excepto a bajas profundidades de penetración, mientras que el módulo de indentación (E) vale 10 ± 2 GPa y 11 ± 1 GPa, para SG y para NPs, respectivamente. El mayor valor de H para multicapas SG puede deberse a que estas multicapas presentan superficies con menor densidadde defectos que los sistemas NPs. Sin embargo, si se comparan las características morfológicas de las improntas obtenidas al realizar indentaciones hasta 2 μm de profundidad (Figura 1), se observa que NPs presenta comparativamente una mayor tenacidad, aunque con presencia de algunas fisuras. Por su parte, la multicapa SG presenta una mayor densidad de fisuras y delaminación, para la misma solicitación. Esto puede estar relacionado con las diferencias de las interfaces: en films mesoporosos las interfaces entre capas son más definidas, mientras que en el caso de films de NPs, las capas presentan una mayor interpenetración.