DE60021627T2 - Hochtetraedrische amorphe Kohlenstofffilme auf Glas - Google Patents

Hochtetraedrische amorphe Kohlenstofffilme auf Glas Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung (diamond like carbon, DLC), die auf einem Glas oder einem anderen Substrat bereitgestellt ist. Insbesondere bezieht sich in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen diese Erfindung auf eine hochtetraederförmige amorphe diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung auf einem Natron enthaltenden Glas-Substrat (z.B. auf einem Natronkalksilikaglassubstrat) zum Zwecke des Abweisens von Wasser und/oder Reduzierens von Korrosion auf dem beschichteten Artikel. Ionenstrahlen und gefilterte Kohlenstoffkathodenlichtbogenablagerung sind bevorzugte Verfahren zur Ablagerung für die Beschichtung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Natronenthaltende Gläser sind im Stand der Technik bekannt. Siehe z.B. US-Patent 5,214,008.
  • Natronkalksilikatglas wird beispielsweise verwendet als architektonisches Glas, Kraftfahrzeugwindschutzscheiben u.ä. Das vorgenannte '008-Patent offenbart einen Typ von Natronkalksilikatglas, welcher im Stand der Technik bekannt ist.
  • Unglücklicherweise ist herkömmliches Natron enthaltendes Glas anfällig gegenüber umweltmäßiger Korrosion, welche auftritt, wenn Natrium (Na) von dem inneren des Glases diffundiert oder es verlässt. Dieses Natrium kann beim Erreichen der Oberfläche reagieren mit Wasser, um sichtbare Flecken oder Schlieren (z.B. Flecken aus Natriumhydroxid) auf der Glasoberfläche zu bilden. Solche Gläser sind auch insoweit anfällig, als dass sie Wasser auf ihren Oberflächen zurückbehalten in vielen verschiedenen Umgebungen, unter anderem wenn sie verwendet werden als Kraftfahrzeugfenster (z.B. Heckscheiben, Seitenfenster und/oder Windschutzscheiben). Diese Gläser sind auch anfällig gegenüber dem Beschlagen auf ihrer inneren Oberfläche in Automobil- und anderen Umgebungen.
  • Im Hinblick auf das oben genannte ist es offensichtlich, dass es ein Bedürfnis gibt im Stand der Technik, sichtbare Flecken/Korrosion auf Natron enthaltende beschichtete Glasoberflächen zu verhindern und/oder zu minimieren. Es besteht auch eine Notwendigkeit im Stand der Technik eine starke schützende Beschichtung auf Fenstersubstraten bereitzustellen. Andere Erfordernisse des Stands der Technik umfassen die Notwendigkeit für eine Beschichtung auf Glas, welche die Anfälligkeit des beschichteten Artikels gegenüber Beschlagen in Automobil- und anderen Umgebungen reduziert, und die Notwendigkeit für einen beschichteten Glasartikel, welcher Wasser und/oder Dreck abweisen kann.
  • Es ist bekannt, diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (DLC) auf Glas bereitzustellen. Das US-Patent 5,637,353 beschreibt beispielsweise, dass DLC bereitgestellt werden kann auf Glas. Das '353-Patent lehrt, dass weil es ein Verbindungsproblem gibt zwischen Glas und diesem Typ von DLC, eine Zwischenschicht dazwischen bereitgestellt ist. Darüber hinaus offenbart oder erwähnt das '353-Patent nicht den hochtetraederförmigen amorphen Typ von DLC, welcher verwendet wird in vielen Ausführungsformen, welche unten beschrieben werden. Das DLC des '353-Patents wäre kein effektiver Korrosionsminimierer auf Glas in vielen Fällen wegen seiner niedrigen Dichte (wohl weniger als 2,0 g/cm3). Des Weiteren wird der DLC des '353-Patents abgelagert auf eine weniger effiziente Weise für bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung.
  • Es ist bekannt, dass viele Glassubstrate kleine Sprünge in ihrer Oberfläche definieren. Die Belastung, welche benötigt wird, um das Glas zu brechen, nimmt typischerweise mit zunehmender Wasseraussetzung ab. Wenn Wasser eintritt in solch einen Sprung verursacht es, dass interatomare Bindungen an der Spitze des Sprungs zerreißen. Dies schwächt das Glas. Wasser kann die Rate des Rißwachstums mehr als tausendmal beschleunigen durch das Angreifen der Struktur des Glases am Grund oder der Spitze des Sprungs. Die Stärke von Glas wird teilweise gesteuert durch das Wachstum von Sprüngen, welche das Glas penetrieren.
  • Das Wasser in diesen Sprüngen reagiert mit Glas und veranlasst, dass es leichter bricht, wie es beschrieben wird in „The Fracturing of Glass" von T.A. Michalske und Bruce C. Bunker, welches hiermit unter Bezugnahme aufgenommen wird. Die Wassermoleküle verursachen eine konzentrierte chemische Reaktion, in der eine Silizium-Sauerstoffbindung (des Glases) an der Sprungspitze und auf der Sauerstoffwasserstoffbindung in dem Wassermolekül beide aufgespalten werden, wodurch zwei Silanolgruppen entstehen. Die Länge des Sprungs erhöht somit durch das Reißen der Bindung die Schwächung des Glases. Die Reaktion mit dem Wasser vermindert die Energie, welche notwendig ist, um die Silizium-Sauerstoffbindungen zu brechen, um einen Faktor von ungefähr 20, und somit gestattet das Brechen der Verbindung den Glassprüngen, schneller zu wachsen.
  • Es besteht daher eine Notwendigkeit im Stand der Technik, zu verhindern, dass Wasser die Silikon-Sauerstoffbindungen an den Sprungspitzen in einem Glassubstrat erreicht, um so das Glas zu stärken. Ein beschichtetes Glas in Ubereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bekannt aus der WO 98/26926.
  • Es ist ein Zweck dieser Erfindung, eines oder alle der oben beschriebenen Erfordernisse im Stand der Technik zu erfüllen und/oder andere Erfordernisse, welche offensichtlich werden für den Fachmann, wenn ihm die folgende Offenbarung gegeben wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen beschichteten Artikel bereitzustellen, welcher Wasser abweisen kann (z.B. Kfz-Windschutzscheibe, Kfz-Heckscheibe, Kfz-Seitenfenster, architektonische Fenster, etc.).
  • Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein System oder ein Mittel zum Reduzieren oder Minimieren von Korrosion auf Natron enthaltenden beschichteten Glasartikeln bereitzustellen.
  • Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen beschichteten Glasartikel bereitzustellen, wobei eine DLC-Beschichtung das Glas schützt vor Säure wie z.B. HF, Salpetersäure und Natriumhydroxid (die Beschichtung kann chemisch inert sein).
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen beschichteten Glasartikel bereitzustellen, welcher nicht sofort anfällig ist gegenüber Beschlagen.
  • Ein weiteres Ziel ist es, eine Barriereschicht bereitzustellen, welche keine Nadellöcher aufweist auf einem Glassubstrat.
  • Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen beschichteten Glasartikel bereitzustellen, welcher abrasionsresistent ist und/oder Schmutz und ähnliches abweisen kann.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Glassubstrat bereitzustellen mit einer DLC-Beschichtung inklusive einer hochtetraederförmigen dichten amorphen Karbonschicht, entweder in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Substrat.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine DLC-Beschichtung auf einem Substrat bereitzustellen, wobei die Beschichtung verschiedene Teile oder Lagen umfasst mit verschiedenen Dichten und verschiedenen sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Anteilen. Das Verhältnis von sp3- zu sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen kann unterschiedlich sein in unterschiedlichen Schichten oder Teilen der Beschichtung. Solch eine Beschichtung mit variierenden Zusammensetzungen darin kann kontinuierlich gebildet werden durch Variieren der Ionenenergie, welche verwendet wird in dem Ablagerungsprozess, so dass Spannungen in der Beschichtung reduziert werden, in dem Schnittstellenteil/Schicht der DLC-Beschichtung unmittelbar neben dem darunter liegenden Substrat. Daher kann eine DLC-Beschichtung darin eine Schnittstellenschicht aufweisen mit einer gegebenen Dichte und einem sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungs-Anteil und eine andere Schicht mit einer höheren Dichte und einem höheren sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungs-Anteil.
  • Im Allgemeinen erfüllt diese Erfindung bestimmte der oben beschriebenen Erfordernisse/Ziele im Stand der Technik durch Bereitstellung eines beschichteten Glases, welches die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden angezeigt in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6. Die vorliegende Erfindung wird nun beschrieben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen, zusammen mit einer Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
  • In den Zeichnungen
  • 1 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines beschichteten Artikels in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, welche nicht gedeckt ist durch die Ansprüche, wobei ein Substrat versehen ist mit einer DLC-Beschichtung, welche zumindest zwei Schichten aufweist.
  • 2 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines beschichteten Artikels in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform, welche nicht durch die Ansprüche gedeckt ist, wobei eine hochtetraederförmige amorphe Kohlenstoff-DLC-Beschichtung bereitgestellt ist auf und in Kontakt mit einem Substrat.
  • 3 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines beschichteten Artikels in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung, wobei eine Niedrig-Emissions- oder andere Beschichtung bereitgestellt ist auf einem Substrat, wobei die DLC-Beschichtung von den Ausführungsformen von entweder 1 oder 2 auch auf dem Substrat ist, aber auf der Niedrig-Emissions-Zwischenbeschichtung.
  • 4 veranschaulicht eine modellhafte sp3-Kohlenstoff-Atomhybridbindung.
  • 5 veranschaulicht eine modellhafte sp2-Kohlenstoff-Atomhybridbindung.
  • 6 illustriert eine modellhafte sp-Hybridisierung eines Kohlenstoffatoms.
  • 7 ist eine seitliche Querschnittsansicht von Kohlenstoffionen, welche das Substrat oder die DLC-Oberfläche penetrieren, um eine DLC-Schicht fest zu binden, in Übereinstimmung mit jeder hier angesprochenen Ausführungsform.
  • 8 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines beschichteten Glassubstrats in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, welche nicht gedeckt ist durch die Ansprüche, welche DLC-Bindungen veranschaulicht, welche Sprünge in der Oberfläche eines Glassubstrats penetrieren.
  • Detaillierte Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung
  • Bezug nehmend nun spezieller auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben durchgängig in den beigefügten Ansichten.
  • 1 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines beschichteten Glasartikels in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung, wobei zumindest eine oder mehrere diamantähnliche Kunststoffschutzschicht(en) 3 bereitgestellt ist bzw. werden, direkt auf einem Natron enthaltenden Glassubstrat 1. Die DLC-Beschichtung 3 in der Ausführungsform gemäß 1 umfasst zumindest eine hochtetraederförmige amorphe Kohlenstoff (ta-C) Schicht 7, welche eine hohe Dichte (z.B. > 4,2 g/cm3) aufweist und dazu dient, Wasser abzuweisen und Natron innerhalb des Natron enthaltenden Glassubstrats 1 abzudichten. Die Beschichtung 3 umfasst weiterhin zumindest eine Schnittstellenschicht 8 direkt angrenzend an das Substrat 1, wo die Schicht 8 eine geringere Dichte und einen geringeren Prozentsatz von sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen aufweist, als die ta-C-Schicht 7. Obwohl die Schicht 8 unterschiedlich ist von der Schicht 7 in diesen Gesichtspunkten, kann sich die Schicht 8 qualifizieren als ta-C oder nicht mit einer Dichte von zumindest ungefähr 2,4 g/cm3, wie unten beschrieben. Es wird festgehalten, dass in bestimmten Ausführungsformen die Beschichtung 3 verschiedene ta-C-Schichten 7 und/oder mehrere Schichten 8 enthalten kann. Die Schichten 7 und 8 der Beschichtung können geformt werden in einem kontinuierlichen oder nichtkontinuierlichen Ablagerungsprozess in verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung.
  • 2 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines beschichteten Glasartikels in Ubereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung, wobei zumindest eine oder mehrere DLC-Beschichtung(en) 3 bereitgestellt ist bzw. werden auf dem Glassubstrat 1. In der Ausführungsform gemäß 2 ist im Wesentlichen die gesamte DLC-Beschichtung 3 hergestellt aus einem hochtetraederförmigen amorphen Kohlenstoff (ta-C) ähnliche zu Schicht 7, welcher eine Dichte von zumindest ungefähr 2,4 g/cm3 aufweist und einen hohen Prozentsatz (z.B. zumindest ungefähr 35 % mehr bevorzugt zumindest ungefähr 70 % und am meisten bevorzugt zumindest ungefähr 80%) an sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen. Mit anderen Worten bildet die ta-C-Schicht 7 aus der Ausführungsform der 1 die Gesamtheit der DLC-Beschichtung 3 gemäß der Ausführungsform aus 2. Die DLC-Beschichtung 3 in der Ausführungsform gemäß 2 kann oder kann nicht gleiche Dichten und/oder den gleichen Anteil von sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen aufweisen über die Dicke der Beschichtung 3, da diese Parameter variiert werden können durch die Schichten 3, 7 und 8 in den Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 durch Ändern der Ionenenergie, welche verwendet wird während des Ablagerungsprozesses der Beschichtung 3.
  • In der Ausführungsform gemäß 3 wird eine Niedrig-Emissions- oder eine andere Beschichtung 5 bereitgestellt zwischen dem Substrat 1 und der DLC-Beschichtung 3 (d.h. die DLC-Beschichtung gemäß entweder der Ausführungsform nach 1 oder 2).
  • Allerdings ist die DLC-Beschichtung 3 immer noch auf dem Substrat 1 in der Ausführungsform gemäß 3 zusammen mit einem ta-C-Teil 7 der Beschichtung 3. Deshalb bedeutet der Begriff „auf" hierin, dass das Substrat 1 die DLC- Beschichtung 3 oder jede Schicht (z.B. 7, 8) davon trägt, unabhängig davon, ob andere Schicht(en) 5 dazwischen bereitgestellt sind oder nicht.
  • Daher kann die Schutzschicht 3 direkt bereitgestellt werden auf dem Substrat 1, wie in den 1 bis 2 gezeigt oder sie kann bereitgestellt werden auf dem Substrat 1 mit einer Niedrig-Emissions- oder anderen Beschichtung(en) 5 dazwischen, wie in 3 gezeigt. Die Beschichtung 5 kann, anstelle von ihrer veranschaulichten Position in 3 auch bereitgestellt werden auf der Oberseite der DLC-Beschichtung 3, so dass die Beschichtung 3 (von entweder der Ausführungsform gemäß 1 oder 2) angeordnet ist zwischen der Beschichtung(en) 5 und dem Substrat 1. In noch weiteren Ausführungsformen können die DLC-Beschichtungen bereitgestellt werden auf beiden Seiten einer Niedrig-Emissions-Beschichtung 5.
  • Beispielhafte Beschichtungen (im Ganzen oder einem Teil dieser Beschichtungen), welche verwendet werden können als Niedrig-Emissions- oder andere Schicht(en) 5 entweder auf der Oberseite oder unterhalb der DLC-Beschichtung 3, werden gezeigt und/oder beschrieben in den US-Patenten 5,837,108, 5,800,933, 5,770,321, 5,557,462, 5,514,476, 5,425,861, 5,344,716, 5,376,455, 5,298,048, 5,242,560, 5,229,194, 5,188,887 und 4,960,645, welche allesamt hiermit unter Bezugnahme aufgenommen werden. Einfache Silikonoxyd- und/oder Silikonnitridbeschichtung(en) können auch verwendet werden als Schicht(en) 5.
  • Wie es weiter unten detaillierter diskutiert wird, ist eine hochtetraederförmige amorphe Kohlenstoff-(ta-C)-Schicht(en) 7 eine Spezielle Form eines diamantähnlichen Kohlenstoffs (DLC) und umfasst zumindest ungefähr 35% sp3 Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (d.h. es ist hochtetraederförmig). In bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung weist die ta-C-Schicht(en) 7 zumindest ungefähr 35% sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen der gesamten sp-Bindungen in der Schicht auf, mehr bevorzugt zumindest ungefähr 70 % und am meisten bevorzugt zumindest ungefähr 80% sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, um die Dichte der Schicht 7 und ihre Bindungsfestigkeit zu erhöhen. Die Menge der sp3- Bindungen kann gemessen werden unter Verwendung von Raman-Fingerdruck und/oder Elektrodenenergieverlustspektroskopie. Die Hohe Menge von sp3-Bindungen erhöht die Dichte der Schicht, wobei ihr gestattet wird, eine Natrondif-fusion zu verhindern zu der Oberfläche des beschichteten Artikels.
  • Die ta-C-Schicht 7 bildet die Gesamtheit der DLC-Beschichtung 3 in der Ausführungsform gemäß 2 und die ta-C-Schicht 7 bildet nur einen Teil der DLC-Beschichtung 3 in der Ausführungsform gemäß 1. Dies kommt daher, dass die schnittstellenartige amorphe Kohlenstoffschicht 8 in der Ausführungsform gemäß 1 manchmal eine Dichte aufweist, welche kleiner ist als ungefähr 2,4 g/cm3 und/oder weniger als ungefähr 35% sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen hat. Es wird jedoch festgehalten, dass die DLC-Beschichtung 3 eine schnittstellenartige Schicht aufweist, welche unmittelbar angrenzt an das Substrat 1 in jeder der Ausführungsformen nach 1 und 2, wobei der Unterschied ist, dass die schnittstellenartige Schicht in der Ausführungsform gemäß 2 eine Dichte von zumindest ungefähr 2,4 g/cm3 aufweist und zumindest ungefähr 35% sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (mehr bevorzugt zumindest ungefähr 70%, und am meisten bevorzugt zumindest ungefähr 80%). Deshalb nimmt die Schicht 7 hierin Bezug sowohl auf die Schicht 7 wie sie in der Ausführungsform gemäß 1 dargestellt wird, als auch auf die DLC-Beschichtung 3 gemäß der Ausführungsform in 2.
  • Zumindest einige der Kohlenstoffatome der DLC-Beschichtung 3 und/oder einige der sp2 und/oder sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind bereitgestellt in Rissen oder Sprüngen in einer Oberfläche (z.B. obere Oberfläche) des Glassubstrats oder können die Glasoberfläche des Substrats 1 selbst penetrieren oder die Oberfläche der wachsenden DLC, um die Beschichtung 3 fest an das Substrat 1 zu binden. Die Subimplantierung von Kohlenstoffatomen in die Oberfläche des Substrats 1 hinein versetzt die Beschichtung 3 in die Lage, fest an das Substrat 1 gebunden zu werden.
  • Zur Vereinfachung veranschaulicht 4 eine beispielhafte sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung oder C-C-Bindung (d.h. Kohlenstoff – Kohlenstoff diamantähnliche Bindung) in der Beschichtung 3, 4 eine beispielhafte sp2-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in der Beschichtung 3 und 5 eine beispielhafte sp3-Bindung.
  • Die Bereitstellung einer dichten (Dichte von zumindest ungefähr 2,4 g/cm3) ta-C-Schicht 7 auf einem Natron enthaltenden Glassubstrat 1 reduziert die Menge an Natron, welches das Substrat verlassen kann oder die Oberfläche des Substrats oder des beschichteten Artikels erreicht (d.h. ta-C begrenzt die Natriumdiffusion von dem Substrat). Daher wird es weniger Natron gestattet, mit Wasser zu reagieren oder anderen Material(ien) auf der Oberfläche des Artikels. Das Endergebnis ist, dass die Bereitstellung der ta-C-Schicht 7 auf dem Substrat Flecken und/oder Korrosion auf dem Glasartikel reduziert, welche sich über die Zeit bilden können. Die große Anzahl von sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen vergrößert die Dichte der Schicht 7 und gestattet der Schicht, Wasser abzuweisen und die Natrondiffusion von Natron enthaltendem Glas zu minimieren.
  • Die Beschichtung(en) 3 und die Schicht(en) 7, 8 verstärken ebenfalls den Glasartikel, reduzieren Spannungen an den Bindungsoberflächen zwischen der Beschichtung 3 und dem Substrat 1 und stellen eine feste Schmiermitteloberfläche auf dem Artikel bereit, wenn die Beschichtung 3 angeordnet wird auf einer Oberfläche des Artikels.
  • Die Beschichtung(en) 3 und/oder die Schicht 7 können einen oberen Lagenteil (z.B. die oberen 3 bis 15 Å aufweisen), welcher weniger dicht ist als zentrale Bereiche der Beschichtung 3, wodurch ein festes Schmiermittel bereitgestellt wird auf der oberen Oberfläche der Beschichtung 3, weit weg von dem Substrat, so dass der Artikel resistent ist gegenüber Zerkratzen. Die ta-C-Schicht 7 sorgt auch für eine Resistenz gegenüber Wasser/Feuchtigkeit, welche(s) eintritt in oder hereinkommt in das Substrat 1. Die Beschichtung 3 und somit die ta-C-Schicht 7 werden vorzugsweise kontinuierlich gebildet/abgelagert über dem Glassubstrat 1, ohne irgendwelche Nadellöcher oder Öffnungen.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird die Schicht 7 und/oder 8 angrenzend an das Glassubstrat abgelagert bei einer Ionenenergie, welche es einer signifikanten Anzahl von Kohlenstoffatomen gestattet, Sprünge in der Glasoberfläche zu penetrieren, wie es in 8 gezeigt wird. Die geringe Größe der Kohlenstoffatome und die Ionenenergie, welche verwendet wird, verhindern im Wesentlichen, dass Wasser die Spitze des Sprungs/der Sprünge erreicht. Dies stärkt das Glas auf lange Sicht durch Verlangsamen und/oder Stoppen des Brechens von Silikon-Sauerstoffbindungen an Sprungspitzen als Folge der Wasseraussetzung.
  • Vorteile, welche verbunden sind mit bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung umfassen: (i) beschichtete Fensterartikel, welche Wasser in verschiedenen Umgebungen abweisen können (z.B. Automobilscheiben, wie beispielsweise Heckscheiben und Windschutzscheiben, oder Geschäfts- und Wohnfenster); (ii) Anti-Beschlag-Beschichtete Artikel, welche gegen ein Beschlagen resistent sind; (iii) verstärkte beschichtete Fenster; (iv) abrasionsresistente beschichtete Fenster; (v) beschichtete Artikel, welche Schmutz abweisen; und (vi) beschichtete Glasartikel, welche weniger anfällig sind gegenüber sichtbarer Korrosion auf der Oberfläche. Beispielsweise wird bei Automobilscheibenausführungsformen die äußere Oberfläche des Substrats 1, welches der Umgebung ausgesetzt wird, beschichtet mit einer Beschichtung 3 in Übereinstimmung mit jeder der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3. In Antibeschlagsautomobilausführungsformen kann die innere Oberfläche von Automobilfenstersubstraten 1 beschichtet sein mit einer Beschichtung 3 in Übereinstimmung mit jeder der Ausführungsformen gemäß 1 bis 3.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist die Beschichtung 3 zumindest ungefähr zu 70 % durchsichtig oder durchlässig für sichtbare Lichtstrahlen, vorzugsweise zumindest ungefähr 80% und am meisten bevorzugt zumindest ungefähr 90% durchlässig für sichtbare Lichtstrahlen.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann die DLC-Beschichtung 3 (und somit Schicht 7 in der Ausführungsform gemäß 2) Bereiche von ungefähr 30 bis 3000 Å dick sein, am meisten bevorzugt von ungefähr 50 bis 300 Å. Was das Glassubstrat 1 anbelangt, so kann es Bereiche von 1,5 bis 5,0 mm dick sein, vorzugsweise von 2,3 bis 4,8 mm dick sein und am meisten bevorzugt von ungefähr 3,7 bis 4,8 mm dick sein. Die ta-C-Schicht 7 weist in bestimmten Ausführungsformen eine Dichte von zumindest ungefähr 2,4 g/cm3 auf, mehr bevorzugt von ungefähr 2,4 bis 3,4 g/cm3 und am meisten bevorzugt von ungefähr 2,7 bis 3,0 g/cm3.
  • Das Substrat 1 umfasst Natron oder Na2O in bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung. Daher minimiert die ta-C-Schicht(en) 7 die Menge an Natron, welche die Oberfläche des beschichteten Artikels erreichen kann und Flecken/Korrosion verursachen kann. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Substrat 1 auf einer Gewichtsbasis von ungefähr 60 bis 80% SiO2, von ungefähr 10 bis 20 % Na2O, von ungefähr 0 bis 10 % CaO, von ungefähr 0 bis 6 % K2O, von ungefähr 0 bis 10 % MgO und von ungefähr 0 bis 5 % Al2O3. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann das Substrat 1 Natronkalksilikatglas sein, welches auf eine Gewichtsbasis umfasst ungefähr 66 bis 75 % SiO2, ungefähr 10 bis 20 % Na2O, ungefähr 5 bis 15 % CaO, ungefähr 0 bis 5% MgO, ungefähr 0 bis 5% Al2O3 und ungefähr 0 bis 5% K2O. Am meisten bevorzugt ist das Substrat 1 ein Natronkalksilikatglas, welches umfasst in Gewichtsprozenten ungefähr 70 bis 74 % SiO2, ungefähr 12 bis 16 % Na2O, ungefähr 7 bis 12 % CaO, ungefähr 3,5 bis 4,5% MgO, ungefähr 0 bis 2,0% Al2O3, ungefähr 0 bis 5% K2O und ungefähr 0,08 bis 0,15 % Eisenoxid. Natronkalksilikatglas kann in Übereinstimmung mit jeder der vorstehend genannten Ausführungsformen eine Dichte aufweisen von ungefähr 150 bis 160 Pfund/Kubikfuß (vorzugsweise ungefähr 156), eine durchschnittliche kurzfristige Biegesteifigkeit von 6500 bis 7500 Psi (vorzugsweise ungefähr 7000 Psi), eine Spezifische Wärme (0 bis 100 °C) von ungefähr 0,20 Btu/LbF, ein Schmelzpunkt von ungefähr 1330 bis 1345 °F, eine thermische Leitfähigkeit von ungefähr 0,52 bis 0,57 Btu/hrftF und einen linearen Expansionsko effizienten (Raumtemperatur bis 350°C) von ungefähr 4,7 bis 5,010–6 °F. In bestimmten Ausführungsformen kann jedes Glas, welches offenbart wird in dem US-Patent Nr. 5,214,008 oder dem Patent Nr. 5,877,103 von denen jedes unter Bezugnahme hierin aufgenommen wurde, verwendet werden als Substrat 1. Es kann auch Natronlcalksilikat-Floatglas als Substrat 1 verwendet werden, welches erhältlich ist von Guardian Industries Corp., Auburn Hills, Michigan.
  • Jedes der vorgenannten Glassubstrate 1 kann beispielsweise grün, blau oder grau hinsichtlich der Farbe sein, wenn geeignete Koloriermittel in dem Glas verwendet werden.
  • In bestimmten anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat 1 auch Borosilikatglas oder aus im Wesentlichen transparentem Kunststoff bestehen. In bestimmten Borosilikatausführungsformen kann das Substrat 1 umfassen von ungefähr 75 bis 85 % SiO2, von ungefähr 0 bis 5% Na2O, von ungefähr 0 bis 4 % Al2O3, von ungefähr 0 bis 5 % K2O, von ungefähr 8 bis 15 % B2O3 und von ungefähr 0 bis 5 % Li2O.
  • In noch weiteren Ausführungsformen kann eine Automobilscheibe (z.B. Windschutzscheibe oder Seitenfenster), welche jedes der obigen Glassubstrate umfasst die auf ein Plastiksubstrat laminiert sind, kombiniert werden, um das Substrat 1 herzustellen, wobei die Beschichtung 3 von jeder der Ausführungsformen der 1 bis 3 bereitgestellt ist auf einer der beiden oder beiden Seiten eines solchen Fensters. In anderen Ausführungsformen wird das Substrat 1 hergestellt aus einem Bogen von Natronkalksilikatglas laminiert auf einem Kunststoffbogen für eine Automobilanwendung, wobei die Beschichtung(en) 3 von jeder der Ausführungsformen der 1 bis 3 auf der inneren Seite des Substrats mit dem Plastik verbunden werden. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 1 erste und zweite Glasbogen umfassen aus jedem der vorstehend genannten Glasmaterialien die miteinander laminiert sind, zur Verwendung in Scheiben auf z.B. Automobilwindschutzscheibe, Wohngebäudefenster, Geschäftsraumfenster, Automobilsei tenfenster, Automobilheckscheiben oder Rückscheiben etc.) und anderen ähnlichen Umgebungen.
  • In bestimmten Ausführungsformen können die Beschichtung 3 und/oder die ta-C-Schicht 7 eine durchschnittliche Härte von ungefähr 30 bis 80 GPa (am meisten bevorzugt von ungefähr 40 bis 75 GPa) und eine Bandlücke von ungefähr 1,8 bis 2,2 eV aufweisen. Es wird festgehalten, dass die Härte und Dichte der Beschichtung 3 und/oder Schichten 7/8 davon angepasst werden kann durch Variieren der Ionenenergie der Ablagerungsvorrichtung oder des Verfahrens, welche unten beschrieben werden.
  • Wenn das Substrat 1 von einem der vorgenannten Materialien beschichtet wird mit zumindest der DLC-Beschichtung 3 in Übereinstimmung mit einer der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 weist der resultierende beschichtete Artikel die folgenden Charakteristika in bestimmten Ausführungsformen auf. Sichtbare Durchlässigkeit (I11). A) > ungefähr 60% (vorzugsweise > ungefähr 70%), UV (ultraviolett) Durchlässigkeit weniger als ungefähr 38%, gesamte Solardurchlässigkeit weniger als ungefähr 45% und IR (infrarot) Durchlässigkeit weniger als ungefähr 35% (vorzugsweise weniger als ungefähr 25%, am meisten bevorzugt weniger als ungefähr 21 %). Die sichtbare „totale Solar", UV- und Infrarot-Durchlässiglceitsmesstechniken werden beschrieben in dem Patent Nr. 5,800,933 sowie in dem '008-Patent, welches unter Bezugnahme hierin aufgenommne wurde.
  • Diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) und die Spezielle tetraederförmige amorphe Kohlenstoff (ta-C)-Form 7 aus DLC, welche verwendet wird in bestimmten Ausführungsformen wird nun im Detail beschrieben. Jeder DLC 3, welcher in den Zeichnungen gezeigt wird, ist amorph. Ta-C 7 ist amorph und weist jedoch eine im Wesentlichen C-C-tetraederförmige (sp3)-Typ-Bindungen auf und wird somit bezeichnet als tetraederförmiger amorpher Kohlenstoff (ta-C) [oder hoch-ta-C], wenn es zumindest 35% sp3-C-C-Bindungen aufweist, vorzugsweise zumindest ungefähr 70 % und am meisten bevorzugt zumindest ungefähr 80% sp3-C-C- Bindungen. Die diamantähnliche Bindung verleiht diesem ta-C-Material hervorragende physikalische Eigenschaften, welche sich denen von Diamant annähern, wie beispielsweise die hohe Härte, hohe Dichte und chemische Inertheit. Ta-C umfasst allerdings auch sp2-C-C-Trigonal-Bindungen und seine optischen elektronischen Eigenschaften werden hauptsächlich bestimmt durch diese Bindungskomponente. Die Brechung der sp2-Bindung und somit die Dichte in einer ta-C-Schicht hängt ab beispielsweise von der Kohlenstoffionenenergie, welche verwendet wird während der Ablagerung der Beschichtung 3 und/oder der Schichten 7 und 8.
  • Die Eigenschaften einer gegebenen DLC-Beschichtung sind eine Funktion der Brechung der sp3- zur sp2-Bindung durch die Beschichtung und somit durch die Schichten 7 und 8. Es wird festgehalten, dass die sp3-Bindungen, welche hierin diskutiert werden, sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind, welche resultieren in einer Beschichtung 3 und/oder 7 mit hoher Dichte und sind keine sp3-Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, welche keine so hohe Dichte bereitstellen.
  • Abhängig von den Ablagerungstechniken enthalten viele ta-C-Schichten 7 hierin Mengen von H (bis ungefähr 4 %), welche entweder umfassen, dass das C-Atom entweder eine tetraederförmige Konfiguration oder eine sp2-Planarkonfiguration einnimmt oder sp-hybridisiert wird innerhalb einer linearen polymerähnlichen Form. In anderen Worten tragen die C-C, C-H und H-H-Korrelationen alle bei zu der Durchschnittsstruktur der Schichten 7 in einigen Ausführungsformen.
  • Im Falle einer ta-C, welche vollständig oder zumindest 90% wasserstofffrei ist, beschreibt die C-C-Bindung die lokale Struktur. Ta-C-Filme weisen auch etwas Brechung von sp3 oder graphischer Bindung auf. Die räumliche Verteilung von trigonalen (sp2) oder tetraederförmigen Kohlenstoffatomen kann die Bindungsfestigkeit der Schicht(en) 3 mit Glas bestimmen, sowie die Dichte der Schicht, die Stärke, die Spannung etc. Tetraederförmiger amorpher Kohlenstoff (ta-C) und seine hydrogenisierte Form ta-C:H (welche nicht mehr als ungefähr 10% oder so H aufweist) weisen den höchsten Prozentsatz an Kohlenstoff-Kohlenstoff-(C-C)- Sp3-Bindung auf und werden verwendet als Schicht 7 in der Ausführungsform gemäß 1 und als Beschichtung 3 in der Ausführungsform gemäß 2 und einer von beiden oder beiden in den Ausführungsformen gemäß 3. Diese diamantähnliche Verbindung überträgt ta-C 7 Eigenschaften, welche unerreicht sind von anderen Formen von sog. DLC, welche niedrigere Dichten und/oder einen größeren Anteil einer graphitischen sp2 und polymerischen sp-C-C und C-H-Bindung aufweisen.
  • Ta-C 7 weist eine hohe Dichte (zumindest ungefähr ca. 2,4 g/cm3) auf, Härte, einen Young-Modul (700 – 800) sowie einen niedrigen Reibungskoeffizienten (s. Tabelle 1 unten).
  • Figure 00160001
  • Figure 00170001
  • Verfahren zur Ablagerung einer Beschichtung 3 auf einem Substrat 1 werden unten beschrieben für bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung.
  • Bevor die Beschichtung 3 geformt wird auf dem Glassubstrat wird die obere Oberfläche des Substrats 1 vorzugsweise gereinigt durch einen Ionenstrahl, welcher Sauerstoffgas verwendet in jeder der Ausführungsformen der 1 und 2. Das Sauerstoffgas reinigt physikalisch die Oberfläche zu ihrem Atomgewicht von ungefähr 28 bis 40 amu, mehr bevorzugt ungefähr 32. Das Substrat 1 kann auch gereinigt werden durch beispielsweise Zerstäubungsreinigen (sputter cleaning) des Substrats vor der tatsächlichen Ablagerung von ta-C oder einem anderen DLC-Material. Dieses Reinigen kann Sauerstoff- und/oder Kohlenstoffatome verwenden und kann stattfinden bei einer Ionenenergie von ungefähr 800 – 2000 eV, am meisten bevorzugt ungefähr 1000 eV.
  • In Plasmaionenstrahlausführungsformen zum Ablagern von Beschichtungen 3, 7 und/oder 8 können Kohlenstoffionen angeregt werden, um einen Strahl zu bilden von Plasma in Richtung des Substrats 1, so dass Kohlenstoff von den Ionen abgelagert wird auf dem Substrat 1. Ein Ionenstrahl von der Gasphase produziert einen Strahl von C+, CH+, C2H und/oder C2H2 und Ionen (d.h. Kohlenstoff oder kohlenstoffbasierende Radikale). Vorzugsweise wird ein Azetylenausgangsgas (C2H2) verwendet, um eine Polymerisation zu verhindern oder zu minimieren und um eine geeignete Energie zu erhalten, um es den Ionen zu gestatten, die Oberfläche des Substrats zu penetrieren und sich darin zu subimplantieren, wobei die Atome der Beschichtung 3 veranlasst werden, sich zu mischen mit der Oberfläche des Substrats 1 bei wenigen Atomschichten innerhalb von diesem.
  • Die Aufschlagenergie der Ionen kann für den Großteil der Beschichtungen 3 (z.B. Schicht 7 in den Ausführungsformen gemäß den 1 und 2) von ungefähr 100 bis 200 eV pro Kohlenstoffatom reichen, vorzugsweise von ungefähr 100 bis 150 eV, um zu veranlassen, dass sich dichte sp3-C-C-Bindungen in der DLC-Schicht bilden. Die Ionen treffen das Substrat mit dieser Energie, welche eine Bildung einer sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung fördert. Die Auftreffenergie der angeregten Kohlenstoffionen kann innerhalb eines Bereichs sein, um die Bildung der gewünschten Gitterstruktur zu fördern, solche Bindungen in einem Schnittstellenteil (z.B. der Schicht 8 in der Ausführungsform gemäß 1) der Beschichtung 3 werden offensichtlich gebildet zumindest teilweise durch Subimplantation in das Substrat wie in 7 gezeigt. Der Strom kann wahlweise aufgebaut sein aus Ionen, welche ungefähr das gleiche Gewicht haben, so dass die Aufschlagenergie ungefähr gleich sein wird. Tatsächlich werden die angeregten Ionen auftreffen auf die wachsende Filmoberfläche und/oder das Substrat 1 und werden getrieben in den wachsenden Film und/oder das Substrat 1, um eine Verdichtung zu verursachen. Die Beschichtung 3 und insbesondere die Schicht 7 sind vorzugsweise frei von Nadellöchern, um eine zufrieden stellende Wasserabweisung und eine Unterdrückung der Natrondiffusion zu erreichen.
  • Deshalb wird die C-C-sp3-Bindung vorzugsweise dadurch gebildet, dass sie einen vorbestimmten Bereich an Ionenenergie aufweist, bevor das Substrat 1 erreicht wird, oder bevor das ta-C erreicht wird welches auf dem Substrat wächst. Das optimale Ionenenergiefenster für eine ta-C-Schicht 7-Bildung in den Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 beträgt von 100 bis 200 eV (vorzugsweise von ungefähr 100 bis 150 eV und am meisten bevorzugt von ungefähr 100 bis 140 eV) pro Kohlenstoffion. Bei diesen Energien emulieren Filme 7 (d.h. die Schicht 3 in der Ausführungsform gemäß 2) Diamant.
  • Jedoch können sich in einer ta-C kompressive Spannungen bilden, wenn abgelagert wird bei 100 bis 150 eV. Solche Spannung kann bis zu 10 Gpa erreichen und kann potentiell eine Delaminierung von vielen Substraten verursachen. Es wurde herausgefunden, dass diese Spannungen gesteuert werden können und verringert werden können durch Erhöhen der Ionenenergie des Ablagerungsprozesses in einem Bereich von ungefähr 200 bis 1000 eV. Die Plasmaionenstrahlquelle ermöglicht es, dass Ionenenergie gesteuert wird und innerhalb von verschiedenen Bereichen in einem industriellen Prozess für die großflächige Ablagerung, welche hier verwendet wird. Die kompressive Spannung in einem amorphen Kohlenstoff wird somit deutlich verringert bei diesem hohen Ionenenergiebereich von 200 bis 1000 eV.
  • Hohe Spannungen sind unerwünscht in dem dünnen Schnittstellenbereich 8 der Beschichtung 3, welcher direkt die Oberfläche eines Glassubstrats 1 berührt. Daher wird beispielsweise die erste 1 bis 40 % Dicke (vorzugsweise die erste 1 bis 20 % und am meisten bevorzugt die erste 5 bis 10%) Dicke 8 der Beschichtung 3 abgelagert auf dem Substrat 1 unter Verwendung von hohen Antispannungsenergieniveaus von ungefähr 200 bis 1000 eV, vorzugsweise von ungefähr 400 bis 500 eV. Anschließend, nachdem dieser ursprüngliche Schnittstellenbereich 8 der Beschichtung 3 gewachsen ist, wird die Ionenenergie in dem Ionenablagerungsprozess vermindert (entweder schnell oder graduell während die Ablagerung weitergeht) auf ungefähr 100 bis 200 eV, vorzugsweise von ungefähr 100 bis 150 eV, um die Rest-ta-C-Schicht 7 der Beschichtung 3 wachsen zu lassen.
  • Beispielsweise wird zu beispielhaften Zwecken angenommen, nur unter Bezugnahme auf 1, dass die DLC-Beschichtung 3 100 Å dick ist. Die erste 10-Å-Schicht der Beschichtung 3 (d.h. der Schnittstellenbereich 8) kann abgelagert werden unter Verwendung einer Ionenenergie von ungefähr 400 bis 500 eV, so dass die Schicht 8 der Beschichtung 3, welche die Oberfläche des Substrats 1 berührt, verminderte kompressive Spannungen relativ zu dem Rest 7 der Beschichtung 3 aufweist. Der Schnittstellenbereich 8 der Beschichtung 3 subimplantiert zumindest teilweise in die Oberfläche des Substrats 1, um das Mischen mit der Glasoberfläche zu ermöglichen. In bestimmten Ausführungsformen werden nur C-Ionen verwendet bei der Ablagerung der Schnittstellenschicht 8, wobei die abgestufte Verbindungsschnittstelle hauptsächlich Sic ist. Diese Schnittstelle 8 zwischen dem Substrat 1 und der Beschichtung 3 verbessert die Adhäsion der Be schichtung 3 an der Oberfläche 1 und die graduelle Verbindungsänderung verteilt Belastung in der Schnittstellenregion anstatt sie auf engem Raum zu konzentrieren. Die Schicht 8 der DLC-Beschichtung 3 kann eine Dichte haben, welche zumindest ungefähr 2,4 g/cm3 beträgt oder nicht in verschiedenen Ausführungsformen und kann zumindest ungefähr 35, 70 oder 80 sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen oder nicht in verschiedenen Ausführungsformen haben. Nachdem die ersten 10-Å (d.h. die Schicht 8) der Beschichtung 3 abgelagert wurden, wird die Ionenenergie stufenweise oder schnell abgesenkt auf 100 bis 150 eV für den Rest [kann entweder ta-C oder ta-C:H sein] 7 der Beschichtung 3), so dass die Schicht 7 eine höhere Dichte aufweist und einen höheren Prozentsatz an sp2-C-C-Bindungen als die Schicht 8.
  • Daher weisen manche Ausführungsformen wegen der Anpassung in der Ionenenergie während des Ablagerungsprozesses die ta-C-Beschichtung 3 in den 1 bis 3 verschiedene Dichten und verschiedene Prozentsätze an sp3-C-C-Bindungen an den verschiednen Bereichen darin auf. Zumindest ist jedoch ein Teil der Beschichtung 3 eine hochtetraederförmige ta-C-Schicht 7, welche eine Dichte aufweist von zumindest ungefähr 2,4 g/cm3 und zumindest ungefähr 35% sp3. Der hochtetraederförmige ta-C-Teil ist der Bereich, welcher am weitesten weg ist von dem Substrat 1 in 1, welcher aber wahlweise an anderen Gebieten der Beschichtung 3 sein kann. Auf eine ähnliche Weise wird der Teil der Beschichtung 3, welcher einen kleineren Prozentsatz von sp3-C-C-Bindungen aufweist, vorzugsweise der Teil sein, welcher unmittelbar angrenzt an das Substrat 1 (z.B. die Schnittstellenschicht 8).
  • In bestimmten Ausführungsformen kann CH4 verwendet werden als Ausgangsgas während des Ablagerungsprozesses anstatt von oder in Kombination mit dem vorgenannten C2H2-Gas.
  • Bezug nehmend auf 8 wird festgehalten, dass die Oberfläche eines Glassubstrats kleine Sprünge oder Mikrosprünge darin definiert hat. Diese Sprünge können das Glas schwächen in der Größenordnung von 10er Potenzen, insbesondere, wenn Wasser hereinsickert und weitere Bindungen bricht. Daher ist ein weiterer Vorteil dieser Erfindung, dass in bestimmten Ausführungsformen amorphe Kohlenstoffatome und/oder Netzwerke von Schicht 7 oder 8 in diese kleinen Sprünge einsinken und sich darin sammeln wegen der geringen Größe der Kohlenstoffatome (z.B. < als ungefähr 100 pm Atomrdius, am meisten bevorzugt < als ungefähr 80 pm und am meisten bevorzugt ungefähr < 76,7 pm) und wegen der Ionenenergie von 200 bis 1000 eV, vorzugsweise ungefähr 400 bis 500 eV und Bewegungsenergie. Dies erhöht die mechanische Stärke des Glases. Die Nanosprünge in der Glasoberfläche, welche in 8 gezeigt werden, können manchmal reichen von ungefähr 0,4 nm bis zu 1 nm in der Breite. Die inerte Natur und die Größe des Kohlenstoffatoms in diesen Nanosprüngen werden verhindern, dass Wasser die Bindungen angreift an der Sprungspitze 14 und das Glas schwächt. Die Kohlenstoffatome machen ihren Weg, um sich angrenzend an die Spitzen 14 dieser Sprünge zu positionieren, wegen ihrer Größe und Energie. Die Spitzen 14 dieser Sprünge reichen typischerweise von ungefähr 0,5 bis 50 nm unterhalb der Glassubstratoberfläche. Die obere Oberfläche von Schicht 7 und/oder 8 verbleibt glatt und/oder ungefähr flach innerhalb von ungefähr weniger als 1,0 nm sogar oberhalb der Sprünge.
  • Der Kohlenstoff wird nun im Allgemeinen beschrieben in vielen seiner Formen, um behilflich zu sein beim Verständnis dieser Erfindung.
  • Kohlenstoff hat die Fähigkeit, Strukturen zu bilden basierend auf gerichteten kovalenten Bindungen in allen drei räumlichen Dimensionen. Zwei von den sechs Elektronen eines Kohlenstoffatoms liegen in der 1s-Schale und nehmen somit nicht teil an der Bindung, während die vier verbleibenden 2s- und 2p-Elektronen teilnehmen in der chemischen Bindung mit benachbarten Atomen.
  • Das eine 2s und die drei 2p-Elektronenorbitale des Kohlenstoffatoms können auf drei verschiedene Weisen hybridisieren. Dies gestattet es dem Kohlenstoffatom, als verschiedene Allotrope zu existieren. In der Natur existieren drei allotrope kristalline Phasen, nämlich Diamant, Graphit und die Fullerene und eine Vielzahl von nicht kristallinen Form.
  • Für die diamantenen kristallinen Allotrope bilden alle drei Bindungselektronen σ-Bindungen, ob in tetraederförmigen oder sp3-Bindungen. Das Raumgitter in dem Diamant wird gezeigt in 4, wo jedes Kohlenstoffatom tetraederförmig gebunden ist mit vier anderen Kohlenstoffatomen über σ-Bindungen der Länge 0,154 nm und einem Bindungswinkel von 109°53''. Die Festigkeit einer solchen Bindung gekoppelt mit der Tatsache, dass Diamant ein Makromolekül ist (mit ausschließlich kovalenten Bindungen) verleiht dem Diamant einzigartige physikalische Eigenschaften: hohe atomare Dichte, Durchsichtigkeit, extreme Härte, außergewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit und eine extrem hohe elektrische Widerstandsfähigkeit (1016 Ohm – cm).
  • Die Eigenschaften von Graphit werden bestimmt durch seine trigonale Bindung. Die äußeren 2s, 2px und 2py-Orbitale hybridisieren in einer Weise, welche drei koplanare sp2-Orbitale ergibt, welche σ-Bindungen bilden und ein p-Typ-π-Orbital-2pz, welches rechtwinklig ist zu der sp2-Orbitalebene, wie in 5 gezeigt. Graphit besteht aus hexagonalen Schichten, welche voneinander getrennt sind durch eine Distanz von 0,34 nm. Jedes Kohlenstoffatom ist gebunden mit drei anderen durch 0,142 nm-lange σ-Bindungen innerhalb einer hexagonalen Ebene. Diese Ebenen werden zusammengehalten durch schwache van-der-Waals-Bindungen, was erklärt, warum Graphit so weich ist entlang der sp2-Ebene.
  • Im Hinblick of Fullerene, ist es bekannt, dass C60 und C70 die am meisten zugänglichen Mitglieder der Familie von den Molekülen mit geschlossenem Käfig sind, welche Fullerene genannt werden und welche ausschließlich aus Kohlenstoff bestehen in dem sp2-hybridisierten Zustand. Jedes der Fullerene Cn besteht aus 12 pentagonalen Ringen und m hexagonalen Ringen, so dass m = (n – 20)/2 (Euler-Theorem erfüllt). Die σ-Bindungen sind so umhüllt, dass das Fulleren eine hoch belastete Struktur aufweist und das Molekül fest ist.
  • Hinsichtlich des amorphen Kohlenstoffs existiert eine Klasse von Kohlenstoffen in dem metastabilen Zustand ohne eine lange Bereichsfolge. Die Materialeigenschaften ändern sich, wenn verschiedene Ablagerungstechniken verwendet werden oder sogar durch Variieren der Ablagerungsparameter innerhalb einer einzigen Technik. In dieser Kategorie von Material haben wir ein Extrem von ta-C (z.B. Schicht 7), welches das am meisten diamantähnliche ist mit bis zu 90% C-C-sp3-Bindungen in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen und andererseits a-C (amorpher Kohlenstoff), welcher produziert wird durch thermische Verdampfung von Kohlenstoff, in welchem mehr als 95% Graphitbindungen vorliegen. In dieser Hinsicht reflektieren diese zwei Materialien die intrinsische Vielfalt von nicht kristallinen Formen von Kohlenstoff.
  • Amorphe Materialien, wie beispielsweise die Schicht(en) 3, 7 und 8 sind metastabile Festkörper. In einem amorphen Festkörper existiert ein Satz von Gleichgewichtspositionen, um die herum die Atome oszillieren. Die Atome in einem a-morphen Material werden oft ausgedehnt in ein dreidimensionales Netzwerk mit der Abwesenheit einer Ordnung jenseits der zweitnächsten Nachbardistanz.
  • Bezug nehmend wiederum auf die ta-C-Schicht 7, kann die sp3/sp2-C-C-gebundene Fraktion oder der Prozentsatz (%), z.B. in einer Vakuumbogenablagerungstechnik oder Techniken, welche verwendet werden in dem '477-Patent oder den oben diskutierten Ablagerungstechniken gesteuert werden durch Ändern der Energie der einfallenden C-Ionen. Die Filme, welche abgelagert werden, und metastabil sind in der Natur stehen unter einer hohen Kompressionsspannung. Die sp2-hybridisierten Kohlenstoffatome werden geclustert und eingebettet innerhalb einer sp3-Matrix. Das Ausmaß der zuletzt genannten Bindung überträgt seine diamantähnlichen physikalischen Eigenschaften auf ta-C. Die Fraktion des sp2-hybridisierten Atoms bestimmt das Ausmaß des Clusterns. Das Ausmaß des Clusterns, welches als ein Belastungslösemechanismus gesehen wird, impliziert, dass die π und π*-Zustände delokalisiert werden in einem solchen Ausmaß, dass sie die elektronischen und optischen Eigenschaften des Films steuern. Bei einer hohen Dichte von Zuständen können sich die π-Bänder vereinigen mit den σ- Zuständen, um die Leitungs- und Valenzmobilitäts-Bandkanten zu bilden. Ausläuferzustände mit niedriger Dichte werden lokalisiert als eine Pseudo-Lücke ergebend. Der Begriff „tetraederförmiger amorpher Kohlenstoff (ta-C)" wird somit verwendet, um dieses hochtetraederförmige Material zu unterscheiden von anderen „diamantähnlichen Kohlenstoffen", welche C-C-Korrelationen von meistens dem sp2-Typ aufweisen.
  • Die sp3-Bindung in den Beschichtungen 3 entsteht vermutlich aus einem Verdichtungsprozess unter energetischen Ionenbombardementzuständen. Die Hybridisierung des Kohlenstoffatoms wird sich vermutlich anpassen an die lokale Dichte, geht mehr in Richtung sp3, wenn die Dichte hoch ist und mehr in Richtung sp2, wenn die Dichte niedrig ist. Dies kann auftreten, falls ein einfallendes Ion die erste Atomschicht penetriert und anschließend eintritt in eine interstitielle Position unterhalb der Oberfläche. Die lokale Bindung bildet sich anschließend neu, um dieses Atom und seine Nachbarn, um die am meisten geeignete Hybridisierung anzunehmnen. Ionen mit hoher Energie können prinzipiell die Oberflächenschicht des Substrats oder des wachsenden DLC penetrieren, die Dichte der tieferen Schichten erhöhen, welche dann eine sp3-Bindung erzwingt. Die Ionen mit niedriger Energie als dem Penetrationsgrenzwert haften lediglich an der Oberfläche an und bilden sp2-gebundenen a-C.
  • Beschichtete Artikel in Übereinstimmung mit den vorstehenden Ausführungsformen können verwendet werden beispielsweise in Zusammenhang mit Automobilwindschutzscheiben, Automobilheckscheiben, Automobilseitenscheiben, architektonischen Gläsern, Isolierglaseinheiten, Wohnungs- oder Büro-Fenstern o.ä.
  • In jeder der vorgenannten Ausführungsformen kann eine Schicht von nichtporösem Wolframdisulfid (WS2) 12 bereitgestellt werden auf der Oberseite der Schicht 7, um zu verhindern, dass das DLC verbrennt bei einer Luftaussetzung, wenn zu hohe Temperaturen verwendet werden nach der Beschichtungsablagerung. Die Schicht 12 (z.B. vgl. 8) kann aufgebracht werden durch Plasmasprühen bis zu einer Dicke von ungefähr 300 bis 10.000 Å, die WS2-Schicht 12 ist entfernbar in bestimmten Ausführungsformen. Andere geeignete Materialien können stattdessen für die Schicht 12 verwendet werden.
  • Mit Hilfe der obigen Offenbarung werden viele andere Merkmale, Modifikationen und Verbesserungen offensichtlich werden für den Fachmann. Solche anderen Merkmale, Modifikationen und Verbesserungen werden daher als Teil dieser Erfindung betrachtet, deren Rahmen zu bestimmen ist durch die beigefügten Ansprüche.

Claims (6)

  1. Ein beschichtetes Glas umfassend: ein Glasssubstrat (1); eine diamantähnliche Kohlenstoff-Beschichtung (Diamond-Like Carbon, DLC) (3), die auf dem Glassubstrat bereitgestellt ist; und ein Niedrig-Emissions-Beschichtungssystem (5), das zwischen dem Glassubstrat (1) und der DLC-Beschichtung (3) bereitgestellt ist; dadurch gekennzeichnet, dass a) das Glassubstrat ein Natron enthaltendes Glassubstrat (1) ist, umfassend, auf Gewichtsbasis: SiO2 ungefähr 60 – 80 % Na2O ungefähr 10 – 20 % CaO ungefähr 0 – 16 % K2O ungefähr 0 – 10 % MgO ungefähr 0 – 10 % Al2O3 ungefähr 0 – 5 % b) das Niedrig-Emissions-Beschichtungssystem (5) direkt auf dem Glassubstrat (1) bereitgestellt wird ; und c) die DLC-Beschichtung eine nicht-kristalline diamantähnliche Kohlenstoff-Beschichtung (DLC) (3) ist, die auf dem Niedrig- Emissions-Beschichtungssystem (5) bereitgestellt ist, wobei die DLC-Beschichtung (3) wenigstens eine erste hoch-tetraederförmige amorphe Kohlenstoffschicht enthält, mit wenigstens ungefähr 35% sp3 Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und einer mittleren Dichte von wenigstens ungefähr 2,4 g/cm3.
  2. Das beschichtete Glas gemäß Anspruch 1, wobei das Niedrig-Emissions-Beschichtungssystem eins der Folgenden enthält: (a) eine Schicht, umfassend NiCr, die zwischen den ersten und zweiten dielektrischen Schichten angeordnet ist, und (b) eine Schicht, umfassend Ag, die zwischen den ersten und zweiten dielektrischen Schichten angeordnet ist.
  3. Das beschichtete Glas gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die DLC-Beschichtung eine mittlere Härte von mindestens ungefähr 40 GPa aufweist, und einer mittleren Dichte von mindestens ungefähr 2,4 g/cm3.
  4. Das beschichtete Glas gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die DLC-Beschichtung mindestens ungefähr 70% sp3 Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen umfasst.
  5. Das beschichtete Glas gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die genannte DLC-Beschichtung weiterhin Wasserstoff aufweist.
  6. Das beschichtete Glas gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das beschichtete Glas eine sichtbare Durchlässigkeit größer als ungefähr 60% aufweist.
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