Reaktivní magnetronová depozice nanokompozitních tenkých vrstev na bázi oxidů a oxynitridů

Abstract

Tato dizertační práce se věnuje reaktivnímu magnetronovému naprašování tenkých nanokompozitních vrstev na bázi oxidů a oxynitridů. Práce je rozdělena do tří tématických celků.

První část je věnována DC reaktivnímu magnetronovému naprašování nanokompozitních TiO2/Cu tenkých vrstev a jejich charakterizaci. Hlavním cílem bylo nalezení podmínek, za kterých jsou připraveny vrstvy vykazující zároveň jak smáčivé chování, tak antibakteriální efekt po ultrafialovém ozařování. Diskutované tenké vrstvy byly reaktivně naprašovány ze složeného Ti/Cu terče ve směsi kyslíku a argonu za různého celkového tlaku pT, parciálního tlaku kyslíku pO2 a teploty substrátu TS. Vybrané vzorky byly také vyžíhány v různém prostředí při žíhací teplotě Ta během žíhacího času ta. Touto cestou byly připraveny jednovrstevné nanokompozitní vrstvy TiO2/Cu s různým fázovým složením a různým obsahem mědi. Je zde vyhodnocena korelace mezi optickými vlastnostmi, smáčivým chováním a efektivitou v zabíjení bakterie Escherichia Coli a fázovým složením a obsahem mědi ve vrstvách. Je ukázáno, že 1 mikrometr silná nanokompozitní vrstva TiO2/Cu s 1,5 at.% mědi vykazuje zároveň hydrofilní chování s kontaktním úhlem vodní kapky alfa 20° a silným antibakteriálním účinkem prokázaným na Escherichia Coli po UV ozařování.

Druhá část podává informace o eliminaci oblouků během DC pulzního reaktivního magnetronového naprašování tenkých vrstev Al2O3. Jeden nevyvážený magnetron vybavený hliníkovým terčem byl použit pro tyto experimenty. Terč byl rozprašován v čistém kyslíku za celkového tlaku pT = 2 Pa a za různých výkonových hustot na terči Wta v rozsahu mezi  10 a  50 W/cm2. Opakovací frekvence fr, výkonová hustota na terč Wta, doba pulzu tau, doba vypnutí pulzu toff a přechodové jevy během toff jsou korelovány s oblouky a povrchovou kvalitou naprašovaných vrstev Al2O3. Jsou prezentovány vrstvy poškozené hliníkovými makročásticemi uvolněnými z terče během oblouků. Je ukázáno, že doba vypnutí pulzu toff a přechodové jevy během této doby, délka pulzu tau a výkonová hustota na terči Wta mají klíčový význam pro potlačení oblouků během DC pulzního reaktivního magnetronového naprašování elektricky nevodivých vrstev. Hladké nepoškozené vrstvy Al2O3 byly reaktivně naprašovány dokonce za nízké opakovací frekvence fr = 5 kHz, vysokého pracovního cyklu až po tau/T = 97.5% a relativně vysoké výkonové hustoty Wta 50 W/cm2.

Třetí část se zabývá dvoufázovými nanokompozitními vrstvami Al-O-N připravenými DC pulzním reaktivním naprašováním nevyváženým duálním magnetronem. Hliníkové terče byly reaktivně rozprašovány ve směsi dusíku a kyslíku, kde kyslík byl připouštěn pulzně. Tímto způsobem byly připraveny dva druhy nanokompozitních vrstev v širokém rozsahu prvkového složení: (i) nk-AlN/a-(Al-O-N) a (ii) nk-(gama-Al2O3)/a-(Al-O-N). Röntgenově amorfní vrstvy a-(Al-O-N) byly připraveny na přechodu mezi výše zmíněnými nanokompozitními materiály. Fázové a prvkové složení vrstev bylo řízeno periodou pulzního napouštění kyslíku TO2. Je ukázáno, že nanokrystalická nitridová nebo oxidová fáze zabudovaná do amorfní matrice zlepšuje mechanické vlastnosti vrstev ve srovnání s amorfními vrstvami. Vysoce elastické tenké vrstvy s nanokrystalickou fází vykazují poměrně vysokou tvrdost H = 15 20 GPa, poměr H/E* > 0.1, elastickou vratnost We > 60% a odolnost proti praskání při ohybu.