Multikomponentní nanokompozitní vrstvy připravené pulzním magnetronovým naprašováním

Ing. Michal PROCHÁZKA

Doctoral thesis

Multicomponent nanocomposite films prepared by pulsed magnetron sputtering

Abstract:

Předmětem předkládané disertační práce je studium čtyř multikomponentních nanostrukturních materiálů připravených pomocí pulzní magnetronové depozice. Ve všech čtyřech případech bylo hlavním cílem připravit a následně charakterizovat materiály, které slibují vysoký potenciál využití v různých aplikacích. Celá práce je rozdělena do sedmi kapitol. V první kapitole je v krátkosti popsán úvod do světa tenkovrstvých materiálů a povlaků. Navazuje kapitola druhá, která uvádí čtenáře do současného stavu problematiky studovaných materiálů. Třetí kapitola stanovuje cíle disertační práce. Ve čtvrté jsou uvedeny použité metody přípravy a charakterizace povlaků a vrstev. Hlavní pátá kapitola uvádí veškeré získané výsledky přehledně rozdělené do čtyř částí podle zkoumaných materiálů. První studie se zabývá erozní odolností proti vodním kapkám s vysokými rychlostmi. Byly připraveny povlaky Zr-B-C, u kterých byl zkoumán vliv tloušťky na mechanické vlastnosti. Následně byla zkoumána záměna Hf za Zr a přidání Si. Všechny připravené povlaky vykazují vysokou tvrdost (až 31 GPa), nízké kompresní pnutí ( 1 GPa) a vyšší erozní odolnost než samotná ocel T671 a povlak WC-Co10Cr4. Ve druhé studii bylo dokázáno, že reaktivní vysokovýkonové naprašování HiPIMS je efektivní metodou k přípravě vrstev In-Ga-Zn-O. Při naprašování v čistém Ar je hodnota průměrné výkonové hustoty Sda vhodným parametrem pro řízení změny koncentrace kyslíku ve vrstvách vedoucí ke změně optických a elektrických vlastností. Při Sda = 1020 Wcm^-2 byly připraveny vrstvy s vysokou transparencí (k550 4 × 10^-3), nízkou rezistivitou (5 × 10^3 m) a vyšší mobilitou nosičů náboje. Přidání malého množství O2 do plazmatu ovlivňuje prvkové složení vrstev. Transparence zůstává vysoká (k550 9 × 10^-3) bez ohledu na Sda, ovšem s rostoucí Sda roste rezistivita až na 8 × 10^3 m a klesá mobilita nosičů náboje. Třetí část je věnována studiu termochromických vrstev VO2. Bylo prokázáno, že při využití vysokovýkonového naprašování metodou DOMS je možné připravit termochromické vrstvy VO2 při nízké teplotě (Td 330 °C) na sodnovápenatém skle a na polymerních fóliích Kapton bez použití předpětí a bez strukturní šablony. Vrstvy připravené na skle vykazovaly rozdíl transmitance v infračervené oblasti T = 45 % při přechodové teplotě Ttr = 65 °C, u vrstev na Kaptonu byl rozdíl T dokonce 60 % při přechodové teplotě Ttr = 64 °C. Poslední studie se zabývá vrstvami MoOx a MoOxNy, kde 2,5 < x < 3,0 a y < 0,2, připravenými pomocí metody DOMS při nízké teplotě (< 120 °C). Zkoumán byl vliv parciálního tlaku kyslíku pox a podíl N2 ve směsi reaktivních plynů na složení, strukturu a optické, elektrické a mechanické vlastnosti. Ačkoliv je změna parciálního tlaku kyslíku čtrnáctinásobná, výsledkem je pouze malá změna v prvkovém složení (z Mo26O74 na Mo28O72), která ovšem vede k velké změně optických (změna Tlum ze 79 % na 0 %) a elektrických ( se mění o více než 10 řádů) vlastností. Při přidání pouhých 4 at. % N do vrstev (z Mo26O74 na Mo26O70N4) dojde k poklesu Tlum k 0 % a změně o více než 6 řádů. V šesté kapitole jsou shrnuty dosažené výsledky. Kapitola sedm pak uvádí seznam citované literatury a přehled prací disertanta.

Abstract:

This thesis reports on study of four multicomponent nanostructure materials prepared by pulsed magnetron deposition. In all four cases, the main aim was to prepare and characterize promising materials with high potential in various applications. The thesis is divided into seven chapters. The first and second chapters are devoted to introduction and literature overview of studied materials and their applications. The third chapter defines the aims of this thesis. In the fourth chapter methodology of preparation and characterization is described. The main fifth chapter is divided into four parts, which describes the achieved results. The first study deals with water droplets erosion resistance. The effect of the coating thickness on the mechanical properties was analyzed for Zr-B-C coatings. Then we analyzed the effect of using Hf instead of Zr and addition of Si. All films exhibit high hardness (up to 31 GPa), low compressive stress ( 1 GPa) and erosion resistance higher than T671 steel and WC-Co10Cr4 coating. In the second part it was shown, that the HiPIMS is effective technique for preparation of In-Ga-Zn-O thin films. The value of the pulse-averaged target power density Sda is a suitable parameter for changing of the film oxygen concentration and thus changing optical and electrical properties of the films even without any O2 admixture into the discharge. Films prepared with Sda = 1020 Wcm^-2 exhibits high transparency (k550 4 × 10^-3), low resistivity (5 × 10^3 m) and higher mobility of the charge carriers. A small admixture of O2 into the discharge plasma strongly influences the elemental composition of the formed films. The optical transparency remains high (k550 9 × 10^-3) independent of the Sda. However, with increasing Sda the resistivity increases up to 8 × 10^3 m and the mobility decreases. The third part focuses on thermochromic VO2 films. We proved that it is possible to use DOMS technique for preparation of thermochromic VO2 films at low temperature (Td 330 °C) on soda lime glass and Kapton without substrate bias and without structural template. VO2 films on glass exhibit T = 45% with transition temperature Ttr = 65 °C and films on Kapton exhibit even higher T = 60% with transition temperature Ttr = 65 °C. The last part describes MoOx a MoOxNy films with 2.5 < x < 3.0 and y < 0.2 prepared using DOMS at low temperature (< 120 °C). We investigated the effect of oxygen partial pressure pox and N2 fraction in the total reactive gases flow, respectively, on elemental composition, structure, and optical, electrical and mechanical properties. Although we changed the pox fourteen times, the compositional change is very small (from Mo26O74 to Mo28O72). Nevertheless, it leads to enormous change in optical (Tlum changes from 79% to 0%) and electrical ( changes over10 orders of magnitude) properties. Adding of only 4 at. % of N into the films (from Mo26O74 to Mo26O70N4) results in decrease of Tlum to 0% and change of over 6 orders of magnitude. The sixth chapter summarizes achieved results and in the last chapter, there is list of used literature.

Keywords

Pulzní magnetronové naprašování, HiPIMS, DOMS, povlaky Zr(Hf)-B-(Si-)C, tenké vrstvy IGZO, termochromické VO2, tenké vrstvy MoOx a MoOxNy, erozní odolnost, mechanické vlastnosti, laditelné optické a elektrické vlastnosti

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 8. 2020

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Plasma Physics and Physics of Thin Films