Příprava a analýza MXene struktur na rozhraních a v tenkých vrstvách

Marek BĚLOUŠEK

Diplomová práce

Preparation and analysis of MXene structures on interfaces and in thin films

Anotace:

Tato diplomová práce se zabývá magnetronovým naprašováním 2-D nanostrukturovaných materiálů na bázi karbidu skandia zvaných MXeny. Teoretická část práce se zaměřuje na obecný popis MXenů, metody jejich přípravy a jejich elektronické a optické vlastnosti. Důraz je kladen na popis současného stavu výzkumu MXenu skandia a na shrnutí dosavadních poznatků o přípravě MXenů bottom-up technikou naprašování. V experimentální části je popsána příprava karbidu skandia, použité analytické metody a jednotlivé přístroje. Karbid skandia připravujeme DC pulzním magnetronovým naprašováním ze dvou terčů - skandiového a uhlíkového. Tento karbid připravujeme na tenkém rozhraní skandia a uhlíku, přičemž prvotně deponujeme skandiovou vrstvu, na niž sekundárně deponujeme uhlík. Dále připravujeme tento karbid tzv. cosputteringem, tedy naprašováním z obou terčů současně. Vzniklé tenké vrstvy jsou detailně charakterizovány metodou XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy), doplňkovými metodami jsou metody AFM (Atomic Force Microscopy) a XRD (X-Ray Diffraction). V práci zjišťujeme, že lze dosáhnout reprodukovatelných výsledků při použitých metodách přípravy. Dále optimalizujeme podmínky pro přípravu karbidu skandia (depoziční doba uhlíku, výkon na terčích, mezní tlak v aparatuře, teplota substrátu) a zjišťujeme, že vyhřívání substrátu na teplotu až 170°C má na výtěžek karbidu skandia pozitivní vliv. Metodou XRD je ověřeno, že v cosputteringem připravené tenké vrstvě vzniká karbid skandia s krystalickou strukturou. Zjištěné výsledky v této práci přinášejí větší porozumění tvorbě MXenů metodou magnetronového naprašování. Také otevírají další otázky a možnosti výzkumu MXenů připravených naprašováním na pracovišti katedry fyziky Přf UJEP.

Abstract:

In this thesis, we investigate preparation of 2-D nanostructured materials on basis of scandium carbide, so-called MXenes, produced by magnetron sputtering. Theoretical part of this thesis aims to describe what MXenes are, how we can prepare them and what are their electronical and optical properties. The emphasis is on description of current state of research of scandium carbide MXene and on summary of present knowledge in the area of MXenes production by bottom-up technique called sputtering. Preparation of scandium carbide and used analytical methods are described in experimental part of this thesis. We prepare scandium carbide by DC pulsed magnetron sputtering from two targets - carbon and scandium ones. We prepare this carbide on scandium-carbon interface by first depozition of scandium layer on which we deposit carbon layer secondarily. We are further preparing this carbide by cosputtering. Prepared thin layers are primarily characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), next analytical methods are Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray diffraction (XRD). We discovered, that we are able to reach reproducible outputs by our methods of preparation. We further optimalize yield of scandium carbide by changing parameters of depozition (depozition time of carbon, power on targets, limit pressure in apparatus, substrate temperature) and we discover that heating of substrate up to 170°C has positive effect on scandium carbide yield. It is proved by XRD analysis that we obtain crystalline-structured scandium carbide phase in thin layers prepared by cosputtering. Results of this thesis bring new insights into preparation of MXenes by magnetron sputtering. This thesis further opens next questions and possibilities to research of MXenes produced by magnetron sputtering on Department of Physics of Jan Evangelista Purkynje University.

Klíčová slova

Karbid skandia, MXeny, Tenké vrstvy, Magnetronové naprašování, Spektroskopie rentgenových fotoelektronů

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 7. 5. 2024

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 6. 6. 2024
• Vedoucí: doc. Ing. Martin Kormunda, Ph.D.

UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Aplikované plazmové technologie / Aplikované plazmové technologie