Reaktivní magnetronové naprašování tenkých vrstev s unikálními vlastnostmi

Sergei ZENKIN

Doctoral thesis

Reactive magnetron sputtering of thin films with unique properties

Abstract:

Přechodové kovy a jejich oxidy a nitridy jsou široce používány v průmyslových aplikacích, díky vysoké tvrdosti, tepelné stabilitě, transparentnosti (v případě oxidů a některých nitridů) a dalším jedinečným vlastnostem. Tato disertační práce je zaměřena na reaktivní magnetronové naprašování multifunkčních tenkých vrstev na bázi přechodových kovů. Tato práce je rozdělena na 7 hlavních kapitol. Kapitola 1 je obecný úvod ve kterém je diskutováno magnetronové naprašování a techniky používané pro charakterizaci filmů. Kapitola 2 ukazuje hlavní cíle této disertační práce. Kapitoly 3-6 ukazují hlavní výsledky disertační práce ve formě článků. Kapitola 3 pojednává o roli elektronegativity kovu na hydrofobní vlastnosti a povrchové energie příslušných oxidů a nitridů. Bylo prokázáno, že kovy s nízkou elektronegativitou = 1,1-1,3 vytváří hydrofobní oxidy a nitridy. Rozdíl kontaktního úhlu u oxidů a nitridů je vysvětlen pomocí jejich elektronové struktury a různého počtu neůplných elektronových párů. Kapitola 4 ukazuje roli energie bi dodané do tenkých vrstev ZrN v průběhu jejich růstu na jejich mechanické vlastnosti a odolnost proti praskání. bi byla řízena předpětím na substrátu během naprašovaní v rozmezí od plovoucího potencialu do -80V. Je ukazáno, že je-li bi dostatečně velká, vrstvy ZrN vykazují velmi vysokou tvrdost (až 23GPa) a vynikající odolnost proti vzniku trhlin při ohybu ( = 2%), a odolnost při vrypové zkoušce při velkém zatížení. Také, bylo prokázáno, že hodnota bi nemá vliv na hydrofobnost vrstev ZrN. V kapitole 5 byl diskutován vliv tloušťky vrstvy na hydrofobní vlastnosti vrstev HfO2. V našich experimentech byl kontaktní úhel vodní kapky změněn z 100° pro vrstvu 2300nm na 120° pro 50 nm vrstvy. Dvě možná vysvětleníi tohoto efektu: Vliv nedominantní textury a / nebo nemonotónní závislosti velikosti povrchové energie částice. Také byla diskutována role povrchových nečistot v hydrofobnosti vrstev HfO2. Kapitola 6 pojednává o depozici krystalických a nanokrystalických tenkých vrstev slitiny ZrTi s různým elementárním složením. Ukázali jsme, že malé množství kyslíku v atmosféře během depozice výrazně snižuje krystalinitu slitin ZrTi. Současně se zvyšuje tvrdost až na 16GPa (5GPa pro slitiny ZrTi bez přidání O2). Také maly přídavek O2 zvyšuje odolnost k praskání ZrTi. Kapitola 7 obsahuje hlavní závěry této disertační práce.

Abstract:

Early transition metals and their oxides and nitrides are widely used in industrial applications due to their high hardness, thermal stability, transparency (in the case of oxides and some nitrides) and other unique combinations of properties. This PhD thesis is dedicated to the reactive magnetron sputtering of the multifunctional thin films based on transition metals. This thesis is divided onto 7 main chapters. Chapter 1 is the general introduction discussing the magnetron sputtering and techniques used in the work for the films characterization. Chapter 2 shows the main aims of this PhD thesis. Chapters 3-6 show the main results of the PhD thesis in the form of journal articles. Chapter 3 discusses about the role of electronegativity of the metal on the hydrophobicity and the surface free energy of its oxides and nitrides. It was shown that metals with low electronegativity = 1.1-1.3 form hydrophobic oxide and nitride thin films. Also, the difference between the water droplet contact angle for oxides and nitrides was explained by the difference of their electronic structure and different number of the lone-pair electrons. Chapter 4 shows the effect of the energy bi delivered to ZrN thin films during their growth on their mechanical properties and resistance to cracking. bi was controlled by the substrate bias during the deposition in the range from floating to -80V. We show that if bi is sufficient enough, ZrN films exhibit very high hardness (up to 23GPa) and excellent resistance to cracking during the bending ( = 2%) and high indentation load test. Also, was shown that the value of bi has no effect on the hydrophobicity of the ZrN films. In Chapter 5 the influence of the film thickness on the hydrophobic properties of HfO2 films was discussed. In the experiments the value of the water droplet contact angle was changed from 100? for the 2300nm thick film to 120? for the 50nm thick film. We suggest two possible explanations of this effect: influence of the non-dominant texture and/or non-monotonic size dependence of the particle surface energy. Also, the role of the surface contaminants in the hydrophobicity of HfO2 films was discussed. Chapter 6 discusses the deposition of crystalline and nanocrystalline thin films of the ZrTi alloy with different elemental composition. We show that a small addition of the oxygen during the deposition significantly decreases the crystallinity of ZrTi alloy. At the same time, hardness increases up to 16GPa (5GPa for ZrTi alloy without O2 addition). Also, a small addition of O2 enhances resistance to cracking of ZrTi alloy. Chapter 7 contains the main conclusions of this PhD thesis.

Keywords

magnetronové naprašování, mechanické vlastnosti, odolnost proti praskání, hydrofobní vlastnosti

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 1. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

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