Plazmochemická příprava ternárních vrstev karbidů a jejich charakterizace

Mgr. Josef Daniel, Ph.D.

Doctoral thesis

Plazmachemical preparation of ternary carbide coatings and their characterization

Abstract:

Předkládaná práce je zaměřena na výzkum možností řídit strukturu a fázové složení nanokompozitních nc-TiC/a-C:H vrstev za účelem optimalizace jejich mechanických vlastností. Vrstvy, o kterých tato práce pojednává, byly připraveny hybridním PVD-PECVD procesem odprašování kovového terče v atmosféře ze směsi argonu a acetylenu. Jedním z parametrů, který během růstu nanokompozitní vrstvy ovlivňuje její strukturu je energie částic, dopadajících na její povrch. Pro výzkum vlivu tohoto parametru byly připraveny dvě série vrstev - jedna nad racetrackem terče a druhá nad středem terče. Vlivem odlišných toků iontů a odlišných depozičních rychlostí byly pozorovány rozdíly ve struktuře a mechanických vlastnostech vrstev připravených v obou polohách. Kvůli zjištení vlivu odlišných toků iontů na strukturu vrstvy byly použity ruzné metody buzení plazmatu. Behem stejnosměrného magnetronového naprašování (DCMS) je výkon na terč dodáván kontinuálně. Druhým použitým procesem byl výkon dodáván na terč v krátkých pulzech velmi vysokého výkonu (HiPIMS), čímž bylo dosaženo vyššího stupně ionizace odprášených částic. Oběma procesy byly vytvořeny série vrstev s různým podílem uhlíku. Různými metodami byly studovány změny v jejich složení, struktuře a mechanických vlastnostech a výsledky byly diskutovány. Konečně třetí zkoumaný způsob, jakým lze ovlivnit strukturu nc-TiC/a-C:H vrstev, bylo přidání prvku, který netvoří karbid - niklu. Za účelem dopování niklem byl použit terč ze slitiny Ti a Ni, pro srovnání byly připraveny bezniklové vrstvy odprašováním Ti terče. Dopování niklem vedlo ke změnám ve velikosti nanokrystalických zrn, mrížkové konstanty, relativního podílu amorfní hydrogenizované uhlíkové matrice i střední mezizrnné vzdálenosti. Příčiny těchto změn i jejich důsledky na mechanické vlastnosti vrstev jsou podrobně diskutovány.

Abstract:

This work is focused on the research of the possible ways to design the structure as well as the phase composition of the nanocomposite nc-TiC/a-C:H coatings in order to improve their mechanical properties. All of the presented coatings were prepared by hybrid PVDPECVD process of sputtering of a metal target in argon/acetylene atmosphere. Energy of impacting particles is parameter which can affect structure of the coating during its growth. For investigation of this parameter and its influence on the coatings structure as well as the mechanical properties a two series of coatings were prepared. One of them was prepared above the center of the target and second one was prepared in the different position - above the target racetrack. A changes in coatings structure and mechanical properties were observed due to the different particle flux and deposition rates in different substrate positions. Two different methods of the plasma excitation were applied to study of the influence of the different plasma excitation to coatings structure. In the case of the process of directcurrent magnetron sputtering (DCMS) the power was applied continuously. In the second process, High Power Impulsed Magnetron Sputtering (HiPIMS), the target was powered in form of the short high-powered pulses. It led to high ionization degree of the sputtered particles. Two sets of coatings with various amounts of carbon were prepared by both the DCMS and the HiPIMS processes. Differencies in their composition, structure and mechanical properties were investigated and discussed. The third investigated way of driving of the nc-TiC/a-C:H coatings structure is doping by non-carbide forming element, such as nickel. The Ni-doped coatings were prepared using a Ti-Ni compound target. As a reference, the Ni-free coatings were prepared using Ti target. Nickel addition into the nc-TiC/a-C:H coatings led to changes in their structural parameters such as grain size, lattice parameter, relative amount of hydrogenized amorphous carbon matrix and mean grain separation. Reasons of those changes as well as their consequences on the mechanical properties of the coatings are discussed.

Keywords

magnetronové naprašování, hybridní PVD-PECVD proces, HiPIMS, nanokompozity, karbidy, tenké vrstvy, mechanické vlastnosti

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 3. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 12. 5. 2017
• Supervisor: prof. Mgr. Petr Vašina, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. František Lofaj, DrSc., Ing. Katalin Balázsi, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Plasma Physics