PRVKOVÉ SLOŽENÍ A STRUKTURA TENKOVRSTVÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH KORELACE S MATERIÁLOVÝMI VLASTNOSTMI

Ing. Radomír ČERSTVÝ

Doctoral thesis

ELEMENTAL COMPOSITION AND STRUCTURE OF THIN FILM MATERIALS AND THEIR CORRELATION WITH MATERIAL PROPERTIES

Abstract:

Tato dizertační práce je zaměřena na analýzu prvkového složení (pomocí metody rentgenové fluorescence) a struktury (pomocí metody rentgenové difrakce) čtyř typů nových tenkovrstvých materiálů vytvářených různými metodami magnetronové depozice. Jde o následující materiály: A. Ochranné povlaky Al-Si-N, Al-Ti-O, Si-Zr-O, Si-B-C-N a Al2O3 s dostatečnou tvrdostí a vysokou teplotní stabilitou ve vzduchu za velmi vysokých teplot. B. Otěruvzdorné ochranné povlaky nc-TiC/a-C a Mo-C s dostatečnou tvrdostí a nízkým koeficientem tření. C. Multifunkční vrstvy Al-Cu-O, Zr-Al-O, Al-O-N se zvýšenou odolností proti vzniku trhlin při namáhání. D. Fotokatalytické vrstvy TiO2. Práce je rozdělena do 4 kapitol. Kapitola 1 je věnována obecnému úvodu a základním principům použitých metod rentgenové fluorescence a rentgenové difrakce. V kapitole 2 jsou definovány cíle dizertační práce. Ve 3. kapitole, obsahově nejrozsáhlejší, jsou uvedeny dosažené výsledky, a to ve formě 12 vědeckých článků publikovaných v impaktovaných mezinárodních časopisech, tematicky rozdělených do 4 částí (A - D). Část A zahrnuje 5 studií: A-I : Properties of magnetron sputtered Al-Si-N thin films with a low and high Si content. A-II : Formation of crystalline Al-Ti-O thin films and their properties. A-III: Protective Zr-containing SiO2 coatings resistant to thermal cycling in air up to 1400 °C. A-IV : Thermal stability of magnetron sputtered Si-B-C-N materials at temperatures up to 1700 °C. A-V : Thermal stability of alumina thin films containing -Al2O3 phase prepared by reactive magnetron sputtering. Část B zahrnuje 2 studie: B-I : Tribological and mechanical properties of nanocrystalline-TiC/a-C nanocomposite thin films. B-II : Coefficient of friction and wear of sputtered a-C thin coatings containing Mo. Část C zahrnuje 4 studie: C-I : Properties of nanocrystalline Al-Cu-O films reactively sputtered by DC pulse dual magnetron. C-II : Transparent Zr-Al-O oxide coatings with enhanced resistance to cracking. C-III: Two-phase single layer Al-O-N nanocomposite films with enhanced resistance to cracking. C-IV : The effect of addition of Al in ZrO2 thin film on its resistance to cracking. Část D zahrnuje 1 studii: D-I : Nanostructure of photocatalytic TiO2 films sputtered at temperatures below 200 °C. Kapitola 4 je věnována závěrům dizertační práce. Lze konstatovat, že dizertační práce přispívá k objasnění složitých vzájemných vztahů mezi parametry depozičních procesů, prvkovým složením a strukturou vytvořených tenkovrstvých materiálů a jejich vlastnostmi.

Abstract:

This thesis is focused on the analysis of elemental composition (by X-ray fluorescence method) and the structure (by X-ray diffraction method) of four types of the new thin-film materials prepared by different methods of magnetron deposition. These are the following materials: A. Al-Si-N, Al-Ti-O, Si-Zr-O, Si-B-C-N and Al2O3 protective coatings with a sufficient hardness and high temperature stability in air at very high temperatures. B. Nc-TiC/a-C and Mo-C abrasion resistant coatings with a sufficient hardness and low coefficient of friction. C. Al-Cu-O, Zr-Al-O, Al-O-N multifunctional layers with an increased resistance to stress cracking. D. Photocatalytic TiO2 layers. The thesis is divided into 4 Chapters. Chapter 1 is devoted to a general introduction and basic principles of X-ray fluorescence and X-ray diffraction methods. In Chapter 2, the aims of thesis are defined. Chapter 3 is the most extensive and it is devoted to the achieved results. The results are presented in a form of 12 scientific papers published in prestigious international journals divided into 4 parts (A - D). Part A includes 5 papers: A-I : Properties of magnetron sputtered Al-Si-N thin films with a low and high Si content. A-II : Formation of crystalline Al-Ti-O thin films and their properties. A-III: Protective Zr-containing SiO2 coatings resistant to thermal cycling in air up to 1400 °C. A-IV : Thermal stability of magnetron sputtered Si-B-C-N materials at temperatures up to 1700 °C. A-V : Thermal stability of alumina thin films containing -Al2O3 phase prepared by reactive magnetron sputtering. Part B includes 2 papers: B-I : Tribological and mechanical properties of nanocrystalline-TiC/a-C nanocomposite thin films. B-II : Coefficient of friction and wear of sputtered a-C thin coatings containing Mo. Part C includes 4 papers: C-I : Properties of nanocrystalline Al-Cu-O films reactively sputtered by DC pulse dual magnetron. C-II : Transparent Zr-Al-O oxide coatings with enhanced resistance to cracking. C-III: Two-phase single layer Al-O-N nanocomposite films with enhanced resistance to cracking. C-IV : The effect of addition of Al in ZrO2 thin film on its resistance to cracking. Part D includes 1 paper: D-I : Nanostructure of photocatalytic TiO2 films sputtered at temperatures below 200 °C. Chapter 4 is devoted to the conclusions of the thesis. It can be stated that the thesis contributes to the elucidation of the complex interrelationships between the parameters of the deposition processes and the elemental composition and the structure of the formed thin-film materials and their properties.

Keywords

rentgenová fluorescence, rentgenová difrakce, prvkové složení vrstev, struktura vrstev, vlastnosti vrstev

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 11. 2019

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