Multilayer design of sustainable multifunctional Zr–Cu–N coatings: A route for enhanced mechanical and antibacterial performance

Abstract

Wear-resistant protective coatings with antimicrobial activity are essential for durability and hygiene in healthcare, public spaces, food industry, consumer products, and industrial environments. This study developed sustainable multifunctional Zr–Cu–N coatings with exceptional damage tolerance, and antibacterial properties using non-reactive and reactive sputtering of only two elemental Zr and Cu targets without external heating. The coatings’ superior performance stems from a sophisticated multilayer architecture combining elastic ZrCu metallic glass, hard and stiff ZrN ceramic, and hard and tough ZrN–Cu nanocomposite coatings. Each constituent was optimized for composition and mechanical properties before integration into multilayer structures to provide high damage tolerance and antibacterial functionality. Antibacterial efficacy was tested in a high-traffic environment over 60 days, showing consistent antimicrobial performance. Fracture stress and toughness were assessed through in situ bending experiments on microcantilever beams fabricated by focused ion beam milling. Results revealed that optimizing the thicknesses of ductile and stiff sublayers significantly enhances damage tolerance while maintaining high hardness and wear resistance. The incorporation of Cu in an unbonded state within the ZrN–Cu nanocomposite facilitates sustainable and scalable production of these multifunctional coatings with antibacterial properties, making them ideal for large surface applications in high-traffic environments like hospitals, office buildings, and public transport.

Ochranné povlaky odolné proti opotřebení s antibakteriálním účinkem jsou nezbytné pro udržení hygienických standardů ve zdravotnictví, veřejných prostorech, potravinářském průmyslu, spotřebitelských výrobcích a průmyslovém prostředí. Tato studie se zabývá udržitelnými multifunkčními povlaky Zr–Cu–N se zvýšenou odolností proti opotřebení a antibakteriálním účinkem, které byly připraveny metodou nereaktivního a reaktivního naprašování Zr a Cu bez externího ohřevu. Tyto vlastnosti vrstev vyplývají z multivrstvé architektury kombinující elastická kovová skla ZrCu, tvrdé keramické vrstvy ZrN a houževnaté nanokompozitní vrstvy ZrN–Cu. Každá z výše zmíněných složek byla před použitím do multivrstvé struktury optimalizována z hlediska složení a mechanických vlastností, aby byla zajištěna vysoká odolnost proti poškození a antibakteriální funkčnost výsledné multivrstvy. Antibakteriální vlastnosti vrstev byly testovány v reálném provozu po dobu 60 dní a byla prokázána jejich konzistentní účinnost. Lomová houževnatost vrstev byla zkoumána pomocí in situ ohybu na mikrokantilévrových nosnících vyrobených frézováním fokusovaným iontovým svazkem. Výsledky naznačují, že optimalizací tlouštěk jednotlivých ZrCu a ZrN vrstev v multivrstvě je možné výrazně zvýšit její odolnost proti poškození při zachování vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Začlenění nevázaných atomů Cu do nanokompozitního ZrN–Cu pak usnadňuje výrobu těchto multifunkčních povlaků s antibakteriálními vlastnostmi, což je ideální v případě aplikace na velké plochy v prostředích s vysokým provozem, jako jsou nemocnice, kancelářské budovy a veřejná doprava.