Výsokovýkonové pulzní reaktivní magnetronové naprašování oxidových a oxynitridových vrstev

Abstract

Oxidy a oxynitridy přechodových kovů jsou třídou materiálů s ještě neprozkoumanými fyzikálními, chemickými a funkčními vlastnostmi a s velkým potenciálem pro průmyslové aplikace. Tato disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací multifunkčních oxidových a oxynitridových vrstev. Pro přípravu vrstev bylo použito vysokovýkonové pulzní reaktivní magnetronové naprašování se zpětnovazebním pulzním řízením průtoku reaktivního plynu. Práce je rozdělena do šesti kapitol. Kapitola I je věnována stručnému všeobecnému úvodu do problematiky. V kapitole II jsou definovány cíle disertační práce. Kapitola III je nejrozsáhlejší a je věnována výsledkům dosaženým v této práci. Tato kapitola je rozdělena do pěti částí prezentovaných v podobě vědeckých prací publikovaných (AC) nebo předložených k publikaci (DE) v prestižních mezinárodních časopisech. V části A je prezentována depozice hustých, tvrdých (1518 GPa), vysoce opticky transparentních (index lomu 2,072,12 a extinkční koeficient mezi 0,1103 a 0,6103; obě veličiny při vlnové délce 550 nm), stechiometrických vrstv HfO2 na křemíkové substráty na plovoucím potenciálu. Je diskutován vliv depozičních podmínek (délka pulzu 50200 ?s a průměrná hustota výkonu na terč 2954 Wcm-2) na depoziční rychlost (až 345 a 460 nm/min pro HfO2 a Hf v uvedeném pořadí) a na vlastnosti vrstev. Je představen zjednodušený vztah pro depoziční rychlost. V části B je diskutována mikrostruktura hustých, tvrdých (1718 GPa), vysoce opticky transparentních (index lomu 2,022,11 a extinkční koeficient mezi 0,1103 a 1103; obě veličiny při vlnové délce 550 nm), hladkých (maximální průměrná střední drsnost asi 1 nm) HfO2 vrstev, připravených na křemíkových substrátech na plovoucím potenciálu. Byl zkoumán vliv délky pulzu (50200 ?s) a průměrné hustoty výkonu na terč (7,354 Wcm-2) na jejich mikrostrukturu. Bylo zjištěno, že všechny vrstvy se skládají z přechodové mezivrstvy na substrátu následované vrstvou vykazující nanosloupcovou strukturu. V jedné vrstvě byla zjištěna vysokoteplotní ortorombická fáze HfO2. V části C je zkoumána závislost smáčivosti a volné povrchové energie HfO2 vrstev na jejich tloušťce. V rozmezí 50250 nm je pozorována nejsilnější závislost (zvýšení kontaktního úhlu kapky vody až na 120°) díky dominanci elektrostatické Lifshitzovy van der Waalsovy složky povrchové volné energie. Zároveň povrchová volná energie roste od přibližně 25 mJ/m2 při tloušťce 50 nm do přibližně 33 mJ/m2 při tloušťce 2300 nm. Byla navržena dvě vysvětlení pro závislost smáčivosti na tloušťce vrstev: vliv nedominantní textury a/nebo nemonotónní závislost povrchové energie na velikosti zrn. V části D jsou ukázány vztahy mezi prvkovým složením, fázovou strukturou a optickými, elektrickými, mechanickými a hydrofobními vlastnostmi Hf-O-N vrstev. Vrstvy byly připraveny při podílu dusíku v průměrném průtoku reaktivního plynu: 0, 0,9, 2,6, 5, 25, 50 a 100 %. Je ukázána plynule řízená příprava vrstev z hlediska plynule laditelných vlastností materiálu při přechodu z oxidu do nitridu. Jedná se například o změnu extinkčního koeficientu při vlnové délce 550 nm z 5104 na 1,77, elektrického odporu z >108 m na 3,2106 m, tvrdosti z 18 GPa na 25 GPa nebo kontaktního úhlu kapky vody ze 101° na 107°. V části E jsou uvedeny a diskutovány základní principy jednoduché (bez použití předpětí a externího ohřevu substrátu během celého procesu reaktivní depozice) třístupňové (předčištění substrátu, depozice gradientních mezivrstev ZrOx a depozice stechiometrických vrstev ZrO2) HiPIMS techniky pro rychlou depozici stechiometrických hustých vrstev ZrO2 se zvýšenou adhezí k povrchu ocelových substrátů. Kapitola IV je věnována závěrům disertační práce. V kapitole V jsou uvedeny další publikace kandidáta