Nanokrystalické multikomponentní vrstvy připravené pulzním magnetronovým naprašováním

Abstract

Tato disertační práce se zabývá problematikou nanokrystalických multikomponentních vrstev založených především na nitridech a diboridech přechodových kovů IV. B skupiny. Uvedené vrstvy byly připraveny technikou pulzního magnetronového naprašování. Hlavní pozornost byla věnována nalezení korelací mezi depozičními parametry, prvkovým složením připravených vrstev, jejich strukturou a následně vlastnostmi. Po provedení přehledu literatury a zhodnocení současného stavu problematiky ve druhé kapitole, je v kapitole třetí definováno pět dílčích cílů této disertační práce. Následně je ve čtvrté kapitole podrobně popsána metodologie provedených experimentů, analýz a teoretických výpočtů. Zároveň je zde jasně demonstrováno, že pulzní dc magnetronové rozprašování terče B4C-Me-(Si) je vhodnou technikou k přípravě multikomponentních nanokrystalických vrstev obsahujících přechodový kov IV. B skupiny. Hlavní pátá kapitola předložené práce sestává z pěti vzájemné souvisejících studií, které dávají odpovědi na otázky související s dílčími cíli práce stanovenými ve třetí kapitole.

V první studii je ukázáno, že nárůst podíl u křemíku v erozní zóně terče B4C-Si až na hodnotu [Sitarget] = 15 % vede ke vzniku vrstev Zr-Si-B-C-N se srovnatelnou tvrdostí (27 - 30 GPa), výrazně zvýšenou otěruvzdorností (koeficient rychlosti otěru 1×10-15 m3/Nm) a oxidační odolností (nárůst hmotnosti menší než 0,01 mg/cm2) ve srovnání s tvrdou (31 GPa) vrstvou Zr31B47C10N11 vykazující koeficient rychlosti otěru 4×10-15 m3/Nm a odpovídající nárůst hmotnosti po žíhání zhruba 0,1 mg/cm2.

Ve druhé studii bylo zjištěno, že obsah křemíku má zásadní vliv na strukturu materiálu Hf-B-Si-C a jeho vlastnosti. Vrstvy Hf-B-C bez křemíku jsou charakterizovány především přítomností nanokolumnární fáze HfB2 a vykazují vysokou tvrdost 37 GPa doprovázenou vysokým tlakovým pnutím 4,9 GPa. Postupný nárůst [Sitarget] na 7,5 % vede ke vzniku nanokompozitních vrstev Hf-B-Si-C vykazujících rovněž vysokou tvrdost 37 GPa, nízké tlakové pnutí 0,9 GPa a zvýšenou oxidační odolnost ve vzduchu do 800 °C.

Ve třetí studii jsme dospěli k poznatku, že přidání odpovídajícího množství dusíku do plynné směsi během rozprašování terče B4C-Hf-Si s [Hftarget] = 15 % a [Sitarget] = 20 % má za následek vznik tvrdých (20 GPa) vrstev Hf-B-Si-C-N s vysokou optickou propustností (extinkční koeficient při vlnové délce 550 nm k550 = 0,002) a velmi vysokou oxidační odolností (změna hmotnosti podstatně menší než 0,01 mg/cm2 po žíhání do 1500 °C) při velmi vysokých teplotách.

Ve čtvrté studii bylo zjištěno, že je možné připravit tvrdé (33 - 36 GPa) a vysoce elektricky vodivé (měrný elektrický odpor 2,3×10-6 - 3,5×10-6 ohmmetru) nanokompozitní vrstvy Hf-B-C-N užitím pulzního magnetronového rozprašování terče B4C-Hf v poměrně širokém rozsahu [Hftarget] = 25 - 45 % a při konstantním 5% podílu dusíku v plynné směsi.

V poslední prezentované studii pak bylo zjištěno, že v případě hafnia vznikají tuhé roztoky Hf(BxCyN1-x-y) podstatně snáze ve srovnání se zirkoniem, nebo dokonce titanem. Získané poznatky byly využity při objasnění struktury a vlastností vrstev Me-B-C-N připravených s 45 % Me v erozní zóně terče B4C-Me a při 5% podílu dusíku ve směsi plynů.