Magnetronová depozice tenkovrstvých kovových slitin a nitridových vrstev na bázi Zr-Cu

Abstract

Binární tenkovrstvé slitiny Zr-Cu byly připraveny nereaktivním konvenčním dc a pulzním magnetronovým naprašováním ze dvou nevyvážených magnetronů osazených Zr a Cu terči. Magnetron s terčem Zr byl provozován v dc režimu, zatímco magnetron s terčem Cu v pulzním režimu buď za nízké, nebo vysoké hustoty výboje. Bylo ukázáno, že tenkovrstvá kovová skla Zr-Cu byla připravena s obsahem Cu mezi přibližně 30 a 65 at.% Cu nezávisle na použití nízké nebo vysoké hustoty výboje. Byla pozorována jasná korelace mezi vývojem krystalizační teploty a mechanických vlastností s rostoucím obsahem Cu. Depozice za vysoké hustoty výboje vedla k přípravě tenkovrstvých kovových slitin Zr-Cu s tlakovým pnutím (<0 GPa), zvýšenou tvrdostí (>7 GPa), velmi hladkým (povrchová drsnost <1 nm) a hydrofobním (kontaktní úhel vody >100°) povrchem. Ternární tenkovrstvé slitiny Zr-Hf-Cu se skelným chováním byly deponovány nereaktivním konvenčním dc a vysoko-výkonovým magnetronovým naprašováním ze tří nevyvážených magnetronů osazených Zr, Hf a Cu terči. Byly připraveny dvě série vrstev s postupně rostoucím poměrem Hf/(Hf+Zr) při 46 at.% Cu a 59 at.% Cu. Byla nalezena jasná korelace mezi vývojem teploty skelného přechodu, krystalizační teploty, tvrdosti a Youngova modulu s rostoucím poměrem Hf/(Hf+Zr). Lineární nárůst těchto veličin lze přičíst nárůstu průměrné vazebné energie ve vrstvách s postupným nahrazováním Zr za Hf. Tenkovrstvá kovová skla Zr-Hf-Cu vykazují zvýšenou tvrdost (až 7,8 GPa), zvýšenou tepelnou stabilitu a oxidační odolnost, velmi hladký (povrchová drsnot až 0,2 nm) a hydrofobní povrch (kontaktní úhel vody až 109°), a velmi nízkou elektrickou rezistivitu (nižší než 1,9 x 10-6 m). Kvaternární tenkovrstvé kovové slitiny Zr-Hf-Al/Si-Cu byly připraveny nereaktivním magnetronovým naprašováním ze čtyř nevyvážených magnetronů osazených Zr, Hf, Al nebo Si, a Cu terči. Byly připraveny dvě série vrstev buď s přidaným Al (až 17 at.%) nebo Si (až 12 at.%). Všechny vrstvy Zr-Hf-Al/Si-Cu byly připraveny s rentgenově amorfní strukturou. Skelný přechod byl ale rozpoznán pouze do 12 at.% Al nebo 6 at.% Si. Přidání Al nebo Si zlepšuje mechanické vlastnosti vrstev a tepelnou stabilitu jejich amorfní struktury. To lze vysvětlit zvy-šujícím se podílem kovalentní složky smíšené kovalentně-kovové vazby s rostoucím obsahem Al a Si. Kovová skla Zr-Hf-Al-Cu navíc vykazují širší oblast přechlazené kapaliny, zatímco kovová skla Zr-Hf-Si-Cu jsou odolnější vůči oxidaci. Byl vyšetřován vliv koncentrace Cu ve vrstvách Zr-Cu-N na antibakteriální chování a mecha-nické vlastnosti. Vrstvy Zr-Cu-N byly připraveny reaktivním magnetronovým naprašováním ze složených terčů Zr/Cu za využití duálního magnetronu ve směsi Ar + N2. Bylo zjištěno, že je možné připravit vrstvy Zr-Cu-N s obsahem Cu 10 at.%, které boudou současně vykazovat 100% efektivitu zabíjení bakterií E. Coli na jejich povrchu a vysokou tvrdost kolem 25 GPa, vysoký poměr H/E* 0,1, vysokou elastickou vratnost We 60% a tlakové pnutí (<0 GPa). Vrstvy Zr-Cu-N s těmito parametry jsou flexibilní/antibakteriální vrstvy, které vykazují zvýšenou odolnost proti vzniku trhlin. Tato zvýšené odolnost byla testována při ohybu Mo a Ti pásku pokrytého vrstvou Zr-Cu-N a zatěžováním povrchu naprášeného Zr-Cu-N na substrátu Si diamantovým indentorem při vysokých zátěžích až do 1 N.