Přejít k obsahu


Nové nanostrukturní tenkovrstvé materiály vytvářené plazmovými technologiemi

Hlavním předmětem vědecké činnosti výzkumného týmu je výzkum a vývoj nových nanostrukturních tenkovrstvých materiálů a nových plazmových zdrojů pro jejich přípravu a pro modifikaci povrchu materiálů. Uvedené materiály s mimořádně vysokým aplikačním potenciálem a plazmové zdroje mají zásadní význam pro některá mimořádně důležitá odvětví průmyslu (flexibilní elektronika, vysokoteplotní elektronika a optoelektronika, telekomunikační systémy, letecký, automobilový a optický průmysl), ve kterých přispívají ke zvýšení užitných vlastností produktů, k rozvoji nových technologií, vývoji nových energetických zdrojů, snižování energetické náročnosti zařízení a rovněž jsou důležité pro environmentální technologie, bio či medicínské aplikace. Při přípravě nové generace těchto materiálů řeší výzkumný tým zásadní problémy z oblasti fyziky výbojového plazmatu, plazmochemie, fyziky tenkých vrstev a fyziky pevných látek. Výzkumný tým využívá současných či zcela nových plazmových technologií, které umožňují vytvářet materiály s unikátními fyzikálními a funkčními vlastnostmi a které jsou zároveň mimořádně šetrné a ekologické. Pracoviště disponuje odborníky pro přípravu nových tenkovrstvých materiálů zejména metodou reaktivního magnetronového naprašování, odborníky pro charakterizaci struktury a vlastností vytvářených materiálů a jejich počítačovou simulaci a odborníky pro diagnostiku nerovnovážného výbojového plazmatu a jeho počítačové modelování. Tito odborníci se podílejí na řešení výzkumných projektů, které spadají do dvou klíčových oblastí:

A. Nové nanostrukturní tenkovrstvé materiály

Hlavním cílem je výzkum a vývoj tenkovrstvých materiálů na bázi oxidů a oxynitridů s unikátními fyzikálními a funkčními vlastnostmi. Pozornost je soustředěna na fundamentální aspekty vysokorychlostní magnetronové depozice denzifikovaných stechiometrických oxidů pro potenciální aplikace v mikroelektronice (vysoká dielektrická konstanta a nízký svodový proud) a optické aplikace (vysoký index lomu, řízená elektrická vodivost, termochromický jev a nízký extinkční koeficient). V případě zcela nových materiálů na bázi oxynitridů se jedná o přípravu a charakterizaci vlastností těchto materiálů se spojitě řízeným prvkovým složením a strukturou pro potenciální využití jako fotoaktivní, elektrochromické či biokompatibilní povlaky. Kombinace oxidových či oxynitridových vrstev s vzácnými kovy či jejich nanoklastry je důležitá rovněž v oblasti konduktometrických senzorů plynů či pro rozklad vody pod viditelným světlem. Proto je pozornost také soustředěna na studium těchto vrstev z hlediska stabilizace jejich mikrostruktury a vlivu vzácných kovů na elektrický odpor, reaktivitu a fotoaktivitu.

Dalším cílem v této oblasti je i výzkum multikomponentních, multivrstvých či gradovaných povlaků na bázi multiprvkových nitridů, boridů, karbidů, oxidů či slitin kovů s řízenou architekturou. Důraz je kladen na objasnění fyzikální podstaty procesů vedoucích k přípravě těchto vrstev s optimalizovanou nanostrukturou, vlastnostmi a architekturou. Pozornost je věnována složitým interakcím na hranicích zrn jednotlivých fází či na rozhraní jednotlivých vrstev. Cílem je připravit multifunkční vrstvy, které vykazují unikátní kombinaci několika vlastností (vysoká tvrdost, vysoká oxidační odolnost a teplotní stabilita, vysoká odolnost proti vzniku trhlin, nízké pnutí, nízký otěr, vysoká optická transparence, vysoká nebo nízká elektrická a tepelná vodivost či anizotropní tepelná vodivost, antibakteriální aktivita apod.).

B. Nové plazmové zdroje pro depozici vrstev a modifikaci povrchů

Hlavním cílem je především návrh, optimalizace a objasnění fundamentálních aspektů činnosti nových magnetronových systémů a metod různého typu, které jsou navrženy anebo zkonstruovány v laboratořích centra NTIS. Příkladem nových plazmových zdrojů a metod jsou:

  • nová metoda řízení vysokovýkonového pulzního magnetronového naprašování pro rychlou depozici stechiometrických oxidových vrstev a vrstev na bázi oxynitridů se spojitě proměnným prvkovým složením,
  • nový typ magnetronu pro rychlou depozici vrstev založený na současném rozprašování, sublimaci a odpařování terčové katody,
  • nový dvoufunkční magnetron pro depozici vrstev a zlepšené čištění povrchu substrátů před vlastní depozicí.

Výzkumný tým disponuje v nové budově centra NTIS několika špičkovými laboratořemi vysoké mezinárodní úrovně pro intenzivní a systematický výzkum v oboru fyziky plazmatu a plazmových technologií. Jedná se celkem o 14 laboratoří o celkové ploše cca 540 m2, jejichž vybavení zahrnuje především 14 vakuových depozičních zařízení pro vytváření tenkovrstvých materiálů a modifikaci povrchů v elektrických výbojích různého typu, 8 systémů pro komplexní diagnostiku výbojového plazmatu a 22 moderních analytických přístrojů pro komplexní charakterizaci vytvořených vrstev. Více naleznete v sekci laboratorní vybavení.

Dosažené originální výsledky

V posledních letech bylo dosaženo pracovníky výzkumného týmu několika originálních výsledků, které vedly k dalšímu posílení mezinárodní prestiže pracoviště. Získané výsledky jsou významným přínosem k rozvoji poznání v oblasti výzkumu nanostrukturních tenkovrstvých materiálů nového typu a v oblasti nových plazmových zdrojů pro depozici vrstev.

Vysokoteplotní povlaky

Klíčovým faktorem mnoha průmyslových odvětví je schopnost operovat při vysokých teplotách v různých více či méně agresivních prostředích. Za tímto účelem jsou intenzivně vyvíjeny nové pokročilé vysokoteplotní materiály schopné odolávat vysokým teplotám.

V nedávné době bylo v našich laboratořích vyvinuto a připraveno několik různých druhů vysokoteplotních povlaků. Tyto povlaky byly nadeponovány pomocí pulzního reaktivního DC magnetronového naprašování při plovoucím potenciálu a při teplotě substrátu 350°C. Využití plovoucího potenciálu (tj. schopnost připravit densifikované vrstvy bez použití předpětí na substrátu) zlepšuje aplikační potenciál těchto povlaků v praxi, jelikož se jedná o zjednodušený depoziční proces, který také snižuje kompresní pnutí.

Amorfní povlaky Si-B-C-N

  • vysoká tvrdost, nízká elektrická a tepelná vodivost, nízká dielektrická konstanta, nízký koeficient teplotní roztažnosti, vysoká optická průhlednost, nízké zbytkové pnutí, hladký povrch, velmi dobrá adheze k různým substrátům
  • mimořádná teplotní stabilita vlastností a struktury v intertních plynech (1600°C) a oxidační odolnost ve vzduchu (1500°C)
  • potenciální aplikace: ve vysokoteplotní mikroelektronice a optoelektronice nebo v pasivní ochraně aktivních senzorů a systémů letadel a kosmických lodí, optických zařízení a nových materiálů jako např. uhlíkových vláken, nanodrátů a nanotrubek

Publikace: J. Vlček, P. Calta, P. Steidl, P. Zeman, R. Čerstvý, J. Houška, J. Kohout: Pulsed reactive magnetron sputtering of high-temperature Si-B-C-N films with high optical transparency. Surf. Coat. Technol., 226 (2013) 34-39.

Nanokrystalické povlaky Zr-B-C-N a Hf-B-Si-C(-N)

  • velmi vysoká tvrdost, vysoká odolnost vůči otěru, vysoká elektrická a tepelná vodivost, nízké zbytkové pnutí, hladký povrch
  • vysoká oxidační odolnost a vysoká teplotní stabilita vlastností ve vzduchu (až do 950°C)
  • potenciální aplikace: ve vysokoteplotních kapacitních senzorech pracujících v nebezpečném prostředí nebo jako aktivní ochrana vysokorychlostních řezných nástrojů, lopatek turbín a lamel, náběžných hran křídel a přídí nadzvukových vozidel

Publikace: 

J. Kohout, J. Vlček, J. Houška, P. Mareš, R. Čerstvý, P. Zeman, M. Zhang, J. Jiang, E.I. Meletis, Š. Zuzjaková: Hard multifunctional Hf–B–Si–C films prepared by pulsed magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol., 257 (2014) 301-307.

M. Zhang, J. Jiang, J. Houška, J. Kohout, J. Vlček, E. I. Meletis: A study of the microstructure evolution of hard Zr–B–C–N films by high-resolution transmission electron microscopy. Acta Mater., 77 (2014) 212-222.

Flexibilní povlaky

Odolnost vůči vzniku trhlin při ohýbání či během zatěžování ochranných vrstev je zásadní v případě, že jsou vrstvy deponovány na flexibilní materiály nebo na materiály, které jsou podrobovány následných formovacím procesům. Z tohoto důvodů věnuje náš výzkum tým pozornost několika druhům flexibilních ochranných povlaků.

Vysoce průhledné povlaky Zr-Al-O a Zr-Si-O

Vysoce opticky průhledné anorganické povlaky jsou klíčové pro mechanickou a chemickou ochranu měkkých plastů před okolní atmosférou a proti poškrábání. Pokud jsou takové povlaky navíc také odolné vůči vzniku trhlin, jsou také velmi atraktivní pro využití ve flexibilních zobrazovacích zařízeních.

Povlaky založené na bázi tvrdé tetragonální fáze ZrO2 stabilizované amorfní matricí byly připraveny pomocí duálního pulzního reaktivního DC magnetronového naprašování při plovoucím potenciálu a teplotě substrátu 500°C.

  • vysoká tvrdost a odolnost vůči vzniku trhlin při ohybu a při vysoké indentační zátěži
  • vysoká optická průhlednost, vysoký index lomu
  • potenciální aplikace: ochrana dotykových obrazovek a všech dalších plastových výrobků

Publikace:

J. Musil, J. Sklenka, R. Čerstvý: Transparent Zr-Al-O oxide coatings with enhanced resistance to cracking. Surf. Coat. Technol., 206 (2012) 8-9. 

J. Musil, J. Sklenka, J. Procházka: Protective over-layer coating preventing cracking of thin films deposited on flexible substrates. Surf. Coat. Technol., 240 (2014) 275-280.

Antibakteriální povlaky Al-Cu-N a Zr-Cu-N

Antibakteriální povlaky, které efektivně zabíjí bakterie na jejich povrchu, jsou velmi důležité v nemocničním prostředí nebo v hromadné dopravě. Antibakteriální povlaky by neměly vykazovat pouze vysokou antibakteriální aktivitu, avšak měly by mít také vysokou odolnost vůči mechanickému poškození.

Povlaky na bázi tvrdých nitridů kovů (ZrN, AlN) a kovové mědi byly připraveny duálním pulzním magnetronových DC naprašováním při teplotě substrátu 400°C nebo 450°C.

  • vysoká tvrdost a odolnost vůči vzniku trhlin při ohybu a při vysoké indentační zátěži
  • silná antibakteriální aktivita při zabíjení bakterie E. Coli bez potřeby aktivace pomocí UV
  • potenciální aplikace: nemocniční vybavení, veřejná doprava, hotovostní bankomaty a automaty na jízdenky, nábytek v restauracích, divadlech nebo školách 

Publikace:

J. Musil, J. Blažek, K. Fajfrlík, R. Čerstvý: Flexible antibacterial Al–Cu–N films.Surf. Coat. Technol., 264 (2015) 114-120.

J. Musil, M. Zítek, K. Fajfrlík, R. Čerstvý: Flexible antibacterial Zr–Cu–N films resistant to cracking, J. Vac. Sci. Technol. A. 34 (2016) 021508.

Tvrdé hydrofóbní povlaky

Různé aplikace vyžadují hydrofóbní materiály pro povrchy odpuzující vodu. Často se hydrofóbního jevu dosáhne povrchovou úpravou, např. nanesením organických polymerů nebo, v případě super-hydrofóbních povrchů, vytvarováním povrchu. Takovéto povrchové modifikace se ale nehodí pro aplikace do extrémních podmínek, protože polymery se rozloží chemicky nebo tepelně a vytvarované povrchy se obrousí. To vede k potřebě tvrdých materiálů, které jsou hydrofóbní ze své podstaty. Ačkoliv většina keramik je hydrofilní, oxidy a nitridy různých kovů s nízkou elektronegativitou (např. Nd, Zr, Y a La) se ukazují být hydrofóbními tvrdými keramikami.

Povlaky z těchto oxidů byly připraveny pomocí reaktivního DC magnetronového naprašování za použití nevyváženého magnetronu při plovoucím potenciálu a při teplotě substrátu 300°C.

  • vysoká tvrdost a odolnost proti poškrábání
  • vysoký kontaktní úhel vodní kapky bez povrchových úprav
  • potenciální aplikace: samočistící povrchy, chirurgické nástroje, lopatky turbín, trupy lodí s nízkým odporem

Publikace:

S. Zenkin, Š. Kos, J. Musil: Hydrophobicity of Thin Films of Compounds of Low-Electronegativity Metals. J. Am. Ceram. Soc., 97 (2014) 2713-2717.

Vysokorychlostní výkonové impulzní magnetronové naprašování oxidů a oxynitridů

Velmi důležitým parametrem při přípravě tenkovrstvých materiálů je depoziční rychlost, tj. rychlost růstu tenké vrstvy. Vysokorychlostní depozice tenkých vrstev s požadovanými vlastnostmi je klíčová pro případnou průmyslovou výrobu daného povlaku. Především v případě reaktivního vysokovýkonového pulzního magnetronového naprašování dielektrických filmů (reaktivní HiPIMS) byly zatím v literatuře uváděny pouze velmi nízké depoziční rychlosti.

Vyvinuli jsme proto naše vlastní řešení použitelné pro vysokorychlostní reaktivní HiPIMS. Toto řešení zahrnuje (i) optimalizaci geometrie napouštění reaktivního plynu a (ii) návrh pulzního řízení toku reaktivního plynu. Použitím tohoto přístupu jsme schopni vytvářet densifikované stochiometrické oxidy za vysokých depozičních rychlostí, stejně jako oxynitridové povlaky s řiditelným prvkovýcm složením a vlastnostmi.

Vysokorychlostní reaktivní HiPIMS povlaků ZrO2, Ta2O5 a HfO2

  • několikrát vyšší depoziční rychlost oproti literatuře (až 120 nm/min pro povlaky ZrO2, 125 nm/min pro Ta2O5 a 345 nm/min pro HfO2)
  • vysoká hustota, vysoká optická průhlednost, vysoký index lomu, nízký extinkční koeficient
  • potenciální aplikace: optické povlaky, dielektrické povlaky, povlaky odolné vůči otěru

Publikace: J. Rezek, J. Vlček, J. Houška, R. Čerstvý: High-rate reactive high-power impulse magnetron sputtering of Ta–O–N films with tunable composition and properties. Thin Solid Films, 566 (2014) 70-77.

Počítačové simulace růstu, struktur a vlastností tenkovrstvých materiálů

Experimentální výzkum je podporován počítačovými simulacemi na atomární úrovni. Simulace nám umožňují vysvětlit komplexní vztahy mezi podmínkami přípravy, složením, krystalickou nebo amorfní strukturou, elektronovou strukturou a vlastnostmi nových funkčních materiálů, předpovědět, které materiály budou mít požadované vlastnosti, a navrhnout postupy pro přípravu požadovaných materiálů. V tomto kontextu jsou používány různé moderní simulační algoritmy v kombinaci s různými úrovněmi popisu interakcí mezi atomy (od klasických interakčních potenciálů po ab-initio), implementované v různých softwarových balících (LAMMPS, PWscf, CPMD, ...). 

Simulace amorfních materiálů, např. Si-B-C-N nebo M(přechodový kov)-Si-B-C-N

  • vysvětlení role jednotlivých prvků v atomárních a elektronových strukturách (vazebné preference, koordinační čísla, lokalizace elektronových stavů, ...)
  • předpověď trendů (mechanických, elektrických...) vlastností a tepelné stability v širokém rozsahu složení
  • vysvětlení role implantovaného Ar, a role Si při uvolňování kompresního pnutí způsobeného implantací Ar

Publikace:

J. Houška, J. Vlček, S. Hřeben, M.M.M. Bilek and D.R. McKenzie: Effect of B and the Si/C ratio on high-temperature stability of novel Si-B-C-N materials. Europhys. Lett. 76 (2006) 512-518.

J. Houška, Š. Kos: SiBCN materials for high-temperature applications: Atomistic origin of electrical conductivity. J. Appl. Phys. 108 (2010) 083711-1/083711-7.

Simulace krystalických tuhých roztoků, např. M-B-C-N, M1‑M2-N nebo Al-Cu-O

  • předpovědi přesných krystalových struktur: mřížkové parametry, rozložení atomů a vakancí, počet vakancí
  • výpočet celkových energií a jejich využití pro předpověď stability x metastability v širokém rozsahu složení
  • předpovědi mechanických vlastností (modul tuhosti, střihový modul, houževnatost, ...) v širokém rozsahu složení

Publikace: 

J. Houška, J. Kohout, P. Mareš, R. Čerstvý, J. Vlček: Dependence of structure and properties of hard nanocrystalline conductive films MBCN (M = Ti, Zr, Hf) on the choice of metal element. Thin Solid Films. 586 (2015) 22-27.

V. Petrman, J. Houška: Trends in formation energies and elastic moduli of ternary and quaternary transition metal nitrides. J. Mater. Sci., 48 (2013) 7642-7651.

Simulace růstu různých fází atom po atomu, např. TiO2, ZrO2 nebo Al2O3

  • oddělení nukleace krystalů a růstu krystalů, identifikace podmínek přípravy (energie atomů, teplota, bombardování argonem) vedoucích k nepřerušenému růstu a podmínek přípravy vedoucích k amorfizaci rutilu TiO2, anatasu TiO2, α-Al2O3, γ-Al2O3, ...
  • návrh postupů pro přípravu požadovaných fází, s ohledem na různé podmínky nutné pro nukleaci krystalů a pro růst krystalů
  • vývoj vlastních interakčních potenciálů - příspěvek k metodologii spolehlivých simulací růstu tenkých vrstev

Publikace:

J. Houška: Pathway for a low-temperature deposition of α-Al2O3: a molecular-dynamics study. Surf. Coat. Technol., 235 (2013) 333-341.

J. Houška: Force field for realistic molecular dynamics simulations of ZrO2 growth. Comput. Mater. Sci., 111 (2016) 209-217.

Počítačové simulace magnetronových výbojů

Fyzika plazmatu a interakcí plazma–pevná látka je komplexní téma zahrnující několik oblastí fyziky, zejména dynamiku tekutin, elektřinu a magnetizmus, fyziku pevných látek a fyzikální chemii (reakční kinetiku). Počítačové simulace jsou nezbytné pro řešení úloh vycházejících z praktických aplikací pro depozice tenkých vrstev. Výsledky simulací nám dávají možnost stanovit hodnoty proměnných, které jsou obtížně měřitelné. Simulace tak doplňují a zpřesňují poznatky získané experiment. Naše simulační činnost je zaměřena zejména na magnetronové naprašování tenkých vrstev. V současnosti je naším výzkumným týmem intenzivně studována metoda vysokovýkonového pulzního magnetronového naprašování (HiPIMS). V souvislosti s tím jsou vytvářeny modely popisující procesy probíhající v HiPIMS výbojích. Využíváme vlastních programů založených na metodách globálního (prostorově průměrovaného) popisu výboje a na částicových (Monte Carlo) metodách.

Fenomenologický rovnovážný model pro HiPIMS

  • teoretická analýza transportu rozprášených částic ve vysokovýkonovém pulzním magnetronovém výboji
  • vysvětlení poklesu normalizované depoziční rychlosti v HiPIMS výbojích
  • stanovení pravděpodobnosti ionizace a návratu rozprášených atomů na terč a pro stanovené stupně ionizace rozprášených atomů v toku na substrát pro dané depoziční podmínky

Publikace: J. Vlček, K. Burcalová: A phenomenological equilibrium model applicable to high-power pulsed magnetron sputtering. Plasma Sources Sci., 19 (2010) 1-12.

Prostorově průměrovaný model HiPIMS

  • nestacionární dvouzónový model: (i) oblast ionizace nad erozní zónou terče a (ii) oblast plazmatu bez magnetického pole
  • výpočet časového vývoje prostorově průměrovaných hustot částic plazmatu (včetně rozprášených atomů a jejich iontů) a jejich toků na terč a substrát
  • vyhodnocení a objasnění závislostí výbojových a depozičních charakteristik na řídících procesních parametrech
  • ve spojení s měřenými výbojovými charakteristikami lze model využít pro validaci teoretických modelů procesů ve výboji (např. emise sekundárních elektronů, transport rozprášených atomů, etc.)

Publikace:

T. Kozák, A.D. Pajdarová: A non-stationary model for high power impulse magnetron sputtering discharges. J. Appl. Phys., 110 (2011) 1033031-10330311.

T. Kozák, J. Vlček: Effect of the voltage pulse characteristics on high-power impulse magnetron sputtering of copper. Plasma Sources Sci. Technol., 22 (2013) 015009-1-015009-9. 

Parametrický model reaktivního HiPIMS

  • nestacionární model procesů na terči a substrátu během HiPIMS výboje v reaktivní atmosféře, zahrnující parametrický popis výbojových procesů (ionizace a disociace reaktivního plynu, ionizace a návrat rozprášených atomů na terč, efekt zředění pracovního plynu)
  • rychlý výpočet stavu terče a substrátu během depozice pro zadané vstupní parametry (výkonová hustota na terči, délka pulzu, parciální tlak kyslíku, etc.)
  • vysvětlení korelací mezi procesními a experimentálně zjištěnými depozičními parametry jako např. depoziční rychlost a složení vrstev

Patička