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. 

Amorfní vrstvy Si–B–C–N s mimořádně vysokou teplotní stabilitou

 

Vlastnosti:


  • extrémně vysoká oxidační odolnost až do teplot 1500°C
  • vysoká teplotní a chemická stabilita
  • vysoká tvrdost, nízká elektrická a tepelná vodivost, nízká relativní permitivita, nízký koeficient teplotní roztažnosti
  • vysoká optická propustnost, vysoká luminiscence, vysoká fotodetekční citlivost
 
Potenciální využití: 
 
  • vysokoteplotní ochrana prvků a systémů letadel a vesmírných plavidel
  • vysokoteplotní ochrana řezných nástrojů a optických zařízení
  • vysokoteplotní ochrana nových materiálů, např. uhlíkových vláken, nanovláken a nanotrubic
  • vysokoteplotní mikroelektronika a optoelektronika

 

Publikace: Thermal stability of magnetron sputtered Si–B–C–N materials at temperatures up to 1700 °C

Multifunkční antibakteriální nanokompozitní vrstvy Cr–Cu–O


Vlastnosti:

 

  • silný antibakteriální účinek i bez nutnosti aktivace UV zářením 

Potenciální využití: 
 
  • povlaky chirurgických nástrojů a zařízení v nemocnicích
  • možná ochrana před šířením infekcí na exponovaných místech, např. v hromadných dopravních prostředcích

 

Publikace: Antibacterial Cr–Cu–O films prepared by reactive magnetron sputtering

Multifunkční vrstvy Zr–Al–O s odolností proti vzniku trhlin při ohybu


Vlastnosti:


  • vysoká tvrdost a vysoká elasticita
  • odolnost proti vzniku trhlin

Potenciální využití: 
 
  • flexibilní elektronika, ocelářský průmysl, apod.

 

Publikace: Transparent Zr–Al–O oxide coatings with enhanced resistance to cracking

Vysokorychlostní depozice multifunkčních vrstev ZrO2

 

  • stabilní depoziční proces - vlastní řídící algoritmus depozičního procesu
  • až 12x vyšší depoziční rychlost oproti standardnímu procesu
  • transparentní stechiometrické vrstvy
  • densifikované vrstvy s vysokým indexem lomu
  • vrstvy s vysokou tvrdostí (16 GPa)

 

Publikace: Process stabilization and a significant enhancement of the deposition rate in reactive high-power impulse magnetron sputtering of ZrO2 and Ta2O5 films

Vysokorychlostní depozice multifunkčních vrstev Ta–O–N

 

  • stabilní depoziční proces - vlastní řídicí algoritmus depozičního procesu 
  • vysoká depoziční rychlost až 190 nm/min
  • plynule laditelné prvkové složení
  • plynule laditelný zakázaný pás energií a elektrická vodivost → aplikační potenciál pro fotokatalýzu a rozklad vody za viditelného světla

 

Publikace: High-rate reactive high-power impulse magnetron sputtering of Ta–O–N films with tunable composition and properties

Patička