Pulzní reaktivní magnetronové naprašování tenkých vrstev obsahujících měď a stanovení jejich fyzikálních a mechanických vlastností

Abstract

Přidávání dalšího prvku do materiálů na bázi binárních sloučenin představuje v současnosti jeden z možných způsobů, jakými lze docílit zlepšení fyzikálních, mechanických a funkčních vlastností tenkovrstevných materiálů v různých aplikacích. Tato disertační práce se zabývá vyšetřováním vlivu různých procesních parametrů zejména pak přidáváním mědi na strukturu, fyzikální, mechanické a antibakteriální vlastnosti tenkých vrstev připravených metodou pulzního reaktivního magnetronového naprašování s využitím duálního magnetronu. V práci jsou zkoumány tři různé ternární systémy obsahující měď: (1) Al-Cu-O, (2) Cr-Cu-O a (3) Al-Cu-N.

Vrstvy Al-Cu-O byly systematicky studovány s cílem zlepšit mechanické vlastnosti a odolnost proti vzniku trhlin nanokompozitních Al2O3 vrstev obsahujících nanokrystalickou fázi gamma-Al2O3. Bylo zjištěno, že s rostoucím obsahem Cu ve vrstvách (z 0 at.% až do 16 at.%) se struktura nanokrystalů mění z gamma-Al2O3 přes tuhý roztok (Al8-2x,Cu3x)O12 až na CuAl2O4. Zmíněné změny struktury jsou doprovázeny nárůstem tvrdosti, elastické vratnosti, poměru H/E* a kompresivního makropnutí, přičemž maximální dosažené hodnoty odpovídají H=20 GPa, We=77 %, H/E*=0.133 a makropnutí -2 GPa. Nanokompoztní vrstvy Al-Cu-O s >2 at.% mědi také vykazují zvýšenou odolnost proti vzniku trhlin při indentačním testu. Ve srovnání s vrstvami čistého Al2O3 bylo u nanokompozitních vrstev Al-Cu-O dosaženo vyšších hodnot mechanických vlastností a zároveň i vyšší odolnosti proti vzniku trhlin.

Druhá část práce se zabývá vlivem obsahu mědi a fázového složení vrstev na bázi Cr-Cu-O na jejich antibakteriální a mechanické vlastnosti. Bylo zjištěno, že efektivita zabíjení bakterií E. coli se u nadeponovaných vrstev Cr-Cu-O zvyšuje s rostoucím obsahem mědi ve vrstvě. Výrazného antibakteriálního efektu bylo dosaženo v případě, že obsah mědi ve vrstvě byl >15 at.%. Antibakteriální efekt také silně závisí na fázovém složení. Nejvyšší antibakteriální efektivitu vykazovaly nadeponované vrstvy s amorfní strukturou a krystalické vrstvy se strukturou delafositu CuCrO2 připravené rychlým teplotním ohřevem na 700 °C v dusíkové atmosféře. Pro zabíjení bakterií E. coli není nutné ozařovat vrstvu ani UV ani viditelným zářením, a vrstvy tedy vykazují antibakteriální efekt jak za denního světla tak ve tmě. Antibakteriálního efektu je dosaženo i v případě velmi tenkých (70 nm) semitransparentních vrstev. Amorfní antibakteriální vrstvy Cr-Cu-O mají tvrdost 4 GPa a jejich mechanické vlastnosti jsou stabilní do 500 °C.

Poslední studie je věnována vývoji multifunkční tvrdé antibakteriální vrstvy na bázi Al-Cu-N se zvýšenou odolností proti vzniku trhlin. Byl zkoumán vliv různých depozičních parametrů s cílem nalézt optimální podmínky pro přípravu takové multifunkční vrstvy. Bylo zjištěno, že optimalizovaná vrstva se vyznačuje obsahem mědi v rozsahu 7.5 at.% až 11 at.% a nanokompozitní strukturou složenou z hexagonálního h-AlN a kovové mědi, přičemž obě tyto fáze se vyskytují ve formě drobných nanokrystalů. Pro dosažení vysoké tvrdosti (až 23 GPa) je nutné do rostoucí vrstvy dodat dostatečné množství energie, čehož je možné docílit např. přivedením předpětí na substrát, zvýšením výbojového proudu nebo snížením celkového tlaku. Tvrdé nanokompozitní vrstvy na bázi Al-Cu-N jsou schopné efektivně zabíjet bakterie E. coli jak za denního světla tak ve tmě, přičemž antibakteriální efektivita se zvyšuje s rostoucím obsahem mědi ve vrstvě. Tyto tvrdé nanokompozitní vrstvy zároveň vykazují zvýšenou odolnost proti vzniku trhlin při indentačním testu. Odolnost proti vzniku trhlin v ohybovém testu roste s rostocím kompresivním makropnutím ve vrstvě, jehož hodnota může být regulována velikostí celkového tlaku při depozici. Takovéto multifunkční nanokompozitní vrstvy na bázi Al-Cu-N mohou být připraveny vysokou depoziční rychlosti (aD=63.5 nm/min).