Pulzní magnetronová depozice multifunkčních tenkovrstvých materiálů ze systému HfB(Si)C(N)

Abstract

Tato disertační práce se zabývá přípravou multikomponentních nanokrystalických tenkovrstvých materiálů, především ze systému HfB(Si)C(N), pomocí pulzního magnetronového naprašování. Práce je rozdělena do sedmi kapitol. První a druhá kapitola jsou věnovány úvodu a přehledu literatury se zaměřením na vysokoteplotní materiály a na tvrdé a elektricky vodivé materiály. Ve třetí kapitole jsou definovány čtyři dílčí cíle disertační práce. Čtvrtá kapitola popisuje metodologii přípravy vrstev, výhody pulzní magnetronové depozice a metody pro analýzu plazmatu a připravených vzorků tenkých vrstev. Pátá kapitola je nejobsáhlejší a obsahuje výsledky dosažené v této práci. Je rozdělena do čtyř podkapitol, kde každá podkapitola se věnuje jednomu dílčímu cíli disertační práce. V první části páté kapitoly je diskutován materiál HfB(Si)C připravený pulzní magnetronovou depozicí. Ukazuje se, že zvýšením zastoupení křemíku v erozní zóně terče až na 7,5 % dochází k redukci tlakového pnutí (z -5 na -1 GPa) při zachování tvrdosti (37 GPa). Dále dochází ke zvýšení oxidační odolnosti tenkých vrstev HfBSiC (žádná pozorovatelná změna do 800 °C při 30 % Si v erozní zóně terče) při zachování vysoké elektrické vodivosti (elektrická rezistivita v řádu m). Ve druhé části páté kapitoly je provedena analýza plazmatu při přípravě tenkých vrstev MBCN (M = Ti, Zr, Hf) pomocí hmotnostního spektrometru. Byl ukázán dominantní vliv napětí U0 při kladném napěťovém překmitu, který následuje po vypnutí záporného pulzu, na chvosty rozdělovacích funkcí energie iontů Ar+ na pozici substrátu. Napětí U0 je možné řídit tlakem či výkonem na terči během pulzu. Dále bylo pomocí měření hmotnostním spektrometrem a pomocí výpočtů ukázáno, že energie atomů Ar odražených od těžkého terče (Hf) je mnohem vyšší než energie atomů Ar odražených od terčů lehčích (Ti a Zr). Třetí část páté kapitoly se zabývá pulzní magnetronovou depozicí vrstev HfBSiCN. Jsou analyzovány jejich mechanické vlastnosti, optické vlastnosti a hlavně oxidační odolnost. Je ukázána nanokompozitní oxidační bariéra tvořená nanočásticemi HfO2 v matrici na bázi SiO2, která brání další oxidaci vrstev. Je prokázána vysoká oxidační odolnost materiálu HfBSiCN až do teplot 1500 °C. Čtvrtá část páté kapitoly je věnována obdobným vrstvám jako kapitola třetí. Tyto vrstvy HfBSiCN byly připraveny po renovaci depozičního systému, která vedla ke snížení základního tlaku. Byl ukázán vliv vyšší "čistoty" procesu na oxidační odolnost vrstev HfBSiCN a také další zlepšení jejich oxidačního chování snížením délky pulzu z původních 85 s na 50 s. Vrstva HfBSiCN připravená s 15 % N2 v reaktivní atmosféře s délkou pulzu 50 s vykazuje po oxidaci ve vzduchu do 1500 °C tloušťku ochranné oxidové vrstvy o téměř 200 nm nižší než v případě obdobné vrstvy připravené před renovací systému s délkou pulzu 85 s. V šesté kapitole jsou pak shrnuty závěry z kapitoly páté s ohledem na cíle disertační práce. V poslední sedmé kapitole je uveden přehled citací spolu s přehledem prací disertanta.