Hlavním předmětem naší vědecké činnosti je výzkum a vývoj nových depozičních metod a postupů pro přípravu perspektivních nanostrukturovaných tenkovrstevných materiálů. Pro přípravu tenkých vrstev jsou využívány především techniky fyzikální depozice z plynné fáze, zejména pak metoda magnetonového naprašování. Její princip je následující - ionty generované v nízkotlakém plazmatu jsou urychlené elektrickým polem na povrch terčíku, z kterého odprašují atomy, a ty pak následně kondenzují na podložce, kde roste tenká vrstva. Nastavením parametrů depozičního procesu řídíme složení a strukturu rostoucího povlaku a tedy i jeho fyzikální a chemické vlastnosti.
Takto připravené tenké vrstvy mají široké uplatnění v mnoha odvětvích moderního průmyslu, např. v ohebné elektronice, v mikroelektronice, optoelektronice, v leteckém a automobilovém průmyslu, ve strojírenství apod. Připravené vrstvy jsou pak detailně analyzovány moderními technikami, často i ve spolupráci se zahraničními partnery. U tenkých vrstev jsou studovány jak jejich makroskopické vlastnosti a projevy, tak i jejich vnitřní uspořádání a to až na atomární úrovni.
Náš výzkum je multidisciplinární - při řešení vědeckých úkolů se vypořádáváme s problémy nejen z oblasti fyziky plazmatu a elektrických výbojů, ale i z plazmochemie, fyziky tenkých vrstev, fyziky pevných látek a materiálové chemie. V základním výzkumu se zaměřujeme na fundamentální studium procesu depozice tenkých vrstev a detailní porozumění vztahu mezi strukturou a vlastnostmi deponovaných materiálů. Ve výzkumu aplikovaném usilujeme o přípravu vrstev s požadovaným složením a vnitřní strukturou, které pak vykazují unikátní kombinaci žádoucích vlastností. Společně s našimi průmyslovými partnery vyvíjíme tenké vrstvy přímo na míru konkrétním aplikacím či provádíme přenos laboratorně vyvíjené technologie do praxe, často i v režimu dohody o mlčenlivosti.
Depozice a analýza nových materiálů ve formě tenkých vrstev
Ve výzkumu na poli tenkých vrstev se zaměřujeme jak na základní, tak i aplikovaný výzkum v oblasti materiálů připravených magnetronovým naprašováním. Zabýváme se širokým spektrem povlaků, které můžou posunout dopředu současný stav poznání primárně ve strojírenství a udržitelné produkci a skladování obnovitelné energie. Z průmyslových témat pracujeme například na tvrdých vrstvách na bázi oxynitridů nebo keramik stabilizovaných vysokou entropií, které jsou zároveň velmi teplotně odolné. To ve strojírenství povede k lepší kvalitě obrobků, jejich rychlejší výrobě a odstranění potřeby používat maziva, což uleví i životnímu prostředí. Možnou aplikací takovýchto vrstev jsou i ochranné vrstvy v odvětví aerospace. Dalším našim strojírenským tématem je příprava nových materiálů, které v sobě kombinují zdánlivě neslučitelné vlastnosti kovů a keramik – odolnost proti šíření trhlin a vysokou tvrdost. Tyto vlastnosti kombinují nedávno teoreticky předpovězené nanolaminátní materiály obsahující kov, bór a uhlík v krystalické mřížce podobné tzv. MAX fázím, která je charakteristická střídáním pevně iontově a kovalentně vázaných rovin se slaběji kovově vázanými rovinami. Také se zabýváme přípravou kvalitních dielektrických oxidových vrstev pro průmyslové senzory. V oblasti zelené energetiky se zabýváme přípravou povlaků na bázi oxidů stabilizovaných vysokou entropií, které díky své struktuře zvýší kapacitu současných lithium iontových baterií a zároveň díky své chemické a mechanické stabilitě zvýší i jejich životnost. Zabýváme se keramickými povlaky na elektrody a tenkovrstevné katalyzátory z intermetalik pro elektrolyzéry vody vyrábějící kyslík a hlavně vodík, který řeší jednu z největších slabin dosavadní zelené energetiky – skladování vyrobené energie. V neposlední řadě také řešíme přípravu materiálů pro využití jinak ztracené mechanické energie, která je ve vibracích všeho kolem nás. Díky piezoelektrickému jevu a novým piezoelektrickým materiálům budeme schopni tuto energii přeměňovat přímo na elektrickou energii.
Studium depozičního procesu
Důkladná charakterizace depozičního procesu umožňuje porozumět souvislostem mezi vnějšími parametry depozičního procesu (jako je tlak, průtok plynů, dodávaný výkon apod.), vlastnostmi depozičního plazmatu (jako jsou koncentrace částic, toky částic, toky energie, teplota apod.) a vlastnostmi deponovaných vrstev (jako je prvkové a fázové složení vrstvy, tvrdost apod.). Toto umožňuje odhalit jevy a mechanismy, které probíhají v depoziční komoře při procesu růstu tenkých vrstev a cíleně tyto poznatky použít pro optimalizaci a řízení depozičního procesu. V naší skupině se věnujeme zejména diagnostice PVD procesů se zaměřením na reaktivní magnetonové naprašování, které je buďto buzené konvenčně, nebo pulzy velkého výkonu (HiPIMS). Při HiPIMS procesu je energie výboje koncentrována do velmi intenzivního pulzu, kdy v blízkosti magnetonové katody vznikne velmi husté plazma a rozprášené částice jsou při průchodu tímto plazmatem ionizovány. Rostoucí vrstva pak roste nejen z atomů, ale i z iontů rozprášených částic, které lze přiložením vhodného předpětí urychlit směrem k substrátu. Depoziční proces pak charakterizujeme měřením prostorově rozlišené koncentrace rozprášených částic, v případě procesu buzeného pulzy velkého výkonu (HiPIMS) je realizováno také časově rozlišené měření. Využíváme diagnostických metod jako je například rezonanční optická absorpční spektroskopie (ROAS) nebo laserem indukovaná fluorescence (LIF). Nejběžnější kvalitativní diagnostickou technikou ale zůstává optická emisní spektroskopie (OES), protože je extrémně jednoduchá a vyžaduje pouze spektrometr a okénko nebo vákuovou průchodku pro optické vlákno. Vyvinuli jsme metodu založenou na efektivních větvících poměrech (metoda EBF), pomocí které dokážeme dopočítat z měřených spekter absolutní koncentraci atomů a iontů rozprášených částic v plazmatu. Proces naprašování dále zkoumáme pomocí sondových měření, měřením toku energie a toku iontů nebo měřením depoziční rychlosti.
Studium ionizačních center při HiPIMS
V roce 2011 bylo zjištěno, že magnetronové plazma buzené pulzy velkého výkonu není nad rozprašovanou částí terče vždy rovnoměrně rozmístěno, ale za určitých podmínek se samo uspořádá do lokalizovaných ionizačních zón, tzv. spokes. Spoky vykazují vyšší hustotu elektronů, velmi intenzivně svítí a rotují ve směru E×B driftu rychlostí přibližně 10 km·s-1. Vlastnosti spoků, jako např. jejich tvar, počet a rychlost silně závisí na experimentálních podmínkách včetně magnetického pole a geometrie komory. Tento typ nestabilit byl pozorován nejen při magnetonovém naprašování, ale i v jiných zařízeních, která využívají zkříženého elektrického a magnetického pole, jako jsou např. Hallovy motory. Naše skupina studuje spoky převážně v nereaktivním HiPIMS procesu. Pro výzkum spoků je používána kombinace několika diagnostických metod, např. snímkování pomocí rychlé kamery, měření signálu z optických vláken umístěných přímo v komoře a také různé typy sond, např. Langmuirovy sondy, páskové sondy, emisní sondy nebo rovinné sondy. Cílem je důkladně popsat chování tohoto typu nestabilit plazmatu a pomocí jednoduchým modelů odhalit, co tyto nestability způsobuje.
Teoretické modelování materiálových vlastností
V naši laboratoři se zabýváme nejen experimentální přípravou a analýzou tenkých vrstev, část skupiny se věnuje i modelování vlastností materiálů pomocí kvantově mechanických, tzv. ab initio, metod. Teoretické a experimentální metody se vzájemně doplňují. Například pomocí ab initio výpočtů lze provést efektivně testování velkého množství rozdílných materiálů pro výběr nejvhodnějších kandidátů pro následné podrobnější zkoumání, a tím ušetřit čas experimentátorům. Případně lze v případě neočekávaného experimentálního výsledku použít teoretický model k vysvětlení neobvyklých vlastností. Nejpoužívanější metodou je teorie funkcionálu hustoty, s jejíž pomocí lze efektivně předpovídat například fázovou stabilitu materiálů a jejich mechanické vlastnosti. V poslední době se intenzivně věnujeme i metodám strojového učení, například při vývoji inter-atomárních potenciálů. S pomocí těchto metod je možné dosáhnout o několik řádů větší velikosti modelovaného systému při stejných výpočetních nárocích a tím dále zpřesňovat a zrychlovat předpovědi materiálových vlastností.