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.
Syntéza a analýza nanostrukturních povlaků
V současné době je výzkum nanostrukturních povlaků realizován ve dvou nezávislých směrech. V prvním směru se zabýváme přípravou, analýzou a optimalizací vybraných vlastností nanokompozitních povlaků tvořených přechodovým kovem, v našem případě titanem, a uhlíkem. Tyto povlaky mají nanokompozitní charakter, kdy a jsou tvořeny nanokrystalickými zrny karbidu titanu uloženými v amorfní hydrogenizované uhlíkové matrici (nc-TiC/a-C:H). Přesným vyladěním prvkového složení a vnitřní struktury mohou být tyto vrstvy např. supertvrdé nebo naopak vykazovat extrémně nízký koeficient tření a otěru či vysokou biokompatibilitu. Tyto vlastnosti předurčují aplikaci těchto povlaků ve strojírenství, kde mohou sloužit např. jako ochranné vrstvy pro obrábění neželezných kovů, v automobilovém průmyslu, kde mohou snižovat tření v motoru nebo mohou být použity v lékařství, kde mohou zvýšit životnost kloubních implantátů. Pro přípravu těchto povlaků jsme vyvinuli hybridní PVD-PECVD proces, který vhodným způsobem kombinuje výhody obou obvykle konkurenčních procesů. Tento laboratorně vyvinutý depoziční proces byl následně ve spolupráci s naším průmyslovým partnerem firmou PLATIT přenesen do praxe. Navrhli jsme plně automatický depoziční algoritmus vhodný pro použití v průmyslových zařízeních touto firmou vyráběných. Dnes je tedy možné si přímo zakoupit komerční depoziční zařízení firmy Platit společně s námi vyvinutou technologií, nebo si „jen“ nechat průmyslově povlakovat vlastní vzorky touto perspektivní vrstvou.
Druhý směr našeho výzkumu představují materiály na bázi nanolaminátů. Konkrétně jde o nedávno teoreticky předpovězené 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. Tato krystalická struktura zajišťuje připraveným materiálům jak vysokou tvrdost, tak i zvýšenou houževnatost. Kombinace tvrdosti a houževnatosti je u současných běžně používaných materiálů vzácností. Typické současné tvrdé ochranné povlaky jsou často na bázi keramiky, která je sice velmi tvrdá, ale zároveň je i křehká. To může vést k předčasnému zničení povlaku i povlakovaného nástroje kvůli rychlému šíření trhlin v materiálu. Nanolamináty kombinující tvrdost se zvýšenou houževnatostí jsou tedy perspektivními kandidáty na ochranné povlaky nové generace především pro aplikace, kde povlakovaný díl prochází výraznou deformací, jako je třeba tváření.
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.