Studium tlustých tenkých vrstev

Milan Dopita

Katedra fyziky elektronových struktur, Matematicko-fyzikální fakulta UK, Ke Karlovu 5, 121 16 Praha 2

Polykrystalické vrstvy v dnešní době hrají zásadní roli v celé řadě technických a průmyslových aplikací. Mezi jejich na první pohled evidentní benefity zejména patří možnost kombinace daného substrátu s vhodnou tenkou vrstvou, tak aby došlo k vylepšení požadovaných vlastností výrobku (například kombinace vysoce tvrdých vrstev s pevným a houževnatým substrátem – v případě rozličných řezných a obráběcích nástrojů, kombinace klasických materiálů (například železa) s chemicky odolnými vrstvami), veliké ekonomické úspory vzniklé mnohem vyšší životností takových výrobků, a jasné úspory plynoucí z faktu, že požadované vlastnosti má daný výrobek i v případě, že vrstva je velmi tenká (v porovnání s případem, kdy by celý výrobek byl vyroben z materiálu této tenké vrstvy).

Za zmínku také stojí možná „laditelnost“ vlastností tenké vrstvy v závislosti na fyzikálních a chemických parametrech přípravy této vrstvy.

Obsahem této práce je studium, optimalizace a vývoj korozivně odolných „tlustých tenkých“ vrstev (tloušťka vrstev jsou řádově stovky mikrometrů) – tzn. vrstev neměnících svoje vlastnosti (a chránících materiál substrátu) v rozličných korozivních prostředích (zejména vrstev odolných vůči KCl, K₂SO₄, ZnSO₄, PbCl₂, ZnCl₂). Ideálními materiály pro vrstvy těchto vlastností jsou vrstvy vytvořené ze sloučenin niklu. Nikl krystalizuje v kubické plošně centrované struktuře (fcc), této struktuře vděčí za svoji vynikající tvárnost a pevnost. Má značnou rozpustnost s celou řadu prvků, s nimiž tvoří tuhý roztok. Mikrostruktura niklových sloučenin sestává z fcc tuhého roztoku austenitu (g), ve kterém se mohou formovat precipitační částice. Nikl vytváří úplný tuhý roztok s mědí, a je téměř úplně rozpustný se železem. Může disolvovat 35% chromu, 20% molybdenu a wolframu, a okolo 5 až 10% hliníku, hořčíku, titanu a vanadia. Kubická plošně centrovaná matrice může disolvovat veliké množství prvků v různých kombinacích, jež mohou mít za následek například „ztužení - vytvrzení“ roztoku nebo vylepšení korozivní a oxidační odolnosti. V závislosti na množství a typu rozpuštěných atomů, mohou niklové slitiny získávat diametrálně odlišné fyzikální a chemické vlastnosti. Lze takto získat korozivně odolné slitiny, žáruvzdorné slitiny, slitiny s tvarovou pamětí, měkké magnetické slitiny, slitiny s malou tepelnou roztažností, slitiny s různým elektrickým odporem, atd. V popředí zájmu našeho zkoumání byly, vzhledem k industriální aplikaci tohoto výzkumu, slitiny spojující prvé dvě jmenované vlastnosti.

Byly zkoumány slitiny lišící se různým obsahem niklu, chromu, železa, molybdenu, niobu, kobaltu, křemíku, hliníku, titanu, uhlíku, fosforu, ytria dusíku a boru. Tyto slitiny byly studovány jak ve výchozím (surovém) stavu, tak po nanesení na materiál substrátu. Dále byly vzorky vystaveny působení oxidačních a korozivních prostředí (výše vyjmenovaných sloučenin). Byl zkoumán vývoj jejich vlastností v závislosti na teplotě a době působení těchto prostředí.

Mezi užité analytické metody studia patřily především:

· rentgenová difrakce (jak v s Bragg-Brentanově, tak v asymetrických uspořádáních). Ze změřených difrakčních záznamů byla provedena jak kvalitativní, tak kvantitativní fázová analýza, analýza přítomnosti zbytkových napětí, analýza velikosti koherentně difraktujících oblastí, analýza přítomnosti gradientů složení vzorků,

· optická mikroskopie. Z výsledků optické mikroskopie byly určeny tloušťky vrstev, a jejich homogenita,

· elektronová mikroskopie (SEM) a difrakce (EBSD – Electron Back Scatter Diffraction). Z výsledků SEM byla určena homogenita vrstev a jejich morfologie, z dat obdržených z EBSD byla určena fázová homohenita vrstev, z dat získaných z EDX analýzy potom prvkové složení vrstev a mapy prvkového složení.

Obr. 1. SEM obrázek výchozího materiálu

Obr. 2. obrázek vrstvy a substrátu získaný optickou mikroskopií

Obr. 3a, 3b. SEM obrázek vrstvy a části substrátu (vlevo), EBSD obrázek vrstvy a části substrátu (vpravo)

Obr. 4. difrakční záznamy dvou vrstev lišících se složením výchozího materiálu