Vědcům z Fyzikálního ústavu AV ČR se jako prvním na světě podařilo vyvinout systém pro povlakování, s nímž lze pomocí duté katody, pulzní plazmatické trysky a supersonického proudění upravovat nejen vnější povrchy se složitými strukturami, ale například i strukturované vnitřky dlouhých a úzkých trubic.
Ve Fyzikálním ústavu Akademie věd mě přivítal Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky AV ČR a zároveň hlavní řešitel projektu Národního centra kompetence (NCK) MATCA (Materials, Advanced Technologies, Coatings and their Applications), a Zdeněk Hubička, vedoucí Oddělení nízkoteplotního plazmatu, který se výzkumem zabývá více než 20 let a v podstatě stojí za vývojem depozičního systému.
Akademicko-průmyslové konsorcium NCK MATCA sdružuje aktuálně jedenáct akademických a osm komerčních subjektů, jejichž společná iniciativa je podpořena Technologickou agenturou České republiky (TA ČR). Mezi jeho hlavní cíle patří urychlování vývoje a průmyslového rozšíření plazmatických, laserových a aditivních technologií, zavádění výsledků do výroby, rozšíření znalostní databáze řešitelských pracovišť a podpora rozvoje mladých a perspektivních vědců. Aktuálně centrum pod vedením generálního manažera Tomáše Jetmara, který zajišťuje směřování výzkumu centra tak, aby byl dlouhodobě zajímavý nejen pro český, ale i pro evropský a světový průmysl, získalo nejlepší hodnocení panelu TA ČR.
První část mé návštěvy byla vpravdě teoretická. S oběma pány jsem si nejprve povídala o tom, jak celý projekt v průběhu času vznikal, a také o tom, jak funguje.
„Je to dlouhá historie,“ zodpověděl Zdeněk Hubička mou otázku, kdy na systému začal pracovat. „Když jsem působil na univerzitě v USA, v rámci základního výzkumu jsem se věnoval tvorbě polovodivých křemíkových vrstev pro solární panely. Podařilo se mi sestrojit zařízení s plazmatickou tryskou, které dobře fungovalo, a univerzita jej následně využívala i pro povlakování dalšími materiály, jako je polovodivý silikonkarbid nebo germaniumkarbid,“ vzpomínal a dodal, že po návratu do Česka navázal na svůj vývoj i zde.
V té době průmysl začal uvažovat o povlakování složitějších struktur, častěji začaly chodit poptávky také z průmyslu, který mimo jiné z důvodu rozvoje 3D tisku potřeboval povlakovat čím dál složitější struktury z rozličných materiálů, a stávající technologie přestávaly dostačovat. Běžně užívaná PVD (physical vapour deposition) metoda totiž nedokáže povlakovat například vnitřky otvorů či složitě členěné povrchy a chemická metoda má rovněž své limity. Vrstvy mají například nižší adhezi, větší tloušťku a lze ji použít pouze na omezený okruh materiálů.
„Metoda, kterou se nám podařilo ve spolupráci s partnerem z průmyslové sféry vyvinout, nabízí podstatně širší možnosti využití. Dokáže si poradit i s výzvami, kterým průmysl čelí, a kolega se svým týmem za tento výzkum získal nominaci na cenu Neuron, z čehož máme všichni opravdu velkou radost,“ doplnil Alexandr Dejneka a k možnostem a výhodám plazmatické depozice dodal: „Hlavními přínosy těchto technologií jsou rychlost, univerzálnost i vysoká odolnost povlaku. Cílem je zrychlit a zjednodušit procesy, umožnit povlakování i velmi složitých struktur a nabízet průmyslově škálovatelné technologie.“
Plazmatický depoziční systém s elektronovou cyklotronovou vlnou v rezonanci a pulzním magnetronem © Kristina Kadlas Blümelová
Systém pro povlakování využívá nadzvukové proudění
Abych dokázala jedinečnost tohoto povlakovacího zařízení dobře pochopit, vysvětlil mi Zdeněk Hubička princip nejprve na podobném systému, který však nepracuje s pulzní plazmatickou tryskou, nýbrž s pulzním planárním magnetronem a je již nasazený například v polygrafickém průmyslu pro povlakování plastových folií.
Materiál se stejně jako v případě PVD metody nanáší z planárního rozprašovacího terče, ale bylo potřeba, aby se depoziční částice dokázaly dostat i do složitých struktur na povrchu substrátu [upravovaného objektu — pozn. red.] „Proto pracujeme s ionizovaným plynem, tedy plazmatem. Čím více jsou depoziční částice ionizovány, tím lépe je dokážeme formovat. Zároveň jsme do systému přidali nadzvukové aerodynamické proudění za velmi nízkých tlaků, což umožní transportovat depoziční částice přímo do složitých struktur.“
Systém pro povlakování pomocí duté katody, který je vhodný například pro povlakování vnitřků úzkých, desítky centimetrů dlouhých trubic, pracuje taktéž na bázi pulzních výbojů plazmatu, avšak plazmatický zdroj sám má tvar trubky. Generuje se v něm pulzní plazma s různým systémem pulzů tak, aby bylo dosaženo vysoké ionizace depozičních částic. Díky tomuto efektu mají částice vysokou energii, což pak znamená také kvalitnější depozici povrchu.
„Částice přecházejí z oblasti, kde při tlaku zhruba 50 Pa působí intenzivní plazma i pracovní plyn, do oblasti extrémně nízkého tlaku. Navíc i v tomto případě přidáváme nadzvukové aerodynamické proudění o rychlosti 2 Ma. Vzniká tedy takový supersonický plasmajet vyvrhovaný jedním směrem tak, že dokáže povrch substrátu deponovat daleko kvalitněji a přesněji. Dosáhne do složitých struktur vně i uvnitř,“ vysvětlil mi Zdeněk Hubička.
V praxi to poté vypadá tak, že se zdroj v podstatě zastrčí do trubice, jejíž vnitřek se bude deponovat, a jak se uvnitř postupně posouvá, vytváří tenkou vrstvu ve formě kovů a nitridu. Pracovat lze také se zirkonovými nitridy, titanovými nitridy a dalšími typy nitridů i oxidů. Podle Zdeňka Hubičky má však tato metoda ještě jednu velkou výhodu: na rozdíl od klasického reaktivního magnetronového naprašování v tomto případě katoda nemůže zoxidovat, a systém si tak dokáže zachovat permanentní metalický mód, díky čemuž lze naprašovat daleko rychleji.
(Celý článek naleznete v aktuálním vydání Technického týdeníku.)