PLICHTA, T. Povrchové a mechanické vlastnosti a-CSi:H a a-CSiO:H vrstev [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2020.
"Povrchové a mechanické vlastnosti a-CSi:H a a-CSiO:H vrstev" Ing. Tomáš Plichta Vysoké Učení Technické v Brně, Fakulta Chemická, Ústav Chemie Materiálů Dizertační práce Ing. Tomáše Plichty se zabývá vysoce aktuálním tématem přípravy organokřemičitých tenkých vrstev pomoci plazmatických technologií a jejich výzkumu pro vývoj moderních kompozitních materiálů. Plazmové procesy mají snížený dopad na životní prostředí, protože se vyhýbají použití velkého množství rozpouštědel, nebezpečných látek nebo vysokých teplot. Zkoumaný přístup proto splňuje požadavek udržitelnosti a poskytuje významný krok pro výrobu kompozitů na bázi skleněných vláken. Pro přípravu organokřemičitých tenkých vrstev si doktorand zvolil proces Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) z tetravinylsilanu, TVS, (a jeho směsí s Ar anebo O2) za použití dvou různých depozičních systému s planparalelním a tubulárním uspořádáním. Jedná se o typické systémy, které se dlouhodobě používají v této laboratoři i po celém světě pro nanášení tenkých vrstev na ploché a vláknité podložky. Práce je zaměřena především na hledání korelací mezi parametry depozice a mechanickými vlastnostmi výsledných tenkých vrstev (včetně modulu pružnosti, tvrdosti, koeficientu tření a vnitřního napětí), jejich povrchové topografie a adhezi. Jako primární analytické nástroje byly vybrány mikroskopie atomárních sil a rozmanité nanoindentační a vrypové testy. Jak příprava vzorků, tak i jejich charakterizace byly prováděny pomocí moderního vybavení, které vyžaduje vysoké technické dovednosti a hluboké pochopení fyzikálních principů měření. Doktorand nepochybně prokázal, že má komplexní znalosti pro splnění těchto úkolů. Z formálního hlediska disertace splňuje veškeré požadavky kladené na její úpravu. Vykazuje velmi malý počet typografických chyb a překlepů. Práce má celkem 192 stránky obsahující 124 obrázky a 198 referencí, což svědčí o velkém množství dosažených výsledků. Je rozdělena klasickým způsobem do několika kapitol, z nichž hlavními jsou Úvod, Experimentální část, Výsledky a diskuze a Závěr. V úvodu doktorand poskytuje přehled problematiky plazmových polymerů s ohledem na organokřemičitany, a konkretizuje motivaci pro svůj výzkum. Experimentální část uvádí detailní popis depozičních aparatur a charakterizačních metod, zejména AFM, nanoindentačních a vrypových testů. Ve výsledkové části doktorand prezentuje rozsáhlé porovnání organokřemíčitých vrstev připravených z čistého TVS a jeho směsí s Ar anebo O2. Z hlediska analýzy topografie povrchu velice oceňuji přistup doktoranda k detailnímu popisu nejen RMS drsnosti, která sama o sobě nemusí byt dostačující, ale její kombinaci s autokorelační a výškovou korelační funkcemi, které poskytují důležité informace o charakteristickém laterálním rozměru (korelační délce). Za další silnou stránku práce považuji i adekvátní a spolehlivý popis selhaní adheze pří vrypových testech včetně systematické analýzy reprodukovatelnosti výsledků. Dále oceňuji velice systematická měření stárnutí vzorků po téměř neuvěřitelnou dobu až 6 let. Nicméně, jako nejsilnější aspekt práce vidím kvantitativní výpočet adhezní práce mezi různými typy vrstev a podložkou. Takový výpočet umožnuje přímé porovnání vrstev při použití skutečně fyzikální veličiny, nikoliv technologických anebo semi-empirických parametrů. Právě pří analýze adhezní práce se doktorandovi podařilo získat velice zajímavé výsledky. Nakonec oceňuji kvantitativní testy smykové pevnosti reálných kompozitních materiálů připravených na bázi plazmatem opracovaných vláken. Tento přístup umožňuje vývoj pokročilých materiálů podložený hlubokým porozuměním fyzikálních jevů, ať už v samotné vrstvě plazmového polymeru, anebo na jeho rozhrání. K práci mám několik připomínek a dotazů: - Pro práci by bylo přínosné, kdyby byly cíle práce výslovně definovány v samostatné kapitole. Nicméně, i když cíle práce nebyly explicitně uvedeny, lze je odvodit z abstraktu ihned na začátku disertace. - Celá řada výsledků byla získána na vzorcích připravených v pulzním režimu výboje. V sekci 3.2.2 je zmíněn rozsah použitých délky a frekvenci pulzu. Nicméně výsledková část neuvádí konkrétní pulzní parametry (včetně střídy) pro konkrétní vzorky. - Obrázek 45 na str. 72 uvádí příklad výškové korelační funkce pro skenovací rozměr 50 mikronů. Nicméně není uvedeno bodové rozlišeni AFM měřeni. Použitý přistroj Ntegra má přednastavenou hodnotu 256×256 bodů na snímek. Pokud byla použita tato hodnota, bodové rozlišení je 50000/256 = 195 nm, což je srovnatelné s deklarovanou korelační délkou. Proto měření na tak velkých skenovacích rozměrech za daného bodového rozlišeni nemusí byt úplně vhodné pro kalkulaci korelační délky. Nicméně autor uvádí i výsledky se skenovacím rozměrem 5 mikronu, pro které tato námitka neplatí. Na obrázku 47 je vidět nesrovnalost mezi hodnotami korelační délky pro 50 a 5 mikronů, a tato nesrovnalost je s největší pravděpodobností způsobena právě zmíněnou nepřesností. Prosím autora o komentář. - Na str. 74 doktorand správně konstatuje, ze RMS drsnost může být saturována při větších skenovacích rozměrech. Nicméně, dizertace uvádí data jen pro dvě hodnoty 5 a 50 mikrometrů a odkazuje se na předešlou práci. Při diskuzi bych postrádal detailnější informace. Byla měřena RMS drsnost i pro jine hodnoty skenovacího rozměru? Splňuje-li se závislost RMS(L) ~ L, kde L je skenovací rozměr a je tak zvaný ‘roughness exponent’? - Obrázek 46 na str. 73 jasně osvědčuje, že za vyššího příkonu povrchové struktury mají větší laterální rozměr a vzorky mají větší drsnost. Má autor představu, proč tak tomu je? Kruhové struktury na povrchu silně připomínají částice, které vznikají v plynné fázi za určitých podmínek plasmové polymerace. Může být morfologie vrstev způsobena dopadem částic z plynné fáze na povrch? - V sekci 4.2.3 se autor zabýval vlivem záporného předpětí na elektrodě (self-bias) na mechanické vlastnosti vrstev, přičemž self-bias se řídil změnou hodnoty odraženého výkonu pomocí změny v nastavení ladicí jednotky. To je neobvyklý způsob provádění experimentů. Proč nebylo možné provádět experimenty klasickým způsobem, tj. s klesajícím se podaným a nulovým odraženým příkonem? - Obrázek 57 na str. 84 ukazuje závislost parametru elastického obnovení na příkonu a příslušný text na str. 83 naznačuje, že tato závislost je lineární. Nicméně, příkonová osa na obrázku je dána v logaritmické škále a tím pádem z formálního hlediska závislost lineární není. - Sekce 4.3.3 uvádí velice zajímavá měření mechanického pnuti v tenkých vrstvách. Potřeboval bych jen praktické informace o tom, jakým způsobem bylo uchyceno AFM raménko pro PECVD a zdali byla přijata nějaká opatření, aby se zabránilo růstu vrstvy na zadní straně raménka. - V sekci 4.5.2. při měření frikčního koeficientu (Obr. 98 a 99) bylo zjištěno, že jeho hodnoty rostou se zvyšující se koncentraci Ar nebo O2. Mohl by uchazeč poskytnout alespoň hypotetické vysvětlení, proč tak tomu je? Může přítomnost či nepřítomnost polárních kyslík-obsahujících skupin na povrchu vrstev ovlivňovat adhezní sily mezi nimi a diamantovým hrotem, který je charakterizován přítomností nepolárních uhlíkových vazeb? V souvislosti s těmito dotazy, za velice důležitý a poněkud neočekáváný výsledek považuji zjištění, že adhezní práce mezi vrstvami a podložkou nezávisí na přítomnosti či nepřítomnosti O2 v plynné fázi (Str. 144, obr. 104.), i přestože v literatuře se typické předpokládá, že kyslík musí přispívat k vylepšení adheze kvůli vytváření Si-O vazeb. Prosím o komentář. - Část 4.7 se tyká přípravy vzorků v tubulární aparatuře a uváděná data nejsou tak rozsáhlá, jak tomu je u planparalelního systému. Například, AFM výsledky již nesrovnávají laterální statistické parametry různých povrchů. - Str. 145. pro tubulární reaktor byl zjištěn nevýznamný nárůst mechanických vlastnosti vrstev s příkonem v porovnání se vzorky připravenými v planparalelní aparatuře. Autor konstatuje, že tato skutečnost souvisí s nižšími hodnotami hustoty plazmatu v reaktoru. Stejné vysvětlení je uvedeno i dále na str. 149 pro nepatrný nárůst míry adheze. Nemůže tato skutečnost byt spíše způsobena tím, že v tubulárním reaktoru se vzorky nacházejí na plovoucím potenciálu (jednotky až desítky V), ale v planparalelním reaktoru jsou umístěny na živé elektrodě s předpětím stovky až tisíc V? Závěrem bych chtěl zdůraznit, že položené otázky nejenže žádným způsobem nenaznačují nízkou kvalitu práce, ale naopak svědčí o vysoké náročnosti provedených experimentů a spíše slouží jako motivace pro další výzkum v této oblasti. Mohu konstatovat, že cíle disertační práce byly splněny a práce přináší řadu nových vědeckých poznatků na mezinárodní úrovni s vysokým významem pro rozvoj daného vědního oboru. Doktorand bezpochybně prokázal tvůrčí schopnost a připravenost k samostatné činnosti v dané oblasti výzkumu a práce splňuje požadavky standardně kladené na disertační práce v daném oboru. Za předpokladu úspěšného průběhu obhajoby, doporučuji udělit Ing. Tomáši Plichtovi titul Ph.D. V Praze dne 26. října 2020 prof. Ing. Andrey Shukurov, Ph.D. Univerzita Karlova Matematicko-fyzikální fakulta Katedra Makromolekulární Fyziky V Holešovičkách 2 18000 Praha
Práce se zabývá vývojem metod depozice a charakterizace tenkých vrstev pomocí plazmochemických metod. Jedná se o velmi aktuální téma, nejen pro svou vědeckou zajímavost, ale také pro možnost využití v praxi při výrobě kompozitních materiálů, například na bázi skleněných vláken, jak je prezentováno v práci. Práce začíná podrobnou teoretickou částí, ve které jsou prezentovány jednotlivé metody přípravy vrstev, tedy zejména depozice v plazmatu, jednotlivé měřicí metody využité pro měření topografie a mechanických vlastností vrstev, a také základní teoretické vztahy, využívané při jejich interpretaci. V popisu jsou nicméně, zřejmě pro větší obecnost, uvedeny i přístupy, které nakonec v práci podle všeho nejsou využity (například při popisu interpretace dat z nanoindentace). V další kapitole jsou popsány jak experimenty týkající se přípravy tenkých vrstev, tak i jejich měření různými metodami. Výsledky měření jsou dále velmi podrobně diskutovány, jednotlivě pro různé měřicí metody a experimenty. Tento popis zahrnuje i aspekty nejistoty měření prezentovaných výsledků, ať už s ohledem na vliv parametrů měření, nebo s ohledem na reprodukovatelnost přípravy vrstev za různých technologických podmínek. Hlavní výsledky prezentované v práci jsou přehledně popsány, podrobně diskutovány v jednotlivých kapitolách a shrnuty v závěrečné části. Z práce je patrný velký rozsah činností autora a také velice systematický přístup k řešení problémů. Zvláště oceňuji snahu provádět některá měření více nezávislými metodami a jejich výsledky kriticky srovnávat (např. při měření vnitřního pnutí či smykové pevnosti) i snahu charakterizovat také časový vývoj mechanických vlastností vrstev, což je pro praxi nepochybně velmi důležitý parametr. Je také důležité, že se autor ve většině případů snaží stanovit hypotézy, proč se daná veličina mění s daným parametrem (např. s výkonem, se stárnutím vzorku apod.) a nespokojí se jen s prostým konstatováním. Z formálního hlediska je práce velmi přehledně strukturovaná, prostá chyb či překlepů a má jistě potenciál být využita i jako referenční text pro další experimenty na pracovišti autora. Jediná výtka ve formální oblasti může být spojena s častým používáním sloupečkových grafů, které pro prezentovaný typ dat nepřináší mnoho výhod, nicméně ani to není na úkor pochopení autorova sdělení. Autor prokázal svou schopnost samostatně navrhnout a provést mnohé náročné experimenty, interpretovat jejich výsledky a také publikovat výsledky svého úsilí v odborných časopisech. Práce splnila stanovené cíle a dosažené výsledky jsou jednoznačně přínosem pro rozvoj metodiky přípravy tenkých vrstev pro kompozitní materiály. Navrhuji proto práci doporučit k obhajobě a udělení akademického titulu Ph.D. V Brně dne 16. 11. 2020 Mgr. Petr Klapetek, Ph.D. Český metrologický institut
eVSKP id 129245