Doctoral Thesis

Progressive Amorphous Carbon Alloys Synthesized in Low-Temperature Plasma

Final Thesis 4.44 MB Summary of Thesis 1.11 MB

Author of thesis: Ing. Martin Bránecký

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: prof. RNDr. Vladimír Čech, Ph.D.

Reviewer's: prof. RNDr. David Trunec, CSc., doc. RNDr. Ondřej Kylián, Ph.D.

Abstract:

Atomic/plasma polymerization technology is widely used in various technical fields. This work is focused to use the PE-CVD technology in the field of formation of interphase and adhesive layers, which are developed into layered nanostructures. To ensure reproducible chemical and physical properties of the materials, the deposition process was monitored by mass spectrometry. Vapours of the pure tetravinylsilane, or a mixture of these vapours with oxygen, was used as a precursor for atomic polymerization, which results in the thin films with a large variability of properties. Physical and chemical properties were varied by the effective power delivered to the plasma discharge. The deposited films were analyzed from different perspectives using several methods (in situ spectroscopic ellipsometry, FTIR, nanoindentation, AFM). The removal of hydrogen atoms from the carbon-silicon network results in increased crosslinking of the material, which controls the mechanical and optical properties of the deposited layers. From the precisely defined a-CSi:H and a-CSiO:H materials, layered nanostructures composed of 3 and 7 individual layers was subsequently constructed. These nanostructures were analyzed by XPS and RBS to determine the atomic concentrations of carbon, silicon, oxygen and their binding states.

Keywords:

Thin films, layered nanostructures, PE-CVD, tetravinylsilan (TVS),
a-CSi:H, a-CSiO:H.

Date of defence

29.10.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znakmkaPznamka

Process of defence

Z důvodu nouzového stavu proběhla obhajoba Ing. Martina Bráneckého kombinovaným způsobem - fakultní zaměstnanci, tj. předseda komise a školitel (který není členem komise) byli přítomi při obhajobě prezenčně, také doktorand byl přítomen prezenčně. Mimofakultní členové komise byli připojeni formou videokonference. Průběh obhajoby byl nahráván. Předseda komise představil doktoranda. Ing. Bránecký absolvoval odbornou stáž na univerzitě v Michiganu, USA. Má rovněž poměrně bohatou publikační činnost. Ve své powerpoitové prezentaci představil podstatné výsledky své disertační práce. Disertační práce Ing. Martina Bráneckého se zabývá depozicemi tenkých vrstev metodou PECVD. Lze konstatovat, že doktorand splnil zadaný cíl disertační práce a získal řadu kvalitních výsledků. Oponenti položili řadu dotazů, doktorand na všechny uspokojivým způsobem odpověděl. Dotazy, které byly položeny online formou do chatu: Bylo pozorováno v in-situ elipsometrickém měření a měření hmotových spekter zanášení diagnostik depozitem v průběhu depozičních procesů? Byly na toto provedeny korekce? Komentář1: Z funkční závislosti náběhu absorpční hrany u vrstev TVS by pravděpodobně bylo možné posoudit vnitřní strukturu respektive míru zasíťování polymeru. K tomu je nutné opustit Tauc-Lorentzovu parametrizaci. Nafitovat optické konstanty bod po bodu a vyhodnotit průběh absorpce pomocí Taucova plotu. Tento postup se uplatňuje při posuzování změny vnitřního uspořádání amorfních polovodičů (viz práce prof. Shimakawa). Komentář2: V budoucnu doporučuji (bude-li to možné) kombinovat elipsometrickou spektroskopii ve viditelném oboru s ellipsometrií v IČ oboru. Tím by odpadla nutnost přepočtu spekter absorbance na nominální hodnotu a získání přesnějších výsledků. Zároveň by se zvýšila efektivita elipsometrie při analýze multivrstev. Dotaz: Můžete posoudit Vámi dosažené výsledky vzhledem k cíleným aplikacím? Zvláště pak mi jde o posouzení vlivu oxidace deponovaných nanostruktur na jejich požadované funkční vlastnosti.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Chemistry, Technology and Properties of Materials

Study branch

Chemistry, Technology and Properties of Materials

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
Mgr. Aleš Marek, Ph.D. (člen)
Mgr. Jan Mistrík, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Václav Nehasil, Dr. (člen)
prof. RNDr. David Trunec, CSc., oponent (člen)
doc. RNDr. Ondřej Kylián, Ph.D., oponent (člen)
Ing. Jiří Stuchlík, CSc. (člen)

Ing. Bránecký nastoupil do doktorského studijního programu v září 2015 po obhájení diplomové práce „Tenké vrstvy připravené v RF doutnavém výboji a jejich fyzikálně-chemické vlastnosti“, kdy byl ještě studentem FEKT VUT v Brně, a tato diplomová práce mu byla dobrou průpravou pro následné doktorské studium. Jmenovaný se seznámil s problematikou plazmochemické depozice z plynné fáze (PECVD), monitorováním plazmových produktů pomocí hmotnostní spektrometrie, spektroskopickou elipsometrií pro analýzu růstu vrstev a jejich optických vlastností a také infračervenou spektroskopii pro charakterizaci chemické struktury připraveného materiálu. Tyto znalosti a zkušenosti využil při depozici (PECVD) a charakterizaci slitin amorfního uhlíku ve formě tenkých vrstev a vrstevnatých nanokompozitů připravených z tetravinylsilanu a jeho směsí s kyslíkem.

Slitiny amorfního uhlíku připravoval nejen na plošných substrátech, ale použil je i pro povrchovou úpravu skleněných vláken určených pro řízenou mezifázi v polymerních kompozitech v rámci měsíční stáže na Michigan State University v USA v období květen-červen 2016. Mimo studentské konference, z nichž nejvýznamnější byla jeho účast na „Week of Doctoral Students 2017“ pořádané na MFF UK v Praze, se také aktivně zúčastnil dvou zahraničních konferencí „15th a 16th Int. Conf. on Plasma Surface Engineering (PSE)“ v Garmisch-Partenkirchenu (Německo) v letech 2016 a 2018, kde měl celkem 5 příspěvků. Martin Bránecký se během svého studia podílel na čtyřech výzkumných projektech specifického výzkumu FCH VUT v Brně (2016-2019), jednom projektu GAČR (16-09161S) a jednom projektu technologickém (TAČR, TA01010796).

Jeho výsledky přinesly zcela nové poznatky v oblasti řízení chemických a fyzikálních vlastností slitin amorfního uhlíku s křemíkem a oxidem křemíku v poměrně širokém rozmezí mechanických a optických vlastností a dále prokázání souvislostí fyzikálních vlastností materiálu s vlastnostmi chemickými. Martin Bránecký je spoluautorem 7 článků v impaktovaných časopisech a 17 příspěvků přednesených na domácích a zahraničních konferencích.

Martin Bránecký prokázal samostatnost, tvůrčí přístup a dostatečnou trpělivost při zvládání technologických zařízení, přípravě vzorků a při jejich analýzách. Splnil své studijní povinnosti stanovené studijním plánem. Jeho práce splňuje kritéria kladená na dizertační práci a doporučuji ji přijmout k obhajobě.
File inserted by supervisor Size
Stanovisko školitele.pdf 134 kB

Reviewer’s report
prof. RNDr. David Trunec, CSc.

Progresivní slitiny amorfního uhlíku připravené v nízkoteplotním plazmatu

Disertační práce ing. Martina Bráneckého se zabývá depozicemi tenkých vrstev metodou PECVD. Pro depozice vrstev byl použit nízkotlaký pulzní RF výboj, tetravinylsilan nebo směs tetravinylsilanu s kyslíkem byly použity jako prekurzor. Složení a vlastnosti deponovaných vrstev bylo možné měnit pomocí RF výkonu dodávaného do výboje.
Deponované vrstvy pak byly analyzovány řadou diagnostických metod – XPS, RBS, FTIR. Optické vlastnosti vrstev a jejich tloušťka byly určeny pomocí elipsometrie, mechanické vlastnosti vrstev byly určeny pomocí indentační techniky. Teoretická část disertační práce je obsažena v první kapitole, kde autor popisuje RF výboj, procesy probíhající v plazmatu toho výboje a procesy probíhající při depozici tenkých vrstev. Dále popisuje techniky použité pro diagnostiku plazmatu a diagnostiku tenkých vrstev. Tato kapitola by dle mého názoru mohla být stručnější. Ve druhé kapitole autor popisuje použitou aparaturu a použité přístroje pro analýzu připravených vrstev. Vlastní výsledky studenta jsou pak obsaženy v kapitole 3. Student nejdříve ověřoval fungování pulzního RF
generátoru a pak prováděl depozice tenkých vrstev a struktur skládajících se z více tenkých vrstev s rozdílnými vlastnostmi. Deponované vrstvy a struktury pak byly analyzovány metodami uvedenými výše. Vlastnosti vrstev byly korelovány s podmínkami použitými při jejich depozici. Tyto výsledky považuji za nové a originální. Ing. Bránecký byl schopen se úspěšně zapojit do probíhajícího výzkumu na pracovišti svého školitele.

V práci jsem nalezl jen malý počet chyb, z nichž uvádím:
• str. 14 – „Pri nízkej energetickej úrovni elektróny interagujú medzi sebou, ale i s ostatnými časticami elasticky (pružne), teda svoju energiu si pri zrážkach zachovávajú a nepredajú ju inej častici.“
Elektrony předávají svoji energii i při pružných srážkách, předaná energie je však malá.
• str. 14 – „Ak urýchlené elektróny dosiahnu energetickú úroveň postačujúcu na zrážku neelastickú (nepružnú) môže prísť k zrážke takto nabitého elektrónu s neutrálnou molekulou, čo má za následok, že všetka energia (niekoľko eV) z elektrónu je predaná interagujúcej molekule.“
Elektron při nepružné srážce nepředá veškerou svoji energii.
• str. 60 – „Plazmový výboj je zapnutý a odrazený výkon je prispôsobovacím členom
doladený na 0 V.“
Patrně má být 0 W.
Na Web of Science jsem nalezl 7 článků, kde je ing. Bránecký spoluautorem. Tyto články byly publikovány v mezinárodních impaktovaných časopisech, což svědčí o kvalitě výsledků práce ing. Bráneckého.
Závěrem svého posudku mohu konstatovat, že student splnil zadaný cíl disertační práce a získal řadu kvalitních výsledků. Ing. Bránecký v předložené práci prokázal schopnost samostatné vědecké práce i práce ve vědeckém týmu, práce splňuje kritéria kladená na disertační práci. Na základě předložené práce navrhuji ing. Bráneckému po úspěšné obhajobě udělení vědecko-akademické hodnosti PhD.

V Brně, 19. října 2020

prof. RNDr. David Trunec, CSc

Reviewer’s report
doc. RNDr. Ondřej Kylián, Ph.D.

File inserted by the reviewer Size
Kylián_Branecky.pdf 697.76 kB