Centrum základního výzkumu LC Příprava, modifikace a charakterizace materiálů energetickým zářením. Jaroslav Pavlík, KF PřF UJEP, Ústí n. L.

Transkript

1 Centrum základního výzkumu LC Příprava, modifikace a charakterizace materiálů energetickým zářením Jaroslav Pavlík, KF PřF UJEP, Ústí n. L. Řešitelský tým: Doc. RNDr. S. Novák, CSc. Prof. RNDr. R. Hrach, DrSc. RNDr. J. Lörinčík, CSc. Mgr. M. Švec, Ph.D. Mgr. Z. Strýhal Mgr. J. Matoušek Bc. T. Vágner

2 Činnost v roce 2006: Dílčí úkol V 010 Plazmové modifikace struktur polymer - kov Získat nové poznatky o vlivu plazmové modifikace na topografii povrchu a strukturu metalizovaných polymerů. Práce byla zaměřena na vztah mezi parametry plazmatu a teplotou metalizovaného polymeru na procesy difůze kovů do objemu metalizovaného polymeru. Experimentálně a počítačovým modelováním byl studován proces interakce plazmatu s povrchy tenkých vrstev kovů. Pro studiu difúzních procesů na rozhraní polymer-kov byl povrch metalizovaného polymeru modifikován v nízkoteplotním RF plazmatu argonu nebo směsi argonu a kyslíku. Topografie povrchu před a po plazmové modifikaci byla studována metodou AFM. Byla studována interakce povrchu kovů s nízkoteplotním plazmatem kyslíku a směsi kyslíku s argonem.

3 Dílčí úkol V 011 Studium vlivu dopadu iontů plazmatu na povrch kovů nebo metalizovaných polymerů a charakterizace prostorového rozložení nanočástic kovu v polymerní matrici metodami počítačové fyziky Aplikací metod počítačové fyziky byl rozvíjen software TRYDYN umožňující simulaci dopadu iontů na povrch studovaných materiálů. Pomocí aplikace metod počítačové fyziky (počítačového modelování, zpracování obrazu, integrálních transformací a evolučního modelování) byla studována rekonstrukci třírozměrných struktur nanočástic kovu difundovaných v polymerní matrici pomocí 2D řezů či projekcí. Byly získány nové poznatky v oblasti rekonstrukce třírozměrných struktur metodami počítačové fyziky v případech, kdy analytické metody rekonstrukce třírozměrných struktur nevedou k cíli.

4 Dílčí úkol V 010 Výzkum našeho pracoviště v oblasti experimentální fyziky byl zaměřen na získání nových poznatků o vlivu plazmové modifikace na topografii povrchu a strukturu metalizovaných polymerů. Byl zkoumán vztah mezi parametry plazmatu a teplotou metalizovaného polymeru na procesy difůze kovů do objemu polymeru. Pro studium difúzních procesů na rozhraní polymer-kov lze na našem pracovišti modifikovat povrch polymeru v nízkoteplotním vysokofrekvenčním plazmatu argonu nebo směsi argonu a kyslíku. Do řešení problematiky jsou zapojeni i studenti formou diplomových prací (Petr Malinský a Anna Zoulová).

5

6

7

8 AFM studium povrchů metalizovaných polymerních PET folií (Spolupráce s Dr. Mackovou, Ústav jaderné fyziky AV ČR v Řeži ) AFM snímek Ag deponovaného na PET AFM snímek Au deponovaného na PET AFM snímek Ag po plazmové modifikaci v plazmatu směsi argon/kyslík (20 min) AFM snímek Au po plazmové modifikaci v plazmatu směsi argon/kyslík (30 min)

9 Metodika depozice tenkých vrstev kovů (Sn) a oxidů kovů (SnO 2 ) s velikostí zrn spadající do oblasti nanočástic AFM snímek povrchu Sn tenké vrstvy deponované v případě RF magnetronového naprašování cínového terče v argonu (p = 5 Pa, P = 50 W) Velikost zrn byla okolo 60 nm. AFM snímek povrchu SnO 2 tenké vrstvy deponované v případě RF magnetronového naprašování cínového terče ve směsi argonu a kyslíku (95 % Ar + 5 % O 2 ), (p TOT = 5 Pa, P = 50 W) Velikost zrn byla okolo 25 nm.

10 Práce v časopisech (opublikované): Macková, A., Švorčík, V., Strýhal, Z., Pavlík, J. RBS and AFM study of Ag and Au diffusion into PET foils influenced by plasma treatment. Surface and Interface Analysis. Vol. 38, Num. 4 (2006), pp Práce v časopisech (přijaté k publikaci): A. Macková, V. Švorčík, P. Sajdl, Z. Strýhal, J. Pavlík, M. Šlouf, P. Malinský, RBS, XPS and TEM Study of Metal and Polymer Interface Modified by Plasma Treatment, přijato k publikaci v časopise Vacuum Práce uveřejněné ve sbornících konferencí: J. Pavlík, Z. Strýhal, J. Matoušek, and S. Novák, Plasma Diagnostics Techniques for Monitoring of Plasma Oxidation of Thin Metal Films, 49th Annual Technical Conference Proceedings, April 22 27, 2006, Washington D.C., USA (2006), pp. 719 AFM measurement of Ag deposited on PET AFM measurement of Ag deposited on PET 724, ISSN R. Hrach, V. Hrachová, S. Novák, Computional study of plasma solid interaction in low-temperature plasma: Surface processes at higher pressures, 33rd EPS Conference on Plasma Phys. Rome, June 2006, ECA, Vol. 30I, P (2006) Celkem bylo za dílčí úkol V010 prezentováno 8 publikačních výstupů (2 články, 6 příspěvků ve sbornících).

11 Dílčí úkol V 011 V oblasti studia vlivu dopadu iontů plazmatu na povrch kovů nebo metalizovaných polymerů bylo pokračováno v Monte Carlo simulacích dynamických změn procesů složení povrchu a podpovrchových vrstev kovu, který je vystaven působení iontů s relativně širokým rozsahem energií (ekvivalent RF zdroje plazmatu). Za tímto účelem byla provedena úprava standardního softwarového balíku TRYDYN pro interakce iontů s definovaným energetickým rozdělením. Práce v časopisech: A. Amassian, M. Švec, P. Desjardins and L. Martinu, Interface broadening due to ion mixing during thin film growth at the radio-frequency biaseded electrode in a plasma enhanced chemicalvapor deposition environment, J. Vac. Sci. Technol. A 24 (6), Nov/Dec 2006, pp A. Amassian, M. Švec, P. Desjardins and L. Martinu, Dynamics of ion bombardment-induced modifications of Si(001) at the radio-frequency-biased electrode in low-pressure oxygen plasmas: In situ spectroscopic ellipsometry and Monte Carlo study, Journal of Applied Physics, 100, (2006)

12 Studium struktury kompozitních vrstev metodami počítačové fyziky Pro studium možností rekonstrukce třírozměrné struktury byly využity různé morfologické metody. Cílem bylo pomocí aplikace metod počítačové fyziky studovat rekonstrukci třírozměrných struktur nanočástic difundovaných v polymerní matrici pomocí 2D řezů či projekcí, kdy analytické metody rekonstrukce třírozměrných struktur nevedou k cíli. K tomu lze využít postupy klasických morfologických metod, postupy z oblasti stereologie, fraktální analýzy, teorie perkolace, fourierovské optiky a její nejnovější modifikace waveletové analýzy, neuronových sítí, fuzzy logiky a evolučního modelování.

13 V r byly provedeny základní práce v oblasti vývoje a testování vhodných morfologických metod pro vyhodnocování vlastností jak 2D, tak 3D struktur nanočástic kovů difundovaných v polymerní matrici. Byla testována nová metoda tzv. metoda tlustých řezů pro studium prostorového rozdělení objektů v 3D kompozitních strukturách. Při zkoumání elektrických vlastností kompozitních struktur byly dále rozpracovány metody počítačových simulací pro řešení elektrického transportu v těchto komplexních systémech. Byly simulovány proudy protékající strukturou a rozložení potenciálu, které se vytvoří. Byla ukázána silná závislost elektrických vlastností na uspořádání struktury. Při zkoumání těchto struktur z hlediska teorie perkolace je vhodné zavést nový objekt tunelovací nebo fuzzy klastr. Byla dále testována citlivost různých morfologických metod jako je Radiální distribuční funkce, Rozdělení nejbližších sousedů i-tého řádu, Kovariance, Voronoiho tesselace, Metoda Quadrat Counts a rychlá Fourierova transformace na malé odchylky v uspořádání systémů i na rozdělení velikosti objektů v komplexních strukturách.

14 Práce v časopisech (opublikované): R. Hrach, S. Novák, M. Švec, J. Škvor, Study of Electron Transport in Composite Films below the Percolation Threshold, Lect. Notes Comput. Sci (2006), pp R. Hrach, S. Novák, M. Švec, Correlation between Morphology and Transport Properties of Composite Films: Charge Transport in Composites, Applied Surface Science 252 (2006), pp Práce v časopisech (přijaté k publikaci): M. Švec, R. Hrach, S. Novák, J. Škvor, Correlation between Morphology and Transport Properties of Composite Films, Vacuum, přijato do tisku Práce uveřejněné ve sbornících konferencí: S. Novák, M. Švec, R. Hrach, J. Škvor, Morphology of Metal/Dielectric Composite Films, Thick Sections, 49th SVC Technical Conference Proceedings, Washington, DC, USA (2006), pp P. Černý, S. Novák, R. Hrach, Study of Plasma- Solid Interaction in Electronegative Gases, 16th Symposium on Application of Plasma Processes, SAPP XVI, Podbánské, Slovakia, January , pp , ISBN

15 Plánovaná činnost v roce 2007: Původní časové zadání etap V 010 a V 011 bylo velmi ambiciózní a termín jejího ukončení v r.2006 nebyl zcela reálný. Problematika je nicméně velmi aktuální a v jejím řešení chceme pokračovat v r.2007 a pravděpodobně i v dalších letech. Aktivity plánované v dílčím úkole V 010: Interakce nízkoteplotního plazmatu s povrchy kovu a příprava tenkých vrstev oxidu za asistence plazmatu V oblasti aplikace metod počítačové fyziky bude řešena v roce 2007 zejména následující problematika, jako vývoj programových prostředků pro modelování interakce plazmatu s vnořenými pevnými látkami (efektivní algoritmy pro vytváření plně třírozměrných částicových modelů, započítání reálné geometrie povrch vzorku,vývoj spojitých a hybridních modelu a dále bude provedeno studium dynamických procesů v elektropozitivním i elektronegativním plazmatu. V oblasti přípravy tenkých vrstev oxidů za asistence plazmatu budou experimentálně studovány procesy plazmové oxidace kovu a metody přípravy nanostrukturovaných tenkých vrstev oxidů, včetně povrchové a strukturální charakterizace takto připravených materiálu.

16 Modifikace povrchu kovu iontovým svazkem a in-situ úpravy vzorků v rámci prováděných XPS analýz V roce 2006 bylo pracoviště UJEP vybaveno UHV vakuovou komorou vzájemně propojenou s analytickou komorou systému XPS. V roce 2007 bude z investičních prostředků projektu tato UHV komora doplněna iontovým dělem pomocí kterého bude možné provádět in-situ čištění povrchu vzorků, případně jejich další modifikace, před měřením XPS. Dále bude možné provádět experimentálně studium interakce povrchu kovu s iontovým svazkem.

17 Aktivity plánované v dílčím úkole V 011: Rekonstrukce třírozměrných struktur částic kovů difundovaných v polymerní matrici pomocí 2D řezů či projekcí Na základě studia a výsledků získaných v roce 2006 lze v této oblasti v roce 2007 očekávat další výsledky zejména při: -vývoji nových metod 3D rekonstrukce založených na teorii matematické morfologie a na integrálních transformacích - rekonstrukci kompozitních materiálu v okolí perkolačního prahu, -zaměření se na objekty nekulového tvaru V dalších letech řešení projektu bude studována rekonstrukce třírozměrných struktur nanocástic kovu difundovaných v polymerní matrici pomocí 2D řezu či projekcí pomocí aplikace dalších, případně nových metod počítačové fyziky (počítačového modelování, zpracování obrazu, integrálních transformací a evolučního modelování).

18 Modelování elektrických vlastností kompozitních materiálu V roce 2007 bude činnost zaměřena především na: Studium elektrického transportu v okolí perkolačního prahu (tunelový transport) Studium elektrického transportu nad perkolačním prahem (ohmický transport) Studium dynamiky elektrického transportu v okolí perkolačního prahu Bude rozpracováno i téma studia šumu při elektrickém transportu s cílem ne jeho potlačení, ale získání fyzikální informace. Toto téma bude nosné pro další období řešení projektu. Zapojení studentů Na projektu pracovali dva studenti, kteří v roce 2006 dokončili své diplomové práce: Pavel Černý Studium interakce plazma pevná látka v elektronegativnívh plynech Petr Bruna Studium interakce plazma pevná látka pomocí částicového počítačového modelování Oba výše uvedení studenti byli v roce 2006 přijati jako studenti doktorského studijního programu na UJEP a budou v dalších letech jako postgraduální studenti zapojeni do činnosti výzkumného centra.