Tynde film med stor effekt
Inge Hald Andersen
Tribologicenter
Teknologisk
g Institut
Teknologisk Institut
•
En privat, selvejende og almennyttig non‐profit institution
•
Befinder sig i krydsfeltet mellem erhvervslivet, forsknings/uddannelsessektoren og den offentlige sektor
•
Formidler og forædler forsknings‐ og/eller teknologibaseret viden til dansk erhvervsliv
Tribologicenter
g
•
Hvad er tribologi?
– Tribologi: fra græsk (tribos) som betyder ”at gnide”
Tribologi fra græsk (tribos) som betyder ”at gnide”
•
Læren om friktion, smøring og slid af vekselvirkende overflader i relativ bevægelse
•
f
g
g ((modificering og funktionsoptimering af komponenters g g
p
g
p
Surface engineering
overflader)
F&U h ld t i T ib l i t t
F&U holdet i Tribologicentret
+ 6 studerende
+ produktionshold
Kristian Rechendorff
Henrik Reitz
Inge Hald Andersen
Lars Pleth Nielsen
Kl
Klaus
P
Pagh
h Al
Almtoft
t ft
Claus Mathiasen
+ weekend studenterhjælp
Bjarke Christensen
Teknikker
•
•
•
•
Plasmanitrering
Plasma Assisted Chemical Vapour
Plasma Assisted
Chemical Vapour Deposition (PACVD)
Ion‐accelerator
Physical Vapour Deposition (PVD) – sputtering
PVD belægninger
PVD belægninger
•
Physical Vapour Deposition (PVD)
– Familie
Familie af belægningsprocesser baseret på fysisk af belægningsprocesser baseret på fysisk
fordampning
•
Sputtering ((”katodeforstøvning”)
katodeforstøvning )
– Overførsel af atomer fra en metalkilde (target) til et substrat
– Sammensatte forbindelser vha. reaktive gaser (N2, O2, …)
Ar+
Ar+
Ar+
Target atomer eller ioner
Target
Substrater
Sputteringprocessen
http://www.heraeus‐targets.com/en/technology/
p //
g
/ /
gy/_sputteringbasics/sputtering.aspx
p
g
/p
g p
Deponeringsproces
Substrater
Targets/
katoder

Industrielt coatingudstyr (CC 800/9 SinOx)

Nogle af de knapper vi drejer på:
4 × targets (88mmx500mm)
Ti
Al
TiAl
Cr
C
CeGd
YSZ
Zr
Sr
Ar/O2//N2 gas mixtures
S b t t bias
bi spænding
di
Substrat
Deponeringstemperatur ~ 70-500°C
Tryk
y
Effekt på targets
Substrater (roterende):
Si(001), glas-slides, stål, Al,
Al, plastikemner
Og meget andet ...
Diamond Like Carbon (DLC)
Diamond
Graphite
Hårdhed af tyndfilm
Nanoindentering
Hårdhed (GPa)
DLC
2
12 20
Stål HårdTiN
metal
t l
30
100
TiAlN
Diamant
Projekt-case: eliminering af rivning i
positivpumper
OF
SHAFT
AND
Sanitærpumper til transport af væsker og slurries med varierende viskositet
Hus og rotorer er ikke designet til kontakt, men i praksis sker det
Projekt-case:
P
j kt
eliminering
li i
i aff
rivning i positivpumper
Ved fremprovokeret kontakt
• Rent stål uden belægning: Havari efter få
minutter
• Med DLC på rotor: Testen stoppet uden
h
havari
i efter
ft 600 titimer
TiO2
Titandioxid (TiO2)
Titandioxid (TiO
•
Fotokatalytiske egenskaber af anatase har været kendt i mange år
•
Mulige industrielle anvendelser af fotokatalytisk aktiv titandioxid:
– Selvrensende overflader
– Vand‐ og luft‐rensning
– Anti‐bakterielle og –mikrobielle egenskaber
rutile
– Hydrofilicitet
– Solceller
anatase
– ....
e- h+
Anvendelser af TiO2 tyndfilm
y
•
Selvrensende vinduer
Pilkington Activ™ Clear

Anti‐fogging surfaces

Anti‐reflective coatings
Low‐emission and solar control films on large‐area glass
Top Dielectric (e.g. TiO2)
y
Barrier Layer
Working layer (Ag)
Growth layer
Bottom dielectric
Glass Substrate
Courtesy of P. Kelly, Manchester Metropolitan University
Variation af substrat bias spænding
KONTROL
O
O AF SSTRUKTUR
U U
Forøget A
Ar ion ene
ergi
~1 µm TiO2 på stål deponeret ved ~150°C

Bias spænding ↑: anatase Æ anatase+rutile Æ rutile

Texture change in rutile phase when going from ~ 60 V to 90 V
rutile
anatase
Filmmorfologien vs energien af Ar ioner
Filmmorfologien vs. energien af Ar ioner
Floating
30 V
45 V
60 V
90 V
Forøget Ar ion energi

Øget ion energi giver tættere film
g
g g
Måling af fotokatalytisk aktivitet
- nedbrydning af acetone
1200
Prøve
UV-A-lampe
CO2 (ppm)
1000
800
600
Light
Acetone
400
200
0
20
40
60
80
time (min)
CO2 detektor
UV‐A
CH3COCH3+ 4O2 → 3CO2 + 3H2O
TiO2
100
120
140
Fotokatalytisk aktivitet vs. bias spænding
bias spænding
~1 µm TiO2 on steel, Tdep ≈ 150 °C

Tilstedeværelse af rutil ser ud til at undertrykke
y
den fotokatalytiske
y
aktivitet
Fotokatalytisk aktivitet påvirkes muligvis også af film morfologien (det effektive
overfladeareal)
DIFFERENT SUBSTRATES
Krystal struktur vs substrat
Krystal struktur vs. substrat
GAXRD α = 3°
GAXRD,
Coatingtykkelse ~ 1 µm, Tdep ≈ 150 °C, bias voltage floating

Substraterne belagt i samme kørsel

Anatase TiO2
Morfologi vs substrat
Morfologi vs. substrat
Steel
Si
Glass
Al
Al-Ti/Zr
Belægningstykkelse ~ 1 µm, Tdep ≈ 150 °C, bias spænding floating
Samme fjerlignende struktur j g
ses på alle de forskellige substrater
FORSKELLIGE TYKKELSER OG
OPTIMERING AF TYNDE TYNDFILM
Fotokatalytisk aktivitet vs. belægningstykkelse
Ac
ctivity (ppm CO2/m
min/cm2)
0 35
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0

TiO2 on steel, Tdep ≈ 150 °C, bias voltage floating
Tynde (100 nm) TiO2 coatings deponeret ved forskellige temperaturer
Activity measured by acetone degradation
0,16
0,14
Blanding
g
anatase +
rutile
ppm
m CO2/min
0,12
0,10
0,08
Anatase
coating
0 06
0,06
0,04
Lav
krystallinitet
0,02
0 00
0,00
o
150 C

o
250 C
o
350 C
o
450 C
Pilkington
TM
Activ
Større krystallinitet ved Tdep ≈ 250 °C
VIRKER VORES BELÆGNINGER?
Hydrofile belægninger
Hydrofile belægninger

Kontaktvinkelmålinger med vanddråber
Stålsubstrat uden belægning
Anatase TiO2 på stålsubstrat
Anatase TiO2 på stålsubstrat efter
UVA belysning
~1 µm TiO2 på stål, Tdep ≈ 150 °C, bias voltage floating (anatase)

Anatase‐belægninger deponeret med lavenergi ion bombardement er tydeligt f k l ik ki
fotokatalytisk aktive og hydrofile. Dette ses ikke med rutil
h d fil D
ikk
d il belægninger
b l
i
Mikrobiel kolonisering af TiO
k b lk l
f
b l
fl d
2 belagte overflader
•
TiO2 belagte stålsubstrater udsat for Escherichia
b l t tål b t t
d t f E h i hi
coli kulturer i 21 dage
•
Daglig udskiftning af bakteriekultur
•
Daglig bestråling med UV‐lys ved 254 nm i 20 min
•
Koloniseringsrad evalueret ved høstning af vedhæftet biofilm og CFU‐tælning
7 x flere bakterier p
på ubelagt
g stål
i forhold til stål belagt med aktiv
TiO2
Tak til Henrik Ebbe Fallesen & Per Væggemose Nielsen, IPU
Selvrensende – polycarbonat belagt med anatase TiO2 på venstre halvdel
Tak for opmærksomheden
spørgsmål?