RNDr. Petr Hruška, Ph.D.
Skupina Multiprvkové tenké vrstvy (MPEF) se zabývá výzkumem vysokoentropických materiálů (HEM), jejich přípravou ve formě tenkých vrstev a analýzou mikrostruktury i funkčních vlastností. Díky své všestrannosti představují HEM jednu z nejdynamičtěji se rozvíjejících oblastí současného materiálového výzkumu. Naší specializací je jejich škálování na nanometrickou úroveň, kde širší kompoziční a strukturální variabilita otevírá prostor pro nové vlastnosti, obtížně dosažitelné u těchto materiálů v objemové formě.
Multiprvkové tenké vrstvy
K přípravě tenkých vrstev využíváme dvě techniky fyzikální depozice z plynné fáze (PVD): magnetronové naprašování (MS) a pulzní laserovou depozici (PLD). Magnetronové naprašování umožňuje homogenní pokrytí velkých ploch a je proto blíže průmyslovým aplikacím. Naproti tomu pulzní laserová depozice představuje vysoce variabilní metodu schopnou přípravy kovových i polovodivých materiálů s přesnou kontrolou růstu a složení výsledné vrstvy a nachází tak uplatnění zejména v základním výzkumu. Pomyslný most mezi oběma přístupy tvoří diagnostika plazmatu (optická emisní spektroskopie, Langmuirova sonda, hmotnostní spektrometrie), jíž se věnujeme v rámci našeho oddělení.
Vakuový systém pro depozici tenkých vrstev pomocí magnetronového naprašování na Oddělení analýzy funkčních materiálů
Vakuová komora pro přípravu tenkých vrstev pomocí pulzní laserové depozice na Oddělení analýzy funkčních materiálů
Kontrolou depozičních parametrů cíleně ladíme strukturu vrstev (od amorfních přes jednofázové nanokrystalické až po vícefázové polykrystalické), charakter a koncentraci defektů (od vakancí a vakancím podobných defektů po klastry vakancí) i jejich chemické vlastnosti (oxidační afinita, přechod od kovových vrstev k oxidům a nitridům). Tuto schopnost řízené modifikace vlastností jsme úspěšně demonstrovali na víceprvkových vrstvách na bázi Ti–V–Zr–Nb–Hf–Ta.
Z aplikačního hlediska se v naší skupině zaměřujeme na vybrané funkční vlastnosti víceprvkových vrstev. Studujeme jejich využití pro fotokatalýzu a jako mikrovlnné absorbéry, dále zkoumáme potenciál pro vodíkové technologie, zvýšenou radiační odolnost, supravodivost či memristivní systémy.
Vysokoentropické materiály
Vysokoentropické materiály (HEM), rovněž označované jako víceprvkové materiály (MPEM), představují nový paradigmatický přístup v materiálové vědě. Z původní oblasti vysokoentropických slitin (HEA) – kovových systémů složených z pěti a více prvků v téměř ekviatomárních poměrech – se tento koncept postupně rozšířil i na vysokoentropické oxidy, nitridy a karbidy. Na rozdíl od tradičních materiálů založených na jediném hlavním prvku využívají tyto systémy více hlavních prvků, aby získaly jedinečné vlastnosti vyplývající ze čtyř základních jevů:
Vysoká entropie: Vysoká konfigurační entropie směsi stabilizuje náhodné tuhé roztoky a potlačuje vznik intermetalických sloučenin.
Distorze mřížky: Rozdílné velikosti atomů a typy vazeb deformují krystalovou mřížku.
Pomalá difúze: Pohyb atomů je omezen v těchto složitých prostředích kvůli lokálním fluktuacím atomového potenciálu.
Koktejlový efekt: Díky synergickým interakcím mezi jednotlivými prvky vznikají vlastnosti, které nejsou pouhým průměrem jednotlivých složek, což často vede k neočekávanému nelineárnímu chování.
Tyto čtyři základní jevy umožňují vznik chemicky složitých a zároveň strukturálně jednoduchých materiálů, které využijí „kouzla“ směsi, kdy celek je více než součet jeho částí.
Kompoziční prostor vysokoentropických materiálů je prakticky nekonečný, což nám – v principu – umožňuje ladit jejich vlastnosti pro téměř jakoukoli aplikaci a poskytuje nám tím univerzální nástroj pro návrh materiálů 21. století. Prozkoumávání této rozsáhlé kombinatorické krajiny tradiční metodou pokus-omyl by v nadsázce zabralo celá staletí. Využitím algoritmů strojového učení (ML) lze dnes efektivně předpovídat nejslibnější složení a podmínky jejich přípravy. Zajímavostí je, že právě za pomoci ML byla teoreticky předpověděna existence stabilních vysokoentropických fází.