aalto1 untyped-item.component.html
Preparation of silica and titania based transparent hard nanocoatings
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
CHEM3025
Language
en
Pages
77+1
Series
Abstract
In the field of handheld devices, glass is still one of the main materials used in displays due to its environmental resistance, durability, stability, high transparency, hardness and surface properties (wettability, “feel”). The main disadvantage of using glass is its brittle nature, which does not align well with the end-use application. There are multiple solutions in the market for strengthening the cover glass by e.g. applying protective compression to the glass chemically or thermally. While strengthened glasses are widely used, the performance has not dramatically increased and a hardness of around 7 GPa is reached. One of the suggested methods to increase resistance to physical damage is to apply a hard coating on the glass. In this study, we demonstrate two methods to prepare transparent and hard nanocoatings composed of silica and titania (SiO2, TiO2) and provide the most suitable process parameters and material composition for the final application.
In this work, previous research on protective oxide coatings and their preparation was also studied. When choosing the material for hard coating application, one of the key features is the compatibility with the substrate (bonding, similar coefficient of expansion) besides the high hardness and transparency requirements. Hydrophobicity is also an appreciated property in cover glass applications. Both SiO2 and TiO2 have excellent bonding with the glass substrate due to the similar atomic structure, even with crystallized TiO2, and the refractive index is close to glass substrate (SiO2). The abundance of the material is a great benefit. Low process temperatures, low cost and relatively fast deposition process was desired, and both of the chosen methods (sol-gel spin/dip coating and magnetron sputtering) have most of these advantages.
Sputtered TiO2 films were successfully transformed from amorphous to anatase structure (observed with GIXRD, nanoindentation and WCA). Crystallization did not happen with SiO2-TiO2 films, because SiO2 inhibits the anatase crystal growth. Thinner TiO2 films (< 70 nm) did not crystallize either due to the critical crystallization size. Sputtering provided precise thickness control (films between 40–100 nm and 1000 nm prepared, confirmed with XRR), and with spin coating, ~200 nm single-layer SiO2 films were obtained. A hardness of up to 9.8 GPa with sputtered TiO2 based samples and transmittance up to 95 % with dip and spin coated SiO2 samples was recorded. For double annealed spin-coated SiO2, a remarkable hardness of 8.7 GPa was recorded, which highlights the importance of the heat treatment processes. Annealing was also crucial for the hydrophobic performance of TiO2 samples, since the surface became more hydrophilic after heating at 250 °C; this was not noticed with SiO2 films.
Matkapuhelin- ja tablettialalla lasi on edelleen yksi tärkeimmistä materiaaleista, joita käytetään näytöissä sen ympäristökestävyyden, läpinäkyvyyden, kovuuden ja pintaominaisuuksien vuoksi (vesipakoisuus, käyttömukavuus). Lasin käytön suurin haittapuoli on sen hauras luonne, joka ei sovi hyvin yhteen käyttökohteen kanssa. Näyttölasin vahvistamiseksi markkinoilla on useita olemassaolevia ratkaisuja, esimerkiksi lasin pintaa suojaava kemiallisesti tai termisesti tuotettu esijännitys eli lujitus. Vaikka lujitettuja laseja käytetään laajalti, niiden suorituskyky ei ole merkittävästi parantunut ja niiden kovuus on noin 7 GPa. Yksi ehdotetuista menetelmistä fyysisten vaurioiden sietokyvyn lisäämiseksi on kova pinnoite. Tässä tutkimuksessa osoitetaan kaksi menetelmää, joiden avulla valmistetaan pii- ja titaanioksidista (SiO2, TiO2) koostuvia ja kovia nanopinnoitteita. Tämän lisäksi työ tarjoaa sopivimmat prosessiparametrit ja materiaalikoostumuksen lopullista sovellusta varten.
Tässä työssä tutkittiin myös aiempia tutkimuksia oksidi suojapinnoitteista ja niiden valmistuksesta. Yksi tärkeimmistä ominaisuuksista materiaaleja valitessa on yhteensopivuus substraatin kanssa (sitoutuminen ja samanlainen lämpölaajenemiskerroin) korkeiden kovuus- ja läpinäkyvyysvaatimusten lisäksi. Hydrofobisuus on myös arvostettu ominaisuus näyttölaseissa. Sekä SiO2:lla että TiO2:lla on erinomainen sidos lasisubstraattiin samankaltaisen atomirakenteen vuoksi, jopa kiteytetyn TiO2:n kanssa, ja taitekerroin on lähellä lasisubstraattia (SiO2). Materiaalien yleisyys ja saatavuus ovat myös iso etu. Alhaiset prosessilämpötilat ja -kustannukset, sekä suhteellisen nopea pinnoitusprosessi olivat toivottuja, ja molemmat valitut menetelmät (sooli-geeli spin- ja uppopinnoitus, sekä magnetroni sputterointi) ovat edellä kuvatunlaisia.
Sputteroidut TiO2-kalvot muunnettiin onnistuneesti amorfisesta anataasi kristallirakenteeseen (varmennettiin GIXRD:llä ja nanoindentaatiolla). Kristallisaatiota ei tapahtunut SiO2-TiO2 kalvoilla, sillä SiO2 estää anataasikristallien kasvun, eikä ohuemmilla TiO2-kalvoilla (< 70 nm) niiden kriittisen kiteytyskoon vuoksi. Sputteroinnilla saatiin aikaan hyvä paksuuskontrolli (paksuudet välillä 40–100 nm ja 1000 nm, vahvistettu XRR:llä). Spin-pinnoituksella yksikerroksiset SiO2-kalvot olivat paksuudelta noin 200 nm:n (vahvistettu SEM:llä ja ellipsometrillä). Työssä saatiin max. 9,8 GPa:n kovuus sputteroiduilla TiO2-pohjaisilla näytteillä ja max. transmittanssi (~95%) kuusikerroksisella upotuspinnoituksella SiO2-näytteillä. Kaksoislämpökäsitellyn spin-pinnoitetun SiO2:n osalta havaittiin merkittävä 8,7 GPa:n kovuus, mikä korostaa lämpökäsittelyprosessien merkitystä. Lämpökäsittely oli ratkaisevan tärkeä myös TiO2-näytteiden hydrofiilisyyden kannalta, koska pinta hydrofiilistyi 250 °C lämpökäsittelyllä; tätä ei havaittu ollenkaan SiO2-kalvoissa.
Description
Supervisor
Elbahri, MadyThesis advisor
Soliman, AhmedLönnroth, Nadja