Atomic Layer Deposition as a Coating Method for Plastic and Metal Parts

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2004

Department

Kemian tekniikan osasto

Major/Subject

Epäorgaaninen kemia

Mcode

Kem-35

Degree programme

Language

en

Pages

vii + 84

Series

Abstract

The literature part of this study summarises fundamental of coatings; properties, preparation and use of them. Different substrates and coating materials as well as chemical and physical coating methods are discussed. Formation and detection of thin film colours are also discussed. In addition, theory and applications of atomic layer deposition (ALD) are discussed in more detail. The purpose of experimental part was to find out the possibilities of ALD to coat plastic and metal three-dimensional parts for decorative purposes. Polyamide, aluminium, titanium, glass and silicon((100) and (111)) were used as substrates. Different types of precursors were used; alkoxides (Ti(O-i-Pr)4, VO(O-i-Pr)3), halide (TaCl5) and organometallics (AI(CH3)3. Cp2Mg, Cp2ZrCl2). Metal oxide films (AI2O3, MgO, Ta2O3, TiO2, V2O5) were selected due to possibility of low temperature (125 °C) deposition needed for coating plastic substrates. However, ZrO2 was deposited only onto metal substrates at 300 °C because of the high evaporation temperature of the precursor. Films thickness, crystallinity, crystal orientation, structure and film adhesion were studied. Coating of plastic substrates by ALD was possible by using Cp2Mg and water or VO(O-i-Pr)3 and water precursors. Interference colour intensity was observed to be highest on V2O5 films on the transparent plastic substrates. Colour intensity could be intensified by coating plastic first by evaporating Al layer before oxide deposition by ALD. For V2O5 films, the substrate seemed to affect strongly on the film deposition rate. Hydroxide impurity was observed by FTIR on MgO films indicating incomplete reactions at low temperatures, although crystalline MgO was also observed. Uniform films with a good adhesion of Al2O3, Ta2O5 and TiO2 were not possible to deposit at 125 °C due to the severe outgrowth of the oxide materials. ZrO2 films had crystalline structure. Rather strong interference colours were observed on aluminium and titanium substrates regardless of the oxide material.

Työn kirjallisuusosuudessa on tarkasteltu pinnoitteiden perusteita laaja-alaisesti; ominaisuuksia, valmistusta ja käyttöä. Erilaisia substraatti- ja pinnoitemateriaaleja on esitelty kuten myös fysikaalisia ja kemiallisia pinnoitemenetelmiä. Työssä tutkittiin ohutkalvojen värien muodostumista ja määrittämistä. Erityisesti atomikerroskasvatus-menetelmän (ALD) teoriaa ja sovelluksia on käsitelty laajemmin. Tämän työn kokeellisen osan tarkoituksena oli selvittää ALD menetelmän soveltumista kolmeulotteisten muovi- ja metalliosien päällystämiseen. Substraatteina käytettiin polyamidia, alumiinia, titaania, lasia ja piitä ((100) ja (111)) käytettiin substraatteina. Työssä käytettiin erityyppisiä lähtöaineita; alkoksideja (Ti(O-i-Pr)4, VO(O-i-Pr)3), halidia (TaCI5) ja organometalleja (AI(CH3)3, Cp2Mg, Cp2ZrCI2). Metallioksidikalvot (AI2O3, MgO, Ta2O5, TiO2, V2O5) valittiin, koska niitä voidaan valmistaa alhaisessa lämpötilassa (125 °C) muovisubstraattien alhaisesta lämpötilan kestosta johtuen. ZrO2 kalvot valmistettiin vain metallisubstraateille 300 °C:ssa lähtöaineen korkean höyrystymislämpötilan takia. Työssä tutkittiin kasvatettujen kalvojen paksuus, kiteisyys. kideorientaatio sekä rakenne ja kalvojen kiinnittymistä pintaan. Muovisubstraattien pinnoittaminen ALD menetelmällä onnistui hyvin käyttämällä lähtöaineina Cp2Mg2:a ja vettä tai VO(O-i-Pr)3:a ja vettä. Peittävät ja interferenssiväreiltään voimakkaat V2O5 kalvo soveltuivat läpinäkyville muoveille. Värin voimakkuutta pystyi vahvistamaan höyrystämällä alumiinia muovisubstraatin pinnalle ennen varsinaista kalvon kasvatusta ALD menetelmällä. Substraatin pinnan huomattiin vaikuttavan suuresti kalvon kasvunopeuteen erityisesti V2O5 kalvoilla. FTIR mittauksilla havaittiin hydroksidiepäpuhtautta MgO kalvoissa ilmentäen epätäydellistä reaktiota. Tämän lisäksi MgO kalvojen havaittiin olevan kiteytyneitä jo 125 °C. Tasaisia kalvoja, jotka kiinnittyisivät hyvin substraatin pintaan ei onnistuttu kasvattamaan AI(CH3)3-, TaCI5- ja Ti(O-i-Pr)3- lähtöaineista matalassa lämpötilassa. ZrO2-kalvot olivat kiteisiä. Ohutkalvojen voimakkaat interferenssivärit havaittiin Al- ja Ti-substraateilla riippumatta kasvatetuista oksidimateriaaleista.

Description

Supervisor

Niinistö, Lauri

Thesis advisor

Putkonen, Matti

Keywords

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120450292

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK