การเตรียมและศึกษาลักษณะเฉพาะของฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนโตรด์ที่เคลือบด้วยวิธีรีแอคตีฟดีซีแมกนีตรอ
บทคัดย่อ
ฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ (chromium vanadium nitride: CrVN) ถูกเคลือบด้วยวิธีรีแอคตีฟดีซีแมกนีตรอนโคสปัตเตอริง (reactive DC magnetron co-sputtering) บนกระจกสไลด์ (glass slide) และซิลิกอน (silicon) เพื่อศึกษาผลของกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์ของเป้าวาเนเดียม (vanadium sputtering current) ต่อโครงสร้างผลึก ลักษณะพื้นผิว และความหนาของฟิล์มด้วยเทคนิค XRD (x-ray diffraction) และ AFM (atomic force microscopy) ตามลำดับ ผลการศึกษาพบว่าค่ากระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมมีผลโดยตรงต่อโครงสร้างผลึก ลักษณะพื้นผิว และความหนาของฟิล์ม ฟิล์มที่ได้แสดงโครงสร้างผลึกของวาเนเดียมไนไตรด์ระนาบ (222) (400) และ (404) ความหนาและความหยาบผิวของฟิล์มที่ได้มีค่าในช่วง 883-1048 นาโนเมตร และ 3.75-4.96 นาโนเมตร ตามลำดับ
บทนำ
การปรับปรุงผิววัสดุแนวทางหนึ่งที่กำลังได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากกลุ่มนักวิจัยและภาคอุตสาหกรรม คือการเคลือบผิวด้วยสารเคลือบที่มีสมบัติเฉพาะในลักษณะของฟิล์มบางด้วยการเคลือบในสุญญากาศ (vacuum coating) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคนิค PVD (physical vapor deposition) ในการปรับปรุงผิวของวัสดุ กลุ่มหนึ่งที่กำลังได้รับความสนใจคือกลุ่มชั้นเคลือบแข็ง (hard coating) การเคลือบแข็งในลักษณะฟิล์มบางนิยมใช้เคลือบบนผิวเครื่องมือตัดเจาะต่างๆ ทางอุตสาหกรรม เป็นการปรับปรุงพื้นผิวของเครื่องมือตัดเจาะให้มีความแข็ง ยืดอายุการใช้งานซึ่งช่วยลดต้นทุนในการผลิต และยังเป็นการเพิ่มมูลค่าให้กับเครื่องมือตัดเจาะอีกด้วย ฟิล์มบางที่นิยมใช้ในการเคลือบแข็งมักอยู่ในรูปของสารประกอบไนไตรด์ (nitrite) หรือคาร์ไบด์ (carbide) ของธาตุทรานซิชัน (transition elements) ฟิล์มตัวหนึ่งที่น่าสนใจคือโครเมียมไนไตรด์ (chromium nitride: CrN) เป็นโลหะทรานซิชันที่มีความแข็งสูง ทนการขัดสีหรือการกัดกร่อน ทนอุณหภูมิสูง และต้านการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidation reaction) ที่อุณหภูมิสูง อีกทั้งยังมีค่าสัมประสิทธิ์การเสียดทานต่ำ โดยฟิล์มบางโครเมียมไนไตรด์เป็นชั้นเคลือบของสารประกอบสองชนิด (binary coating) ซึ่งมีข้อจำกัดบางประการตามสมบัติเฉพาะตัวของชั้นเคลือบหรือฟิล์มนั้นๆ ทำให้มีการวิจัยและพัฒนาชั้นเคลือบชนิดใหม่ที่ประกอบด้วยธาตุสามชนิด เรียกว่าชั้นเคลือบของสารประกอบสามชนิด (ternary coating) โดยการเพิ่มอะตอมวาเนเดียม (vanadium: V) เข้าไปในโครงสร้างของโครเมียมไนไตรด์เพื่อฟอร์มตัวเป็นชั้นของฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์
ฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์เหมาะสำหรับใช้เคลือบเครื่องมือในกลุ่มแม่พิมพ์ตอกโลหะและงานชิ้นส่วนเครื่องจักรกล เนื่องจากฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์มีสมบัติที่ดีในด้านของความต้านทานต่อการกัดกร่อนและความต้านทานต่อการเสียดสีระหว่างวัตถุซึ่งจะช่วยลดความเสียหายระหว่างใช้งานได้ ค่าสัมประสิทธ์แรงเสียดทานของฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์มีค่าต่ำกว่าฟิล์มโครเมียมไนไตรด์ อีกทั้งฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนและความต้านทานต่อการเสียดสีระหว่างวัตถุดีกว่าฟิล์มโครเมียมไนไตรด์
สำหรับการเคลือบฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์สามารถทำได้หลายวิธี เช่น ดีซีรีแอคตีฟสปัตเตอริง (DC reactive sputtering) อาร์เอฟรีแอคตีฟสปัตเตอริง (RF reactive sputtering) การเคลือบวิธีหนึ่งที่สามารถควบคุมสัดส่วนขององค์ประกอบธาตุของฟิล์มได้สะดวกและไม่ยุ่งยาก คือการเคลือบวิธีโคสปัตเตอริง (co-sputtering) การเคลือบวิธีนี้ใช้เป้าสารเคลือบสองชุดทำให้สามารถควบคุมอัตราการสปัตเตอร์สารเคลือบของโครเมียมหรือวาเนเดียมโดยแปรค่ากระแสไฟฟ้าที่ให้กับเป้าสารเคลือบนั้น บทความวิจัยนี้เป็นรายงานผลการเตรียมฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ด้วยวิธีรีแอคตีฟดีซีแมกนีตรอนโคสปัตเตอริงเพื่อศึกษาผลของกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าสารเคลือบวาเนเดียมที่มีต่อโครงสร้างผลึก ลักษณะพื้นผิว และความหนาของฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์เพื่อเป็นข้อมูลพื้นฐานในการวิจัยต่อไป
วัสดุอุปกรณ์และวิธีการวิจัย
ฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ในงานนี้เตรียมด้วยวิธีรีแอคตีฟแมกนีตรอนโคสปัตเตอริงจากเครื่องเคลือบในสุญญากาศระบบดีซีอันบาลานซ์แมกนีตรอนสปัตเตอริง (DC reactive unbalanced magnetron sputtering) ภายในระบบสุญญากาศประกอบด้วยภาชนะห้องเคลือบเป็นทรงกระบอกมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 310.0 mm สูง 370.0 mm ติดตั้งเป้าโครเมียมมีความบริสุทธิ์ (99.95%) และเป้าวาเนเดียมมีความบริสุทธิ์ (99.95%) ซึ่งเป้าทั้งสองมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 75.0 mm ในการเคลือบใช้ก๊าซไนโตรเจน (nitrogen, 99.995%) เป็นก๊าซไวปฏิกิริยา และใช้ก๊าซอาร์กอน (argon, 99.999%) เป็นก๊าซสปัตเตอริง สำหรับเครื่องสูบสุญญากาศของเครื่องเคลือบประกอบด้วยเครื่องสูบกลโรตารีและเครื่องสูบแพร่ไอ ในส่วนของการวัดความดันใช้มาตรวัดความดันของ Balzers รุ่น TPG300 โดยใช้หัววัดแบบพิรานี (Pirani) รุ่น TPR010 และหัววัดแบบเพนนิ่ง (Penning) รุ่น IKR050 ก๊าซที่ใช้ในการเคลือบควบคุมการปล่อยเข้าห้องเคลือบด้วยเครื่องควบคุมการไหลมวลก๊าซของ MKS รุ่น 2470D
สำหรับการเตรียมฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ เริ่มจากนำวัสดุรองรับซึ่งประกอบด้วยแผ่นซิลิกอนและกระจกสไลด์ที่ทำความสะอาดแล้วเข้าสู่ภาชนะสุญญากาศโดยจัดให้อยู่ห่างจากหน้าเป้าสารเคลือบเท่ากับ 10 cm ลดความดันในห้องเคลือบให้ได้ความดันพื้นเท่ากับ 0.00005 mbar จากนั้นปล่อยก๊าซอาร์กอนและก๊าซไนโตรเจนในอัตราส่วน 3:2 และให้กระแสไฟฟ้ากับเป้าโครเมียมคงที่ 600 mA ส่วนกระแสไฟฟ้าที่ให้กับเป้าวาเนเดียมมีค่าเท่ากับ 400, 600 และ 800 mA โดยฟิล์มบางแต่ละชุดการทดลองใช้เวลาในการเคลือบทั้งหมด 40 นาที ก่อนที่จะทำการเคลือบฟิล์มบางทุกครั้งจะต้องทำความสะอาดหน้าเป้าสารเคลือบโดยการสปัตเตอร์หน้าเป้าสารเคลือบ (pre-sputtering) ในบรรยากาศก๊าซอาร์กอน 2 นาที โดยปิดแผ่นบัง (shutter) ที่ติดตั้งระหว่างเป้าสารเคลือบกับแท่นวางวัสดุรองรับ จากนั้นจึงเคลือบฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ตามเงื่อนไขที่กำหนดไว้
ฟิล์มบางที่เคลือบได้ทั้งหมดจะนำไปศึกษาโครงสร้างผลึกด้วยเครื่องเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (x-ray diffractometer: XRD) ยี่ห้อ Rigaku รุ่น Rint 2000 ใช้ Cu-Kα (λ = 1.540600 Å) ที่ 40 kV และ 40 mA ตรวจวัดแบบ 2θ-scan ด้วยมุมตกกระทบเฉียง (grazing incident angle) คงที่เท่ากับ 3° สแกน 2θ จาก 20° ถึง 90° และศึกษาลักษณะพื้นผิวและความหยาบผิว (surface roughness: Rrms) ขนาดเกรนและความหนาของฟิล์มที่เคลือบได้ตรวจวัดแบบ tapping mode บนผิวหน้าของฟิล์มบางในพื้นที่ขนาด 1x1 μm^2 ด้วยเครื่องอะตอมมิคฟอร์ซไมโครสโคป (atomic force microscope: AFM) ของ Veeco Instruments รุ่น Nanoscope I
ผลการวิจัยและวิจารณ์ผล
โครงสร้างผลึกของฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์
จากผลการวิเคราะห์ฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตร์ดบนซิลิกอนที่กระแสของเป้าวาเนเดียมค่าต่างๆ ด้วยเทคนิค XRD พบว่าฟิล์มที่เคลือบได้ที่กระแสของเป้าวาเนดียมค่าต่างๆ ด้วยเทคนิค XRD พบว่าฟิล์มที่เคลือบได้ที่กระแสของเป้าวาเนดียมเท่ากับ 400 mA มีรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ที่มุม 38.98°, 44.46° และ 64.62° ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับวาเนเดียมไนไตรด์ระนาบ (222) (400) และ (404) ตามข้อมูล JCPDS เลขที่ 71-1139 เมื่อกระแสของเป้าวาเนเดียมเพิ่มขึ้นเป็น 600 และ 800 mA รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ที่ปรากฏไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนัก
องค์ประกอบธาตุของฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์
เมื่อนำฟิล์มที่เคลือบได้มาวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุด้วยเทคนิค EDX พบว่าฟิล์มที่เคลือบได้ทั้งหมดมีโครเมียม วาเนเดียม และไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบในสัดส่วนต่างๆ ที่มีค่าเปลี่ยนไปตามค่ากระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์ของเป้าวาเนเดียม พบว่าเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นจาก 400 มิลลิแอมป์เป็น 800 มิลลิแอมป์ องค์ประกอบธาตุของฟิล์มมีการเปลี่ยนแปลงดังนี้คือ วาเนเดียมเพิ่มขึ่นจาก 13.59% เป็น 29.22% ขณะที่โครเมียมลดลงจาก 66.30% เป็น 51.04% เนื่องจากวาเนเดียมถูกสปัตเตอร์ออกจากเป้าสารเคลือบเพิ่มขึ้นตามค่ากระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมและเข้าไปแทนที่อะตอมโครเมียมในโครงสร้างผลึกของฟิล์มที่เคลือบได้ทำให้โครเมียมในฟิล์มมีปริมาณลดลง ส่วนไนโตรเจนมีค่าค่อนข้างคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงโดยมีค่าอยู่ในช่วง 20.11% ถึง 19.74% กล่าวได้ว่างานวิจัยนี้สามารถเคลือบฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ได้
ลักษณะพื้นผิวและภาคตัดขวางของฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์
ลักษณะพื้นผิวของฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ที่เคลือบได้จากการศึกษาด้วยเทคนิค AFM ในแบบ 2 มิติและ 3 มิติ พบว่าฟิล์มที่เคลือบด้วยกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมเท่ากับ 400 มิลลิแอมป์ ฟิล์มที่เกิดขึ้นมีลักษณะเป็นเม็ดกระจายทั่วผิวหน้าของฟิล์ม ส่วนฟิล์มที่เคลือบด้วยกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมเท่ากับ 600 มิลลิแอมป์ สารเคลือบเริ่มเกาะกลุ่มกันมีขนาดใหญ่ขึ้น และฟิล์มที่เคลือบด้วยกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมเท่ากับ 800 มิลลิแอมป์ ลักษณะผิวหน้าของฟิล์มที่เคลือบได้มีลักษณะแหลมสูงต่ำกระจายทั่วผิวหน้าฟิล์ม โดยฟิล์มที่เคลือบได้มีค่าความหยาบผิว (Rrms) ในช่วง 3.75-4.96 นาโนเมตร เมื่อกระแสไฟฟ้าการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมเพิ่มขึ้น ความหนาของฟิล์มเพิ่มจาก 883 นาโนเมตร เป็น 1048 นาโนเมตร
จากการศึกษาด้วยเทคนิค AFM พบว่าเมื่อกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมเพิ่มขึ้น ลักษณะพื้นผิว ความหนา ความหยาบผิว ตลอดจนขนาดของลักษณะพื้นผิวของฟิล์มมีการเปลี่ยนแปลง การเพิ่มกระแสเป็นการเพิ่มพลังงานของอะตอมสารเคลือบที่เคลือบบนผิวหน้าของวัสดุรองรับ ทำให้สารเคลือบมีพลังงานมากพอในการเกาะกลุ่มรวมตัวกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้นทำให้ความหยาบเพิ่มขึ้น นอกจากนี้การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมส่งผลให้อะตอมวาเนเดียมเป็นองค์ประกอบในฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์เพิ่มขึ้นและมีความหนาของฟิล์มมากขึ้น
ภาคตัดขวางของฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์จากการเทคนิคศึกษาด้วยเทคนิค FE-SEM (field emission scanning electron microscopy) พบว่าโครงสร้างของชั้นฟิล์มมีการจัดเรียงตัวกันแบบคอลัมนาร์ (columnar) ในโซน Z2 และเมื่อกระแสไฟฟ้าที่ให้กับเป้าวาเนเดียมมีค่าเพิ่มขึ้นจาก 400 mA เป็น 800 mA พบว่าฟิล์มบางที่เคลือบได้มีความหนาเพิ่มขึ้นจาก 968 nm เป็น 1141 nm ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกันกับผลที่วัดได้จากเทคนิค AFM
สรุปผลการวิจัย
ฟิล์มบางโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ในงานวิจัยนี้เตรียมด้วยวิธีรีแอคตีฟดีซีอัลบาลานซ์แมกนีตรอนโคสปัตเตอริงบนกระจกสไลด์และแผ่นซิลิกอน ผลการศึกษาพบว่ากระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมมีผลต่อโครงสร้างผลึกและลักษณะพื้นผิวของฟิล์มที่ได้ เมื่อกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียมเพิ่มขึ้น พบว่าฟิล์มโครเมียมวาเนเดียมไนไตรด์ที่ได้มีโครงสร้างผลึกระนาบ (222) (400) และ (404) องค์ประกอบธาตุของฟิล์มที่เคลือบได้มีโครเมียม วาเนเดียม และไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบในสัดส่วนต่างๆ ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าในการสปัตเตอร์เป้าวาเนเดียม ความหนาและความหยาบผิวของฟิล์มที่เคลือบได้มีค่าเพิ่มขึ้นจาก 883 นาโนเมตรเป็น 1048 นาโนเมตร และ 3.75 นาโนเมตรเป็น 4.96 นาโนเมตรตามลำดับ
บทความวิจัยโดยสิทธิวัฒน์ อุ่นจิตร อดิศร บูรณวงศ์ และสุรสิงห์ ไชยคุณ ห้องปฏิบัติการวิจัยเทคโนโลยีสุญญากาศและฟิล์มบาง ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 19 ฉบับพิเศษ 2557 การประชุมวิชาการระดับชาติ วิทยาศาสตร์วิจัยครั้งที่ 6 หน้า 78-86 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com