Design of self-nanostructured thin films for antibacterial applications

Abstract

In this thesis, magnetron sputtering is used to sputter thin films at a chemical composition that is intermediate to those of pure amorphous and crystalline thin films. For some metallic alloys, especially Zr-X alloys (X = Cr, V, Mo, W) that will be studied in this work, this results in a competitive growth between the amorphous and crystalline phases. The crystalline regions have a peculiar geometry that allows tailoring the surface morphology of the film and thus its surface-related properties. We show that the deposition conditions (deposition pressure, deposition rate) have a significant impact on the films morphology. In particular, the deposition rate affects the nucleation and growth kinetics inside the crystalline regions, and varying the deposition pressure allows synthesizing films with novel microstructures. We then show that when coated with a thin copper layer, thin films deposited at a high pressure show a great potential as antibacterial surfaces, being more bactericidal than metallic copper, against Gramnegative bacteria as well as against Gram-positive bacteria. Finally, we focus on the close link that exists between the internal stress during film growth and the microstructure of these thin films, which allows us to gain precious insights on crystallization in these thin films.

Dans cette thèse, nous utilisons la pulvérisation cathodique magnétron pour déposer des couches minces à une composition chimique intermédiaire aux compositions pour lesquelles la couche serait totalement amorphe ou totalement cristalline. Pour certains alliages métalliques, notamment les alliages Zr-X (X = Cr, V, Mo, W) qui sont étudiés dans cette thèse, cela résulte en une croissance compétitive entre les phases amorphe et cristalline. Les régions cristallines présentent une géométrie particulière qui permet de contrôler la morphologie de surface du film et donc ses propriétés de surface. Nous démontrons que les conditions de dépôt (pression, vitesse de dépôt) ont un impact significatif sur la morphologie des films synthétisés. En particulier, la vitesse de dépôt impacte les cinétiques de nucléation et de croissance au sein des régions cristallines, et une variation de pression permet l’obtention de films présentant de nouvelles microstructures. Nous démontrons ensuite que ces films, lorsque recouverts d’une fine couche de cuivre, présentent un intérêt pour des applications antibactériennes, étant plus bactéricides que du cuivre métallique, autant contre des bactéries Gram-négatives que Grampositives. Finalement, nous nous concentrons sur le lien étroit qui existe entre les contraintes dans le film lors du dépôt et la microstructure des couches minces, nous permettant d’obtenir de précieuses informations sur la cristallisation dans ces films.

In dieser Doktorarbeit wird Magnetronsputtern verwendet, um Dünnschichten mit einer chemischen Zusammensetzung zu sputtern, die zwischen den von rein amorphen und kristallinen Dünnschichten liegt. Bei einigen metallischen Legierungen, insbesondere Zr-X Legierungen (X = Cr, V, Mo, W), die in dieser Arbeit untersucht werden, führt dies zu einem wettbewerbsfähigen Wachstum zwischen amorphen und kristallinen Phasen. Die kristallinen Bereiche weisen eine besondere Geometrie auf, die es ermöglicht, die Oberflächenmorphologie des Films und damit seine oberflächenbezogenen Eigenschaften zu kontrollieren. Wir zeigen, dass die Abscheidebedingungen (Abscheidedruck, Abscheiderate) einen signifikanten Einfluss auf die Morphologie der Filme haben. Insbesondere beeinflusst die Abscheiderate die Keimbildungs- und Wachstumskinetik innerhalb der kristallinen Bereiche, und durch Variation des Abscheidedrucks lassen sich Filme mit neuen Mikrostrukturen herstellen. Anschließend zeigen wir, dass diese dünnen Filme, wenn sie mit einer dünnen Kupferschicht beschichtet werden, ein großes Potenzial als antibakterielle Oberflächen aufweisen und gegenüber gramnegativen und grampositiven Bakterien stärker bakterizid wirken als metallisches Kupfer. Schließlich konzentrieren wir uns auf die enge Verbindung zwischen den Mechanischen Spannungen im Film während der Ablagerung und der Mikrostruktur dieser dünnen Schichten, wodurch wir wertvolle Informationen über die Kristallisation in diesen Filmen gewinnen können.