liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Interface structure in superhard TiN-SiN nanolaminates and nanocomposites: film growth experiments and ab initio calculations
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Thin Film Physics. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0002-2837-3656
Frederick Seitz Materials Research Laboratory and the Materials Science Department, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, USA.
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Thin Film Physics. Linköping University, The Institute of Technology.
Engineering Materials, Luleå University of Technology, Luleå, Sweden .
Show others and affiliations
2007 (English)In: Physical Review. B, ISSN 1098-0121, Vol. 75, no 15, 155437- p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Nanostructured materials—the subject of much of contemporary materials research—are defined by internal interfaces, the nature of which is largely unknown. Yet, the interfaces determine the properties of nanocomposites and nanolaminates. An example is nanocomposites with extreme hardness70–90  GPa, which is of the order of, or higher than, diamond. The Ti-Si-N system, in particular, is attracting attention for the synthesis of such superhard materials. In this case, the nanocomposite structure consists of TiN nanocrystallites encapsulated in a fully percolated SiNx “tissue phase” (1 to 2 monolayers thick) that is assumed to be amorphous. Here, we show that the interfacial tissue phase can be crystalline, and even epitaxial with complex surface reconstructions. Using in situ structural analyses combined with ab initio calculations, we find that SiNx layers grow epitaxially, giving rise to strong interfacial bonding, on both TiN(001) and TiN(111) surfaces. In addition, TiN overlayers grow epitaxially on SiNx/TiN(001) bilayers in nanolaminate structures. These results provide insight into the development of design rules for new nanostructured materials.

Place, publisher, year, edition, pages
2007. Vol. 75, no 15, 155437- p.
National Category
Physical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-13316DOI: 10.1103/PhysRevB.75.155437OAI: oai:DiVA.org:liu-13316DiVA: diva2:18319
Available from: 2008-05-27 Created: 2008-05-27 Last updated: 2016-08-31
In thesis
1. Growth and Characterization of Ti-Si-N Thin Films
Open this publication in new window or tab >>Growth and Characterization of Ti-Si-N Thin Films
2008 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [sv]

Utvecklingen inom materialforskningen går mot att framställa avancerade material vilka är skräddarsydda för olika tillämpningar. Detta har medfört att det blir allt mer populärt att belägga ytor med ett eller flera tunna lager med syfte att förbättra materialegenskaperna. Användningsområden för ytbeläggningar går att hitta inom allt från vardagliga produkter såsom teflonbeläggningar av stekpannor, förgyllning av smycken till avancerad halvledarteknik för att åstadkomma energieffektiva lysdioder. Det enskilt största tillämpningsområdet för tunna filmer är dock som skyddande skikt för verktyg inom skärande bearbetning. Utvecklingen går stadigt mot högre skärhastigheter och därmed ökade temperaturer, idagsläget kan området där verktyget och arbetsmaterialet är i kontakt nå temperaturer på mellan 800-1000 °C utan att förlora nämnvärt i styrka. Detta har gjorts möjligt genom att belägga skären med någon eller några μm (tusendels mm) av lämpligt keramiskt material i avseende att öka motståndskraften för nötning vid bearbetning vid höga temperaturer.

I den här avhandlingen har tunna filmer studerats med det övergripande målet att förbättra egenskaper hos verktyg för skärande metallbearbetning genom att öka motståndskraften hos materialen mot mekanisk och kemisk nötning vid höga temperaturer. Materialsystemet som undersökts är Ti-Si-N, där tunna filmer av både legeringar och tvåfassystem har syntetiserats och egenskapskarakteriserats. Legeringarna är belagda med varierande Si-halt från 0 till 10 atomprocent och avsedda för att studera strukturella, termiska och mekaniska egenskaper. De framställdes med en teknik som kallas arcförångning, där man i ett vakuumsystem frigör högenergetiskt material i det här fallet av Ti och Si som förångas från en solid yta kallad target. Atomerna joniseras genom kollisioner med elektroner och reagerar på sin väg mot substratet med kvävgas. Väl framme vid substratet, kondenserar jonerna och bilder den tunna filmen. Filmerna består av två strukturtyper, den första är en fast lösning där Si atomer upp till 5 at.% ersätter Ti atomer i TiN. I det andra fallet så segregerar Si till korngränserna. Värmebehandlingsexperiment visar att Si bildar SiNx som kapslar in TiN-korn vid temperaturer upp till 1000 °C. Hårdhetstester visar att filmerna bibehåller sin hårdhet upp till 1000 °C tack vare fasomvandlingen. Även vid 1100 °C är hårdheten hög. Dessa skikt besitter alltså egenskaper som gör dem väldigt användbara inom tillämpningar för skärande bearbetning.

Nanostrukturerade materials egenskaper beror på dess mikrostruktur snarare än på de grundämnen som ingår, detta exemplifieras av TiN-SiNx-nanokompositer bestående av nanokristallina TiN-korn inbäddade i några få atomlager SiNx, där materialegenskaperna helt och hållet beror på kornstorleken på TiN-kornen och tjockleken på SiNx-lagren. Ökas tjockleken på SiNx minskar hårdheten. Dessa filmer har mycket goda mekaniska egenskaper och är ett av de hårdaste materialen som finns. Nyckeln till den höga hårdheten hos skikten ligger i att bilda starka bindningar mellan TiN och SiNx. Hur dessa ser ut vet man dock inte eftersom strukturen på SiNx gränsytan inte är känd. Anledningen är att den är svår att avbilda på grund av dess krökta form och begränsade volym. I denna avhandling har TiN/SiNx multilager belagts, dvs. en lagrad struktur TiN alternerad med SiNx. Dessa filmer framställdes med sputtring, en teknik som liknar arcförångning men där man istället accelerera positivt laddade joner mot Ti och Si targets med en hög negativ potential som frigör Ti och Si. I multilagren varierades SiNx-lagrets tjocklek mellan endast några få atomlager för att göra en förenklad modell av gränsytan hos nanokompositen och med atomupplöst transmissionselektronmikroskopi samt hårdhetsmätningar konstateras sedan att de hårdaste filmerna var de där kristallin SiNx stabiliseras mellan TiNkorn. Vidare studerar jag SiNx/TiN ytor med sveptunnelmikroskopi och täthetsfunktionalteori (en kvantmekanisk simuleringsmetod). Mina resultat visar SiNx och bindningarna till TiN är mycket mer komplicerade än vad man tidigare trott, då de kan vara kristallina och anta komplexa rekonstruktioner. Detta bidrar till den starka bindningen mellan TiN och SiNx vilket i sin tur förklarar varför materialen blir så hårda.

Abstract [en]

Ti-Si-N and Ti-Al-Si-N thin solid films have been studied by analytical electron microscopy, X-ray diffraction, scanning tunneling microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, elastic recoil detection analysis, nanoindentation, and ab initio calculations. I find that arc evaporated (Ti1-xSix)Ny films can be grown as cubic solid solutions up to x = 0.09 with a dense columnar microstructure. Films with higher Si content up to x = 0.20 assumes an extremely defect-rich, feather-like structure consisting of cubic TiN:Si nanocrystallite bundles with low-angle grain boundaries caused by thermodynamically driven Si segregation. Correspondingly, the N content in the films increases close to linear with the Si content from y = 1.00 (x = 0) to y = 1.13 (x = 0.20). Annealing of the films at 1000 °C yields a metastable crystalline SiNz (1.0 ≤ z ≤ 1.33) tissue phase in 0.04 ≤ x ≤ 0.20 films which is (semi)-coherent to TiN. These films are compositionally stable and exhibit retained hardness between 31-42 GPa up to 1000 °C. At 1100-1200 °C, the tissue phase amorphizes and all SiNz diffuse out of the films, followed by recrystallization of the cubic phase. Hard turning testing was performed on (Ti0.83Si0.17)N1.09. Analysis of the tool-chip interface prepared by focused ion beam revealed shear deformation in the film and an adhering layer consisting of the work-piece material and Si and N from the film. For (Ti0.33Al0.67)1-xSix)N (0 ≤ x ≤ 0.29) films the NaCl structure cubic (Ti,Al)N solid solution phase is predominant at low Si contents, which gradually changes to a dominating hexagonal wurtzite (Al,Ti,Si)N solid solution for 0.04 ≤ x ≤ 0.17. Additional Si results in amorphization. Annealing experiments at 600-1000 °C yields spinodal decomposition of c-(Al,Ti)N into c-AlN and c-TiN, with corresponding age hardening. The h-(Al,Ti,Si)N films exhibit precipitation of c- TiN with smaller volume than the host lattice, which results in tensile cracks formations and age hardening. Films with c-(Ti,Al)N perform best in turning applications, while films with h- (Al,Ti,Si)N form cracks and fail. Finally, I have characterized the nature of metastable crystalline SiNz phases and the interface between TiN(001) and SiNz. Magnetron sputtering was used to deposit TiN/SiNz(001) nanolaminate films with varying SiNz and TiN layer thicknesses. Maximum hardness is obtained when SiNz forms coherent interfaces with TiN. In addition, in situ surface analyses in combination with ab-initio calculations reveal that SiNz sub-monolayers grow epitaxially and form crystalline reconstructions on TiN(001) and TiN(111) surfaces. Phonon calculations predict that stoichiometric c-SiN is dynamically instable when the atoms are arranged in the NaCl and ZnS forms. However, c-Si3N4 can be stabilized with D022 or L12 ordered ZnS-like structures. These results have impact for the design of superhard nanocomposites and multilayer thin films.

Place, publisher, year, edition, pages
Institutionen för fysik, kemi och biologi, 2008
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1190
Keyword
Analytical transmission electron microscopy, Arc, Sputtering, Hard coatings, Multilayer Cutting inserts, analytisk transmissionselektronmikroskopi, ytbeläggningar, skärande, bearbetning, Ti-Si-N, arcförångning, sputtring
National Category
Other Engineering and Technologies not elsewhere specified
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-11929 (URN)978-91-7393-882-2 (ISBN)
Public defence
2008-05-30, Planck, Fysikhuset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2008-05-27 Created: 2008-05-27 Last updated: 2016-08-31
2. Growth and Characterization of Ti-Si-N Hard Coatings
Open this publication in new window or tab >>Growth and Characterization of Ti-Si-N Hard Coatings
2006 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Metastable (Ti,Si)N alloy and TiN/SiNx multilayer thin solid films as well as SiNx/TiN surfaces have been explored. Cubic Ti1-xSixN (0≤x≤0.14) films deposited onto cemented carbide (WC-Co) substrates by arc evaporation exhibited a competitive columnar growth mode where the structure transforms to a feather-like nanostructure with increasing Si content as revealed by x-ray diffraction and transmission electron microscopy. X-ray photoelectron spectroscopy revealed the presence of Ti-N and Si-N bonding, but no amorphous Si3N4. Band structure calculations showed that phase separation of NaClstructure Ti1-xSixN solid solution into cubic SiN and TiN phases is energetically favorable. The metastable microstructure, however, was maintained for the Ti0.86Si0.14N film annealed at 900°C, while recrystallization in the cubic state took place at 1100°C annealing during 2h. The Si content influenced the film hardness close to linearly, by combination of solid-solution hardening in the cubic state and defect hardening. For x=0 and x=0.14, nanoindentation gave a hardness of 29.9±3.4 GPa and 44.7±1.9 GPa, respectively. The hardness was retained during annealing at 900°C.

Nanostructured materials, e.g., nanocomposites and nanolaminates, are defined by internal interfaces, of which the nature is still under debate. In this work two-phase model systems were explored by depositing SiNx/TiN nanolaminate films, including superlattices containing cubic SiNx, by dual target reactive magnetron sputtering. It is demonstrated that the interfacial phase of SiNx onto TiN(001) and TiN(111) can be crystalline, and even epitaxial with complex surface reconstructions. Using in situ structural analyses combined with ab initio calculations, it is found that SiNx layers grow epitaxially, giving rise to strong interfacial bonding, on both TiN(001) and TiN(111) surfaces. In addition, TiN overlayers grow epitaxially on SiNx/TiN(001) bilayers in nanolaminate structures. These results provide insight into the development of design rules for novel nanostructured materials.

Place, publisher, year, edition, pages
Institutionen för fysik, kemi och biologi, 2006. 53 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Thesis, ISSN 0280-7971 ; 1270
Keyword
Ti-Si-N, physical vapor deposition, nitrides, density functional theory, transmission electron microscopy, nanocomposits, nanolaminates, solid solutions
National Category
Other Engineering and Technologies not elsewhere specified
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-7741 (URN)91-85643-85-8 (ISBN)
Presentation
2006-11-03, Planck, Hus E, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Note
Report code: LiU-TEK-LIC-2006:51.Available from: 2006-11-15 Created: 2006-11-15 Last updated: 2016-08-31

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textLink to Ph.D. ThesisLink to Licentiate Thesis

Authority records BETA

Hultman, LarsFlink, AxelOdén, Magnus

Search in DiVA

By author/editor
Hultman, LarsFlink, AxelOdén, Magnus
By organisation
Thin Film PhysicsThe Institute of Technology
Physical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 563 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf