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
Structural, electrical, and mechanical properties of nc-TiC/a-SiC nanocomposite thin films
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Thin Film Physics. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0003-1785-0864
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Thin Film Physics. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Thin Film Physics. Linköping University, The Institute of Technology.
Department of Materials Chemistry, The Ångström Laboratory, Uppsala University, Sweden.
Show others and affiliations
2005 (English)In: Journal of Vacuum Science & Technology B, ISSN 1071-1023, E-ISSN 1520-8567, Vol. 23, no 6, 2486-2495 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

We have synthesized Ti–Si–C nanocomposite thin films by dc magnetron sputtering from a Ti3SiC2 compound target in an Ar discharge on Si(100), Al2O3(0001), and Al substrates at temperatures from room temperature to 300  °C. Electron microscopy, x-ray diffraction, and x-ray photoelectron spectroscopy showed that the films consisted of nanocrystalline (nc-) TiC and amorphous (a-) SiC, with the possible presence of a small amount of noncarbidic C. The growth mode was columnar, yielding a nodular film-surface morphology. Mechanically, the films exhibited a remarkable ductile behavior. Their nanoindentation hardness and E-modulus values were 20 and 290  GPa, respectively. The electrical resistivity was 330  µ  cm for optimal Ar pressure (4  mTorr) and substrate temperature (300  °C). The resulting nc-TiC/a-SiC films performed well as electrical contact material. These films' electrical-contact resistance against Ag was remarkably low, 6  µ at a contact force of 800  N compared to 3.2  µ for Ag against Ag. The chemical stability of the nc-TiC/a-SiC films was excellent, as shown by a Battelle flowing mixed corrosive-gas test, with no N, Cl, or S contaminants entering the bulk of the films.

Place, publisher, year, edition, pages
2005. Vol. 23, no 6, 2486-2495 p.
Keyword [en]
titanium compounds, silicon compounds, wide band gap semiconductors, nanocomposites, amorphous semiconductors, thin films, sputter deposition, electron microscopy, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectra, surface morphology, ductility, indentation, hardness, electrical resistivity, electrical contacts, contact resistance
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-14473DOI: 10.1116/1.2131081OAI: oai:DiVA.org:liu-14473DiVA: diva2:23562
Available from: 2007-05-14 Created: 2007-05-14 Last updated: 2017-12-13
In thesis
1. Multifunctional nanostructured Ti-Si-C thin films
Open this publication in new window or tab >>Multifunctional nanostructured Ti-Si-C thin films
2007 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In this Thesis, I have investigated multifunctional nanostructured Ti-Si-C thin films synthesized by magnetron sputtering in the substrate-temperature range from room temperature to 900 °C. The studies cover high-temperature growth of Ti3SiC2 and Ti4SiC3, low-temperature growth of Ti-Si-C nanocomposites, and Ti-Si-C-based multi¬layers, as well as their electrical, mechanical, and thermal-stability properties. Ti3SiC2 and Ti4SiC3 were synthesized homoepitaxially onto bulk Ti3SiC2 from individual sputtering targets and heteroepitaxially onto Al2O3(0001) substrates from a Ti3SiC2 target at substrate temperatures of 700 – 900 °C. In the latter case, the film composition exhibits excess C compared to the nominal target composition due to differences between species in angular and energy distribution and gas-phase scattering processes. Ti buffering is shown to compensate for this excess C. The electrical-resistivity values of Ti3SiC2 and Ti4SiC3 thin films were measured to 21-32 uOhmcm and ~50 uOhmcm, respectively. The good conductivity is because the presence of Si layers enhances the relative strength of the metallic Ti-Ti bonds. The higher density of Si layers in Ti3SiC2 than in Ti4SiC3 explains why Ti3SiC2 is the better conductor of the two. Ti3SiC2 thin films are shown to be thermally stable up to 1000 – 1100 °C. Annealing at higher temperature results in decomposition of Ti3SiC2 by Si out-diffusion to the surface with subsequent evaporation. Above 1200 °C, TiCx layers recrystallized. Nanocomposites comprising nanocrystalline (nc-)TiC in an amorphous (a-)SiC matrix phase were deposited at substrate temperatures in the range 100 – 300 °C. These nc-TiC/a-SiC films exhibit low contact resistance in electrical contacts and a ductile deformation behavior due to rotation and gliding of nc-TiC grains in the matrix. The ductile mechanical properties of nc-TiC/a-SiC are actually more similar to those of Ti3SiC2, which is very ductile due to kinking and delamination, than to those of the brittle TiC. Epitaxial TiC/SiC multilayers deposited at ~550 °C were shown to contain cubic SiC layers up to a thickness of ~2 nm. Thicker SiC layers gives a-SiC due to the corresponding increase in interfacial strain energy leading to loss of coherent-layer growth. Nanoindentation of epitaxial Ti3SiC2/TiC0.67 nanolaminates showed inhibition of kink-band formation in Ti3SiC2, as the lamination with the less ductile TiC effectively hindered this mechanism.

Abstract [sv]

Materialteknik har alltid varit en central del av människans historia, och en förutsättning för utvecklingen av civilisationen. Dess betydelse märks inte minst på hur vi uppkallat historiska perioder efter vilka material som använts: stenåldern, bronsåldern och järnåldern (kiselåldern?). Modern materialvetenskap däremot handlar inte bara om att tillverka och utveckla material, utan även om att förstå sambandet mellan tillverknings¬processen, materialets struktur och dess egenskaper – samt hur denna förståelse kan användas för att designa material. I min avhandling sammanstrålar tre begrepp inom materialvetenskap, (multi-)funktionalitet, nanoteknik (nanostruktur) och tunna filmer.

Inom materialvetenskap och materialteknik skiljer man på begreppen strukturmaterial, som väljs ut för sin förmåga att bära en last (t.ex. byggmaterial) och funktionella material, där det intressanta är materialets funktion, t.ex. elektriska, magnetiska, optiska eller vissa mekaniska egenskaper. Multifunktionella material är material som är utvalda eller designade för att ha flera funktioner – exempelvis god elektrisk ledningsförmåga, nötningsmot-stånd och korrosionsmotstånd.

Nanoteknik handlar om material (strukturer, maskiner, etc…) där åtminstone någon dimension är på nanometerskalan (nanometer = miljarddels meter). Men det räcker inte med att enbart vara liten – nanoteknik betyder att man får nya funktioner tack vare storleken. I samhällsdebatten beskrivs nanoteknik ofta utifrån visioner om möjliga framtida kvantdatorer, molekylfabriker, medicinska ”cell-robotar”, och så vidare; det finns också negativa visioner som den om självkopierande nanorobotar som tar över världen och ut-rotar allt liv. Men om man ignorerar dessa långsiktiga och/eller långsökta visioner, så är det viktigt att inse att nanotekniken finns i våra vardagsliv redan idag, och det är framför allt som materialteknik som nanotekniken har lämnat snackstadiet och blivit verkstad. Många kommersiella produkter idag innehåller nanostrukturerade material, det vill säga material där nya funktioner uppnås genom att designa materialets struktur på nanonivå.

Anledningen att man ofta vill belägga en yta med ett lager av något annat är att ytbeläggningen förändrar – förhoppningsvis till det bättre! – egenskaperna hos det belagda objektet. Det är därför man målar huset eller lackerar köksbordet. Med tunna filmer menar man ytbeläggningar tunnare än någon eller några mikrometer (miljondels meter). Antireflexbehandlingen på glasögon och teflonet i stekpannan är några exempel från vardagen.

Processen jag använt kallas sputtring (egentligen heter det katodförstoftning på svenska, men ingen använder det ordet!), och äger rum i en vakuumkammare där trycket kan vara så lågt som en biljondel av atmosfärtrycket. Där placerar man det material man vill göra en tunnfilm av. Sedan släpper man in en gas, oftast en ädelgas som argon, som får bilda ett plasma, det vill säga en gas som mest består av laddade partiklar (joner). Argonjonerna accelereras med hög energi och får bombardera materialet; då slås atomer av ämnet ut och sprids i vakuumkammaren. De kan sedan kondensera på den yta man vill belägga och bilda en tunnfilm. En stor fördel med denna ”biljard på atomnivå” är att man har väldigt stora möjligheter att styra hur filmen bildas och växer, med andra ord går det att designa filmens struktur och i förlängningen dess egenskaper.

Det material jag studerat är titankiselkarbid, alltså ett ternärt material – det består av tre grundämnen (titan, kisel och kol). Varför ett så krångligt val – hade det inte varit mycket enklare att bara använda ett eller två grundämnen? Visst hade det varit enklare – men också tråkigare! Det blir visserligen mer komplicerat av att lägga till fler grundämnen, men flexibiliteten och designmöjligheterna ökar i motsvarande grad. I titankiselkarbid¬systemet kan jag tillverka en rad olika typer nanostrukturerade material, där de viktigaste kanske är Ti3SiC2, vars fascinerande struktur påminner om ett laminatgolv på nanonivå, och nanokompositer, med små titankarbidkristaller inbakade i amorft material. Båda dessa har unika egenskaper tack vare sin nanostruktur – de är hyfsade elektriska ledare, lagom hårda utan att vara för hårda, inte spröda, korrosionsbeständiga, och så vidare.

Kort sagt, de är Multifunktionella nanostrukturerade tunna filmer av titankiselkarbid!

Place, publisher, year, edition, pages
Institutionen för fysik, kemi och biologi, 2007
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1087
National Category
Other Engineering and Technologies not elsewhere specified
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-8860 (URN)978-91-85715-31-2 (ISBN)
Public defence
2007-04-20, Planck, F, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2007-05-14 Created: 2007-05-14 Last updated: 2016-08-31
2. Thin film growth and characterization of Ti-(Si,Ge)-C compounds
Open this publication in new window or tab >>Thin film growth and characterization of Ti-(Si,Ge)-C compounds
2005 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

This thesis describes growth by de magnetron sputtering of thin film Ti-Si-C and Ti-Ge-C materials, with an emphasis on the deposition conditions for nanocomposite and epitaxial growth at low and high temperature processing, respectively. In the Ti-Si-C materials system, I have synthesized nanocomposite thin films from a Ti3SiC2 compound target in an Ar discharge on Si(100), Al2O3(0001), and Al substrates at low substrate temperature (300 oC and below). The films consisted ofnanocrystalline (nc-) TiC and amorphous (a-) SiC, with possible presence of a small amount of non-carbidic C. Mechanically, the films exhibited a remarkable ductile behavior. Their nanoindentation hardness and E-modulus values were 20 GPa and 290 GPa, respectively. The electrical resistivity was 330 μΩcm for optimal Ar pressure (4 mTorr) and substrate temperature (300 °C). The resulting nc-TiC/a-SiC films performed well as electrical contact material, exhibiting contact resistances against Ag as low as 6μΩ at a contact force of 800 N compared to 3.2 μΩ for Ag against Ag. The chemical stability of the nc-TiC/a-SiC films was excellent, as shown by a Battelle flowing mixed corrosive gas test, with no N, Cl, or S contaminants entering the bulk of the films. Furthermore, the thesis describes epitaxial growth on Al2O3(0001) substrates of single- crystal thin films of the Mn+1AXn phases Ti2GeC and Ti3GeC2, and a new phase Ti4GeC3 as well as two new intergrown MAX structures, Ti5Ge2C3 and Ti7Ge2C5. X-ray diffraction shows that Ti-Ge-C MAX-phases require somewhat higher deposition temperatures (1000 oC) in a narrower window than their Ti-Si-C correspondences do, while there are similarities in phase distribution. Nanoindentation reveals a Young's modulus of 300 GPa, lower than that of Ti3SiC2, 320 GPa. Four point probe measurements yield resistivity values of 50-200 μΩcm. The lowest value is obtained for phase-pure Ti3GeC2(0001) films.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköpings universitet, 2005. 62 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Thesis, ISSN 0280-7971 ; 1164
National Category
Natural Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-28394 (URN)LiU-TEK-LIC-2005:19 (ISRN)13530 (Local ID)91-8529-951-0 (ISBN)13530 (Archive number)13530 (OAI)
Available from: 2009-10-09 Created: 2009-10-09 Last updated: 2015-01-13

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textLink to Ph.D. thesis

Authority records BETA

Eklund, PerEmmerlich, JensHögberg, HansIsberg, PeterBirch, JensPersson, Per O. Å.Hultman, Lars

Search in DiVA

By author/editor
Eklund, PerEmmerlich, JensHögberg, HansIsberg, PeterBirch, JensPersson, Per O. Å.Hultman, Lars
By organisation
Thin Film PhysicsThe Institute of Technology
In the same journal
Journal of Vacuum Science & Technology B
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 477 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