Упругие свойства слоистых TiN/Si3N4 нанокомпозитов

  • Игорь Васильевич Сафронов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Васильевич Углов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Виталий Игоревич Шиманский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Проведено теоретическое исследование формирования упругих свойств многослойных пленок для перспективного класса нанокомпозитов на основе нитридов переходных металлов и кремния. Целью работы являлось исследование влияния соотношения толщин слоев и периода модуляции на упругие свойства слоистых TiN/Si3N4 нанокомпозитов. Для оценки эффективного модуля Юнга нанокомпозита в направлении перпендикулярном слоям использовались схемы усреднения по Фойгту и Рейссу с применением методики многомасштабного моделирования. Установлено, что при увеличении соотношения толщины нанокристаллического TiN слоя к Si3N4 аморфному и также периода модуляции имеет место увеличение эффективного модуля Юнга слоистого нанокомпозита. Показано, что в диапазоне толщин нанокристаллических TiN слоев от 10 до 2,0 нм наблюдается значительное уменьшение их упругих модулей. Результаты моделирования сравниваются с имеющимися экспериментальными данными. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования упругих свойств слоистых нанокомпозитов.

Биографии авторов

Игорь Васильевич Сафронов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник кафедры физики твердого тела физического факультета

Владимир Васильевич Углов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; заведующий кафедрой физики твердого тела физического факультета

Виталий Игоревич Шиманский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; доцент кафедры физики твердого тела физического факультета

Литература

  1. Niederhofer A, Bolom T, Nesladek P, Moto K, Eggs C, Patil DS, et al. The role of percolation threshold for the control of the hardness and thermal stability of super- and ultrahard nanocomposites. Surface and Coatings Technology. 2001;146:183–188. DOI: 10.1016/S0257-8972(01)01469-4.
  2. Wan Q, Yang B, Liu HD, Mei QS, Chen YM. Ion irradiation tolerance of Ti—Si—N nanocomposite coating. Surface and Coatings Technology. 2016;305:165–169. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.08.044.
  3. RavehA, Zukerman I, Shneck R, Avni R, Fried I. Thermal stability of nanostructured superhard coatings: a review. Surface and Coatings Technology. 2007;201(13):6136 – 6142. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.08.131.
  4. Veprek S, Veprek-Heijman MG, Zhang R. Chemistry, physics and fracture mechanics in search for superhard materials, and the origin of superhardness in nc-TiN/a-Si N and related nanocomposites. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2007;68(5– 6): 1161–1168. DOI: 10.1016/j.jpcs.2007.01.013.
  5. Veprek S. Recent search for new superhard materials: Go nano! Journal of Vacuum Science and TechnologyA: Vacuum, Surfaces, and Films. 2013;31(5):050822. DOI: 10.1116/1.4818590.
  6. Kumar DD, Kumar N, Kalaiselvam S, Dash S, Jayavel R. Micro-tribo-mechanical properties of nanocrystalline TiN thin films for small scale device applications. Tribology International. 2015;88:25–30. DOI: 10.1016/j.triboint.2015.02.031.
  7. He C, Zhang J, Song G, Ma G, Du Z, Wang J, et al. Microstructure and mechanical properties of reactive sputtered nanocrys-talline (Ti,Al)N films. Thin Solid Films. 2015;584:192–197. DOI: 10.1016/j.tsf.2014.12.027.
  8. Li TQ, Noda S, Komiyama H. Initial growth stage of nanoscaled TiN films: formation of continuous amorphous layers and thickness-dependent crystal nucleation. Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2003;21(5): 1717–1723. DOI: 10.1116/1.1598975.
  9. Abadias G, Leroy WP, Mahieu S, Depla D. Influence of particle and energy flux on stress and texture development in magne-tron sputtered TiN films. Journal of Physics D: Applied Physics. 2013;46(5):055301– 055309. DOI: 10.1088/0022-3727/46/5/055301.
  10. Yu L, Donga S, Xu J, Kojima I. Microstructure and hardening mechanisms in a-Si N /nc-TiN nanostructured multilayers. Thin Solid Films. 2008;516(8):1864 –1870. DOI: 10.1016/j.tsf.2007.09.022.
  11. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. Journal of Computational Physics. 1995;117(1):1–19. DOI: 10.1006/jcph.1995.1039.
  12. Quantum ESPRESSO [Internet]. [Cited 2018 November 8]. Available from: https://www.quantum-espresso.org.
  13. Safronov IV, Shymanski VI, Uglov VV, Kvasov NT, Dorozhkin NN. Modeling of microstructure and elastic properties of nc-TiN/a-Si N nanocomposite. Computational Materials Science. 2016;123:256 –262. DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.06.006.
  14. Barna PB, Adamik M. Fundamental structure forming phenomena of polycrystalline films and the structure zone models. Thin Solid Films. 1998;317(1–2):27–33. DOI: 10.1016/S0040-6090(97)00503-8.
  15. Petrov I, Barna PB, Hultman L, Greene JE. Microstructural evolution during film growth. Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2003;21(5):S117–S128. DOI: 10.1116/1.1601610.
  16. Nye JF. Physical Properties of Crystals. London: Oxford University Press; 1957. 145 p.
  17. Russian edition: Nye JF. Fizicheskie svoistva kristallov. Shuvalov LA, translator. Moscow: Izdatel’stvo inostrannoi literatury; 1960. 386 p.
  18. Mahieu S, Leroy WP, van Aeken K, Wolter M, Colaux J, Lucas S, et al. Sputter deposited transition metal nitrides as back electrode for CIGS solar cells. Solar Energy. 2011;85(3):538–544. DOI: 10.1016/j.solener.2010.12.021.
  19. Abadias G, Uglov VV, Saladukhin IA, Zlotski SV, Tolmachova G, Dub SN, et al. Growth, structural and mechanical properties of magnetron-sputtered ZrN/SiN nanolaminated coatings. Surface and Coatings Technology. 2016;308:158–167. DOI: 10.1016/j. surfcoat.2016.06.099.
  20. Le V-V, Nguyen T-T, Pham K-H. The structural correlation and mechanical properties in amorphous silicon nitride under den-sification. Journal of Non­Crystalline Solids. 2013;363:6 –12. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2012.12.011.
Опубликован
2019-02-10
Ключевые слова: слоистые нанокомпозиты, TiN/Si3N4, эффективный модуль Юнга, текстурированный слой, аморфный слой
Как цитировать
Сафронов, И. В., Углов, В. В., & Шиманский, В. И. (2019). Упругие свойства слоистых TiN/Si3N4 нанокомпозитов. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 32-39. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/1381
Выпуск
№ 1 (2019): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2019 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).