Nb–Al–N-тонкие пленки: структурный переход от нанокристаллического твердого раствора nc-(Nb,Al)N к нанокомпозиту nc-(Nb, Al)N/a-AlN

Abstract

Проведены исследования структуры и механических свойств тонких пленок системы Nb–Al–N, полученных при магнетронном распылении мишеней из ниобия и алюминия в атмосфере Ar–N₂. Показано, что с ростом концентрации алюминия структура тонких пленок из нанокристаллической превращается в нанокомпозитную, состоящую из нанокристаллитов твердых растворов в матрице из аморфного нитрида алюминия. Твердость, модуль упругости и предел текучести тонких пленок Nb–Al–N исследовали методом наноиндентирования в режиме непрерывного контроля жесткости контакта. Установлено, что переход структуры тонких пленок Nb–Al–N от нанокристаллической к нанокомпозитной приводит к росту твердости и снижению модуля упругости в результате формирования тонкой аморфной прослойки между зернами нанокристаллитов. Большое значение отношения твердости к модулю упругости для нанокомпозитных тонких пленок Nb–Al–N указывает на то, что они являются перспективным материалом для износостойких покрытий.

Проведені дослідження структури та механічних властивостей тон- ких плівок системи Nb–Al–N, отриманих при магнетронному розпилені мішеней з ніобію та алюмінію у атмосфері Ar–N₂. Показано, що з ростом концентрації алюмінію структура тонких плівок з нанокристалічної перетворюється в нанокомпозитну, яка складається з нанокристалітів твердих розчинів у матриці з аморфного нітриду алюмінію. Твердість, модуль пружності та границя плинності тонких плівок Nb–Al–N досліджувалась методом наноіндентуваня у режимі неперервного контролю жорсткості контакту. Установлено, що перехід структури тонких плівок Nb–Al–N від нанокристалічної до нанокомпозитної призводить до росту твердості та зниження модуля пружності в наслідок формування тонкого аморфного прошарку між зернами нанокристалітів. Велике значення відношення твердості до модуля пружності для нанокомпозитних тонких плівок Nb–Al–N вказує на те, що вони являються перспективним матеріалом для захисних покриттів. Для інтерпретації отриманих експериментальних результатів були проведені першопринципні розрахунки структур системи Nb–Al–N.

The studies have been done of the structure and mechanical properties of Nb–Al–N system thin films, which were deposited by magnetron sputtering of niobium and aluminium targets is Ar–N₂ atmosphere. It was shown that with increase of aluminium concentration the structure of thin films transforms from nanocrystalline to nanocomposite, which consists of solid solutions nanocrystallites in matrix of amorphous aluminium nitrides. Hardness, elastic modulus and yield strength of Nb–Al–N thin films were studied by nanoindentation in continuous stiffness measurement of the contact mode. It was found that the structure transformation from nanocrystalline to nanocomposite results in hardness growth and elastic modulus drops due to formation of thin amorphous layers between nanocrystallite grains. Very high H/E ratio for nanocomposite Nb–Al–N thin films points out that it is promising materials as protective coatings. To interpret the experimental results, first-principles calculations of the NbN-based structures were carried out.