Growth and Characterization of Ti-Si-N Thin Films

Abstract: 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.