Toughness enhancement in TiN/WN superlattice thin films

材料科学 超晶格 断裂韧性 韧性 复合材料 缩进 薄膜 溅射 模数 溅射沉积 弹性模量 冶金 纳米技术 光电子学
作者
Julian Buchinger,Nikola Koutná,Zhuo Chen,Zaoli Zhang,P.H. Mayrhofer,David Holec,Matthias Bartosik
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:172: 18-29 被引量:72
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2019.04.028
摘要

Transition metal nitride thin films traditionally possess a low intrinsic fracture toughness. Motivated by the recently discovered fracture toughness enhancing superlattice (SL) effect, as well as the remarkably high potential for toughness predicted by theoretical studies for TiN/WN superlattices, we synthesise a series of these materials by DC reactive magnetron sputtering. The SL coatings demonstrate a vacancy-stabilised cubic configuration throughout, as well as a marginal lattice mismatch between the TiN and WN layers. All investigated mechanical properties produced a distinct dependence on the bilayer period, featuring a hardness peak of 36.7 ± 0.2 GPa and a minimum of the indentation modulus of 387 ± 2 GPa. The toughness-related quantities of the SLs in particular show a significant enhancement compared to monolithic TiN and WN, including a tripling of the fracture energy. The fracture toughness is raised from 2.8 ± 0.1 (TiN) and 3.1 ± 0.1 (WN) to 4.6 ± 0.2 MPa√m by the SL arrangement. We relate this maximisation to the vastly disparate elastic moduli and compositional fluctuations. To complement our experimental data, we present Density Functional Theory-based models to disentangle the conspicuous trends observed for TiN/WN superlattices.
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