Strategies for damage tolerance enhancement in metal/ceramic thin films: Lessons learned from Ti/TiN

材料科学 损伤容限 陶瓷 氮化钛 脆性 复合材料 断裂韧性 韧性 薄膜 图层(电子) 氮化物 冶金 纳米技术 复合数
作者
Ashwini Kumar Mishra,Hariprasad Gopalan,Marcus Hans,Christoph Kirchlechner,Jochen M. Schneider,Gerhard Dehm,Balila Nagamani Jaya
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:228: 117777-117777 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2022.117777
摘要

Most functional microelectronic devices as well as hard coatings use brittle ceramics like Titanium Nitride (TiN) in nanostructured, thin film form. Damage tolerance is critical to their deployment in service, and life extension. In this study, we explore multilayering to enhance the damage tolerance of such material systems. Ti/TiN is a model metal/ceramic system with a strong interface, where elastic-plastic mismatch could potentially be used to modify the crack driving force. We carry out systematic numerical simulations of crack driving force in Ti/TiN multilayers with changing layer spacing. Micro-cantilever experiments are then carried out on a selected set of multilayers to determine the fracture toughness as a function of the number of interfaces. The 50 layer multilayer exhibits a fracture toughness that is 82% higher than the single layer TiN while maintaining a comparable hardness to the latter. The weak intercolumnar boundaries of sputtered films are found to be a limitation in fully exploiting the advantage of the shielding effect due to alternating stiff and compliant layers. The results are discussed in the context of design parameters for multilayering in metal/ceramic thin film systems in general.
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