Architectural design of transition metal nitride thin films for improved mechanical or electrical properties

Abstract

Übergangsmetallnitride (englisch: Transition Metal Nitrides, TMNs) finden breite Anwendung als Schutzbeschichtungen, die sich durch eine relativ hohe mechanische, thermische und chemische Belastbarkeit auszeichnen und unter allen herkömmlichen keramischen Dünnschichtwerkstoffen (d. h. Boride, Carbide, Nitride und Oxide) die höchsten Zähigkeitswerte aufweisen. Herstellungs- und Strukturstrategien werden kontinuierlich weiterentwickelt, um den stetig steigenden Anforderungen in mechanisch, chemisch und/oder thermisch anspruchsvollen Umgebungen gerecht zu werden. Dieses Projekt zielt einerseits darauf ab, das Verständnis des mechanischen Verhaltens von Übergitter-Dünnschichten aus Übergangsmetallnitriden (TMNs) durch den Einsatz fortschrittlicher mikromechanischer Charakterisierungsmethoden zu erweitern. Dies liefert Informationen über die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien (Festigkeit, Verformungsgrenze, Steifigkeit, Zähigkeit) unter klar definierten Belastungsbedingungen. TiN/MoN-SLs mit zwei Materialien mit ähnlichen Gitterparametern, aber sehr unterschiedlichen Elastizitätsmoduln, werden ausgewählt, um den Einfluss von Doppelschichtverhältnissen und -perioden auf das mechanische Verhalten von TMN-SLs zu untersuchen.Andererseits zielt dieses Projekt auch darauf ab, TMNs für die Anwendung als Elektrodenmaterial in Superkondensatoren zu erforschen. TMNs sind aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und ihrer strukturellen und chemischen Stabilität sehr vielversprechend und bieten eine hervorragende Energieeffizienz und eine sehr lange Lebensdauer. Für solche Anwendungen werden hochporöse Strukturen benötigt. Hier werden zwei verschiedene Techniken zur Herstellung solcher porösen Strukturen vorgestellt. Bei der einen Methode handelt es sich um ein schwammiges, poröses CrN, das durch chemisches Entfernen der Ni-Phase aus einer CrN-Ni-Verbundbeschichtung gewonnen wird. Die andere Technik ist eine zick-zack-strukturierte MoN-Elektrode, die durch Abscheidung im flachen Winkel hergestellt wird.

Transition metal nitrides (TMNs) have found widespread use as protective coating materials, combined with reasonably high mechanical, thermal, and chemical resilience with the highest recorded toughness values among all conventional ceramic thin film material classes (i.e., borides, carbides, nitrides, and oxides). Synthesis and structure strategies are continuously developing to cater to the steadily rising requirements of mechanically, chemically, and/or thermally demanding environments. On the one hand, this project mainly aims to expand our understanding of the mechanical behavior of transition metal nitride (TMN) superlattice (SL) thin films by employing advanced micromechanical characterization methods. This will provide information on these materials’ mechanical characteristics (strength, deformation limit, stiffness, toughness) under clearly defined loading conditions. TiN/MoN SLs, featuring two materials with similar lattice parameters, but highly disparate elastic moduli, are selected to investigate the impact of bilayer ratios and periods on the mechanical behavior TMN SLs.On the other hand, this project also aims to expand TMNs in the application of supercapacitor electrode materials. TMNs are very promising due to their high conductivity and structural and chemical stability, providing excellent power efficiency and super long cycle life. For such applications, highly porous structures are needed. Here, two different techniques for preparing such porous structures are presented. One is a spongy porous CrN, which is obtained by chemically removing the Ni phase from a CrN-Ni composite coating. Another one is a zig-zag structured MoN electrode produced by glancing angle deposition.All of these different coating architectures are successful in their specific fields. The SL structures show a superlattice effect in mechanical and tribological properties improvement, e.g., improved hardness, fracture toughness, and friction coefficient. The porous structures show highly improved electrochemical properties of charging capacitance.