Toughness-governing mechanisms in transition metal nitride thin films

Abstract

Owing to their exceptional hardness, chemical inertness and thermal stability, transition metal nitride (TMN) thin films are widely used as protective coatings for working components of machining tools. To this day however, these materials are still noticeably restrained by their low intrinsic fracture toughness. This project therefore aims to expand our understanding of the mechanisms controlling toughness-related properties of TMN coatings. Furthermore, the associated studies strive to exploit the gathered knowledge to explore strategies capable of enhancing the toughness of TMN thin films without sacrificing other properties. This includes, most prominently, the investigation of the superlattice (SL) architecture, which is known to have beneficial effects on various properties of TMNs.The endeavour entails both the synthesis and characterisation of all coatings. For the former, unbalanced DC reactive magnetron sputtering is employed, and the produced materials are analysed structurally and morphologically using X-ray diffraction, as well as scanning and transmission electron microscopy techniques. The mechanical properties of the films are investigated by nanoindentation, in addition to microcantilever bending tests performed on freestanding film material. Other techniques are used situationally, depending on the specific scientific requirements of each individual study.The results of this thesis elucidate the role of the elastic and structural mismatch between the layers of a TMN SL. According to our findings, a sizeable difference between the elastic moduli of the layers creates a substantial – strongly bilayer-period-dependent – enhancement of the fracture toughness, while the lattice mismatch causes an overall increase of the fracture toughness above the monolithic reference materials – mostly independent of the bilayer period. Beyond the SL effect, this thesis outlines the beneficial effect of growth defects, as well as heavy-element-alloying on the fracture toughness of TMNs.

Aufgrund ihrer exzellenten Härte, thermischen Stabilität, und geringen chemischen Reaktivität, werden nitridische Dünnschichten häufig als Schutzbeschichtungen für diverse Werkzeug- und Maschinenkomponenten verwendet. Bis heute sind diese Materialien jedoch im Anwendungsalltag durch ihre geringe intrinsische Bruchzähigkeit spürbar eingeschränkt. Dieses Projekt setzt sich zum Ziel, das Verständnis der Mechanismen zu erweitern, die die Zähigkeitseigenschaften von nitridischen Beschichtungen beeinflussen. Des Weiteren bestreben die inkludierten Studien, das gesammelte Wissen zu nutzen, um Strategien zu erforschen, mit denen die Zähigkeit von nitridischen Schichten verbessert werden kann, ohne andere Eigenschaften zu beeinträchtigen. Dies schließt vor allem die Untersuchung der Superlattice-Architektur ein, von der bekannt ist, dass sie positive Auswirkungen auf verschiedene Eigenschaften von Nitriden hat. Das Vorhaben umfasst sowohl die Herstellung als auch die Charakterisierung aller relevanten Beschichtungen. Für Ersteres wird die physikalische Dampfphasenabscheidung herangezogen und die hergestellten Materialien werden strukturell und morphologisch mittels Röntgendiffraktometrie sowie Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Die mechanischen Eigenschaften der Filme werden außerdem durch mikromechanische Biegetests an freistehendem Filmmaterial, sowie durch Nanoindentierung untersucht. Andere Techniken werden situativ eingesetzt, in Abhängigkeit von den wissenschaftlichen Anforderungen der jeweiligen Studie. Die Ergebnisse dieser Arbeit erläutern die Rolle der elastischen und strukturellen Unterschiede zwischen den Schichten nitridischer Superlattices. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Dissertation führt ein erhöhter Unterschied zwischen den elastischen Modulen der Schichten zu einer wesentlichen - stark von der Bilayer-Periode abhängigen - Verbesserung der Bruchzähigkeit, während eine Gitterdiskrepanz eine allgemeine Erhöhung der Bruchzähigkeit jenseits der monolithischen Referenzmaterialien bewirkt (unabhängig von der BilayerPeriode). Über den Superlattice-Effekt hinaus beschreibt diese Arbeit den vorteilhaften Einfluss von Wachstumsdefekten, sowie das Legieren schwerer Elemente auf die Bruchzähigkeit von TMNs.