Magnetron sputtering of Nb-Ag-B thin films for electrical contact applications

Abstract

Bor ist eines der härtesten bekannten Materialien, und daher ist die Entwicklung von Boriden ein vielversprechender Weg für die Produktion neuer Materialien. Während binäre, ternäre und sogar quasi-ternäre Übergangsmetallnitride bereits experimentell und durch Computersimulation erforscht wurden, gibt es nur wenig Information über Übergangsmetalldiboride, speziell, wenn sie durch physikalische Dampfphasenabscheidung hergestellt wurden. Übergangsmetalldiboride (MeB2) haben eine große Zahl von vielversprechenden Eigenschaften wie hohe Härte, hohe Leitfähigkeit, hohe Verschleißfestigkeit, und einen niedrigen Reibkoeffizienten. Ein exzellentes Beispiel dafür ist das von Nedfors hergestellte NbB2 mit einem Reibkoeffizienten von 0.16 und einem Härtewert von 42 GPa. Aufgrund der immer anspruchsvoller werdenden Anforderungen an neue Materialien reichen oft binäre Systeme nicht mehr aus, um diese Anforderungen zu erfüllen. Ein interessanter Weg für die Verbesserung von elektrischen Kontaktflächen ist die Entwicklung von ternären Boriden, wo das dritte Element nicht nur die elektrischen Eigenschaften beibehält, sondern auch die tribologischen Eigenschaften verbessert. Da Silber ein exzellenter metallischer Leiter ist, verbessert es sowohl die elektrischen als auch die tribologischen Eigenschaften. Daher ist die Untersuchung des Nb-Ag-B-Systems mit einem speziellen Augenmerk auf eine mögliche (Nb,Ag)B2 Phase von großem Interesse. Im Gegensatz zu NbB2 gibt es zu AgB2 bisher nur widersprüchliche Informationen. Aus unseren Ergebnissen können wir schließen, dass eine kristalline AgB2 Phase trotz der vielfältig eingesetzten Möglichkeiten der physikalischen Dampfphasenabscheidung nicht synthetisiert werden konnte. Des Weiteren wurden ternäre Ng-Ag-B-Dünnschichten entwickelt, welche jedoch nur eine kristalline NbB2 Phase aufweisen, aber keine Anzeichen für eine Mischkristallbildung Nb1-xAgxB2 zeigen. Für ein Verhältnis Ag/(Ag+Nb) von 0.4 setzten sich die Schichten sowohl aus kristallinem Ag als auch aus kristallinem NbB2 zusammen. Eine Zunahme des Ag-Gehalts bis zu einem Verhältnis Ag/(Ag+Nb) von 0.81 resultiert in einer Härteabnahme von 31 auf 2.3 GPa und einer signifikanten Verringerung des Reibkoeffizienten von 0.91 auf 0.35.

Boron is one of the hardest materials known, and therefore, a promising pathway to achieve high-strength materials is the development of borides, which attracts increasing interest in recent years. While binary, ternary and even quaternary transition metal (TM) nitrides have been studied in detail by experimental and computational materials science, there is only limited information available about TM borides, especially when prepared with physical vapor deposition techniques. Transition metal diborides (MeB2) have a wide variety of promising properties such as high hardness, high wear resistance, low friction and high conductivity. An excellent example is the superhard NbB2 (42 GPa) with low a friction coefficient (0.16) obtained by Nedfors et al.. However, due to a high demand for new materials, binary systems cannot fulfill the newly asked requirements. An interesting approach for improving material properties of sliding electric contacts is the development of ternary borides, where the third element should improve the electric properties while retaining the tribological properties. Silver is one of the best conducting materials, thus it not only retains but even improves the electrical properties. Furthermore, by the addition of Ag also the tribological properties and the toughness are improved. Therefore, we develop materials within the Nb-Ag-B system, where especially (Nb,Ag)B2 phases are of particular interest. However, while there are at least a few reports about NbB2 thin films, there is only limited and moreover contradictive information available on a crystalline AgB2 phase. Based on our results we can conclude that a crystalline AgB2 phase is not accessible within the wide variation in deposition conditions used during physical vapor deposition. Moreover, newly developed ternary Nb-Ag-B thin films show only crystalline NbB2 phases with no indication for a solid solution Nb1-xAgxB2. For an Ag/(Ag+Nb)-ratio of 0.4, the films exhibit crystalline silver phases next to NbB2 nanocrystallites. An increase of Ag-content up to Ag/(Ag+Nb)= 0.81 results in a continuous deterioration of hardness from 31 to 2.3 GPa, but also in a significant reduction of compressive residual stresses from 2.3 to 0.13 GPa and friction coefficient from 0.91 to 0.35.