Contribution of pulsed laser deposition conditions to texture, morphology and residual stresses developed in TiN thin layers

• Autorzy: Major B. , Bonarski J. , Waldhauser W. , Lackner J. K. , Ebner R.

Warianty tytułu

PL

Wpływ warunków osadzania laserem impulsowym na teksturę, morfologię i napręzenia własne w cienkich warstwach TiN

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Titanium nitride (TiN) thin layers were fabricated by pulsed laser deposition (PLD) by means of a Nd:YAG laser with Q-switch on three types of materials: ferritic steel, metallic titanium and Polyurethane. A uniform smooth surface was observed to form in each case. Texture examinations were carried out for both the deposited TiN and the substrate. The application of the position sensitive detection technique in texture examination allowed to draw the pseudo-pole figures of residual stresses, while the X-ray diffraction method (sin2?) made it possible to measure residual stress values for the TiN phase. The substrate surface was positioned parallel (on-axis) and perpendicular (off-axis) to the surface of the target, to simulate deposition on 3D elements. Residual stresses measured in the TiN phase showed compressive values within the range of - 6 to - 8 GPa for the on-axis growth and of about - 2.8 GPa for the off-axis position in case of ferritic steel substrate, while they were within the range of - 8 to - 10 GPa for films fabricated on the metallic titanium substrate and of the order of - 4 to - 5 GPa for the polyurethane substrate (0.5 mm thick). The application of scanning electron microscopy (SEM) for examining materials cross-sections revealed the form of diffusion layers with continuous transfer from the deposited film to the substrate. Transmission electron microscopy (TEM) examinations performed on the thin foils prepared from the cross-section of the metallic titanium covered with the TiN confirmed the diffusion character of the deposited layer. A fine grained microstructure of the deposited TiN phase was stated. The morphology of the surface of the deposited layers was examined by means of the atomic force microscopy (AFM). The results showed that deposition parameters and layer thickness influenced the crystallite sizes and their vertical diameter.

PL

Ciemkie warstwy azotku tytanu (TiN) wytwarzane były metodą osadzania laserem impulsowym (PLD) z zastosowaniem lasera typu Nd:YAG z modulacją dobroci. Zastosowano trzy rodzaje podłoża: stal ferryczna, tytan oraz poliuretan. Obserwowano tworzenie sie jednorodnej, gładkiej powierzchni we wszystkich przypadkach. Przeprowadzono badania tekstury dla osadzonej warstwy TiN oraz stosowanego podłoża. Zastosowano ustawienie podłoża równoległe do tarczy i prostopadłe co modelowało osadzanie na elementach 3D. Wykorzystanie pozycyjnie czułej detekcji w badaniach tekstury umozliwiło wykreślenie pseudo-figur biegunowych rozkładu napreżeń własnych, zas stosując rentgenowską metodę pomiaru naprężeń własnych uzyskano dla warstwy TiN wartości w zakresie -6 do -8 GPa dla położenia równoległego i 2.8 GPa dla położenia prostopadłego w przypadku podłoża ze stali ferrycznej, zaś -8 do -10 GPa dla warstwy TiN osadzonej na tytanie i -4 do -5 GPa dla osadzonej na poliuretanie. Wykorzystując skaningową mikroskopię elektronową do analizy przekroju poprzecznego powłok na PU ujawniono dyfuzyjny obszar przejściowy pomiedzy osadzoną warstwą a podłożem.badania na transmisyjnym mikroskopie elektronowym wykonane na cienkich foliach z przekroju poprzecznego tytanu pokrytego TiN potwierdziły i w tym przypadku dyfuzyjny charakter warstwy przejściowej. stwierdzono nanokrystaliczną mikrostrukturę w osadzonej warstwie TiN. Morfologie powierzchni analizowano mikroskopem sił atomowych, a uzyskane wyniki wykazały wpływ parametrów osadzania oraz grubości osadzonej warstwy na wielkość krystalitów i nierówność powierzchni.

Słowa kluczowe

EN

pulsed laser deposition; TiN

PL

osadzanie laserem impulsowym; TiN

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 49, iss. 1
• Strony: 83--92
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Major B.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. A. Krupkowskiego PAN, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 25

autor

Bonarski J.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. A. Krupkowskiego PAN, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 25

autor

Waldhauser W.

• Joaneum Research, Laser Center Leoben Str. 2, A-8712 Niklasdorf, Austria

autor

Lackner J. K.

• Joaneum Research, Laser Center Leoben Str. 2, A-8712 Niklasdorf, Austria

autor

Ebner R.

• Joaneum Research, Laser Center Leoben Str. 2, A-8712 Niklasdorf, Austria

Bibliografia

• [1] D. S. Rickerby, A. Matthews, eds., Advanced Surface Coatings: a Handbook ol Surface Engineering, Chapman and Hall, New York, (1991).
• [2] S. J. Bull, D. S. Rickerby, Amitabhjain, The sliding wear of titanium nitride coatings, Surf.Coat.Technol. 41, 269 (1990).
• [3] B. F. Coll, P. Jacquot, Surface modification of medical implants and surgical devices using TiN layers, Curf.Coat.Technol. 36, 867 (1988).
• [4] T. Burakowski, T. Wierzchoń, Surface engineering of metals - principles, equipment, technology, CRC Press, Boca Raton-London-New York-Washington D.C. (1999).
• [5] D. B. Chrisey, G. K. Hubler Eds., Pulsed Laser Deposition of Thin Films, John Wiley and Sons(1994)
• [6] H.-G. Rubahn, Laser Applications in Surface Science and Technology; John Wiley, Chichester (1999).
• [7] J. C. Miller, R. F. Haglund Jr. Eds., Laser Ablation and Desorption, Academic Press, San Diego 30 (1998).
• [8] H.-U. Krebs, International Journal of Non-Equilibrium Processing 10, 3 (1997).
• [9] B. Major, Ablacja i osadzanie laserem impulsowym, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Akapit, Kraków (2002).
• [10] J. E. Greene, in: Multicomponenet and Multilayered Thin Films for Advanced Microtechnologies (O. Auciello and J. Engemann. eds.) NATO/ASI Series E 234, Kluver Publ., 39 (1993).
• [11] W. Truszkowski, J. Bonarski; Onthe Imperfection of Crystallographic Orientation in FCC Single Crystals, Z. Metallkd. 91, 1030 (2000).
• [12] R. Ebner, W. Waldhauser, W. Lenz, Pulsed laser deposition: A new technique for coating sheet materials and three-dimensional industrial components, Proc. Materials Week 2001, Munich, 2001.
• [13] B. Major, R. Ebner, Laser applications in surface modification and pulsed laser deposition. Journal of Technical Physics, Special Supplement XL. 3, 161, Warszawa (1999).
• [14] B. Major , R. Ebner, Titanium-based films deposited using a Nd:Y AG pulsed laser; Appl.Phys. A69, 1-3 921 (1999).
• [15] LaboTex, The Texture Analysis Software, by Labasoft S.C. Kraków (2000).