Structural engineering of NbN/Cu multilayer coatings by changing the thickness of the layers and the magnitude of the bias potential during deposition

Abstract

To determine the patterns of structural engineering of vacuum-arc coatings based on niobium nitride in the NbN/Cu multilayer composition, the effect of layer thickness and bias potential on the structural-phase state and physico-mechanical characteristics of vacuum-arc coatings was studied. It was found that the metastable δ-NbN phase (cubic crystal lattice, structural type NaCl) is formed in thin layers (about 8 nm thick) regardless of Ub. With a greater thickness of the layers of niobium nitride (in the multilayer NbN/Cu composition), the phase composition changes from metastable δ-NbN to the equilibrium ε-NbN phase with a hexagonal crystal lattice. An increase in the bias potential during deposition from -50 to -200 V mainly affects the change in the preferential orientation of crystallite growth. The highest hardness (28.2 GРa) and adhesive resistance is achieved in coatings obtained at Ub = -200 V with the smallest ayer thickness. The highest hardness corresponds to the structurally deformed state in which the crystallite texture is formed with the [100] axis perpendicular to the growth surface, as well as a large microstrain (1.5%) in crystallites.

Для визначення закономірностей структурної інженерії вакуумно-дугових покриттів на основі нітриду ніобію в багатошарової композиції NbN/Cu досліджено впливи товщини шарів і потенціалу зсуву на структурно-фазовий стан і фізико-механічні характеристики вакуумно-дугових покриттів. Встановлено, що в тонких шарах (товщиною близько 8 нм) незалежно від Ub відбувається формування метастабільної δ-NbN-фази (кубічна кристалічна решітка, структурний тип NaCl). При більшій товщині шарів нітриду ніобію (у багатошаровій композиції NbN/Cu) відбувається зміна фазового складу від метастабільної δ-NbN-фази до рівноважної ε-NbN-фази з гексагональною кристалічною решіткою. Збільшення потенціалу зсуву при осадженні від -50 до -200 В в основному впливає на зміну переважної орієнтації зростання кристалітів. Найбільша твердість (28,2 ГПа) і адгезійна стійкость досягаються в покриттях, отриманих при Ub = -200 В i найменшій товщині шарів. Найбільшій твердості відповідає структурно-деформований стан, при якому формується текстура кристалітів з віссю [100], перепендикулярною поверхні зростання, а також велика мікродеформація (1,5%) у кристалітах.

Для определения закономерностей структурной инженерии вакуумно-дуговых покрытий на основе нитрида ниобия в многослойной композиции NbN/Cu изучены влияния толщины слоев и потенциала смещения на структурно-фазовое состояние и физико-механические характеристики вакуумно-дуговых покрытий. Установлено, что в тонких слоях (толщиной около 8 нм) вне зависимости от Ub происходит формирование метастабильной δ-NbN-фазы (кубическая кристаллическая решетка, структурный тип NaCl). При большей толщине слоев нитрида ниобия (в многослойной композиции NbN/Cu) происходит изменение фазового состава от метастабильной δ-NbN-фазы до равновесной ε-NbN-фазы с гексагональной кристаллической решеткой. Увеличение потенциала смещения при осаждении от -50 до -200 В в основном влияет на изменение преимущественной ориентации роста кристаллитов. Наибольшая твердость (28,2 ГПа) и адгезионная стойкость достигаются в покрытиях, полученных при Ub = -200 В и наименьшей толщине слоев. Наибольшей твердости соответствует структурно-деформированное состояние, при котором формируется текстура кристаллитов с осью [100], перепендикулярной поверхности роста, а также большая микродеформация (1,5%) в кристаллитах.