Variasi pada Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Film Ti-Al-N yang Diinduksi oleh Sumber Ion RF-ICP Atmosfer Plasma Nitrogen Reaktif yang Ditingkatkan

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan kandungan unsur Ti, Al, dan N dalam film Ti-Al-N yang diendapkan pada laju aliran gas nitrogen yang berbeda. Kandungan N dalam film Ti-Al-N ditingkatkan secara monoton dengan peningkatan aliran gas nitrogen yang masuk ke sumber ion. Dalam wilayah aliran gas nitrogen rendah (5–15 sccm), kandungan N disimpan di 45–50%, dan ransum (Ti + Al)/N mirip dengan struktur (Ti, Al) N. Ketika lebih meningkatkan laju aliran gas nitrogen dari 15 menjadi 25 sccm, kandungan N dalam film Ti-Al-N meningkat dengan cepat. Nilai maksimum 67,8% diperoleh pada 25 sccm, yang melampaui 50% pada common (Ti, Al) N atau Ti_x Al_1-x Struktur mikro N yang menunjukkan transisi fasa terjadi pada S4 dan S5. Kandungan Ti dan Al dalam film Ti-Al-N keduanya menunjukkan tren yang berlawanan dengan elemen N sebagai fungsi dari laju aliran gas nitrogen. Untuk semua film, kandungan Al lebih tinggi dari Ti, yang serupa dengan hasil film Ti-Al-N yang diendapkan di bawah atmosfer plasma yang ditingkatkan. Perbedaan kandungan unsur Al dan Ti dapat dikaitkan dengan perbedaan hasil sputtering antara atom Al dengan kualitas ringan dan atom Ti. Selain itu, atom Al mudah mengalir ke daerah permukaan film, yang juga dapat menyebabkan kandungan Al yang terdeteksi sedikit lebih tinggi dari nilai sebenarnya di bagian dalam film [16].

Kandungan elemen film Ti-Al-N yang dibuat pada berbagai laju aliran gas nitrogen

XRD dilakukan untuk sampel yang diendapkan pada wafer Si (100). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, S1-S5 menunjukkan tipikal tipe NaCl tipe struktur kubus berpusat muka (fcc) dengan beberapa rencana difraksi berorientasi pada (111), (200), (220), dan (311), kecuali untuk (311 ) untuk sampel S4 dan S5 yang diendapkan pada laju aliran gas yang tinggi [17]. Untuk struktur Ti-Al-N f.c.c, (111) adalah bidang padat dengan energi permukaan terendah, sedangkan (200) dan (220) mengikuti. Dalam S1-S5, semua Ti-Al-N yang diendapkan menunjukkan orientasi yang lebih disukai (220) daripada (111). Dalam penelitian kami sebelumnya, kami menemukan tingkat deposisi film ditingkatkan dalam sistem sputtering yang ditingkatkan RF-ICPIS. Hal ini menyebabkan penurunan waktu migrasi adatom pada substrat dan mendukung pertumbuhan (220) bidang kristal dengan energi permukaan yang lebih tinggi, dengan mengorbankan yang lain karena kerapatan tepiannya yang lebih tinggi dan kemudian jarak difusi yang lebih pendek ke situs energi yang relatif lebih rendah [13 ]. Selain itu, distorsi kisi yang disebabkan oleh atom Al yang bergabung dengan konsentrasi tinggi juga berkontribusi pada pertumbuhan preferensial (220) daripada (111) [18]. Intensitas dan FWHM dari (220) puncak juga mengungkapkan ketergantungan kristalisasi pada laju aliran gas nitrogen. Dalam rentang aliran gas rendah (5-15 sccm), intensitas dan FWHM ditingkatkan ketika meningkatkan laju aliran nitrogen, yang menunjukkan ukuran butir kristal Ti-Al-N dalam film yang menurun dan kualitas kristalisasi film yang ditingkatkan [ 19]. Untuk S4 dan S5, intensitas puncak yang berkurang dan FWHM yang diperbesar yang dapat memverifikasi laju aliran gas yang tinggi (20–25 sccm) merugikan kualitas film Ti-Al-N.

Spektrum XRD sampel S1-S5. Sisipkan tabel adalah nilai FWHW (220) untuk S1–S5

Degenerasi kualitas kristal Ti-Al-N pada laju aliran gas nitrogen yang tinggi merupakan hasil dari variasi plasma nitrogen yang berasal dari RF-ICPIS. Lebih banyak atom nitrogen dapat terionisasi ketika meningkatkan laju aliran nitrogen ke sumber ion, dan kepadatan plasma yang sesuai di ruang sputtering juga ditingkatkan. Konsentrasi elektron di dekat substrat diukur dengan probe Langmuir. Hasil yang dihitung menunjukkan bahwa konsentrasi elektron rata-rata bervariasi dari 1,5 × 10 ¹⁶ hingga 2,7 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ dengan laju aliran gas nitrogen meningkat dari 5 menjadi 25 sccm. Peningkatan konsentrasi elektron menunjukkan densitas plasma meningkat selama deposisi berlangsung. Selain itu, tegangan sumber sputtering dengan arus sputtering tetap 0,4 A selama pengendapan adalah 482, 461, 443, 408, dan 376 V untuk masing-masing 5, 10, 15, 20, dan 25 sccm. Pengurangan impedansi antara substrat dan target juga mencerminkan atmosfer plasma yang ditingkatkan. Kepadatan plasma yang tinggi meningkatkan tumbukan antara atom yang menyebabkan jalur bebas rata-rata atom logam tergagap dan laju deposisi film menurun. Diikuti, atom teradsorpsi pada substrat memiliki lebih banyak waktu untuk bermigrasi dan nukleasi dan berkontribusi pada kristalisasi film. Ketika laju aliran nitrogen melebihi ambang batas tertentu, meskipun kepadatan plasma ditingkatkan lebih lanjut, lebih banyak atom nitrogen tidak akan sepenuhnya terionisasi di bawah kekuatan sumber ion tetap 50 W [20]. Dibandingkan dengan atom nitrogen yang terionisasi penuh, atom yang tidak terionisasi sepenuhnya lebih dekat dengan substrat dan akan secara langsung mengambil bagian dalam pertumbuhan nukleasi film. Akibatnya, kandungan nitrogen dalam film Ti-Al-N berada di luar rasio stoikiometri.

Gambar 3 menunjukkan mikromorfologi planar dan penampang melintang dari film Ti-Al-N yang diamati oleh FESEM. Morfologi permukaan Ti-Al-N menunjukkan sebagai butir kerucut tripartit yang khas [21]. Dibandingkan dengan Gambar 3a, b, kita dapat menemukan film yang diendapkan pada densitas plasma nitrogen rendah (S3) memiliki ukuran butir yang lebih kecil dan permukaan yang lebih padat daripada S5 yang diendapkan pada densitas plasma tinggi, yang juga sesuai dengan hasil XRD. Dalam atmosfer dengan kepadatan plasma rendah, atom nitrogen terionisasi penuh dan waktu migrasi yang cukup dari adatom mendorong pertumbuhan dan kristalisasi Ti-Al-N dan berkontribusi pada permukaan yang lebih padat. Struktur mikro sampel komparatif CS3, yang diendapkan melalui metode tradisional pengion gas argon dan memiliki parameter eksperimental yang sama dengan S3, juga dipelajari (lihat bahan tambahan). Dibandingkan dengan S3, CS3 menunjukkan permukaan planar yang lebih longgar dan kasar, dan banyak rongga muncul di antara batas butir. Sedangkan CS3 memiliki ketebalan film yang lebih kecil dari S3. Alasan utamanya adalah karena perbedaan atmosfer pengendapan antara kedua metode ionisasi gas tersebut. Dengan mengionisasi gas nitrogen secara langsung di RF-ICPIS, suhu ionisasi gas dapat diturunkan secara efisien dan plasma nitrogen berdensitas tinggi dapat diperoleh. Akibatnya, adatom pada substrat akan memiliki energi migrasi yang tinggi dan bermanfaat bagi pertumbuhan dan kristalisasi film Ti-Al-N. Dalam gambar FESEM penampang, struktur kolumnar diamati dengan jelas untuk film Ti-Al-N yang diendapkan pada 15 dan 25 sccm, dan film mengungkapkan ketebalan 1,002 dan 1,561 μm, masing-masing. Dalam keadaan kepadatan plasma tinggi, laju deposisi film meningkat sebesar 50%. Hasilnya berbeda dari hamburan atom yang ditingkatkan yang menginduksi laju deposisi rendah dan terutama muncul dari pertumbuhan cepat nitrida ikatan lemah yang terkait dengan atom nitrogen yang tidak terionisasi penuh. Sementara itu, struktur kolumnar S3 menunjukkan struktur nano berbutir dan lebih padat, dan sampel S5 mengungkapkan struktur kolumnar dengan rongga dan batas di seluruh film. Lebih lanjut terbukti bahwa kepadatan plasma nitrogen yang tinggi merugikan kualitas kristalisasi film Ti-Al-N.

Gambar FESEM planar dan penampang S3 (a , c; 15 sccm) dan S5 (b , d; 25 sccm)

Selanjutnya, kekasaran film Ti-Al-N yang diendapkan pada berbagai laju aliran gas nitrogen dipelajari oleh AFM, dan nilai kekasaran root-mean-square (RMS) diplot pada Gambar. 4. Kekasaran pertama-tama dikurangi dan kemudian ditingkatkan dengan peningkatan laju aliran gas nitrogen, dan nilai minimum 3,932 nm diperoleh pada 15 sccm. Sedangkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c, kita dapat menemukan permukaan film sampel S5 yang dipenuhi dengan partikel yang mengembang dan jurang antar partikel yang cukup dalam. Permukaan S5 yang lebih kasar dapat dikaitkan dengan kualitas kristal yang buruk dan permukaan yang jarang. Dalam struktur kristal Ti-Al-N, rasio Al/Ti juga merupakan faktor penting bahwa atom Al menempati situs kisi atom Ti dan memperkenalkan cacat kisi untuk mempengaruhi struktur mikro dan sifat mekanik [18, 22]. Rasio Al/Ti yang dihitung berdasarkan uji EDS masing-masing adalah 1,66, 1,54, 1,43, 1,60, dan 1,85 untuk S1–S5. Kualitas kristal yang sangat baik dan rasio Al/Ti yang rendah berkontribusi pada permukaan sampel Ti-Al-N yang paling halus yang diendapkan pada 1 sccm. Rasio Al/Ti yang tinggi memperburuk cacat struktur distorsi kisi pada film S5 dan memperburuk kekasaran permukaan.

a Nilai kekasaran RMS film Ti-Al-N sebagai fungsi dari laju aliran gas nitrogen. Sisipkan tabel adalah nilai ransum Al/Ti; b dan c adalah gambar AFM dari sampel S3 dan S5, masing-masing

Kekerasan film Ti-Al-N yang diendapkan pada substrat baja tahan karat di bawah laju aliran gas nitrogen yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 5. Kekerasan film Ti-Al-N yang diperoleh pada 5, 10, 15, 20, dan 25 sccm adalah 33.1, 33.3, 34.6, 29.1, dan 26.4 GPa, masing-masing. Dalam rentang aliran nitrogen rendah, kekerasan film Ti-Al-N cukup tinggi daripada bahan Ti-N tradisional. Peningkatan kekerasan Ti-Al-N terutama berasal dari evolusi mikrostruktur melalui pengenalan kandungan Al bahwa atom Al menempati sebagian situs kisi atom Ti menyebabkan kekalahan kisi dan meningkatkan tekanan internal film. Selain itu, rasio Al/Ti sampel S1–S5 lebih tinggi daripada bahan Ti-Al-N yang dibuat pada sistem sputtering konvensional karena teknik RF-ICPIS dapat menurunkan suhu ionisasi gas dan meningkatkan laju ionisasi selama reaksi sputtering, juga mengkonversi hasil sputtering partikel logam [23]. Rasio Al/Ti yang tinggi yang menyebabkan distorsi kisi juga menyebabkan resistensi gerakan dislokasi dan gerakan slip yang sulit, yang secara bersama-sama dapat berkontribusi pada kinerja kekerasan yang sangat baik dari film Ti-Al-N yang diendapkan pada laju aliran nitrogen yang rendah. Sementara itu, pengoptimalan kristalisasi dan penurunan ukuran butir semakin meningkatkan kekerasan hingga maksimum 34,6 GPa pada 15 sccm.

Kekerasan film Ti-Al-N yang diendapkan pada laju aliran gas nitrogen yang berbeda

Sifat gesekan film Ti-Al-N juga dipelajari oleh peralatan keausan ball-on-disc, dan koefisien gesekan rata-rata film Ti-Al-N diplot pada Gambar. 6. Variasi koefisien gesekan tergantung pada gas nitrogen laju aliran mirip dengan kekasaran RMS. Jelas, permukaan halus dan struktur nano penampang padat film Ti-Al-N yang diendapkan pada laju aliran gas nitrogen rendah bermanfaat untuk kinerja tribologi permukaan. Sementara itu, S1–S3 menunjukkan koefisien gesekan rata-rata yang lebih kecil daripada CS3 (lihat bahan pelengkap).

Koefisien gesekan rata-rata film Ti-Al-N yang diendapkan pada laju aliran gas nitrogen yang berbeda. Sisipan adalah kurva koefisien gesekan S3 dan S5, masing-masing