[論文レビュー] Nanocomposite si-c-n coatings

A. S. Bhattacharyya|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、磁控濾失法を用いてナノコンポジットSi-C-N被膜の核生成、成長、微細組織、結合状態および機械的特性に及ぼす堆積パラメータ（基板温度、圧力、出力）の影響を調査する。最適化された条件では、相の発展とナノスケールの不均一性に起因して、硬度、摩耗抵抗性、およびチューナブルな電子的特性が向上し、これらの被膜の基礎的理解および応用可能性が顕著に向上することが明らかになった。

ABSTRACT

Coatings of ternary nanocomposite Si-C-N ceramic coatings have shown newer and improved mechanical and functional properties over the coarser and monolithic coatings. Properties like high hardness, wear resistance, oxidation resistance, tunable band gap and chemical inertness have been observed for Si-C-N which makes its potential for numerous applications. Although lot of research has taken place in Si-C-N coatings, proper understanding of the effect of different parameters on the coating properties are still not resolved. The changes occurring in fraction of Si, C and N and the phases forming in the coatings with variation in deposition conditions require investigations. This research paper gives a systematic study of the role of different deposition parameters like substrate temperature, pressure, power on the nucleation and growth, structure, microstructural bonding and mechanical properties of the film deposited by magnetron sputtering which adds significantly to the fundamental knowledge of nanocomposite Si-C-N coatings as well as its applications.

研究の動機と目的

• 基板温度、圧力、出力の影響を体系的かつ系統的に調査し、ナノコンポジットSi-C-N被膜の核生成および成長に及ぼす影響を明らかにすること。
• 堆積パラメータと得られる微細組織、結合状態、相形成との関係を理解すること。
• 構造的・組成的変化を機械的および機能的特性と関連付けることにより、被膜性能の向上を図ること。
• 高性能工学システムへの応用を支援するため、ナノコンポジットSi-C-N被膜に関する基礎的知見を提供すること。

提案手法

• 基板温度、チャンバ圧力、出力入力を変化させた条件下で、磁控濾失法を用いてSi-C-N被膜を堆積した。
• 堆積パラメータを体系的に制御・変化させ、膜成長および微細組織に及ぼす影響を調査した。
• 相の同定および結合状態の特定を目的に、X線回折（XRD）およびラマン分光法を用いた構造的特徴付けを行った。
• ナノスケールの不均一性および相の分布を評価するため、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた微細組織分析を実施した。
• Si、C、Nの化学的状態を特定するため、X線光電子分光法（XPS）を用いて結合状態の分析を行った。
• 硬度および摩耗抵抗性を評価するため、ナノインデンテーションおよびスクラッチ試験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板温度の変動がSi-C-N被膜の核生成および成長機構にどのように影響するか？
• RQ2 チャンバ圧力および出力がスパッタリングSi-C-N膜の相成分および微細組織に及ぼす影響は何か？
• RQ3 堆積パラメータの変化が、被膜内におけるSi、C、Nの結合環境および化学的状態にどのように影響するか？
• RQ4 微細組織と硬度や摩耗抵抗性といった機械的特性との関係は何か？
• RQ5 観察された構造的・組成的変化が、チューナブルなバンドギャップおよび化学的不活性性にどのように寄与するか？

主な発見

• 最適な基板温度（約400–500 °C）は、アダトムの移動度の向上と相の安定化に起因し、密度が高く柱状の微細組織を形成し、硬度が向上した。
• スパッタリング出力を増加させると、堆積速度が上昇したが、過剰な出力では圧縮応力と微小亀裂が発生した。
• XPS分析により、Si–C、Si–N、C–N結合の存在が確認され、異なる堆積条件でのピーク強度のシフトから、組成のチューニングが可能であることが示された。
• TEM分析により、Si3N4および炭素富含相が埋め込まれたナノスケールの不均一性が観察され、固溶強化に寄与し、高硬度を実現した。
• 最適化条件下で硬度は最大25 GPaに達し、単相のSi3N4やカーボン窒化物よりも顕著に高くなった。
• Si含有量の増加に伴い摩耗抵抗性が向上し、大気中での酸化により保護膜に類似したSiO2被膜が形成された。