[논문 리뷰] Nanocomposite si-c-n coatings

A. S. Bhattacharyya|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 17.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 자기장 스퍼터링을 통해 나노복합 Si-C-N 코atings의 핵형성, 성장, 미세구조, 결합 및 기계적 성질에 영향을 미치는 증착 조건—기질 온도, 압력, 전력—의 영향을 조사한다. 최적의 조건에서 상ases의 상전이와 나노스케일의 비균질성으로 인해 경도, 마모 내성 및 조절 가능한 전자적 성질이 향상됨을 밝혀내며, 이러한 코atings의 기초적 이해 및 응용 잠재력에 중대한 기여를 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기질 온도, 압력, 전력의 영향을 체계적으로 분석하여 나노복합 Si-C-N 코atings의 핵형성 및 성장 메커니즘을 규명한다.
• 증착 조건과 Si-C-N 필름의 미세구조, 결합 상태 및 상 형성 간의 관계를 이해한다.
• 구조적 및 조성적 변화를 기계적 성질 및 기능적 성질과 연관지어 코팅 성능 향상을 도모한다.
• 고성능 공학 시스템에서의 응용을 지원하기 위해 나노복합 Si-C-N 코atings에 대한 기본 지식을 기여한다.

제안 방법

• 기질 온도, 챔버 압력 및 전력 입력을 다양하게 조절하여 자기장 스퍼터링을 이용해 Si-C-N 코atings을 증착하였다.
• 증착 조건을 체계적으로 제어하고 변화시켜 필름 성장 및 미세구조에 미치는 영향을 연구하였다.
• 상 및 결합 구조를 규명하기 위해 X선 회절(XRD) 및 라만 분광법을 이용한 구조적 특성 분석을 수행하였다.
• 나노스케일의 비균질성과 상 분포를 평가하기 위해 투과전자현미경(TEM)을 이용한 미세구조 분석을 실시하였다.
• Si, C, N의 화학적 결합 상태를 분석하기 위해 X선 광전자분광법(XPS)을 활용하였다.
• 경도 및 마모 내성과 같은 기계적 성질을 나노인덴테이션 및 스크래치 테스팅을 통해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기질 온도의 변화가 Si-C-N 코atings의 핵형성 및 성장 메커니즘에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 챔버 압력과 전력은 스퍼터링된 Si-C-N 필름의 상 조성 및 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 증착 조건의 변화가 코atings 내 Si, C, N의 결합 환경 및 화학적 상태에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 미세구조와 경도 및 마모 내성과 같은 기계적 성질 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 관측된 구조적 및 조성적 변화는 조절 가능한 금역간격과 화학적 관성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 기질 온도를 최적화(약 400–500 °C)하면, 기질 이동도 향상과 상 안정화로 인해 밀도가 높고 기둥형 미세구조를 형성하며 경도가 향상된다.
• 스퍼터링 전력 증가로 증착 속도가 증가하지만, 과도한 수준에선 압축 잠재력과 미세균열이 유발된다.
• XPS 분석을 통해 Si–C, Si–N, C–N 결합이 존재함을 확인하였으며, 다양한 증착 조건에서 피크 강도가 변화함으로써 조성 조절 가능성을 입증하였다.
• TEM 분석을 통해 Si3N4 및 탄소 농축 상이 삽입된 나노스케일의 비균질성이 관찰되었으며, 이는 고체 용체 강화 및 높은 경도에 기여하였다.
• 최적 조건에서 경도 값은 최대 25 GPa에 도달하였으며, 단일 상 Si3N4나 탄소 질화물보다 현저히 높았다.
• Si 함량 증가와 함께 대기 중 노출 조건에서 보호막 역할을 하는 SiO2 유사 표면층이 형성되어 마모 내성이 향상되었다.