Определение вязкости разрушения алмазоподобных тонких покрытий на мягком и твердом подслоях методом наноиндентирования

Представлены результаты исследования структуры, физико-механических свойств обладающих высокой твердостью, но в то же время склонностью к расслоению и разрушению из-за высоких остаточных внутренних напряжений алмазоподобных покрытий (АПП) на подслоях различной твердости. Вязкость разрушения определяли методом наноиндентирования и энергетическим методом расчета с использованием кривых подвода-отвода. Для исследования структуры поверхности и области деформации после наноиндентирования использовали атомносиловую микроскопию. Установлено изменение структуры поверхности и шероховатости АПП в зависимости от подслоя. Низкая шероховатость характерна для АПП на медном подслое. Нанесение титанового подслоя приводит к повышению модуля упругости АПП. Микротвердость у обоих покрытий практически одинаковая. АСМ-исследования показали два различных типа деформации АПП после наноиндентирования пирамидой Берковича. Трещина на покрытиях с медным подслоем распространяется вокруг отпечатка индентирования, а на АПП с титановым подслоем – вдоль граней отпечатка. Установлено, что вязкость разрушения у АПП на титановом подслое на 33 % ниже по сравнению с АПП на медном подслое за счет уменьшения релаксации напряжений внутри покрытия. Рассмотренные покрытия воз можно применять в микроэлектронике для защиты от механических повреждений контактирующих и трущихся поверхностей.

1. Robertson J. Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2002, vol. 37, iss. 4–6, pp. 129–281. https://doi.org/10.1016/S0927-796X(02)00005-0

2. Kumar S., Dwivedi N., Rauthan C. M. S., Panwar O. S. Properties of nitrogen diluted hydrogenated amorphous carbon (n-type a-C:H) films and their realization in n-type a-C:H/p-type crystalline silicon heterojunction diodes. Vacuum, 2010, vol. 84, iss. 7, pp. 882–889. http://doi.org/10.1016/j.vacuum.2009.12.003

3. Godet C., Kumar S., Chu V. Field-enhanced electrical transport mechanisms in amorphous carbon films. Philosophical Magazine, 2003, vol. 83, no. 29, pp. 3351–3365. https://doi.org/10.1080/14786430310001605010

4. Zhou Z. B., Cui R. Q., Pang Q. J., Hadi G. M., Ding Z. M., Li W. Y. Schottky solar cells with amorphous carbon nitride thin films prepared by ion beam sputtering technique. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2002, vol. 70, iss. 4, pp. 487–493. https://doi.org/10.1016/S0927-0248(01)00086-1

5. Dwivedi N., Kumar S., Rauthan C. M. S., Panwar O. s., Siwach P. K. Photoluminescence and electrical conductivity of silicon containing multilayer structures of diamond like carbon. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2009, vol. 11, pp. 1618–1626.

6. Weiser P. S., Prawer S., Manory R. R., Hoffman A., Evans P. J., Paterson P. J. K. Chemical vapour deposition of diamond onto steel: the effect of a Ti implant layer. Surface and Coatings Technology, 1995, vol. 71, iss. 2, pp. 167–172. https://doi.org/10.1016/0257-8972(94)01016-C

7. Chen J. J. Indentation-based methods to assess fracture toughness for thin coatings. Journal of Physics D: Applied Physics, 2012, vol. 45, no. 20, art. ID 203001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/20/203001

8. Chen J. J., Bull S. J. Indentation Fracture and Toughness Assessment for Thin Optical Coatings on Glass. Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, vol. 40, no. 18, pp. 5401–5417. https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/18/S01

9. Xinjie Chen, Yao Du, Yip-Wah Chung. Commentary on using H/E and H3/E2 as proxies for fracture toughness of hard coatings. Thin Solid Films, 2019, vol. 688, art. ID 137265. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.04.040

10. Faisal N. H., Ahmed R., Prathuru A. K., Spence S., Hossain M., Steel J. A. An improved Vickers indentation fracture toughness model to assess the quality of thermally sprayed coatings. Engineering Fracture Mechanics, 2014, vol. 128, pp. 189–204. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.07.015

11. Jiefang Wang, Tiantian Shao, Xiaolong Cai, Lisheng Zhong, Nana Zhao, Yunhua Xu. Study on Microstructure and Fracture Toughness of TaC Ceramic Coating on HT300. Advanced Materials Research, 2015, vols. 1120–1121, pp. 740–744. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1120-1121.740

12. Zhaoliang Qu, Kai Wei, Qing He, Rujie He, Yongmao Pei, Shixing Wang, Daining Fanga. High temperature fracture toughness and residual stress in thermal barrier coatings evaluated by an in-situ indentation method. Ceramics International, 2018, vol. 44, iss. 7, pp. 7926–7929. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.01.230

13. Kataria S., Srivastava S. K., Kumar P., Srinivas G., Siju, Khan J., Sridhar Rao D. V., Barshilia H. C. Nanocrystalline TiN coatings with improved toughness deposited by pulsing the nitrogen flow rate. Surface and Coatings Technology, 2012, vol. 206, iss. 19–20, pp. 4279–4286. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.04.040

14. Jianning Ding, Yonggang Meng, Shizhu Wen. Mechanical properties and fracture toughness of multilayer hard coatings using nanoindentation. Thin Solid Films, 2000, vol. 371, iss. 1–2, pp. 178–182. https://doi.org/10.1016/S00406090(00)01004-X

15. Malzbender J., With G. Energy dissipation, fracture toughness and the indentation load-displacement curve of coated materials. Surface and Coatings Technology, 2000, vol. 135, iss. 1, pp. 60–68. https://doi.org/10.1016/S02578972(00)00906-3

16. Schiffmann K. I. Determination of fracture toughness of bulk materials and thin films by nanoindentation: comparison of different models. Philosophical Magazine, 2011, vol. 91, iss. 7–9, pp. 1163–1178. https://doi.org/10.1080/14786435.2010.487984

17. Schwan J., Ulrich S., Batori V., Ehrhardt H., Silva S. R. P. Raman spectroscopy on amorphous carbon films. Journal of Applied Physics, 1996, vol. 80, pp. 440–447. https://doi.org/10.1063/1.362745

18. Ferrari A. C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B, 2000, vol. 61, iss. 20, pp. 4095–4107. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.14095

19. Cloutier M., Harnagea C., Hale P., Seddiki O., Rosei F., Mantovani D. Long-term stability of hydrogenated DLC coatings: Effects of aging on the structural, chemical and mechanical properties. Diamond and Related Materials, 2014, vol. 48, pp. 65–72. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2014.07.002

20. Robertson J., O’Reilly E. P. Electronic and atomic structure of amorphous carbon. Physical Review B, 1987, vol. 35, iss. 6, pp. 2946–2957. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.35.2946

21. Tuinstra F., Koenig J. L. Raman spectrum of graphite. Journal of Chemical Physics, 1970, vol. 53, iss. 3, pp. 1126–1130. https://doi.org/10.1063/1.1674108

22. Salvadori M. C., Martins D. R., Cattani M. DLC coating roughness as a function of film thickness. Surface and Coatings Technology, 2006, vol. 200, iss. 16–17, pp. 5119–5122. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.05.030

23. Meng W. J., Gillispie B. A. Mechanical properties of Ti-containing and W-containing diamondlike carbon coatings. Journal of Applied Physics, 1998, vol. 84, iss. 8, pp. 4314–4321. https://doi.org/10.1063/1.368650

24. Li X., Bhushan B. Evaluation of fracture toughness of ultra-thin amorphous carbon coatings deposited by different deposition techniques. Thin Solid Films, 1999, vol. 355–356, pp. 330–336. http://dx.doi.org/10.1016/S0040-6090(99)00446-0