北科大《Scripta Materialia》：调控取向，实现硬度高达38.6GPa的超晶格薄膜突破！

超晶格结构可以同时提高陶瓷膜的硬度和断裂韧性，对此已进行了广泛的研究。对于立方结构过渡金属氮化物(TMNs)/六方结构AlN系统，由于立方TMN层的“模板效应”，当厚度小于临界共格厚度时，AlN层将保持立方结构，薄膜的硬度值随AlN层厚度增加而增加。因此，增加临界共格厚度将有利于获得更坚硬的超晶格结构的陶瓷膜。但是，以往的研究主要集中在立方TMNs/AlN超晶格薄膜的强化机制上，如何提高AlN层的临界共格厚度方面尚未研究。

来自北京科技大学的研究人员通过基体取向调整了TiN取向，以增加AlN的共格厚度，通过调整薄膜生长方向观察TiN/AlN超晶格多层膜的界面状态及其对超晶格膜力学性能的影响，调控后实现了超晶格薄膜的硬度突破，硬度值高达约38.6GPa。相关论文以题为“Effects of orientation on microstructure and mechanical properties of TiN/AlN superlattice films”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113951

本文以Ti（纯度99.995%）和Al（纯度99.999%）为靶材，采用直流（DC）和射频（RF）非平衡磁控反应溅射法在MgO（110）和（111）衬底上沉积TiN/AlN超晶格多层膜。沉积后TiN单层厚度保持在4nm，AlN层的厚度为0.6、0.9、1.2、1.5和1.9nm，沉积后每个试样总厚度约900nm。

研究发现沉积在MgO(110)衬底上的TiN/AlN膜优先以<110>取向生长，而沉积在MgO (111)衬底上的TiN/AlN膜优先以<100>取向生长，说明薄膜的取向完全受晶体取向的影响。对于<110>取向的TiN/AlN膜，TiN和AlN连贯生长以形成超晶格结构，而对于在MgO(111)衬底上生长的TiN/AlN膜，TiN和AlN之间的界面呈非共格状态。进而可以得出结论，薄膜的取向会影响TiN/AlN超晶格薄膜中AlN的临界共格厚度。

图1 在MgO(110)和(111)衬底上制备TiN/AlN超晶格薄膜的XRD图和TEM图

图2 两种取向薄膜的SEM横断面图、TEM截面亮场图和HR-TEM截面图（a, b, c）沉积在MgO（110）上的薄膜；（d, e, f）沉积在MgO（111）上的薄膜

图3 不同取向薄膜的孪晶取向

研究发现沉积在（110）衬底上的TiN/AlN膜存在很多堆垛层错（SFs）。对于<110>取向膜，位于AlN 1.5nm厚处硬度达到峰值（38.6GPa），比<100>取向膜的硬度高17%，<100>取向膜的硬度峰值位于AlN 0.9nm厚处，硬度值为36.6GPa。具有较厚共格AlN层的TiN/AlN超晶格薄膜具有较厚的临界共格厚度和更高的峰值硬度。<100>取向膜中的界面结构是不连续的，这也是硬度较低的原因。

图4 不同厚度TiN/AlN超晶格薄膜的纳米压痕硬度

本文在相同沉积条件下制备了具有(110)和(100)择优取向的单片TiN/AlN超晶格薄膜，结果表明，薄膜的晶体取向显著地改变了TiN/AlN超晶格薄膜中AlN的共格厚度，进而决定了整个薄膜的力学性能。具有较厚共格AlN层的<110>定向薄膜的峰值硬度更高。本文为提高超晶格薄膜的机械性能提供了一种新的方法。（文：破风）