Il meccanismo di fabbricazione e crescita dei film sottili AlCrFeCoNiCu0.5 HEA per substrato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 198 (2023) Citare questo articolo

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I film sottili di AlCrFeCoNiCu0,5 sono stati fabbricati mediante deposizione ad arco catodico sotto diverse polarizzazioni del substrato. La caratterizzazione dettagliata della chimica e della struttura della pellicola, dall'interfaccia del substrato alla superficie della pellicola, è stata ottenuta combinando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e la microscopia a forza atomica. Sono state applicate simulazioni al computer utilizzando il modello di trasporto degli ioni nella materia per comprendere le interazioni della superficie ionica che hanno rivelato il meccanismo chiave della crescita della pellicola. Le composizioni finali delle pellicole sono significativamente diverse da quelle del target utilizzato. È stata osservata una tendenza alla segregazione elementare, che era più pronunciata con energia cinetica ionica più elevata. I risultati dell'XPS rivelano la formazione di \({\mathrm{Al}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}\) e \({\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm {O}}_{3}\) sulla superficie della pellicola sottile. È dimostrato che la dimensione del grano aumenta con l'aumento dell'energia cinetica ionica. La crescita dei grani equiassici ha contribuito alla formazione di una superficie piana con una rugosità superficiale relativamente bassa, come mostrato dalla microscopia a forza atomica.

Le leghe ad alta entropia (HEA) sono definite come sistemi di leghe comprendenti almeno 5 elementi in concentrazione atomica uguale o quasi uguale, compresa tra il 5% e il 35%1. Sono stati proposti per la prima volta da Yeh et al.1 e Cantor et al.2 nel 2004. Gli HEA tendono a formarsi come una fase di soluzione solida, con fasi cristalline che possono includere cubica a facce centrate (FCC), cubica a corpo centrato (BCC) e un imballaggio chiuso esagonale (HCP) anziché fasi intermetalliche pure3,4,5. A causa dell'influenza dell'elevato effetto entropico, della distorsione reticolare e della diffusione lenta1, gli HEA dimostrano proprietà meccaniche, chimiche e fisiche desiderabili, come elevato limite di snervamento6,7,8, elevata tenacità alla frattura9,10, elevata resistenza all'ossidazione11,12 e alla corrosione13 ,14,15 e stabilità termica16, a seconda della loro composizione chimica. Sebbene i materiali HEA sfusi siano ben studiati, c’è poca comprensione dei meccanismi di deposizione dei campioni di HEA a film sottile, in particolare quelli prodotti dai plasmi ad arco catodico.

Il comportamento di crescita e le proprietà dei film sottili di HEA dipendono fortemente dalla tecnica di sintesi. Per depositare film sottili di HEA sono state applicate una serie di tecniche, come lo sputtering con magnetron, il rivestimento laser, la spruzzatura termica, la deposizione elettrochimica e la deposizione ad arco sotto vuoto. Le tecnologie di fabbricazione dei campioni sfusi di HEA di solito subiscono velocità di raffreddamento lente, mentre i film sottili e i rivestimenti di HEA subiscono un raffreddamento rapido durante la sintesi a causa delle loro dimensioni fisiche e dei metodi di produzione17. Questo rapido effetto di quenching porta alla formazione preferenziale di fasi di soluzione solide e strutture nanocristalline18,19. Una ricerca significativa sui film sottili HEA si è concentrata sulle loro applicazioni come rivestimenti di protezione superficiale termica, meccanica e chimica20,21.

Qui riportiamo la fabbricazione di film sottili AlCrFeCoNiCu0.5 mediante deposizione ad arco catodico. La deposizione ad arco catodico è una tecnologia di deposizione fisica in fase di vapore (PVD) che prevede la vaporizzazione e la ionizzazione del materiale del catodo mediante l'arco elettrico. Gli ioni poi si condensano su un substrato per formare una pellicola sottile. I vantaggi dell'utilizzo della deposizione ad arco catodico sono l'elevata velocità di deposizione, l'elevata efficienza di ionizzazione del materiale del catodo e l'energia cinetica ionica controllabile compresa tra 25 e 100 eV (senza polarizzazione del substrato). Il controllo energetico del flusso di deposizione è fondamentale nella produzione di film densi con buona adesione e cristallinità22,23. Uno svantaggio dell'utilizzo della deposizione ad arco catodico, tuttavia, è la produzione simultanea di macroparticelle di materiale catodico all'interno del flusso di plasma24. Se queste particelle vengono incorporate nel film in crescita, di solito registrano effetti negativi sulla qualità e sulle proprietà del film25. Per risolvere questo problema è possibile installare un filtro magnetico in un sistema ad arco catodico. Il campo magnetico creato da una bobina a forma di gomito può guidare il flusso di plasma attorno a una curva, impedendo alle macroparticelle di arrivare al substrato. Poiché le macroparticelle mostrano un rapporto massa/carica molto maggiore rispetto agli ioni, hanno troppa inerzia per essere deviate attorno alla curvatura del filtro magnetico.