Application of optoacoustic techniques and first principles calculations to thin films elasticity characterization
Application de techniques d’opto-acoustique et de calculs de premiers principes à la caractérisation des propriétés élastiques de films minces
Résumé
Elastic properties are of fundamental importance for a material. With the combination of picosecond laser ultrasonic and Brillouin light scattering techniques, we measured sound velocities in various magnetron-sputtering-deposited thin films including epitaxial binary and ternary transition metal nitrides (TaN, TiN, ZrN, Ti1-xZrxN), polycrystalline high entropy alloys or multicomponent transition metal alloys ((CoCrCuFeNi)1-x(Al,Nb)x), and their nitrogen interstitial alloys (CoCr(Cu,Mn)FeNiNx). The longitudinal and shear sound velocities (VL and VT respectively) are correlated to the effective elastic constants through ⟨C33⟩= ρV2L and ⟨C44⟩= ρV2T. On the other hand, Density functional theory (DFT) based ab-initio calculations were performed to provide single crystal elastic constants w/o considering vacancies. It was found that for the epitaxial binary and ternary nitrides, vacancies play a huge role on elastic properties especially in the case of TaN. While in the case of TiN, ZrN and Ti1-xZrxN, the influence of vacancies is smaller but still noticeable. In the case of polycrystalline multicomponent alloys and interstitial alloys, the sound velocities and effective elastic constants were found to be associated to chemical alloying (Al, Nb and N) effects, phase transitions (FCC, BCC and amorphous), textures and porosity changes. The elastic modulus agrees to nanoindentation modulus EIT. The overall agreement between our elastic property measurements and DFT calculations were reached. Besides, DFT calculations also provided valuable insights into structural properties and phase stability. Additionally, we studied structural and mechanical (including elastic) properties of a bulk CoCrCuFeNi as a reference to thin film properties. With the CoCrCuFeNi films on a flexible Kapton® substrate, we performed tensile tests and studied fracture properties of thin films, as a preliminary work to further link thin film elasticity to plasticity. Keywords: Thin film, epitaxial, polycrystalline, sound velocity, elastic constant, transition metal nitride, multicomponent alloy, interstitial alloy, point defects, microstructure, porosity, texture, Brillouin light scattering, picosecond laser ultrasonic, nanoindentation, mechanical property, flexible substrate, fracture toughness, crack and buckle, ab-initio, DFT.
Les propriétés élastiques sont d'une importance fondamentale pour un matériau. Avec la combinaison des techniques acoustique picoseconde et de la diffusion Brillouin, nous avons mesuré les vitesses du son et constantes élastiques dans divers films minces déposés par pulvérisation magnétron, y compris des nitrures de métaux de transition, binaires et ternaires épitaxiés (TaN, TiN, ZrN, Ti1-xZrxN), des alliages polycristallins à haute entropie ((CoCrCuFeNi)1-x(Al, Nb)x), et leurs alliages de nitrure interstitiels (CoCr(Cu,Mn)FeNiNx). D’autre part, des calculs ab-initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont été effectués pour fournir des constantes élastiques monocristallines avec considération de lacunes.Il a été constaté que pour les nitrures binaires et ternaires, les lacunes jouent un rôle énorme sur les propriétés élastiques, en particulier dans le cas de TaN. Alors que dans le cas de TiN, ZrN et Ti1-xZrxN, l’influence des lacunes est moindre mais reste perceptible. Dans le cas des alliages polycristallins à plusieurs composants et des alliages interstitiels, les vitesses du son et les constantes élastiques effectives sont associées à des effets de composition chimique (Al, Nb et N), à des transitions de phase (FCC, BCC et amorphe), et des changements de textures et de porosité. Le module élastique correspond au module de nanoindentation EIT. La concordance globale entre nos mesures de propriétés élastiques et les calculs DFT a été atteinte. En outre, DFT ont également fourni des informations précieuses sur les propriétés structurelles et la stabilité des phases observées.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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