Епітаксіальна стабілізація та радіаційно-стимульована сегрегація у багатошарових покриттях AlN/CrN, отриманих методом CA-PVD за умов іонного бомбардування

Анотація

У цій роботі досліджено закономірності формування атомно-кристалічної архітектури, топографії поверхні та хімічного складу багатошарових покриттів AlN/CrN, осаджених методом катодно-дугового фізичного осадження з парової фази на підкладки з аустенітної нержавіючої сталі AISI 321. Проаналізовано синергетичний вплив від’ємної напруги зміщення до підкладки (від –50 до –200 В) та тривалості осадження індивідуальних шарів AlN (10, 40 і 60 с) на кінетику фазової конкуренції та еволюцію радіаційно-стимульованих наноструктур. Методами рентгенівської дифракції та растрової електронної мікроскопії у поєднанні з енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією встановлено, що за низьких енергій осадження (–50 В, 10 с) домінує ефект епітаксіального шаблону матриці c-CrN, тим самим стабілізуючи метастабільну кубічну фазу c-AlN. Збільшення як товщини шару, так і напруги зміщення до –100 В призводить до руйнування псевдоморфного росту та переводить систему в ймовірний нанокристалічний або квазіаморфний стан. За високого потенціалу зміщення –200 В відбувається повна термічна релаксація, що супроводжується текстурованим фазовим переходом AlN у його стабільну гексагональну модифікацію вюрциту (h-AlN). Спостерігалося контр-інтуїтивне зниження концентрації алюмінію (з 46,88 до 33,72 ат.%), незважаючи на тривалий час росту . Цей феномен зумовлений селективним перерозпиленням легших атомів Al під дією високоенергетичного іонного потоку. Крім того, було зафіксовано радіаційно-стимульовану інтердифузію заліза з підкладки у покриття, разом із ефектом іонного очищення, який видаляє домішки впровадження вуглецю з матриці. Отримані результати розширюють поточне розуміння нерівноважної термодинаміки твердого тіла та відкривають нові можливості для прецизійного проєктування властивостей наноструктурних захисних покриттів шляхом оптимізації іонно-плазмових параметрів.