B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI NGUYN TH TRANG NGHIấN CU VI CU TRC V C TNH CA CC VT LIU PH NGOI Chuyờn ngnh : VT Lí K THUT Mó s: 62520401 TểM TT LUN N TIN S VT Lí K THUT H NI - 2016 Cụng trỡnh c hon thnh ti: Trng i hc Bỏch khoa H Ni Ngi hng dn khoa hc: PGS.TS Lấ VN VINH PGS.TSKH PHM KHC HNG Phn bin 1: Phn bin 2: Phn bin 3: Lun ỏn s c bo v trc Hi ng chm lun ỏn tin s cp Trng hp ti Trng i hc Bỏch khoa H Ni Vo hi.gi ngy thỏng .nm Cú th tỡm hiu lun ỏn ti th vin: Th vin T Quang Bu -Trng HBK H Ni Th vin Quc gia Vit Nam M U Lý chn ti Trong thp k va qua, vic nghiờn cu mt s vt liu ph cng v siờu cng nh lp ph nanocomposite gm pha tinh th nanụ (Ti,Al)N trờn nn Si3N4 vụ nh hỡnh hay lp ph cú cu trỳc a lp CrN/AlSiN v CrN/AlBNvi cỏc tớnh cht c bit nh kh nng chng n mũn, chng mi mũn, chng ma sỏt vt tri ó v ang c phỏt trin rng rói õy l nhúm vt liu cú nhiu ng dng quan trng mt s lnh vc nh cụng ngh ch to cỏc dng c ct gt, cỏc dng c chng ma sỏt hay cỏc ngnh cụng nghip nh cụng nghip ụ tụ hoc cụng nghip hng khụng Trong ú, cỏc lp vt liu Si3N4, AlSiN, AlBN úng vai trũ quan trng vic tng cng c tớnh ca cỏc vt liu ph Nhng hiu bit v cu trỳc, cng nh c tớnh hay cỏc yu t nh hng n c tớnh ca chỳng l ht sc quan trng vic thit k, ch to cỏc vt liu ph cú cỏc tớnh cht u vit hn Mc dự cỏc vt liu ny ó c nghiờn cu bi c thc nghim v lý thuyt, tn ti mt s v cu trỳc, c tớnh cng nh c ch tng cng c tớnh cn c lm sỏng t Vớ d s thay i ca cu trỳc v c tớnh ca Si3N4 VH nhit cao hoc s thay i ca cu trỳc chu ti trng ln, nh hng ca nhit , nng Si lờn cu trỳc v c tớnh ca lp ph a lp CrN/AlSiN cng nh lp AlSiN Xut phỏt t nhng nguyờn nhõn k trờn, ti lun ỏn: Nghiờn cu vi cu trỳc v c tớnh ca cỏc vt liu ph ngoi ó c chn ti cú s k tha cỏc kt qu thc nghim v c thc hin bng phng phỏp mụ phng Lun ỏn t tỡm hiu rừ hn cỏc yu t nh hng n c tớnh ca cỏc vt liu ph a lp CrN/AlSiN v CrN/AlBN Cỏc vt liu ph a lp ny ó c cỏc cng s nhúm ch to ti phũng thớ nghim b mt tiờn tin, trng i hc Ulsan, Hn Quc Sau ú, tụi ó tham gia vo quỏ trỡnh phõn tớch cỏc d liu thc nghim Kt qu phõn tớch cỏc d liu ny cho thy nng Si v cu trỳc ca lp AlBN nh hng tng i ln n c tớnh ca cỏc vt liu ph trờn Tuy nhiờn, lm sỏng t s tng cng c tớnh ca cỏc lp ph trờn bng thc nghim l mt nhim v ht sc khú khn Do ú trờn c s cỏc kt qu thc nghim ó nhn c, ý tng s dng phng phỏp mụ phng gii thớch rừ c ch tng cng c tớnh ca lp AlSiN vt liu ph a lp CrN/AlSiN, cng nh c ch tng cng c tớnh ca h CrN/AlBN/CrN nguyờn t B khuch tỏn vo tinh th AlN lp AlBN c hỡnh thnh v thc hin ng thi, cng bng phng phỏp mụ phng, lun ỏn tin hnh lm rừ hn bc tranh v cu trỳc vi mụ v c ch tng cng c tớnh ca h Si3N4 VH, mt hai pha cu thnh nờn vt liu ph ngoi nanocomposite Mc ớch, i tng v phm vi nghiờn cu i tng nghiờn cu ca lun ỏn l vt liu ph ngoi CrN/AlSiN v lp vt liu AlSiN, vt liu ph ngoi CrN/AlBN v h CrN/AlBN/CrN, h Si3N4 trng thỏi VH Ni dung nghiờn cu ca lun ỏn trung vo cỏc sau õy: 1) nh hng ca nng Si lờn cu trỳc, tớnh cht c hc ca vt liu ph ngoi CrN/AlSiN, nh hng ca nhit , nng Si lờn cu trỳc vi mụ cng nh c tớnh ca lp vt liu AlSiN; 2) Mi tng quan gia cỏc c trng cu trỳc v c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlBN, nh hng ca cu trỳc lp AlBN lờn c tớnh ca h CrN/AlBN/CrN; 3) Mi liờn h gia cỏc c trng cu trỳc v c tớnh ca Si3N4 VH cng nh s thay i cu trỳc vi mụ ca h chu ti trng ln nh hng ca nhit lờn vi cu trỳc v c tớnh ca h Si3N4 VH Phng phỏp nghiờn cu Phng phỏp lng ng h quang plasma v cỏc phng phỏp phõn tớch vt liu ph ngoi: XRD, SEM, TEM, EPMA, XPS, SIMS, o cng, o mũn, o ng sut Phng phỏp mụ phng LHPT, mụ phng HPT, cỏc phng phỏp phõn tớch vi cu trỳc thụng qua hm PBXT; PBGLK; phõn b simplex; phõn b qu cu LH; phng phỏp phõn tớch lõn cn chung Phng phỏp Monte-Carlo c dựng xỏc nh th tớch ca cỏc qu cu l hng Phng phỏp nộn dón n trc mụ hỡnh nghiờn cu c tớnh ca vt liu í ngha khoa hc v thc tin ca ti Lun ỏn cung cp cỏc thụng tin v nh hng ca nng Si lờn cu trỳc, c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlSiN v nh hng ca ỏp sut khớ nit (PN), nhit ca (TS) lờn cỏc thuc tớnh cu trỳc cng nh c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlBN Lun ỏn ch nh hng ca nhit , nng Si lờn cu trỳc vi mụ, c tớnh ca lp vt liu AlSiN ng thi, lun ỏn ch rừ nh hng ca cu trỳc lp AlBN n tớnh cht c hc ca h CrN/AlBN/CrN Lun ỏn cung cp cỏc thụng tin chi tit v cu trỳc vi mụ v c tớnh ca vt liu Si3N4 VH mt hay nhit thay i cng nh s thay i ca cu trỳc vi mụ ca Si3N4 VH chu bin dng vi ng sut ln Nhng úng gúp mi ca lun ỏn Lun ỏn ó ch mi tng quan gia nng Si lp ph AlSiN v c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlSiN ng thi ch nh hng ca nhit (TS) v ỏp sut khớ nit (PN) lờn vi cu trỳc, c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlBN Lun ỏn ó gii thớch rừ c c ch tng cng c tớnh ca ca vt liu ph ngoi CrN/AlSiN nng Si tng l s thay i ỏng k ca t phn cỏc n v cu trỳc SiNx lp AlSiN Quỏ trỡnh ngui nhanh gõy nờn quỏ trỡnh tinh th húa AlN trờn nn Si3N4 VH, kt qu l mụ-un n hi ca vt liu Al1-xSixN c tng cng Lun ỏn ó ch c ch tng cng c tớnh ca h CrN/AlBN/CrN l kớch thc ca tinh th AlBN tng Bo khuch tỏn vo tinh th AlN lp AlBN Lun ỏn ó gii thớch rừ c ch tng cng c tớnh ca vt liu Si3N4 VH l s thay i t phn n v cu trỳc SiNx, ng thi ch rng cu trỳc vi mụ v c tớnh ca vt liu Si3N4 VH ớt b nh hng bi nhit Cu trỳc ca lun ỏn Ngoi phn m u v kt lun, lun ỏn c chia thnh chng: Chng 1: Tng quan (Trỡnh by tng quan v cỏc vt liu ph ngoi cng v siờu cng cng nh c ch tng cng cng ca chỳng ng thi trỡnh by tng quan v tỡnh hỡnh nghiờn cu vi cu trỳc cng nh c tớnh ca cỏc h AlSiN, AlBN, Si3N4 VH, mt cỏc vt liu cu thnh nờn cỏc vt liu ph ngoi) Chng 2: Phng phỏp mụ phng v phng phỏp ch to vt liu ph ngoi (Trỡnh by phng phỏp mụ phng LHPT, HPT, cỏc phng phỏp phõn tớch cu trỳc vi mụ v phng phỏp mụ phng bin dng nghiờn cu c tớnh ca cỏc mu vt liu mụ phng Tip theo, trỡnh by v phng phỏp ch to vt liu ph ngoi bng lng ng h quang plasma v mt s phng phỏp phõn tớch vt liu ph ngoi) Chng 3: Vt liu ph ngoi CrN/AlSiN v CrN/AlBN (Trỡnh by nh hng ca nng Si lờn cu trỳc, c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlSiN ng thi trỡnh by nh hng ca ỏp sut khớ nit (PN) v nhit ca (TS) lờn cu trỳc v c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlBN) Chng 4: H AlSiN, CrN/AlBN/CrN v Si3N4 VH (Trỡnh by nh hng ca nhit , nng Si lờn vi cu trỳc, c tớnh ca lp vt liu AlSiN v c ch phõn ly ca cỏc pha dung dch rn Al1-xSixN Trỡnh by nh hng ca cu trỳc ca lp AlBN n tớnh cht c hc ca h CrN/AlBN/CrN ng thi trỡnh by nh hng ca mt , ca nhit lờn cu trỳc vi mụ, c tớnh ca Si3N4 VH v s thay i ca cu trỳc vi mụ ca Si3N4 VH chu bin dng vi ng sut ln) Chng TNG QUAN Hin nay, cỏc lp ph cng khỏc ó v ang c s dng rng rói nõng cao hiu sut v gia tng tui th ca cỏc thit b Tuy nhiờn, cỏc lp ph cng thụng thng nh titanium nitride (TiN) hay chromium nitride (CrN) khụng ỏp ng c y cỏc yờu cu nhiu ng dng khỏc Cỏc gii phỏp k thut cho cỏc ng dng liờn quan n kh nng chng ma sỏt gia cỏc phn ca cỏc cụng c v kh nng chu ng sut ln ca cỏc thit b cỏc ngnh cụng nghip nh cụng nghip ụ tụ hoc cụng nghip hng khụngũi hi ch to nhng vt liu cú cng cao, cú kh nng chng n mũn, chng mi mũn, chng ma sỏt vt tri Trong thp k va qua, vic nghiờn cu mt s vt liu ph cng ( cng nh hn 40 GPa) v siờu cng ( cng ln hn hoc bng 40 GPa) vi cỏc tớnh cht c bit ó c phỏt trin, thm ó c a vo ng dng cụng nghip V c bn, cn phõn bit hai nhúm vt liu ph khỏc Nhúm vt liu u tiờn bao gm cỏc vt liu bn thõn nú ó cng v siờu cng nh cỏcbon dng kim cng (diamond like carbon-DLC), kim cng, boron nitride BN lp phng Nhúm th hai bao gm cỏc vt liu cú cu trỳc nano nh nanocomposite v nanomultilayer Gn õy, vt liu ph ngoi (Ti,Al)N ó c ch to thnh cụng ú nguyờn t Al c a vo mng TiN to thnh lp vt liu siờu bn S hỡnh thnh lp ụxớt nhụm m c bỏm cht trờn lp v cng dn n kh nng ng dng vt liu ny vựng nhit cao kh nng chng oxy húa c ci thin ỏng k (J Appl Phys Vol 67, pp 1542-1553 (1990)) Kh nng chng oxy húa nhit cao v cng ca vt liu ph ngoi cng c nõng cao hn bng cỏch thờm mt lng nh Si vo (Ti,Al)N Vic a thờm nguyờn t Al v c bit l Si vo vt liu ph ngoi (Ti,Al)N to thnh vt liu nanocomposite vi cỏc pha vt liu tinh th (tt-) TiN, tinh th AlN v vụ nh hỡnh (VH-) Si3N4 (Surf Coat Technol Vol 98, pp 912-917 (1998), Surf Coat Technol Vol 146-147, pp 215-221 (2001)) Vic nghiờn cu v ng dng vt liu ph ngoi nanocomposite cú kh nng hi phc cao chu bin dng nh vt liu cng, siờu bn ttTiC/VH-C (J Appl Phys Lett 82(2), pp 855-858 (1997)), vt liu siờu cng, cú cao ttMeN/VH-Si3N4 (J Vac Sci Technol A, Vol 17, pp 2401-2420 (1999)), ú Me = Ti, Cr, W, V, Zr, l cỏc kim loi chuyn tip, ó c phỏt trin rng rói Mc dự c hai loi vt liu nanocomposite trờn u c to thnh bi cỏc ht tinh th nano trờn nn vt liu vụ nh hỡnh nhng cú cu trỳc khỏc nờn chỳng th hin nhng tớnh cht vt lý hon ton khỏc Kt qu nghiờn cu cho thy tt c cỏc vt liu ph ngoi nanocomposite cng hoc siờu cng u cha hai pha khỏc nhau, hoc c hai pha u l tinh th hoc mt pha l tinh th, mt pha l vụ nh hỡnh Cỏc pha ny xen k vi nhau, mi pha cú kớch thc c nano Loi vt liu nanocomposite cú pha tinh th kt hp vi pha vụ nh hỡnh ú ht nano tinh th c bao bc bi vt liu nn vụ nh hỡnh th hin nhiu tớch cht u vit nh cng cao, bn nhit, chng n mũn húa hc, chng ma sỏt tt, v.vTrong ú vt liu ph ngoi nanocomposite siờu cng cú thnh phn húa hc khỏc "Ti-Si-N" l h c nghiờn cu nhiu nht (Thin Solid Films, Vol 476, pp 1-29 (2005)) S Li v cng s ó ch to thnh cụng vt liu ph siờu cng "Ti-Si-N" u tiờn bng quỏ trỡnh lng ng hi húa hc cm ng (Plasma Chem Plasma Process 12, pp 287-297 (1992)) Li cho rng cng c tng cng s tng kớch thc ca cỏc ht dn n thay i s dớnh kt t nhiờn gia ht nano v ma trn TiN Theo kt qu nghiờn cu ca nhúm Li v nhúm S.Veprek, cng ca vt liu ph ngoi cú giỏ tr lờn n 60-70 GPa cú th cu trỳc ca nú gm ba thnh phn tt-TiN/vh-Si3N4/vh-TiSi2 (Appl Phys Lett 66, pp 2640-2642 (1995), Surf Coat Technol 146-147, pp 183-188 (2001), Mater Res Soc Symp Proc 581, pp 321-326 (2000), Surf Coat Technol 133-134, pp 152-159 (2000)) Mt nhng u im ca vt liu nanocomposite ttTiN/vh-Si3N4 l kh nng chng oxy húa nhit cao lờn n 800 oC cú lp SiNx bn vng, m c trờn b mt, cn tr s khuch tỏn ca oxy trờn b mt ca vt liu (Thin Solid Films, Vol 476, pp 1-29 (2005)) n nay, vt liu ph ngoi a lp ó thu hỳt s chỳ ý ca rt nhiu nh nghiờn cu thc nghim v lý thuyt Kt qu ban u thu c t quỏ trỡnh nghiờn cu vt liu ph ngoi a lp c in, bao gm hai pha vt liu sp xp xen k tun t vi dy tng lp khỏc nhau, cho thy cỏc c tớnh ca vt liu ph ngoi tng mnh chu k hai lp () ca lp ph hoc kớch thc ca cỏc tinh th vt liu to lp ph gim Bờn cnh cỏc tớnh cht riờng ca tng lp vt liu to nờn vt liu ph ngoi, biờn gii ht v lp tip giỏp gia cỏc lp cng úng vai trũ quan trng i vi c tớnh ca lp ph Lp ph a lp bao gm nhng lp vt liu nitride rt mng (216 nm), c lng ng bng phng phỏp phỳn x magnetron v h quang plasma cú cng cao Loi lp ph c bit ny l i tng ca nhiu nghiờn cu gn õy nhm xỏc nh c ch tng cng cng Chu k hai lp l thụng s quan trng nht quyt nh tớnh cht ca lp ph, lp ph cú cng cao khong 510 nm Mt s nguyờn nhõn khỏc ó c ch nh s ngn chn lan truyn cỏc sai lch mng ca mt tip giỏp gia cỏc lp, hiu ng Hall-Petch, hiu ng bin dng mt tip giỏp gia cỏc lp, hiu ng supermodulus S lan truyn sai lch mng b ngn chn hai lp liờn tip lp ph a lp cú mụ-un trt khỏc dn n nng lng ng lch mng khỏc Trong trng hp ny, sai lch mng xut hin trc tiờn lp cú mụ-un trt thp sai lch mng lan truyn sang lp cú mụ-un trt ln hn cn mt ng sut ln hn so vi ng sut cn thit dch chuyn sai lch mng ch bờn lp cú mụ-un trt thp Hiu ng Hall-Petch ban u c s dng gii thớch s gia tng cng gim kớch thc ht kim loi cú s lng ln cỏc a tinh th sau ú c s dng gii thớch c ch gia tng cng ca lp ph a lp Cỏc phộp o gn õy thc hin vi lp ph a lp kim loi cho thy mụ-un n hi ca nú tng ỏng k, gi l hiu ng supermodulus Lp ph a lp c chia thnh hai loi: ng cu trỳc v d cu trỳc Lp ph a lp d cu trỳc bao gm cỏc lp cú cu trỳc khỏc v c ch trt lch mng khỏc nờn s lan truyn sai lch mng qua mt tip giỏp gia cỏc lp tr nờn khú khn Mt s lp ph a lp nitride d cu trỳc ó c ch to thnh cụng bao gm TiN/AlN (J Vac Sci Technol A, 16, pp 3341-3347 (1998), Surf Coat Technol 86, pp 225-230 (1996)), CrN/(Al,Si)N (Surf Coat Technol Vol 200, pp 1519-1523 (2005), Surf Coat Technol Vol.204, pp 936-940 (2009), Surf Coat Technol Vol 202, pp 5400-5404 (2008)) v (Ti,Cr)N/(Al,Si)N (Surf Coat Technol Vol 203, pp.1343-1348 (2009), Surf Coat Technol Vol 202, pp 5395-5399 (2008)) Trong cỏc lp ph a lp ny, lp (Al,Si)N thng cú cu trỳc tinh th lc giỏc, nhiờn tn ti c cu trỳc tinh th lp phng hoc cu trỳc vụ nh hỡnh cng ca cỏc lp ph ny cú th lờn n 40 GPa Nh vy, vt liu Si3N4 úng vai trũ quan trng vt liu ph nanocomposite MeN/VHSi3N4 hoc vt liu ph a lp MeN/VH-Si3N4 Ngoi cỏc c ch tng cng c tớnh cho cỏc vt liu ph nh hiu ng nh, hiu ng Hall-Petch, hiu ng supermodulus v s lan truyn sai lch mng cỏc lp, tớnh cht ca lp vt liu VH-Si3N4 cng úng vai trũ quan trng lờn c tớnh ca cỏc vt liu ph Do ú, vic hiu bit rừ v vt liu VH-Si3N4 s em li li ớch vic thit k, ch to cỏc vt liu ph cú cỏc tớnh cht u vit hn Liờn kt gia cỏc nguyờn t cỏc vt liu ny l liờn kt mnh v nh hng t nhiờn Cu trỳc ca Si3N4 VH c to bi cỏc mng li gm cỏc ion dng Si cú húa tr mnh vi cỏc ion õm N liờn kt cht lp phi trớ lõn cn Cỏc cu trỳc kiu ny cú tớnh cht ph thuc mnh vo quỏ trỡnh nhit-c trc ú (Eur Phys J B 75, pp 405-413(2010)) Do cú bn c hc cao, kh nng chu mi mũn tt, kh nng khỏng húa cht v chng sc nhit tt nờn Si3N4 VH ngy cng c s dng rng rói cỏc ngnh cụng nghip ụ tụ, húa cht hay c khớ ch to cỏc dng c ct gt Vt liu ph ngoi Si3N4 VH c ch to bi k thut lng ng hi húa hc (CVD) v k thut lng ng hi vt lý (PVD) ó c ỏp dng rng rói nhiu thp k gn õy Cu trỳc ca vt liu ph ngoi Si3N4 ó c xỏc nh bng thc nghim nhiu x tia X, ntron v in t (J Non-Cryst Solids, 33, pp 131-139 (1979), J Non-Cryst Solids 34, pp 313-321 (1979), Phys Status Solidi A, Vol 119, p 113 (1990)) Kt qu cho thy di liờn kt Si-N l 1,729 v 1,75 , ú s phi trớ ca nguyờn t Si l 3,63, 3,87 v 3,70 Gúc liờn kt trung bỡnh N-Si-N v Si-N-Si ln lt l 109,80 v 1210 Cỏc mụ hỡnh Si3N4 VH khỏc ó c xõy dng bi phng phỏp mụ phng nh ng lc hc phõn t, gin hm mt v mụ hỡnh hp ngu nhiờn liờn tc Cỏc mụ hỡnh vi mt thay i t 2,0 g.cm-3 n 3,2 g.cm-3 ó ch rng cu trỳc vi mụ nh s phi trớ, di liờn kt, gúc liờn kt phự hp vi thc nghim Vi vt liu Si3N4, c tớnh c c bit quan tõm bi vt liu ny cu thnh cỏc vt liu ph ngoi cú cng cao v chu mi mũn tt C tớnh ca vt liu Si3N4 VH ó c nghiờn cu bi c thc nghim (J Appl Phys 95, pp 1667-1672 (2004), J Appl Phys 94, pp 7868-7873 (2003), Phys Rev B 64, pp 165305-165310 (2001)) v mụ phng (Europhys Lett 33, pp 667-672 (1996), Appl Phys Lett 82, pp 118-120 (2003), Phys Rev Lett 75, pp 3138-3141 (1995)) Kt qu nghiờn cu ch rng mụ-un n hi Iõng cú giỏ tr t 70 GPa n 320 GPa ph thuc vo s thay i cu trỳc tng ng vi s thay i mt ca mụ hỡnh t 2,0 n 3,4 g.cm-3 Ometltchenko v cng s (Europhys Lett 33, pp 667-672 (1996)) ó ch rng cú mt lng ln cỏc qu cu l hng kt cm li vi nhau, nhng l hng ny cú nh hng ỏng k n tớnh cht c hc ca Si3N4 Tuy nhiờn, cỏc kt qu nghiờn cu cu trỳc v c tớnh ca Si3N4 VH trờn mi ch c thc hin ti nhit phũng, hn na s thay i cu trỳc a phng ca cỏc h Si3N4 VH chu sc cng ln cng cha c nghiờn cu nhit cao hoc chu ti trng ln cu trỳc v c tớnh ca Si3N4 VH thay i nh th no cũn l mt cn lm rừ Vt liu ph ngoi Chromium nitride (CrN) ó v ang c s dng rng rói lm lp ph bo v cho dao ct ca cỏc dng c ct gt hay mi khoan ca cỏc mỏy khoan nú cú kh nng chng mi mũn, chng n mũn, kh nng chng ma sỏt vt tri v ng sut ni thp Tuy nhiờn, kh nng ng dng lp ph CrN b gii hn CrN khụng phi l lp ph siờu cng ( cng ~ 22 GPa) v d dng b oxy húa nhit 900 0C khc phc hn ch ny ca lp ph CrN, ngi ta ó ỏp dng mt hai phng phỏp, hoc l b sung thờm cỏc nguyờn t khỏc nh Si, Al hoc B vo CrN (Appl Surf Sci 255, pp 4425-4429 (2009), Surf Coat Technol Vol 201, pp 52235227 (2007), Surf Coat Technol Vol 205, pp 2730-2737 (2011), Vacuum, Vol 87, pp 191-194 (2013), Surf Coat Technol Vol 213, pp 1-7 (2012), Surf Coat Technol Vol 201, pp 1348-1351 (2006)) hoc l to lp ph nano a lp da trờn lp CrN (Surf Coat Technol Vol 202, pp 5400-5404 (2008), Appl Surf Sci 252, pp 1339-1349 (2005), Surf Coat Technol Vol 214, pp 160-167 (2013)).Trong s ú, lp ph nano a lp CrN/Al(Si)N v CrN/Al(B)N ngy cng thu hỳt s quan tõm ca cỏc nh khoa hc cú nhng tớnh cht c hc c bit v kh nng chng oxy húa cao Vt liu ph ngoi a lp CrN/Al(Si)N, CrN/Al(B)N ó c ch to bi cỏc k thut khỏc nh phỳn x magnetron, h quang ca-tt Trong ú, h lng ng plasma h quang catt c bit thớch hp cho cỏc ng dng cụng nghip tc lng ng cao v lp ph c ch to cú y cỏc tớnh cht ni bt Trong cụng trỡnh (Surf Coat Technol Vol 202, pp 5400-5404 (2008)), vt liu ph ngoi a lp CrN/AlSiN vi lp AlSiN VH ó c ch to bi quỏ trỡnh lng ng h quang ca-tt vi catt l Cr v Al0.88Si0.12 õy l lp ph siờu cng, cú kh nng chng oxy húa nhit cao lờn n 10000C khụng khớ Trong (Surf Coat Technol 204, pp 3941-3946 (2010)), vt liu ph ngoi a lp CrN/AlBN cng c lng ng bi quỏ trỡnh h quang catt vi catt l Cr v Al0.95B0.05 nh hng ca in ỏp dch v dũng h quang catt lờn tớnh cht c hc ca lp ph a lp CrAlBN ó c nghiờn cu Cỏc lp ph ny cú tớnh siờu cng v kh nng chng oxy húa cao nhit lờn n 9000C khụng khớ (Surf Coat Technol Vol 205, pp S373-S378 (2010)) Nh vy, s hiu bit v vt liu AlSiN v AlBN cng em li li ớch cho vic thit k ch to cỏc vt liu ph s dng cỏc vt liu ny H gm hai pha AlN-Si3N4 c nghiờn cu rng rói vỡ cỏc tớnh cht c bit ca nú, chng hn nh cng, bn cao v kh nng chu mi mũn tt Kt qu ca cỏc nghiờn cu ny cho thy cng ca h cú th lờn ti 35 GPa ng thi xut hin cỏc pha khỏc lp ph AlSi-N Mt s tỏc gi cho rng Al1-xSixN tn ti dng dung dch rn (Appl Phys Lett 86, 192108 (2005), Thin Solid Films, Vol 517, pp 5988-5993 (2009)), mt s tỏc gi li ch rng cu trỳc bờn ca h bao gm cỏc pha AlN v Si3N4 tỏch bit (J Electrochem Soc.125, pp 305314 (1978), Thin Solid Films, Vol 304, pp 256-266 (1997), Thin Solid Films, Vol 519, pp 49234927 (2011)) Pộlisson v cng s (Surf Coat Technol 202, pp 884-889 (2007)) cho rng cú th s dng AlN v Si3N4 to vt liu ph ngoi nanocomposite mi Trong (Surf Coat Technol Vol 202, pp 3485-3493 (2008)), Musil v cng s ó ch rng pha thờm Si vo lp ph AlN thỡ h AlSiN l mt vt liu cú cng cao v kh nng chng oxy húa tt, iu ny ph thuc vo nng ca Si Lp ph Al1-xSixN cú nng nguyờn t Si thp (10 %) l vt liu a tinh th, cũn cú nng nguyờn t Si cao (25 %) l vt liu VH c bit lp ph AlSiN VH cũn cú kh nng chng oxy húa nhit cao lờn n 1150 0C Cỏc tỏc gi cng ch rng cu trỳc ca vt liu ph ngoi Al1-xSixN vi nng nguyờn t Si thp (5 %) v cao (33 %) hu nh khụng thay i quỏ trỡnh nhit nhit lờn n 1300 C Bng cỏch s dng lý thuyt hm mt ab initio v mụ hỡnh nhit ng lc hc, SH Sheng v cng s (Acta Mater Vol 61, PP 4226-4236 (2013)) ch rng cỏc pha rn Al1-xSixN hcp siờu bn, cú th phõn ly kiu spinodal thnh vựng tinh th AlN hcp v vựng SiN cú cu trỳc mng gn ging mng hcp C ch ca hin tng ny l mc mm v phỏt trin mm Tuy nhiờn, cỏc cụng trỡnh ny cha nghiờn cu n nh hng ca nng Si lờn cu trỳc, c tớnh v c tớnh ma sỏt ca vt liu ph ngoi CrN/AlSiN, cng nh cha cú nghiờn cu no v nh hng ca ỏp sut khớ nit (PN) v nhit ca (TS) n c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlBN c lng ng bi phng phỏp h quang plasma Cỏc cụng trỡnh ny cng cha nghiờn cu nh hng ca nhit , nng Si lờn vi cu trỳc v tớnh cht c hc ca lp vt liu AlSiN Hn na, c ch phõn ly ca cỏc pha dung dch rn Al1-xSixN cng cha c hiu mt cỏch y ng thi nh hng ca cu trỳc ca lp AlBN n tớnh cht c hc ca h CrN/AlBN/CrN cng cha c tỡm hiu rừ rng Chng PHNG PHP TNH TON Phng phỏp lng ng h quang plasma c s dng ch to vt liu ph ngoi a lp CrN/AlSiN, CrN/AlBN, cỏc phng phỏp phõn tớch vt liu ph ngoi: nhiu x tia X (XRD) xỏc nh c im cu trỳc bờn ca vt liu tinh th, kớnh hin vi in t quột (SEM) phõn tớch hỡnh thỏi hc ca b mt lp ph v vi cu trỳc ca cỏc mt ct ca lp ph, kớnh hin vi in t truyn qua (TEM) cho ta bit hỡnh nh cu trỳc thc bờn vt liu vi phõn gii siờu cao v cho phộp xỏc nh chớnh xỏc cu trỳc tinh th ca mu cng nh thụng tin v thnh phn húa hc mu, phõn tớch vi mụ bng thit b quột u dũ in t (EPMA) xỏc nh s hin din ca cỏc nguyờn t húa hc v nh lng thnh phn ca chỳng nhng vựng nh trờn b mt vt rn, ph quang in t tia X (XPS) cho bit thụng tin v thnh phn húa hc trờn b mt mu cng v mụ un n hi ca vt liu ph ngoi c nghiờn cu thụng qua cỏc vt lừm c nano s dng mt mỏy tớnh iu khin nano-indentor (MTS, Nano-indentor XP) cng ca vt liu ph ngoi ó c tớnh toỏn t cỏc ng cong ti- xuyờn sõu bng phng phỏp Oliver v Pharr Phng phỏp mụ phng ng lc hc phõn t (LHPT) v phng phỏp hi phc tnh (HPT) c s dng xõy dng cỏc mụ hỡnh vt liu Si3N4 VH, AlSiN, CrN/AlBN/CrN ng thi s dng cỏc phng phỏp phõn tớch vi mụ phõn tớch cỏc mụ hỡnh thu c nh: hm phõn b xuyờn tõm (PBXT), di liờn kt, s phi trớ, s phi trớ trung bỡnh (SPTTB), phõn b qu cu l hng (LH), phõn b simplex, phõn b gúc liờn kt (PBGLK), phõn tớch lõn cn chung (CNA) Phng phỏp Monte-Carlo c dựng xỏc nh th tớch ca cỏc qu cu l hng Phng phỏp nộn dón n trc mụ hỡnh nghiờn cu c tớnh ca vt liu Sau xõy dng mụ hỡnh n nh, tin hnh lm bin dng mụ hỡnh (kộo dón theo trc Oz) bng quỏ trỡnh bin i ỏp sut ca mụ hỡnh mt lng Pext = -nP, ú n l s bc thi gian Ta ca mi nguyờn t theo trc Oz c nhõn vi (1+), theo trc Ox, Oy c nhõn vi (1-), rt nh Khi ú bin dng c xỏc nh nh sau: Lz (t ) Lz (0) Lz (0) (2.36) Trong ú, Lz(0) l kớch thc mụ hỡnh ti thi im ban u t=0 v Lz(t) l kớch thc mụ hỡnh ti thi im t ng sut xx, yy, zz c xỏc nh l giỏ tr trung bỡnh ca cỏc ng sut a phng trờn tt c cỏc nguyờn t bng biu thc sau: rij , rij , N i i mi v v Fij N i1 V i j i r ij (2.37) õy, mi l lng ca nguyờn t i, vi l tc nguyờn t i dc theo trc ( l x, y, z) v Fij l lc tng tỏc gia nguyờn t i v nguyờn t j rij l khong cỏch gia nguyờn t i v j, v rij, l hỡnh chiu ca vộc-t rij t nguyờn t i ti nguyờn t j theo trc , Vi l th tớch ca nguyờn t i ng sut ca mụ hỡnh c xỏc nh nh sau: zz xx yy (2.38) on tuyn tớnh ca ng cong ng sut-bin dng tng ng vi vựng n hi ca vt liu Mụ un n hi Young E ca cỏc mu c xỏc nh thụng qua dc ca ng cong ng sut-bin dng vựng tuyn tớnh Chng VT LIU PH NGOI CrN/AlSiN V CrN/AlBN Vt liu ph ngoi CrN/AlSiN v CrN/AlBN ó c cỏc cng s nhúm ch to bng phng phỏp lng ng h quang plasma ti phũng thớ nghim b mt tiờn tin, trng i hc ULSAN, Hn Quc Cỏc d liu thc nghim ca cỏc vt liu ph ngoi ny c chỳng tụi tin hnh phõn tớch, t ú lm sỏng t nh hng ca nng Si lờn vi cu trỳc, c tớnh v c tớnh ma sỏt ca vt liu ph ngoi CrN/AlSiN cng nh nh hng ca ỏp sut khớ nit (PN), nhit ca (TS) n vi cu trỳc, c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlBN 3.1 Vt liu ph ngoi CrN/AlSiN Vt liu ph ngoi CrN/AlSiN cú dy c 3m vi chu kỡ hai lp khong 12 nm c lng ng trờn thộp cụng c SKD 11 v silic xp bng phng phỏp lng ng h quang plasma s dng ca-tt l Cr v hp kim AlSi vi nng nguyờn t Si thay i Cỏc lp ph c ký hiu ln lt l S1, S2, S3 v S4 tng ng vi nng Hỡnh 3.2 nh TEM v nh SAED ca cỏc lp ph a lp CrN/AlSiN: a) S1, b) S2, c) S3 v d) S4 nguyờn t Si ln lt l 0; 1,48; 1,81; 2,22 % Hỡnh 3.2 l nh TEM v nh nhiu x in t la chn vựng (SAED) lp ph a lp CrN/AlSiN Quan sỏt, ta thy lp ph a lp c ch to bng phng phỏp ny cú cu trỳc nhiu lp thng nht ton b lp ph B mt chuyn tip gia cỏc lp tng i mn Cng cú th quan sỏt thy cỏc vũng trũn sỏng Debye-Scherrer (DS) ca CrN v AlN tinh th trờn nh SAED ca lp ph S1 Tuy nhiờn, cỏc lp ph S2, S3 v S4, khụng quan sỏt thy cỏc vũng trũn DS ca tinh th AlN, ch quan sỏt thy cỏc vũng trũn DS ca tinh th CrN Nh vy, cỏc lp ph a lp trờn, cỏc lp CrN cú cu trỳc tinh th fcc Cỏc lp AlN lp ph S1 cú cu trỳc lc giỏc, lp ph S2, S3 v S4 cỏc lp AlSiN cú cu trỳc VH T bng 3.2, ta thy nng Si bng khụng, vt liu ph ngoi CrN/AlN (S1) bao gm cỏc lp CrN tinh th xen k vi cỏc lp tinh th AlN cú cu trỳc hcp cú cng, mụ-un n hi thp nht (32 GPa, 386 GPa), cú h s ma sỏt cao nht, tc mi mũn thp nht Mt khỏc, nng nguyờn t Si khỏc khụng, vt liu ph ngoi CrN/AlSiN (S2, S3, S4) bao gm cỏc lp CrN tinh th xen k vi cỏc lp AlSiN vụ nh hỡnh l vt liu ph ngoi siờu cng, cú h s ma sỏt thp, kh nng chng mi mũn rt cao Vi s gia tng nng nguyờn t Si lp ph CrN/AlSiN, cng ca lp ph tng, h s ma sỏt, tc mi mũn gim Vt liu ph ngoi vi nng nguyờn t Si cao nht cú cng, mụ un n-hi ln nht (47 GPa, 580 GPa), h s ma sỏt v tc mi mũn thp nht ln lt l 0,28 v 6,67.10-7 mm3/Nm Bng 3.2 cng, mụ-un n hi ca cỏc lp ph a lp CrN/AlSiN cng (GPa) Mụ-un n hi (GPa) ng sut (GPa) S1 32 1,3 3867 -1,65 S2 40 2,4 48832 -2,22 S3 44 0,7 5599 -2,61 S4 47 1,4 58017 -2,97 3.2 Vt liu ph ngoi CrN/AlBN Vt liu ph ngoi CrN/AlBN cú dy m vi chu kỡ hai lp khong 13 nm c lng ng trờn thộp cụng c SKD 11 v silic xp bng phng phỏp lng ng h quang plasma vi catt l hp kim Al0.95B0.05 v Cr p sut khớ nit PN v nhit ca TS c thay i (PN=1,33; 6,67; 9,33 Pa, TS=250; 300; 350; 400 C) xỏc nh nh hng ca chỳng lờn cu trỳc v c tớnh ca vt liu ph ngoi ny Kt qu cho thy cng, mụ-un n hi ca lp ph thay i theo PN v TS Hỡnh 3.7 l nh TEM Hỡnh 3.7 nh HR-TEM v SAED ca vt liu ph ngoi CrAlBN c lng ng nhit TS=300 C v ỏp sut PN thay i: (a) 1,33 Pa; (b) Pa[119]; (c) 6,67 Pa v (d) 9,33 Pa Technol 202, pp 884-889 (2007)) Hn na, di liờn kt Si-N v N-N, gúc liờn kt N-Si-N v Si-N-Si, s phi trớ trung bỡnh ZSi-N v ZN-N thc nghim ca lp ph Si3N4 VH ln lt l 1,729 ; 2,83 ; 109,8;121; 3,70 v 2,78 (J Non-Cryst Solids 34, pp 313-321 (1979)) P Vashishta v cng s ó ch rng di liờn kt Al-N ca AlN vụ nh hỡnh khong 1,867 (J Appl Phys 109, 033514 (1-8) (2011)) Nh vy, mụ hỡnh Al1-xSixN VH c xõy dng phự hp tt vi cỏc kt qu thc nghim v mụ phng khỏc Phõn b bỏn kớnh ca l hng cỏc mụ hỡnh Al1-xSixN VH c trỡnh by hỡnh 4.2 Chỳng ta cú th thy nng nguyờn t Si tng t 12% n 24% cỏc ng cong biu din phõn b bỏn kớnh l hng gn nh khụng thay i Bng 4.1 Cỏc c trng cu trỳc v mụ-un n hi I-õng ca Al1-xSixN VH: r, - v trớ ca nh u tiờn ca HPBXT g,(r); Z, -s phi trớ trung bỡnh; Six, Aly - t phn cỏc n v cu trỳc SiNx v AlNy; E- mụ-un n hi I-õng M1 M2 M3 M4 Si3N4 AlN 0,10 0,12 0,15 0,24 x -3 2,944 2,941 2,936 2,922 2,82 2,96 (g.cm ) 3,28 3,33 3,41 3,43 3,81 ZSi-N 4,2 4,17 4,16 4,15 4,27 ZAl-N 3,92 3,92 3,85 3,65 2,86 4,16 ZN-Al(Si) 1,87 1,87 1,87 1,87 1,86 rAl-N () 1,71 1,71 1,72 1,72 1,73 rSi-N () 2,81 2,81 2,81 2,81 2,81 2,77 rN-N () 118 118 115 115 110,8 91,5 91,5 93 94,5 91,5 85,5 85,5 85,5 85,5 121 85,5 0,716 0,675 0,587 0,57 0,192 Si3 0,284 0,325 0,413 0,43 0,806 Si4 0,029 0,021 0,028 0,033 0,031 Al3 0,743 0,791 0,794 0,783 0,689 Al4 0,224 0,186 0,173 0,184 0,263 Al5 171 174 180 182 218 166 E (GPa) 25 0.05 x=0,10 x=0,12 x=0,15 x=0,24 20 ứng suất (GPa) 0.04 Tỉ lệ 0.03 0.02 0.01 0.00 0.0 15 x=0,10 x=0,12 x=0,15 x=0,24 10 0.2 0.4 0.6 0.8 R V 1.0 1.2 1.4 1.6 0.0 1.8 () 0.2 0.4 Biến dạng Hỡnh 4.3 Cỏc ng cong ng sut-bin dng ca cỏc mu Al1-xSixN VH Hỡnh 4.2 Phõn b bỏn kớnh l hng cỏc mu Al1-xSixN VH 11 Cỏc ng cong ng sut-bin dng thu c t quỏ trỡnh mụ phng cỏc mu Al1-xSixN VH c trỡnh by hỡnh 4.3 Mụ-un Iõng E c xỏc nh bng dc ca ng cong ng sutbin dng vựng tuyn tớnh, kt qu c ghi bng 4.1 Nhn thy, mụ-un E, ng sut chy, ng sut chy ca cỏc mu Al1-xSixN VH tng cựng vi s gia tng ca nng Si T bng 4.1 v hỡnh 4.2, ta thy nng Si tng, phõn b bỏn kớnh l hng gn nh khụng thay i, t phn ca cỏc n v cu trỳc AlNy thay i nh nhng t phn ca cỏc n v cu trỳc SiNx thay i ỏng k iu ny cho thy cú mi tng quan gia s thay i ca t phn ca cỏc n v cu trỳc SiNx v c tớnh ca h Al1-xSixN VH 4.1.2 nh hng ca quỏ trỡnh ngui nhanh lờn cu trỳc v c tớnh ca h Al1-xSixN Trong phn 4.1.1, cỏc vt liu Al1-xSixN VH c xõy dng bng phng phỏp HPT nhit K, ti nhit ny khụng xy hin tng phõn li dung dch rn Al1-xSixN thnh cỏc pha khỏc Vỡ vy, cỏc mu Al1-xSixN c tin hnh nung núng chy n 5000 K bng phng phỏp LHPT, sau ú cỏc mu ny c lm lnh xung 300 K Vi cu trỳc v c tớnh ca cỏc mu Al1xSixN 300 K, 700 K v 900 K ó c nghiờn cu vi thi gian nhit lờn n 100 ps Mụ phng LHPT c s dng nghiờn cu h Al1-xSixN cha 3000-3388 nguyờn t Sỏu mu Al1-xSixN c xõy dng vi mt ln lt 2,960; 2,944; 2,928; 2,913; 2,885 v 2,820 g.cm-3 tng ng vi x = 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 v Cu hỡnh ban u ca cỏc mu c xõy dng bng phng phỏp HPT Cu hỡnh ny t trng thỏi cõn bng nhit 5000 K sau 50000 bc mụ phng LHPT Sau ú, cỏc mu c lm lnh xung 300 K vi tc lm lnh 1014 K/s v t trng thỏi cõn bng sau 105 bc mụ phng Cỏc mu ny c kớ hiu ln lt l AlN, S1, S2, S3, S4, Si3N4 tng ng vi x = 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 v nghiờn cu nh hng ca nhit , cỏc mu tip tc c nhit cỏc nhit 700 K, 900 K Cỏc ng cong ng sut-bin dng thu c thc hin bin dng n trc cỏc mu vi tc bin dng 2,74.1011 s-1 Phng phỏp phõn tớch lõn cn chung (CNA) c s dng phõn tớch cu trỳc ca cỏc mu, t ú phỏt hin 20 a) 25 fcc-AlN 15 b) 20 gSi-N(r) gAl-N(r) 15 10 x=0,5 x=0,3 10 x=0,5 x=0,3 x=0,2 x=0,1 x=1 x=0,2 5 x=0,1 x=0 fcc-AlN c) r() gN-N(r) x=0,5 x=0,3 x=0,2 x=0,1 x=0 r() r() Hỡnh 4.4(a, b, c) Hm PBXT cp ca cỏc mu Al1-xSixN 300 K x=1 6 12 nhng nguyờn t thuc vựng cú cu trỳc tinh th cỏc mu vt liu AlSiN Hỡnh 4.4a biu din hm PBXT cp gAl-N(r) ca cỏc mu Al1-xSixN v ca mng lp phng tõm mt lý tng AlN (fcc) (hng s mng a0 = 4,13 ) 300 K T hm PBXT gAl-N(r) ca mu AlN, ta thy AlN cú cu trỳc trt t gn ca vt liu vụ nh hỡnh nhng hm PBXT gAl-N(r) ca nhng mu S1-S4 cú dng gn ging gAl-N(r) ca cỏc vt liu tinh th fcc V trớ cỏc nh ca gAl-N(r) ca cỏc mu S1-S4 dch chuyn mt chỳt v bờn trỏi so vi ca tinh th AlN fcc lý tng Hỡnh 4.4b biu din hm PBXT cp gSi-N(r) ca cỏc mu Al1-xSixN, cho thy nú cú dng hm PBXT ca vt liu vụ nh hỡnh Hỡnh 4.4c biu din hm PBXT cp gN-N(r) ca cỏc mu Al1-xSixN Cỏc hm gN-N(r) ca cỏc mu AlN v Si3N4 cho thy chỳng cú cu trỳc trt t gn ca vt liu vụ nh hỡnh nhng gN-N(r) ca nhng mu khỏc cho thy cú s hin din ca cỏc nguyờn t N thuc vt liu cú cu trỳc tinh th fcc Hm PBXT cp gAl-N(r) ca mu nhit 300, 700, 900 K cú dng ging Nh vy, cỏc mu AlN v Si3N4 tn ti trng thỏi VH, cỏc mu S1-S4 cha nhng vựng cú cu trỳc tinh th Nh ó phõn tớch trờn, i vi vt liu AlN VH, P Vashishta v cng s (J Appl Phys 109, 033514 (1-8) (2011)) ó ch rng di liờn kt Al-N khong 1,867 , kt qu ny xp x vi kt qu mụ phng nhn c lun ỏn (1,87 ) di liờn kt Si-N v N-N, v trớ nh chớnh ca phõn b gúc liờn kt N-Si-N v Si-N-Si, s phi trớ trung bỡnh ZSi-N ca lp ph Hỡnh 4.7 Hỡnh nh cu trỳc nguyờn t bờn cỏc mu Al1-xSixN 300 K (8,4x33,6x33,6 ): a) AlN, b) S1, c) S2, d) S3, e) S4, f) Si3N4 (nguyờn t N, Al, Si cú mu ln lt l xỏm, xanh, 13 , b) S1 Si3N4 vụ nh hỡnh ln lt l 1,729 ; 2,83 ; 109,8; 121 v 3,70 (J Non-Cryst Solids 34, pp 313-321 (1979)) Bng cỏch ỏp dng phn ng ng phỳn x t DC, Pộlisson v cng s ó ch rng h Al-Si-N to thnh mng nanocompostite bao gm cỏc tinh th lc giỏc AlN xen k vi Si3N4 VH vi nng nguyờn t ca Si lờn n 12-16 % (Surf Coat Technol 202, pp 884-889 (2007)) iu ny cho thy mụ hỡnh Al1-xSixN c xõy dng bng phng phỏp mụ phng lun ỏn l ỏng tin cy, phự hp tt vi cỏc kt qu thc nghim Hỡnh nh trc quan ca cỏc nguyờn t bờn cỏc mu Al1-xSixN c th hin hỡnh 4.7 T hỡnh 4.7, chỳng ta cú th thy cỏc vựng cú cu trỳc tinh th AlN cỏc mu S1, S2, S3 v S4, ú ch cú th quan sỏt c AlN v Si3N4 VH cỏc mu AlN v Si3N4 Hn na, ta thy cú mt s lng ln cỏc nguyờn t Si v N liờn kt vi to thnh pha Si3N4 VH nh x cỏc mu S1-S4 Bờn cnh vựng Si3N4 VH, ta thy nhng ỏm AlN cú cu trỳc tinh th xen ln vi nhng ỏm AlN cú cu trỳc VH, cỏc ỏm ny tỏch bit vi cỏc ỏm Si3N4 VH lm sỏng t quỏ trỡnh tinh th húa cỏc mu, chỳng tụi s dng phng phỏp phõn tớch lõn cn chung (CNA) phỏt hin cỏc nguyờn t nm vựng tinh th Trong cỏc mu AlN v Si3N4, chỳng tụi khụng tỡm thy bt k nguyờn t no nm vựng tinh th, ú cú th kt lun rng cỏc mu tn ti hon ton trng thỏi VH Hỡnh 4.8 ó trc quan húa vựng cu trỳc AlN Hỡnh 4.8 Cỏc tinh th AlN fcc hỡnh hp cú kớch thc (33,633,633,6 ) bờn cỏc mu 300 K c nhn bit bi k thut CNA: a) S1, b) S2, c) S3 v d) S4 fcc cỏc mu S1-S4 õy, ch tỡm thy cỏc ỏm AlN fcc m khụng phỏt hin c cỏc ỏm SiN tinh th t nCry l s nguyờn t Al v N nm vựng tinh th v nAlN l tng s nguyờn t AlN T l nCry/nAlN ca cỏc mu cú nng Si khỏc nhit 300 K c a bng 4.2, nú cú giỏ tr t 0,323 (S1) n 0,565 (S2) Kt qu ny ch rng cu trỳc fcc-AlN hỡnh thnh trờn nn AlN v Si3N4 vụ nh hỡnh bng c ch to mm v phỏt trin tinh th Lớ thuyt ó ch cú s phõn li ca dung dch rn Al1-xSixN v s hỡnh thnh ca cỏc ht tinh th trờn nn vt liu nanocomposite AlN/Si3N4 xy theo c ch to mm v phỏt trin tinh th (Acta Mater Vol 61, PP 4226-4236 (2013)) Thc t, cú mt s thớ nghim ó to h gm AlN v Si3N4 tỏch bit 14 (Surf Coat Technol 202, pp 884-889 (2007), J Electrochem Soc.125, pp 305-314 (1978), Appl Phys Lett 86, 192108 (2005)) Tuy nhiờn, cõu hi t l ti c ch to mm v phỏt trin tinh th xy cỏc mu S1-S4 nhng khụng xy cỏc mu AlN v Si3N4 quỏ trỡnh lm ngui Cỏc mu AlN v Si3N4 cú cu trỳc vụ nh hỡnh bi vỡ mt ca nú ln lt l 2,96 v 2,82 g.cm-3, tng ng vi mt ca cỏc mu vụ nh hỡnh cú t nhiờn v thp hn cỏc mu tinh th (ln lt l 3,26 v 3,20 g.cm-3) Trong cỏc mu S1-S4, s phi trớ trung bỡnh ZSi-N ca ỏm Si3N4 thp hn so vi mu Si3N4 vụ nh hỡnh vỡ th mu Si3N4 cú cu trỳc m c hn so vi cỏc ỏm Si3N4 Tng t nh vy, cỏc ỏm AlN cỏc mu S1-S4 cng cú cu trỳc m c hn so vi mu AlN vụ nh hỡnh cú s phi trớ trung bỡnh ZAl-N cao hn (xem bng 4.2) Cỏc ỏm AlN cú m c xp x tinh th AlN dn n d dng kt tinh quỏ trỡnh lm ngui Bng 4.2 Cỏc c trng cu trỳc v mụ-un n hi I-õng ca Al1-xSixN 300 K: r, - v trớ ca nh u tiờn ca HPBXT g,(r); Z, -s phi trớ trung bỡnh; Six, Aly - t phn cỏc n v cu trỳc SiNx v AlNy; E- mụ-un n hi I-õng S1 S2 S3 S4 Si3N4 AlN 0,1 0,2 0,3 0,5 x -3 2,944 2,928 2,913 2,885 2,82 2,96 (g.cm ) 3,01 3,07 3,17 3,51 3,81 ZSi-N 4,71 4,93 5,04 5,1 4,27 ZAl-N 1,87 1,89 1,89 1,89 1,87 rAl-N, 1,67 1,67 1,67 1,69 1,73 rSi-N, 2,81 2,83 2,81 2,81 2,81 2,76 rN-N, 118 118 115 115 109,5 91,5 91,5 91,5 91,5 94,5 85,5 85,5 85,5 88,5 121 85,5 0,993 0,93 0,827 0,487 0,185 Si3 0,007 0,07 0,173 0,513 0,815 Si4 0,003 0,002 0,001 0,003 0,003 Al3 0,438 0,317 0,230 0,236 0,740 Al4 0,404 0,427 0,494 0,421 0,246 Al5 0,155 0,254 0,275 0,340 0,011 Al6 0,323 0,565 0,419 0,542 0 nCry/nAlN 0,186 0,181 0,185 0,203 0,310 0,172 VVoid/V 187 204 186 212 210 163 E (GPa) Quan sỏt bng 4.1- 4.2 ta thy di liờn kt Si-N, Al-N v v trớ nh chớnh ca PBGLK , cỏc n v cu trỳc SiNx v AlNy cỏc mu Al1-xSixN cú cựng mt v cựng nhit c xõy dng theo hai cỏch hu nh khụng khỏc Do ú, cu hỡnh ca cỏc n v cu trỳc SiNx v AlNy cỏc mu Al1-xSixN ny khụng ph thuc vo cỏch xõy dng mu Tuy nhiờn, t phn cỏc n v cu trỳc SiNx v AlNy cỏc mu Al1-xSixN c xõy dng theo hai cỏch ny khỏc khỏ nhiu T phn Si3 mu S1 gim 27,9% so vi mu M1, t phn Al4 mu S1 gim 41% so vi mu M1 Trong cỏc mu c xõy dng theo cỏch th hai (phn 4.1.2) tn ti cỏc ỏm AlN cú cu trỳc tinh th xen ln vi nhng ỏm AlN v cỏc ỏm Si3N4 vụ nh hỡnh, cũn cỏc mu c xõy dng theo cỏch th nht (phn 4.1.1) ch cú cu trỳc vụ nh hỡnh Nh vy, cu trỳc ca cỏc mu Al1-xSixN cú cựng mt v cựng nhit c xõy dng theo hai cỏch khỏc thỡ khỏc rt ln Cỏc ng cong ng sut-bin dng ca cỏc mu Al1-xSixN cú nng Si khỏc nhau, ti nhit 15 300, 700, 900 K c th hin hỡnh 4.11 Giỏ tr E ca cỏc mu ti cỏc nhit 300 K 25 ứng suất (GPa) 20 15 x=0 x=0,1 x=0,2 x=0,3 x=0,5 x=1 10 300 K 0.0 0.1 0.2 900 K 700 K 0.3 0.0 0.1 0.2 0.3 Biến dạng 0.0 0.1 0.2 0.3 Hỡnh 4.11 Cỏc ng cong ng sut-bin dng ca cỏc mu Al1-xSixN nhit 300, 700 v 900 K c trỡnh by bng 4.2 Ta cú th thy c tớnh ca cỏc mu S1-S4 c tng cng s thay i cu trỳc v kh nng khụng th b trn ln ca cỏc ỏm AlN v Si3N4 vụ nh hỡnh cỏc mu Al1-xSixN (Surf Coat Technol 202, pp 884-889 (2007), Acta Mater Vol 61, PP 42264236 (2013)) Thc t mu S4 cú mụ-un n hi ln nht, cỏc ỏm Si3N4 vụ nh hỡnh cú mt dy c Kt qu mụ-un n hi ca cỏc mu Al1-xSixN 300, 700 v 900 K cho thy mụ-un n hi ca cỏc mu thay i nhit thay i t 300K n 900K S thay i ca mụ-un n hi theo nhit cỏc mu S1-S4 cú th liờn quan ch yu n s thay i ca nCrys v VVoid T bng 4.1-4.2, ta thy, cỏc mu Al1-xSixN cú cựng mt v nhit c xõy dng theo cỏch th hai cú mụ-un E ln hn cỏc mu c xõy dng theo cỏch th nht (ti nhit 300K, mt 2,944 g.cm-3, mu S1 cú E=187 GPa, mu M1 cú E=171 GPa) Nh vy c tớnh ca vt liu AlSiN c tng cng, nguyờn nhõn cú th s xut hin ca nhng ỏm AlN cú cu trỳc tinh th xen k vi nhng ỏm AlN v Si3N4 vụ nh hỡnh 4.2 H CrN/AlBN/CrN Kt qu thớ nghim nhn c phn 3.2 ó ch rng c tớnh ca vt liu ph ngoi CrN/AlBN/CrN c tng cng pha tinh th AlN xut hin lp ph AlBN Cõu hi t l nguyờn t B khuch tỏn vo tinh th AlN thỡ c tớnh ca h ph thuc vo tinh th AlBN nh th no? tr li cõu hi ny cn tin hnh xõy dng cỏc mu CrN/AlBN/CrN vi lp AlBN cú cu trỳc khỏc bng phng phỏp mụ phng T ú, nghiờn cu nh hng ca tinh th AlBN lờn tớnh cht c hc ca h CrN/AlBN/CrN Mụ phng LHPT c s dng xõy dng mụ hỡnh vt liu CrN(1,67nm)/AlBN(2 nm)/CrN(1,67 nm) cha 6336 nguyờn t (Cr: 2048, Al: 1064, B: 56 v N: 3168 nguyờn t) hỡnh hp mụ phng (3,4 nm 3,4 nm 5,34 nm) vi iu kin biờn tun hon Th tng tỏc cp Morse c s dng cho tng tỏc Cr-N, Al-N v B-N Th tng tỏc gia Cr-Cr, Al-Al, B-B, CrAl, Cr-B, Al-B v N-N cú thnh phn hm m biu din tng tỏc y cú dng nh sau: qi q j e2 ( r ) ij (rij ) De ij rij (4.6) Trong ú, rij l khong cỏch gia mt nguyờn t loi i v mt nguyờn t loi j (i, j = Cr, Al, B, N), e 16 l in tớch nguyờn t, qCr = qAl = qB=1,006 v qN = -1,006 l in tớch hiu dng Cỏc h s th D, v ph thuc vo loi nguyờn t c a bng 4.5 (Phys Rev 114 p 687-690 (1959), Science in China A 37, pp 878-890 (1994)) Bng 4.5 Cỏc h s th tng tỏc gia cỏc nguyờn t Cr, Al, B v N H s th Cr-Cr Al-Al B-B N-N Cr-N Al-N B-N Cr-Al Cr-B Al-B (1/) 1.5721 1.1646 1.4199 1.4199 1.4960 1.2922 1.4199 1.3683 1.4960 1.2922 D (eV) 0.4414 0.2703 0.3993 0.3544 0.3955 0.3095 0.3762 0.3454 0.4198 0.3285 () 2.5594 2.9601 2.1868 2.0529 2.2902 2.4561 2.1186 2.7512 2.3647 2.5381 Thut toỏn Verlet vi bc thi gian 0,5 fs c s dng nhit cỏc mu ti th tớch khụng i, ti nhit 300 K Cu hỡnh ban u ca lp AlBN VH cú mt 3,20 g.cm-3 c xõy dng bng phng phỏp HPT Sau ú, h AlBN c nhit qua 50000 bc LHPT t c trng thỏi cõn bng cú cu trỳc VH iu kin th tớch khụng i nhit 300 K Hỡnh 4.13(a) l hỡnh nh trc quan mụ t cu hỡnh nguyờn t ca mt ct vựng trung tõm ca cỏc mu CrN/AlBN/CrN trc b bin dng Trong ú, lp CrN cú cu trỳc fcc Mu cú lp AlBN vụ nh hỡnh c kớ hiu l S1, cỏc mu khỏc cú lp AlBN cha tinh th h-AlBN t trờn nn AlBN Hỡnh 4.13 Cu trỳc ca vựng trung tõm ca cỏc mu CrN/AlBN/CrN: (a) =0, (b) =0.14 v (c) =0.3 17 vụ nh hỡnh Khi thay i kớch thc ca tinh th h-AlBN chỳng tụi thu c ba mu khỏc c kớ hiu l S2, S3 v S4 Kớch thc ca tinh th h-AlBN c ch bng 4.6 Mu S5 c xõy dng t mu S4 nhng ú 200 nguyờn t Cr lp CrN c thay bi 200 nguyờn t Al t lp AlBN v ngc li Bng 4.6 c tớnh c hc ca cỏc h CrN/AlBN/CrN vi lp AlBN cú cu trỳc khỏc nhau: d-kớch thc ca tinh th h-AlBN; E- mụ-un n hi I-õng S1 34711 d (nm) E (GPa) S2 2.1 4048 S3 2.6 58015 S4 3.2 85945 S5 3.2 83220 N-Al-N N-B-N Al(B)-N-Al(B) Al-N B-N N-N 0.10 0.08 0.06 Tỉ lệ gij(r) 0.04 0.02 0 80 100 r ( ) 120 140 (độ) 160 0.00 180 Hỡnh 4.14 HPBXT v PBGLK ca vt liu AlBN VH 16 S5 14 ứng suất (GPa) 12 S4 10 S3 S2 S1 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Độ biến dạng Hỡnh 4.15 ng cong ng sut-bin dng ca cỏc mu CrN/AlBN/CrN Hm phõn b xuyờn tõm cp gij (r) v phõn b gúc liờn kt (PBGLK) ca vt liu AlBN VH c biu din trờn hỡnh 4.14 di liờn kt Al-N, B-N v N-N ln lt l 1,92; 1,56 v 2,88 Phõn b gúc liờn kt N-Al-N cú mt nh 88,5, PBGLK N-B-N cú mt nh 103,5 v Al(B)N-Al(B) cú mt nh chớnh 89 S phi trớ trung ZAl-N, ZB-N v ZN-Al(B) ln lt l 4,50; 3,79 v 4,49 Cho n nay, cha cú mt s liu no v vt liu AlBN VH c cụng b nhng vt liu 18 ny c cho l cú cu trỳc gn ging vi vt liu AlN VH (J Appl Phys 109, 033514 (1-8) (2011)) C tớnh ca cỏc mu CrN/AlBN/CrN ó c nghiờn cu lm bin dng n trc cỏc mu vi tc bin dng xp x 1011 s-1 ng cong ng sut-bin dng thu c t mụ phng cỏc h CrN/AlBN/CrN c biu din hỡnh 4.15 Mụ-un Iõng E, c xỏc nh bng dc ca ng cong ng sut-bin dng vựng tuyn tớnh, kt qu c ghi bng 4.6 Mu S1 cú mụ-un n hi nh nht Khi kớch thc ca tinh th h-AlBN tng, mụ-un n hi tng Quan sỏt hỡnh 4.15 ta thy y v f tng theo kớch thc tinh th h-AlBN Tuy nhiờn, E, y v f ca mu S5 li gim nh so vi ca mu S4 Hỡnh 4.13 (b )v (c) l hỡnh nh trc quan mụ t mt ct ca mt vựng nh cỏc mu b bin dng vi =0,14 v =0,3 Ta thy cú s xỏo trn ln bờn lp AlBN =0,14, ú, hin tng ny ch xy ti b mt ca lp CrN Khi mu b bin dng nhiu hn vi =0,3, cỏc cu trỳc (Al,B)/N siờu mng hỡnh thnh lp AlBN v cỏc sai hng mng xut hin sõu hn cỏc lp CrN Túm li, cu trỳc ca lp AlBN nh hng ỏng k n tớnh cht c hc ca cỏc h CrN/AlBN/CrN S gia tng kớch thc ca tinh th h-AlBN ó tng cng c tớnh ca cỏc vt liu ny, vic thay th nguyờn t Cr bi cỏc nguyờn t Al lp CrN v ngc li dn n s gim nh mụ-un n hi, ng sut chy v ng sut chy 4.3 H Si3N4 vụ nh hỡnh Mc dự h Si3N4 vụ nh hỡnh (VH) vi mt thay i c nghiờn cu nhiu bi c phng phỏp thc nghim v lý thuyt nhng cũn nhiu iu cha c tỡm hiu mt cỏch y chng hn nh s thay i ca cu trỳc vi mụ ca h b bin dng ln di tỏc dng ca ngoi lc hay s ph thuc nhit ca cu trỳc vi mụ v c tớnh, cng nh s tng quan ca vi cu trỳc ti ng x c tớnh ca h ny Vỡ vy, phn ny, cỏc mu Si3N4 VH khỏc ó c xõy dng bng phng phỏp mụ phng, t ú tin hnh nghiờn cu cỏc c t trờn Phng phỏp LHPT c s dng mụ phng vt liu Si3N4 VH gm 3388 nguyờn t (1452 nguyờn t Si, 1936 nguyờn t N) hỡnh hp lp phng vi iu kin biờn tun hon Th tng tỏc cp Morse c s dng cho tng tỏc gia Si-N Th tng tỏc cp Born-Mayer c s dng cho tng tỏc gia Si-Si v N-N Trong ú rij l khong cỏch gia nguyờn t i v nguyờn t j (i, j = Si, N), e l in tớch nguyờn t, qSi = 1,05; qN = -0,7875 ln lt l in tớch hiu dng ca Si v N Cỏc thụng s th Morse v Born-Mayer cú giỏ tr nh sau D = 3,88516 eV; = 2,3266 -1; = 1,62136 ; ASi-Si = 105,19 eV; AN-N = 146,6559 eV; RSi-Si = 0,59121 v RN-N = 0,66787 (Phys Rev B 68, 094110-1-094110-17 (2003)) Tng tỏc Cu-lụng c tớnh toỏn theo phng phỏp Ewald Summation Bn cu hỡnh ban u ca mụ hỡnh vt liu Si3N4 VH cỏc mt 0=2,43 g.cm-3; 1=2,40 g.cm-3; 2= 2,80 g.cm-3 v 3= 3,10 g.cm-3 c xõy dng bng phng phỏp hi phc tnh (HPT) Sau cỏc mu t trng thỏi cõn bng K, phng phỏp LHPT vi thut toỏn Verlet v bc thi gian mụ phng 0,5 fs c s dng xõy dng cỏc mu Si3N4 VH ti cỏc nhit 300, 500, 700, 900 K, cú mt khỏc Trc tiờn chỳng tụi kim tra tin cy ca cỏc mu ó xõy dng bng cỏch so sỏnh kt qu hm PBXT vi cỏc s liu tớnh toỏn lý thuyt hoc thc nghim ca vt liu Si3N4 VH Hỡnh 4.16 cho bit hm PBXT ton phn g(r) ca Si3N4 vụ nh hỡnh v d liu thc nghim (J Non-Cryst Solids, 33, pp 131-139 (1979)), hỡnh 4.17 l hm PBXT cp N-N, Si-N, Si-Si ca mu Si3N4 VH cú mt 2,80 g.cm-3 ti cỏc nhit 300, 500, 700 v 900 K Hỡnh 4.16-417 cho thy cỏc hm PBXT ny cú dng c trng ca vt liu VH v chỳng phự hp tt vi thc nghim v v trớ, hỡnh dng v biờn ca cỏc nh Hỡnh 4.17 cho thy hm PBXT cp Si-N cú nh cao nht ti v 19 18 Luận án Thực nghiệm.[125] Hàm phân bố xuyên tâm cặp gij(r) Hàm phân bố xuyên tâm toàn phần g(r) 16 gSi-N(r) 14 12 gN-N(r) 10 gSi-N(r) 900 K 700 K 500 K 300 K 0 10 Khoảng cách, r() Khoảng cách r() Hỡnh 4.17 HPBXT cp ca Si3N4 VH ti Hỡnh 4.16 Hm phõn b xuyờn tõm ton phn cỏc nhit 300 K, 500 K, 700 K, 900 K vi ca Si3N4 VH nhit 300 K, mt 2,62 -3 mt 2.80 g.cm-3 g.cm v hm phõn b xuyờn tõm thc nghim trớ r=1,73 , khong cỏch t nh ny n gc ta chớnh l di liờn kt gia hai nguyờn t Si v N lõn cn Tng t, hm PBXT cp N-N v Si-Si cú nh cao nht ti v trớ r=2,83 v r=3,06 tng ng Tuy nhiờn bờn trỏi hai nh cao nht ca hm PBXT cp N-N v Si-Si xut hin mt nh thp nh ti r~2,50 , iu ny chng t rng tn ti mt lng nh cỏc cp N-N v Si-Si lõn cn cú di ~2,50 nh nh ny cng ó c quan sỏt thy t kt qu thc nghim (J Non-Cryst Solids, 33, pp 131-139 (1979), J Non-Cryst Solids 34, pp 313-321 (1979)) Quan sỏt hỡnh 4.17 ta nhn thy v trớ cỏc nh ca hm PBXT khụng thay i nhit thay i Tuy nhiờn, cao cỏc nh hm PBXT gim nh nhit tng Kt qu kho sỏt cỏc c trng cu trỳc ca cỏc mu Si3N4 ti 300, 500, 700, 900 K vi cỏc mt khỏc cho thy kt qu mụ phng phự hp tt vi cỏc d liu thc nghim v mụ phng khỏc v di liờn kt, s phi trớ trung bỡnh ng thi, mt hay nhit thay i, di liờn kt cỏc n v cu trỳc SiNx hu nh khụng thay i, phn ln cỏc nguyờn t Si cú s phi trớ trung bỡnh xp x (tc mt nguyờn t Si c bao quanh bi nguyờn t N) cỏc mụ hỡnh ti cỏc nhit 300, 500, 700, 900 K vi mt khỏc C th hn, mt khụng i, s phi trớ trung bỡnh ZSiN tng rt chm nhit tng t 300 n 900 K Tuy nhiờn, ti cựng mt nhit , ZSiN tng nhanh theo mt Khi mt tng t 2,40 n 3,21 g.cm-3, t phn Si3 gim nhanh, Si4 tng nhanh Trong mu cú mt 2,4 g.cm-3, t phn Si4 hu nh khụng thay i di nhit t 300-700 K v tng nh nhit tng n 900 K Trong mu cú mt 2,8 g.cm-3, t phn Si4 khụng thay i nhit tng t 300-500 K v tng nh nhit tng t 500-900 K Vi mu cú mt 3,1 g.cm-3, nhit tng t 300-900 K t phn Si4 tng nh Thụng tin chi tit v cu hỡnh nguyờn t cú th c suy t PBGLK Ta thy cỏc PBGLK ca cỏc mu hu nh khụng thay i nhit thay i v cú thay i nh mt thay i Nh vy cu trỳc hỡnh hc ca cỏc n v cu trỳc cỏc mu Si3N4 VH ó xõy dng bn vng i vi s thay i ca nhit v ỏp sut (mt ) Hỡnh 4.23 l PBBKLH ca cỏc mu Si3N4 cú mt khỏc nhit thay i t 300-900 K Quan sỏt trờn hỡnh 4.23, ta thy rừ rng rng ti mi mt thỡ nhit nh hng nh lờn PBBKLH Khi mt cỏc mu tng lờn thỡ nh ca PBBKLH dch chuyn sang phớa trỏi tc l v phớa bỏn kớnh qu cu l hng nh hn Mt ca mụ hỡnh cng ln thỡ cao ca cỏc nh PBBKLH cng ln v ngc li Hay núi cỏch khỏc, bỏn kớnh ca cỏc qu cu l hng gim mt 20 mu tng lờn =2,4 g.cm =3,1 g.cm =2,8 g.cm 300 K 0.05 Cỏc ng cong ng 500 K 700 K sut-bin dng (stress-strain) 900 K 0.04 thu c t vic mụ phng cỏc mu cú mt khỏc ti 0.03 nhit 300 K c biu din hỡnh 4.31 Mụ-un n 0.02 hi Iõng E ca cỏc mu c xỏc nh thụng qua dc ca 0.01 ng cong ng sut-bin dng vựng tuyn tớnh 0.00 Cỏc c tớnh c hc ca cỏc h 1.0 1.5 1.0 1.5 1.0 1.5 RLH() Si3N4 vụ nh hỡnh cú mt khỏc nhit 300 K Hỡnh 4.23 PBBKLH cỏc mu vt liu Si3N4 VH cú c trỡnh by bng mt khỏc ti nhit 300, 500, 700, 900 K 4.14, kt qu ny phự hp vi thc nghim (J Appl Phys 95, pp 1667-1672 (2004), J Appl Phys 94, pp 7868-7873 (2003)) v cỏc kt qu tớnh toỏn khỏc (Europhys Lett 33, pp 667-672 (1996), Appl Phys Lett 82, pp 118120 (2003)) Cú th thy rng mụ-un Iõng v ng sut chy tng mt tng -3 -3 Tỉ lệ -3 1.0 a) -3 2,43 g.cm b) 15 3,02 g.cm -3 -3 0.5 3,40 g.cm 2,82 g.cm 0.8 -3 2,43 g.cm -3 -3 2,62 g.cm -3 3,02 g.cm -3 0.4 (GPa) 3,40 g.cm Tỉ phần Si4 ứng suất 10 nPTE/nSi 0.6 0.4 =2,43 g.cm -3 =2,62 g.cm -3 =2,82 g.cm -3 =3,02 g.cm -3 =3,21 g.cm -3 =3,40 g.cm -3 0.00 0.05 0.10 Độ biến dạng 0.3 0.2 0.2 0.1 T=300 K T=300 K 0.0 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Độ biến dạng 0.15 Hỡnh 4.32 S ph thuc ca t phn cỏc n v cu trỳc SiN4 (a) v t l nPTE/nSi (b) vo bin dng Hỡnh 4.31 ng cong ng sut - bin dng ca sỏu mu Si3N4 VH cú mt khỏc nhau, ti nhit 300 K Cu hỡnh nguyờn t bờn cỏc mu M01-M06 cú mt khỏc nhit 300 K quỏ trỡnh b bin dng ó c chỳng tụi nghiờn cu T phn ca cỏc n v cu trỳc SiN4 quỏ trỡnh bin dng n trc c th hin hỡnh 4.32(a) Ta cú th thy cú on nm ngang cỏc ng cong Si4 tng ng vi vựng bin dng n hi ca cỏc mu M02-M06 ng cong Si4 cú on nm ngang di nht mu cú mt cao nht Trong ú, khụng xut hin on nm ngang ny ng cong Si4 mu cú mt thp nht Hỡnh 4.32(b) cho thy t l nPTE/nSi ph thuc vo bin dng mu b bin dng n trc Trong gii hn n hi, cỏc t din u nhanh chúng b búp mộo mu b bin dng Trong quỏ trỡnh bin dng n hi, nu mt cỏc t din u cng cao thỡ nú cng b gim mnh Do ú, ch cũn li mt lng rt nh cỏc t 21 din u vựng bin dng Kt hp vi kt qu phõn tớch trờn, ta thy rng mt mu tng di liờn kt thay i khụng ỏng k, PBGLK tng th, PBBKLH thay i nh nhng t phn cỏc n v cu trỳc SiNx thay i mnh Nh vy, cú th kt lun rng t phn n v cu trỳc SiNx nh hng mnh n c tớnh ca vt liu Si3N4 VH, ú t phn cỏc n v cu trỳc SiN4 nh hng mnh nht n c tớnh ca vt liu ny Khi mt tng t 2,43 n 3,21 g.cm-3, t phn cỏc n v cu trỳc SiN4 tng dn n mụ-un n hi ca mu tng Tuy nhiờn, mt tng n 3,40 g.cm-3, cỏc n v cu trỳc SiN5 chim t phn ỏng k, ú nú nh hng n c tớnh ca Si3N4 Kt qu l, mt tng n 3,40 g.cm-3, mc dự t phn SiN4 gim, mụ-un n hi E tip tc tng Bng 4.14 Cỏc c tớnh c hc ca cỏc mu Si3N4 VH cú mt khỏc ti nhit 300K: E-Mụ un n hi I õng; y - ng sut chy; f - ng sut chy Mu (g.cm-3) E(GPa) y(GPa) f(GPa) 2,43 155 3,9 8,1 M01 2,62 183 5,7 9,8 M02 2,82 218 7,3 12,2 M03 3,02 249 9,5 15,9 M04 3,21 274 9,7 15,3 M05 3,40 301 10,3 13,9 M06 70-320 [10] Mụ phng MD khỏc 118-200 [95] 3,1 [6] 28030; 28912 Thc nghim 118 210 [84] 300 K 500 K 700 K 900 K ứng suất (GPa) 20 300 K 500 K 700 K 900 K 20 15 15 15 10 10 10 5 2,4 g/cm3 2,8 g/cm3 0 0.0 0.1 300 K 500 K 700 K 900 K 20 3,1 g/cm3 0.0 0.1 0.0 0.1 0.2 Độ biến dạng Hỡnh 4.33 ng cong ng sut - bin dng ca 12 mu Si3N4 VH cú mt khỏc nhau, ti cỏc nhit 300, 500, 700, 900 K Tip theo nh hng ca nhit lờn c tớnh ca vt liu Si3N4 VH c tin hnh nghiờn cu Hỡnh 4.33 l cỏc ng cong ng sut-bin dng ca cỏc mu Si3N4 cú mt 2,40 g.cm-3; 2,80 g.cm-3 v 3,10 g.cm-3 ti cỏc nhit t 300 K n 900 K Mụ-un n hi E ca cỏc mu c a trờn bng 4.15 T bng 4.15, ta thy mụ-un n hi tng mt tng, kt qu ny cng ging nh kt qu thu c thc hin bin dng sỏu mu M01-M06 Cỏc giỏ tr E thu c õy nm khong giỏ tr thc nghim (E cú giỏ tr t 118-210 GPa) v giỏ tr tớnh toỏn mụ 22 phng (E cú giỏ tr t 70-320 GPa) iu chỳ ý õy l s tng quan ca mụ-un n hi v nhit mu Vi mu Si3N4 cú mt 2,40 g.cm-3; 2,80 g.cm-3 v 3,10 g.cm-3, nhit tng t 300 n 900 K thỡ mụ-un n hi E gim xp x 16,5 %; 7,2% v 4,9 % tng ng Nh vy, t vic tớnh giỏ tr mụ-un n hi v quan sỏt ng cong ng sut-bin dng (hỡnh 4.33), ta thy c tớnh ca vt liu Si3N4 VH ớt b nh hng bi nhit khong 300 n 900 K Mt ca mu cng tng thỡ c tớnh cng ớt b nh hng bi nhit iu ny l phự hp bi nh trờn ta thy nhit nh hng rt ớt n cu trỳc vi mụ ca vt liu Si3N4 VH Bng 4.15 Mụ un n hi I-õng ca cỏc mu Si3N4 VH cú mt khỏc ti cỏc nhit 300, 500, 700, 900 K 2,4 (g.cm-3 ) 2,8 (g.cm-3) 3,1 (g.cm-3) 115 167 225 300K 113 163 222 500K 97 159 217 700K 96 155 214 900K KT LUN Lun ỏn ó t c nhng kt qu chớnh nh sau: Ch rng nng Si lp ph CrN/AlSiN tng, cng v mụ-un n hi ca lp ph tng Nng Si khỏc khụng, lp ph CrN/AlSiN l vt liu ph ngoi siờu cng Vt liu ph ngoi CrN/AlBN cú cng, mụ-un n hi thay i theo PN v TS Khi PN=1,33 Pa, vt liu ph ngoi CrN/AlBN cú cng, mụ-un n hi cao nht Cỏc lp ph ny cú cng, mụ-un n hi cao mt tip xỳc gia cỏc lp sc nột Khi TS tng t 300 oC n 350 C, xut hin tinh th h-AlN lp AlBN, kớch thc ht tinh th, cng v mụ-un n hi tng Gii thớch rừ c c ch tng cng c tớnh ca lp AlSiN vt liu ph ngoi CrN/AlSiN nng Si tng l s thay i ỏng k ca t phn cỏc n v cu trỳc SiNx lp AlSiN Sau nung cỏc mu Al1-xSixN lờn 5000 K, ri lm lnh thu c cỏc mu nhit 300 n 900 K, xut hin cỏc ỏm tinh th AlN fcc xen k vi cỏc ỏm AlN v Si3N4 vụ nh hỡnh Quỏ trỡnh ngui nhanh gõy nờn quỏ trỡnh tinh th húa AlN trờn nn Si3N4 vụ nh hỡnh, dn n mụ-un n hi ca vt liu Al1-xSixN c tng cng Gii thớch rừ c c ch tng cng c tớnh ca h CrN/AlBN/CrN l kớch thc ca tinh th AlBN tng nguyờn t B khuch tỏn vo tinh th AlN lp AlBN Khi kớch thc tinh th AlBN tng, mụ-un n hi ca h CrN/AlBN/CrN tng Ch rng cu trỳc vi mụ v c tớnh ca vt liu Si3N4 VH ớt b nh hng bi nhit khong nhit t 300 n 900 K Mt mu Si3N4 cng tng, nh hng ca nhit lờn cu trỳc vi mụ v c tớnh ca mu cng gim Khi mt tng, mụ-un n hi ca Si3N4 VH tng T phn cỏc n v cu trỳc SiNx nh hng mnh n c tớnh ca vt liu Si3N4 VH Kt qu ca lun ỏn ó c cụng b bi bỏo ng trờn cỏc chuyờn ngnh, k yu khoa hc nc v quc t Trong ú cú bi bỏo ng trờn Quc t ISI, bi bỏo ng trờn k yu hi ngh Quc t v bi bỏo ng trờn Quc gia 23 24 DANH MC CC CễNG TRèNH CễNG B CA LUN N Van-Vinh Le, Thi-Trang Nguyen, Khac-Hung Pham, (2013) The structural correlation and mechanical properties in amorphous silicon nitride under densification, Journal of Non-Crystalline Solids 363, p.6-12 Van-Vinh Le, Thi-Trang Nguyen, Sun-Kyu Kim, Khac-Hung Pham, (2013) Effect of the Si content on the structure, mechanical and tribological properties of CrN/AlSiN thin films Surface & Coatings Technology 218, p.87-92 Van-Vinh Le, Thi-Trang Nguyen, Sun-Kyu Kim, (2013) The influence of nitrogen pressure and substrate temperature on the structrure and mechanical properties of CrAlBN thin films, Thin Solid Films 548, p.377-384 Nguyen Thi Trang, Le Van Vinh, (2014) Annealing effects on structure and mechanical properties in Al1-xSixN materials The 2nd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology (ICAMN), Hanoi, Vietnam Nguyen Thi Trang, Nguyen Thi Thu Ha, Le Van Vinh, Pham Khac Hung, (2015) Nghiờn cu nh hng ca nhit lờn cu trỳc v c tớnh ca vt liu Si3N4 bng phng phỏp mụ phng Journal of Science of HNUE, Natural Sci Vol 60, No 4, p 17-24 [...]... dng phõn tớch vi cu trỳc, phõn b bỏn kớnh l hng Mụ hỡnh b bin dng n trc (kộo dón theo trc Oz) bng vic bin i ỏp sut ca mụ hỡnh mt lng Pext=-nP, P=2 GPa Mụ hỡnh s b bin dng bi s thay i nh ca ta ca cỏc nguyờn t trong mụ hỡnh di tỏc dng ca ngoi lc Ta ca mi nguyờn t theo trc Oz c nhõn vi (1+), theo trc Ox, Oy c nhõn vi (1-), trong ú =0,0001; =0,29 Quỏ trỡnh bin dng c thc hin trờn cỏc mu vi tc bin dng... c trng ca vt liu VH v chỳng phự hp tt vi thc nghim v v trớ, hỡnh dng v biờn ca cỏc nh Hỡnh 4.17 cho thy hm PBXT cp Si-N cú nh cao nht ti v 19 18 Luận án Thực nghiệm.[125] 3 Hàm phân bố xuyên tâm cặp gij(r) Hàm phân bố xuyên tâm toàn phần g(r) 16 2 1 gSi-N(r) 14 12 gN-N(r) 10 gSi-N(r) 8 900 K 6 700 K 4 500 K 2 300 K 0 0 2 4 6 8 10 Khoảng cách, r() 2 4 6 8 Khoảng cách r() Hỡnh 4.17 HPBXT cp ca Si3N4... 9 Si lờn cu trỳc vi mụ v c tớnh ca lp AlSiN trong vt liu ph ngoi CrN/AlSiN Cỏc mu Al1-xSixN c xõy dng khụng nhng nghiờn cu nh hng ca nng Si m cũn nghiờn cu nh hng ca quỏ trỡnh ngui nhanh lờn cu trỳc vi mụ v c tớnh ca lp vt liu AlSiN 4.1.1 nh hng ca Si lờn cu trỳc vi mụ v c tớnh ca Al1-xSixN Mụ phng LHPT c s dng nghiờn cu h Al1-xSixN cha 3000-3388 nguyờn t trong hỡnh hp lp phng vi iu kin biờn tun... chy n 5000 K bng phng phỏp LHPT, sau ú cỏc mu ny c lm lnh xung 300 K Vi cu trỳc v c tớnh ca cỏc mu Al1xSixN 300 K, 700 K v 900 K ó c nghiờn cu vi thi gian nhit lờn n 100 ps Mụ phng LHPT c s dng nghiờn cu h Al1-xSixN cha 3000-3388 nguyờn t Sỏu mu Al1-xSixN c xõy dng vi mt ln lt 2,960; 2,944; 2,928; 2,913; 2,885 v 2,820 g.cm-3 tng ng vi x = 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 v 1 Cu hỡnh ban u ca cỏc mu c xõy dng... ca nú ln lt l 2,96 v 2,82 g.cm-3, tng ng vi mt ca cỏc mu vụ nh hỡnh cú trong t nhiờn v thp hn cỏc mu tinh th (ln lt l 3,26 v 3,20 g.cm-3) Trong cỏc mu S1-S4, s phi trớ trung bỡnh ZSi-N ca ỏm Si3N4 thp hn so vi trong mu Si3N4 vụ nh hỡnh vỡ th mu Si3N4 cú cu trỳc m c hn so vi cỏc ỏm Si3N4 Tng t nh vy, cỏc ỏm AlN trong cỏc mu S1-S4 cng cú cu trỳc m c hn so vi mu AlN vụ nh hỡnh do cú s phi trớ trung... ny, vic thay th nguyờn t Cr bi cỏc nguyờn t Al trong lp CrN v ngc li dn n s gim nh mụ-un n hi, ng sut chy v ng sut chy do 4.3 H Si3N4 vụ nh hỡnh Mc dự h Si3N4 vụ nh hỡnh (VH) vi mt thay i c nghiờn cu nhiu bi c phng phỏp thc nghim v lý thuyt nhng vn cũn nhiu iu cha c tỡm hiu mt cỏch y chng hn nh s thay i ca cu trỳc vi mụ ca h khi b bin dng ln di tỏc dng ca ngoi lc hay s ph thuc nhit ca cu trỳc vi. .. RN-N=0,668 , c ỏp dng nhn c s phự hp tt vi kt qu ca hm phõn b xuyờn tõm thc nghim ca cỏc mu (Phys Rev B 68, 094110-1-094110-17 (2003), Phys Rev B, Vol 62, pp 3117-3124 (2000)) Thut toỏn Verlet vi bc thi gian 0,5 fs c s dng nhit cỏc mu ti th tớch khụng i Sỏu mu Al1-xSixN c nghiờn cu vi nng Si khỏc nhau, cú mt ln lt l 2,96; 2,944; 2,941; 2,936; 2,922 v 2,82 g.cm-3 tng ng vi x = 0; 0,10; 0,12; 0,15; 0,24... 50000 bc mụ phng LHPT Sau ú, cỏc mu c lm lnh xung 300 K vi tc lm lnh 1014 K/s v t trng thỏi cõn bng sau 105 bc mụ phng Cỏc mu ny c kớ hiu ln lt l AlN, S1, S2, S3, S4, Si3N4 tng ng vi x = 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 v 1 nghiờn cu nh hng ca nhit , cỏc mu tip tc c nhit cỏc nhit 700 K, 900 K Cỏc ng cong ng sut-bin dng thu c khi thc hin bin dng n trc cỏc mu vi tc bin dng 2,74.1011 s-1 Phng phỏp phõn tớch lõn... trỳc SiNx v AlNy trong cỏc mu Al1-xSixN c xõy dng theo hai cỏch ny khỏc nhau khỏ nhiu T phn Si3 trong mu S1 gim 27,9% so vi trong mu M1, t phn Al4 trong mu S1 gim 41% so vi trong mu M1 Trong cỏc mu c xõy dng theo cỏch th hai (phn 4.1.2) tn ti cỏc ỏm AlN cú cu trỳc tinh th xen ln vi nhng ỏm AlN v cỏc ỏm Si3N4 vụ nh hỡnh, cũn cỏc mu c xõy dng theo cỏch th nht (phn 4.1.1) ch cú cu trỳc vụ nh hỡnh Nh vy,... f tng theo kớch thc tinh th h-AlBN Tuy nhiờn, E, y v f ca mu S5 li gim nh so vi ca mu S4 Hỡnh 4.13 (b )v (c) l hỡnh nh trc quan mụ t mt ct ca mt vựng nh trong cỏc mu khi b bin dng vi =0,14 v =0,3 Ta thy cú s xỏo trn ln bờn trong lp AlBN khi =0,14, trong khi ú, hin tng ny ch xy ra ti b mt ca lp CrN Khi mu b bin dng nhiu hn vi =0,3, cỏc cu trỳc (Al,B)/N siờu mng hỡnh thnh trong lp AlBN v cỏc sai hng ... hi.gi ngy thỏng .nm Cú th tỡm hiu lun ỏn ti th vin: Th vin T Quang Bu -Trng HBK H Ni Th vin Quc gia Vit Nam M U Lý chn ti Trong thp k va qua, vic nghiờn cu mt s vt liu ph cng v siờu cng nh lp... hỡnh hp ngu nhiờn liờn tc Cỏc mụ hỡnh vi mt thay i t 2,0 g.cm-3 n 3,2 g.cm-3 ó ch rng cu trỳc vi mụ nh s phi trớ, di liờn kt, gúc liờn kt phự hp vi thc nghim Vi vt liu Si3N4, c tớnh c c bit quan... th, kớnh hin vi in t quột (SEM) phõn tớch hỡnh thỏi hc ca b mt lp ph v vi cu trỳc ca cỏc mt ct ca lp ph, kớnh hin vi in t truyn qua (TEM) cho ta bit hỡnh nh cu trỳc thc bờn vt liu vi phõn gii