文摘

(铝、铬、钛)FeCoNi合金薄膜沉积PVD和使用相同的克分子数相等的目标从熵概念的合金成分。退火后的薄膜成为金属氧化物薄膜在真空炉一段;和这些薄膜的电阻率急剧下降。最佳退火处理后,FeCoNiO的电阻率最低x,CrFeCoNiOx,AlFeCoNiOx,TiFeCoNiOx电影是22、42、18和35μ 厘米,分别。这个值是接近的金属合金。这种现象是由于合金氧化物薄膜的分层,因为氧化薄膜的表面。这些氧化物薄膜的低电阻率是导致底层nonfully氧化元素,也消失在退火的缺陷。

1。介绍

本研究涉及合金氧化物薄膜的室温电阻率。在我们先前的研究熵合金、TiFeCoNiOx电影有一个极低的电阻率(~ 35μΩ-cm)在室温下1,2]。的价值几乎是接近金属合金,它打破了我们的概念,合金氧化物电阻率较高。由于半导体的导电率远低于大多数的金属,其电阻率之间的范围是105和1014μΩ-cm [3- - - - - -5]。合金的设计目标,本研究利用叶教授的克分子数相等的合金的概念。叶教授介绍了熵值的新概念合金作为合金的基础属性并不是由他们的主要元素6- - - - - -12]。我们使用这个概念把TiFeCoNi合金,研究了其特点13];我们也用这个合金作为目标来衡量TiFeCoNiO的电阻率x薄膜。在这项研究中,我们调查了FeCoNiOx,AlFeCoNiOx,CrFeCoNiOx合金氧化膜,结果与TiFeCoNiO相比x电影。的FeCoNiOx电影研究估算缺乏钛含量的影响。另外,我们用铝代替钛和AlFeCoNiO研究x电影,因为铝和钛的元素也有类似的活动(14]。我们还增加了铬替代钛由于其优良的抗氧化性能。

2。实验程序

CrFeCoNi, FeCoNi AlFeCoNi, TiFeCoNi合金(命名为FCN, CFCN AFCN, TFCN, resp)是由电弧熔炼使用适当数量的钛、铝、铬、铁、钴、镍,所有这一切的纯度超过99.9%。表1列出了组成的目标分析了电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp - aes、Jarrell-Ash ICAP 9000)。直流物理气溅射(PVD)被用来把这些金属的电影。在100 W和Ar的流量是30标准立方厘米/分钟(sccm)。基础和工作压力5×10−5和2×10−3分别托。一些样本,使用真空炉退火机械泵,工作压力是1×10−2托。薄膜的微观结构演变监测使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。扫描电镜观察了使用JEOL地产- 6335场发射扫描电子显微镜在15千伏。TEM观察了使用JEOL jem - 2010透射电子显微镜在200千伏。所有样品的室温电阻率测量Napson公司模型tr - 70四点探针。

表1
的化学成分(铝、铬、钛)FeCoNi目标。

3所示。结果与讨论

as-deposited合金薄膜的显微图如图所示1。as-deposited合金建立显微图的电影都有一个相似的颗粒形态。然而,这些结构分析作为一种无定形的,窄的黑色线条是无定形颗粒边界。多诺万海首次发现这些非晶晶界的非晶锗薄膜蒸发(15],他们建议孔隙网络的形成导致density-deficient边界内在的非晶态薄膜。Tsukimoto等人进一步描述了非晶的生成机制在谭薄膜晶界,下面详细分析(16]。在这项研究中,薄膜也有类似的现象;这些薄膜的典型截面的柱状结构,如图2。每个扫描电子显微镜照相术的insets,如图1,相应的选择区衍射图样(SAD)和TEM暗场图像(DF),分别。便悄然证明了非晶态结构,DF图像显示这些薄膜的纳米簇,表明as-deposited薄膜没有晶体结构。另外,我们观察到裂纹表面的as-deposited FCN, AFCN, TFCN电影,但没有观察到裂纹as-deposited CFCN电影。宽阔的黑色线条的SEM显微图as-deposited薄膜非晶晶界的一道裂缝。这些裂缝是由于在沉积过程中内部应力和原子大小的差异。然而,CoCrFeNi单相固溶体,韧性硬度较低的材料,非常相似的原子尺寸(17,18]。因此,没有发现裂纹在这种合金薄膜as-deposited状态。

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图1
建立显微图的as-deposited (a) FCN电影;(b) CFCN电影;(c) AFCN电影;分别和(d) TFCN电影。insets的相应的悲伤(DP)和DF形象(DF)的每个as-deposited薄膜。

图2
的横截面显微照片as-deposited FCN电影显示了典型的柱状结构。

这些薄膜在退火后成为氧化物在高温真空炉;和他们的形态也发生了元素的扩散和氧化。退火FeCoNiO的显微图的建立过程x,CrFeCoNiOx,AlFeCoNiOx,TiFeCoNiOx电影(命名为FCNO CFCNO、AFCNO TFCNO, resp)。如图3。退火条件都是固定在1000°C 30分钟。的大颗粒结构与as-deposited FCNO电影是完全不同的形态,如图3(一个)。CFCNO电影有一个粒子结构,如图3 (b)。的裂缝AFCNO电影比as-deposited条件更广泛,如图3 (c)。相反,裂缝TFCNO电影不到as-deposited状态,由于结晶和疗愈的孔隙和裂缝非晶颗粒边界,如图3 (d)。as-deposited柱状结构的薄膜退火后也改变了。图4显示的横截面形态CFCNO薄膜退火后30分钟1000°C,表明这种薄膜成为粒子结构。相似的结果也观察到其他三个薄膜。

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图3
退火的建立过程显微图(一)FCN电影;(b) CFCN电影;(c) AFCN电影;分别和(d) TFCN电影。insets的相应的悲伤(DP)和DF形象(DF)每个退火的薄膜。

图4
退火的横截面显微照片AFCN薄膜。

这四个氧化物薄膜的电阻率在不同温度下真空退火后如图5。退火时间都固定在30分钟。的电阻率as-deposited TFCN、FCN AFCN, CFCN电影1860年,950年,175年和98年μ分别Ω-cm。的as-deposited CFCN薄膜电阻率最低,因为它统一的形态;没有观察到裂纹。所有这些都是因为他们的相似的原子尺寸和更少的晶格畸变17,18]。其他三个as-deposited薄膜都表明,裂缝非晶晶界。因此,电阻率增加,因为缺陷。退火后薄膜的电阻率都降低了由于再结晶和消除的缺陷。我们首先发现了这个有趣的现象TFCNO电影;退火TFCNO薄膜的电阻率低于TiFeCoNi散装合金(1,2]。因此,我们进一步设计其他合金研究这一现象。TFCNO薄膜的电阻率降低退火温度增加时,电阻率最低的TFCNO是35μΩ-cm退火后30分钟1000°C。FCNO薄膜的电阻率也降低了退火后,和电阻率几乎相同的值(~ 23μΩ-cm)在700 ~ 1000°C的退火温度范围为30分钟。然而,FCNO电影会很容易剥落的衬底如果退火温度不高于800°C。薄膜会略与SiO反应2基质层,提高焊接在高温退火。的as-deposited AFCN电影电阻率较低,退火后其电阻率也降低。AFCNO薄膜的电阻率最低的是18岁μΩ-cm退火后30分钟800°C;但AFCNO薄膜的电阻率增加,如果退火温度高于800°C。这项研究还观察到表面的氧化铝富裕阶段退火后30分钟500°C。因此,每个薄膜有其合适的退火条件得到电阻率最低。的as-deposited CFCN薄膜电阻率最低的98人μΩ-cm;退火后其电阻率仅略有下降。CFCNO薄膜的电阻率最低的是42μΩ-cm退火后30分钟700°C。


图5
块薄膜的电阻率和退火温度。退火时间30分钟。

根据上述薄膜的电阻率,本研究选择了退火温度FCNO, TFCNO, CFCNO,老化和AFCNO薄膜为研究电阻率曲线1000°C, 1000°C, 700°C,分别和800°C。薄膜的电阻率之间的关系和退火时间绘制在图6。所有的曲线表明,适当的退火时间30分钟在这些薄膜的退火温度。为每个薄膜电阻率最低的是在这种退火温度。然而,适当的薄膜的退火时间依赖于退火温度。退火后薄膜的电阻率增加超过30分钟。FCNO薄膜的电阻率几乎保持相同的值时,退火时间小于2小时;及其电阻率急剧上升在1000°C以上退火后4小时。CFCNO薄膜的电阻率比FCNO薄膜。CFCNO膜的抗氧化性能并没有被提升后添加铬;及其电阻率显著增加在700°C以上退火后4小时。 The resistivity of TFCNO films indicated that the TFCNO film had attained very low resistivity level after annealing at 1000°C for 30 min. Additionally, its resistivity increased only slightly as the annealing time increased to 60 min. The AFCNO thin film had the similar phenomenon; it had the lowest resistivity of 18 μΩ-cm退火后30分钟800°C。


图6
薄膜的电阻率的情节与退火时间。FCNO的退火温度,TFCNO CFCNO,和AFCNO薄膜1000°C, 1000°C, 700°C,分别和800°C。

TFCNO和AFCNO电影有更好的抗氧化性能,通过比较和FCNO CFCNO电影,因为钛和铝原子扩散到表面与氧气反应,从而形成一个保护层。图7显示了电子探针映射的结果。图7(一)的横截面扫描电镜显微照片显示TFCNO薄膜退火后30分钟1000°C;和数字7 (b)- - - - - -7 (f)对应的映射Ti, O,铁、Co和镍元素。Ti和O元素的映射表示氧化钛富裕层表面的TFCNO电影。这一现象被描述在我们之前的研究1]。在第一段退火,钛原子迁移的趋势明显的表层薄膜在退火和氧化形成Ti-rich对比,阐明了钛、铁、Co、Ni内容只有基于金属元素。因此,表层TFCNO电影主要是Ti-rich氧化物在真空炉退火后30分钟。其他三个元素扩散退火后的表层并且在此与氧分发生作用超过30分钟,和电阻率从而增加。TFCNO薄膜的电阻率保持300左右μΩ-cm当退火时间增加到8个小时。这也是导致钛的添加。钛元素从而增加TFCNO膜的抗氧化性能。铝与钛(类似的活动14]。因此,AFCNO TFCNO电影电影表现相似。AFCNO电影具有电阻率最低的18岁μΩ-cm在这些电影在800°C退火后30分钟;及其电阻率保持110左右μΩ-cm当退火时间增加到8个小时。

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图7
电子探针分析结果。(a)的横截面扫描电镜显微照片TFCNO薄膜退火后30分钟1000°C和对应元素的映射(b)钛;(c) O;(d)铁;(e)有限公司;和倪(f)。

4所示。结论

我们使用了克分子数相等的概念产生熵FeCoNiOx,CrFeCoNiOx,AlFeCoNiOx,TiFeCoNiOx氧化研究电影和电阻率在不同温度退火后的不同时期。最佳退火处理后,FeCoNiO的电阻率最低x,CrFeCoNiOx,AlFeCoNiOx,TiFeCoNiOx电影是22,42岁,18岁,35岁μ分别Ω-cm。室温电阻率接近,大部分的金属合金。结果显示添加铬没有在这些合金系统中获益。添加钛铝也可以增加他们的抗氧化性能,及其电阻率保持在较低的值在高温长时间退火后。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者要感谢美国国家科学委员会,台湾在经济上支持这个号合同下的研究的一部分。nsc100 - 2221 - e - 034 - 009。