Basic structure and formation mechanism of Ti-Si-N superhard nanocomposite coatings

Abstract

With the concept of digital factory, a research including experiment, kinetic Monte Carlo simulation, and ab initio calculation has been conducted to investigate the basic structure and the formation mechanism of Ti-Si-N superhard nanocomposite coatings. The experiments of the Ti-Si-N deposition demonstrate that Si addition obviously influences the film microstructure and hardness. But the atomic structure and the formation mechanism of the Ti-Si-N coatings have not been identified by the experiments Two kinetic Monte Carlo (KMC) simulation codes with the lattice model and with the off-lattice model have been developed. In the off-lattice KMC simulation, the dimer method was used to search the saddle points on the potential energy surface (PES), which provided the direct calculation method of activation energy and the relaxation algorithm of adatoms, so that this off-lattice KMC simulation is much closer to the real situation. The ab inito calculations have been performed with VASP code. The basic structure and the formation mechanism of the Ti-Si-N composite coating have been identified. The total energy calculation results show that (a) there is no silicon interstitial solid solution in the TiN crystallite under the thermal equilibrium condition; (b) if a titanium atom or a nitrogen atom is missing in the TiN crystallite, a silicon atom is possible to occupy the vacant site and to form the substitutional solid solution; (c) the basic structure of the Ti-Si-N superhard composite coatings is the TiN crystallites with Si-4N-4Ti and Si-2N-2Ti in the boundaries.

In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Methoden und Simulationsmodelle zur Beschreibung und Charakterisierung der Bildungsmechanismen von superharten Ti-Si-N Nanokomposites entwickelt und beschrieben. Das Hauptziel der Forschungsarbeiten besteht in der Identifizierung und Modellierung spezifischer atomarer Strukturen und Bildungsmechanismen. Die langfristigen Ziele solcher Prozesssimulationen liegen in der Vorhersage des Schichtwachstums sowie der makroskopischen mechanischen und optischen Schichteigenschaften. Zudem stellen Prozesssimulationen eine solide Basis für die weiterführenden Betrachtungen innerhalb der Digitalen Fabrik dar. Die Schwerpunkte dieser Forschungsarbeit liegen in der Weiterentwicklung der kinetischen Monte Carlo Simulations¬methode, der quantenmechanischen Ab-initio-Berechnungen sowie der experimentellen Erfassung benötigter Randbedingungen. Es wurde insbesondere die Grundstruktur und der Bildungsmechanismus von superharten Ti-Si-N Nano-Komposit-Schichten durch atomistische Berechnungen identifiziert. In dem Schichtwachstum kann die Diffusion von abscheidenden N- und Ti-Atomen durch den Zusatz von Si-Atomen gefördert werden. In der Ti-Si-N Komposit- Struktur sind an der Grenze Si-Atome enthalten. Sie trennen die TiN-Kristalle und verfestigen die Grenze. Deshalb können Si-Atome gleichzeitig die Diffusion von abscheidenden N- und Ti-Atomen fördern und die Vergrößerung von TiN Kristallen vermeiden. Diese Forschungsarbeit zeigt, dass die hier vorgestellten Simulationen und Berechnungen eine leistungsfähige Methode zur Ermittlung der atomaren Struktur und des Bildungs¬mechanismus von Nanokompositen darstellen. Da diese Simulationsarbeiten erst am Anfang stehen und die Nanotechnologie generell einen sehr starken Trend verzeichnet, wird für derartige Modellierungsansätze auch zukünftig ein sehr hoher Bedarf in der Forschungs- und Entwicklungsarbeit bestehen.