Ảnh hưởng của cấu tröc lớp AlBn lên cơ tính của vật liệu đa lớp CrN/AlBN/CrN - Nguyễn Thị Trang

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1059.2016-0005 Natural Sci. 2016, Vol. 61, No. 4, pp. 27-32 This paper is available online at Ngày nhận bài: 3/12/2015. Ngày nhận Ďăng: 24/3/2016. Tác giả liên lạc: Nguyễn Thị Trang, Ďịa chỉ e-mail: trang.nguyenthi@hust.edu.vn 27 ẢNH HƢỞNG CỦA CẤU TRÖC LỚP AlBN LÊN CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU ĐA LỚP CrN/AlBN/CrN Nguyễn Thị Trang, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng Bộ môn Vật lí Tin học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu ảnh hƣởng của cấu trúc lớp AlBN lên cơ tính của vật liệu Ďa lớp CrN/AlBN/CrN bằng phƣơng pháp mô phỏng Ďộng lực học phân tử. Cơ tính của các mẫu mô phỏng Ďƣợc nghiên cứu thông qua quá trình biến dạng Ďơn trục. Mô-Ďun Ďàn hồi E Ďƣợc xác Ďịnh từ Ďƣờng cong ứng suất - biến dạng nhận Ďƣợc qua quá trình biến dạng Ďơn trục. Kết quả mô phỏng cho thấy kích thƣớc của lớp AlBN ảnh hƣởng Ďáng kể Ďến cơ tính của vật liệu CrN/AlBN/CrN. Ở nhiệt Ďộ 300 K, khi bề dày lớp AlBN nhỏ nhất (1,5 nm), mẫu có mô-Ďun Ďàn hồi lớn nhất (471 GPa). Mô-Ďun Ďàn hồi I-âng giảm từ 471 GPa Ďến 316 GPa, ứng suất chảy, ứng suất chảy dẻo của vật liệu này giảm khi Ďộ dày của lớp AlBN tăng từ 1,5 nm Ďến 3,0 nm. Từ khóa: Mô phỏng, CrN/AlBN/CrN, cơ tính, biến dạng, mô-Ďun Ďàn hồi. 1. Mở đầu Vật liệu phủ ngoài chromium nitride (CrN) hiện nay Ďã và Ďang Ďƣợc sử dụng rộng rãi do có khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, khả năng chống ma sát vƣợt trội và có ứng suất nội thấp [1-4]. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của vật liệu phủ ngoài CrN bị giới hạn do CrN không phải là một lớp phủ siêu cứng [5]. Hiện nay, hạn chế này của vật liệu phủ ngoài CrN Ďã Ďƣợc khắc phục bằng một trong hai phƣơng pháp. Một là pha thêm các nguyên tố khác nhƣ Al, Si hoặc B vào cấu trúc của CrN [6-11], hai là phát triển lớp phủ nano Ďa lớp dựa trên lớp CrN [12-15]. Trong số Ďó, lớp phủ nano Ďa lớp CrN/Al(B)N Ďã thu hút Ďƣợc rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học do tính chất cơ học nổi bật của nó. Vật liệu phủ ngoài CrAlBN Ďã Ďƣợc lắng Ďọng bởi các quá trình khác nhau nhƣ phún xạ từ và hồ quang catot. Trong Ďó, hệ lắng Ďọng hồ quang plasma catot Ďặc biệt thích hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp do tốc Ďộ lắng Ďọng cao và lớp phủ Ďƣợc chế tạo có Ďầy Ďủ các tính chất nổi bật. Trong tài liệu [12], vật liệu phủ ngoài Ďa lớp CrN/AlBN cũng Ďƣợc lắng Ďọng bởi quá trình hồ quang catot với catot là Cr và Al0.95B0.05. Ảnh hƣởng của Ďiện áp dịch và dòng hồ quang catot lên tính chất cơ học của lớp phủ CrAlBN Ďã Ďƣợc nghiên cứu. Các lớp phủ này có tính siêu cứng và khả năng chống oxy hóa cao ở nhiệt Ďộ lên Ďến 9000C trong không khí [16]. Vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN Ďƣợc lắng Ďọng bằng phƣơng pháp plasma hồ quang [17] có Ďộ cứng, mô-Ďun Ďàn hồi thay Ďổi theo PN và TS. Khi PN = 1,33 Pa, vật liệu phủ ngoài CrN/AlBN có Ďộ cứng, mô-Ďun Ďàn hồi cao nhất. Các lớp phủ có Ďộ cứng, mô-Ďun Ďàn hồi cao do mặt tiếp xúc giữa các lớp sắc nét. Khi TS tăng từ 300 oC Ďến 350 °C, xuất hiện tinh thể lục giác AlN (h-AlN) trong lớp AlBN, Ďồng thời kích thƣớc hạt tinh thể, Ďộ cứng và mô-Ďun Ďàn hồi tăng. Mô phỏng Ďộng lực học phân tử Ďã Ďƣợc sử dụng Ďể nghiên cứu cơ tính của hệ Ďa lớp CrN/AlBN/CrN khi nguyên tử B khuếch tán vào tinh thể AlN trong lớp AlBN [17]. Mô-Ďun Ďàn hồi của lớp phủ tăng khi kích thƣớc tinh thể AlBN trên nền AlBN vô Ďịnh hình tăng. Tuy nhiên, Ďộ dày của lớp AlBN ảnh hƣởng nhƣ thế nào Ďến tính chất cơ học của hệ CrN/AlBN/CrN vẫn còn là một vấn Ďề cần làm rõ. Do Ďó, trong nghiên cứu này cơ tính của hệ Ďa lớp CrN/AlBN/CrN với lớp AlBN có Ďộ dày khác nhau Ďƣợc nghiên cứu một cách chi tiết bằng phƣơng pháp Ďộng lực học phân tử (ĐLHPT), thống kê hồi phục (TKHP) và các phƣơng pháp phân tích cấu trúc vi mô. Từ Ďó chỉ ra sự tƣơng quan của cấu trúc lớp AlBN tới ứng xử cơ tính của vật liệu. Nguyễn Thị Trang, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng 28 Hình 1. Hình hộp mô phỏng hệ CrN/AlBN/CrN 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Phƣơng pháp tính toán Mô phỏng ĐLHPT Ďƣợc sử dụng Ďể xây dựng mô hình vật liệu Ďa lớp CrN (1,67 nm)/AlBN/CrN (1,67 nm) chứa 5772 - 7434 nguyên tử, khi thay Ďổi số nguyên tử Al, B, N trong lớp AlBN. Các nguyên tử Ďƣợc Ďặt trong hình hộp mô phỏng (Hình 1) có kích thƣớc Lx = Ly = 3,4 nm; Lz thay Ďổi khi bề dày lớp AlBN thay Ďổi, với Ďiều kiện biên tuần hoàn. Thế tƣơng tác cặp Morse Ďƣợc sử dụng cho tƣơng tác Cr-N, Al-N và B-N có dạng: )2()( )()(2 2     ijij rr ij ji ijij eeD r eqq r (1) Thế tƣơng tác giữa Cr-Cr, Al-Al, B-B, Cr-Al, Cr-B, Al-B và N-N có thành phần hàm mũ biểu diễn tƣơng tác Ďẩy có dạng nhƣ sau: )(2 2 )(     ij r ij ji ijij De r eqq r (2) Trong Ďó, rij là khoảng cách giữa nguyên tử loại i và nguyên tử loại j (i, j = Cr, Al, B, N), e là Ďiện tích nguyên tố, qCr = qAl = qB=1,006 và qN = -1,006 là Ďiện tích hiệu dụng. Các hệ số thế D, β và ρ phụ thuộc vào loại nguyên tử Ďƣợc Ďƣa ra trong Bảng 1 [18, 19]. Bảng 1. Các hệ số thế tương tác giữa các nguyên tử Cr, Al, B và N Hệ số thế D (eV) β (1/Å) ρ(Å) Cr-Cr 0,4414 1,5721 2,5594 Al-Al 0,2703 1,1646 2,9601 B-B 0,3993 1,4199 2,1868 N-N 0,3544 1,4199 2,0529 Cr-N 0,3955 1,4960 2,2902 Al-N 0,3095 1,2922 2,4561 B-N 0,3762 1,4199 2,1186 Cr-Al 0,3454 1,3683 2,7512 Cr-B 0,4198 1,4960 2,3647 Al-B 0,3285 1,2922 2,5381 Ảnh hưởng của cấu trúc lớp AlBN lên cơ tính của vật liệu đa lớp CrN/AlBN/CrN 29 Cấu hình ban Ďầu của lớp CrN có cấu trúc tinh thể FCC lí tƣởng có hằng số mạng Ďƣợc lấy từ thực nghiệm, tinh thể h-AlBN Ďƣợc dựng lên từ mạng tinh thể h-AlN lí tƣởng có hằng số mạng cũng Ďƣợc lấy từ thực nghiệm, sau Ďó tiến hành thay thế ngẫu nhiên 36 nguyên tử Al bởi 36 nguyên tử B. Cấu hình ban Ďầu của lớp AlBN vô Ďịnh hình có mật Ďộ 3,20 g.cm-3 Ďƣợc xây dựng bằng phƣơng pháp TKHP. Mô hình vô Ďịnh hình Ďạt trạng thái cân bằng sau 8000 bƣớc TKHP từ cấu hình ngẫu nhiên ban Ďầu của các nguyên tử trong hình hộp mô phỏng. Bƣớc TKHP cuối cùng Ďƣợc thực hiện với bƣớc dịch chuyển vào khoảng 0,001Ǻ. Sau Ďó, tinh thể h-AlBN Ďƣợc Ďặt vào trong lớp AlBN vô Ďịnh hình. Tiếp theo, thuật toán Verlet với bƣớc thời gian 0,01 fs Ďƣợc sử dụng Ďể ủ nhiệt các mẫu ở nhiệt Ďộ 300 K với thể tích không Ďổi. Hệ Ďa lớp Ďƣợc ủ nhiệt qua 50000 bƣớc ĐLHPT Ďể Ďạt trạng thái cân bằng trong Ďiều kiện nhiệt Ďộ không Ďổi 300 K và thể tích không Ďổi. Hình 2 là hình ảnh trực quan mô tả cấu hình nguyên tử của mặt cắt vùng trung tâm của các mẫu CrN/AlBN/CrN trƣớc khi bị biến dạng. Trong Ďó, các mẫu có lớp CrN có cấu trúc tinh thể FCC, lớp AlBN chứa tinh thể h-AlBN Ďặt trên nền AlBN vô Ďịnh hình. Bốn mẫu khác nhau Ďƣợc xây dựng Ďƣợc kí hiệu lần lƣợt là S1, S2, S3 và S4 tƣơng ứng với Ďộ dày của lớp AlBN là 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 nm, với tinh thể h-AlBN có kích thƣớc không Ďổi. Trong mô phỏng ĐLHPT, chúng tôi tiến hành làm biến dạng mô hình theo một trục oz [20] bằng quá trình biến Ďổi áp suất của mô hình một lƣợng Pext = -n∆P, trong Ďó n là số bƣớc thời gian. Mô hình sẽ bị biến dạng bởi sự thay Ďổi nhỏ của tọa Ďộ của các nguyên tử trong mô hình dƣới tác dụng của ngoại lực. Tọa Ďộ của mỗi nguyên tử theo trục Oz Ďƣợc nhân với (1+γ), theo trục Ox, Oy Ďƣợc nhân với (1-μγ), γ rất nhỏ. Khi Ďó biến dạng Ďƣợc xác Ďịnh nhƣ sau: )0( )0()( z zz L LtL   (3) Ở Ďây Lz(0) là kích thƣớc mô hình tại thời Ďiểm ban Ďầu t = 0, và Lz(t) là kích thƣớc mô hình tại thời Ďiểm t. Ứng suất σxx, σyy, σzz Ďƣợc xác Ďịnh là giá trị trung bình của các ứng suất Ďịa phƣơng trên tất cả các nguyên tử:             N i ij ij ijij ij ii i i r rr Fvvm VN 1 ,, 2 111   (4) Với mi là khối lƣợng của nguyên tử i, iv là vận tốc nguyên tử i dọc theo trục α và Fij là lực tƣơng tác giữa nguyên tử i và nguyên tử j, rij là khoảng cách giữa nguyên tử i và j, rij,α là hình chiếu của véc tơ rij trên trục α, Vi là thể tích của nguyên tử i. Ứng suất của mô hình Ďƣợc xác Ďịnh nhƣ sau:  zz xx yy       (5) Trên cơ sở Ďƣờng cong ứng suất - biến dạng chúng tôi xác Ďịnh Ďƣợc mô-Ďun Ďàn hồi của tất cả các mẫu CrN/AlBN/CrN. Hình 2. Hình ảnh trực quan cấu hình nguyên tử của các mẫu CrN/AlBN/CrN Nguyễn Thị Trang, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng 30 2.2. Kết quả và thảo luận Hàm phân bố xuyên tâm (PBXT) cặp gij(r) và phân bố góc liên kết (PBGLK) của vật liệu AlBN vô Ďịnh hình Ďƣợc biểu diễn trên Hình 3. Độ dài liên kết Al-N, B-N và N-N lần lƣợt là 1,92; 1,56 và 2,88 Å. Phân bố góc liên kết N-Al-N có một Ďỉnh ở 88,5°, PBGLK N-B-N có một Ďỉnh ở 103,5° và Al(B)-N-Al(B) có một Ďỉnh chính ở 89°. Số phối trí trung ZAl-N, ZB-N và ZN-Al(B) lần lƣợt là 4,50; 3,79 và 4,49. Cho Ďến nay, chƣa có một số liệu nào về vật liệu AlBN vô Ďịnh hình Ďƣợc công bố nhƣng vật liệu này Ďƣợc cho là có cấu trúc gần giống với vật liệu AlN vô Ďịnh hình [21]. Cơ tính của các mẫu CrN/AlBN/CrN Ďã Ďƣợc nghiên cứu khi làm biến dạng Ďơn trục các mẫu với tốc Ďộ biến dạng trung bình xấp xỉ 1011 s-1. Hình 4 mô tả Ďƣờng cong ứng suất - biến dạng thu Ďƣợc từ mô phỏng các mẫu CrN/AlBN/CrN. Hình 4 cho thấy Ďoạn tuyến tính của Ďƣờng cong ứng suất - biến dạng tƣơng ứng với vùng Ďàn hồi của vật liệu. Giá trị lớn nhất của Ďoạn tuyến tính của Ďƣờng cong này tƣơng ứng với giá trị ứng suất chảy (yied stress - y). Ứng suất tiếp tục tăng sau khi vƣợt qua Ďiểm ứng suất chảy, sau khi Ďạt Ďến giá trị ứng suất chảy dẻo (flow stress - f) ứng suất giảm xuống. Vùng Ďƣờng cong từ Ďiểm ứng suất chảy Ďến Ďiểm ứng suất chảy dẻo là vùng tới hạn. Vùng Ďƣờng cong tiếp theo từ Ďiểm ứng suất chảy dẻo là vùng xuất hiện biến dạng phá hủy. Mô-Ďun Ďàn hồi E Ďƣợc xác Ďịnh bằng Ďộ dốc của Ďƣờng cong ứng suất - biến dạng trong vùng tuyến tính bằng phần mềm Origin, các giá trị của E của các mẫu Ďƣợc ghi trong Bảng 2. Bảng này chỉ ra rằng ở nhiệt Ďộ 300 K, mẫu có bề dày lớp AlBN nhỏ nhất (1,5 nm) có mô-Ďun Ďàn hồi lớn nhất (471 GPa). Khi Ďộ dày của lớp AlBN tăng từ 1,5 - 3,0 nm, mô-Ďun Ďàn hồi của vật liệu giảm từ 471 - 316 GPa. Đồng thời, từ Bảng 2 ta thấy ứng suất chảy (y) giảm từ 3,08 - 0,86 GPa và ứng suất chảy dẻo (f) giảm từ 11,17 - 5,87 GPa khi Ďộ dày của lớp AlBN tăng từ 1,5 -3,0 nm. Bảng 2. Đặc tính cơ học của các hệ CrN/AlBN/CrN với lớp AlBN có độ dày khác nhau: dc - kích thước của tinh thể h-AlBN; LZ1 độ dày của lớp AlBN; E- mô-đun đàn hồi I-âng T (K) 300 300 300 300 dC (nm) 2,1 2,1 2,1 2,1 LZ1 (nm) 1,5 2,0 2,5 3,0 E (GPa) 471 404 341 316 σy (GPa) 3,08 1,60 0,90 0,86 σf (GPa) 11,17 8,91 6,40 5,78 Hình 3. Hàm PBXT (a) và PBGLK (b) của vật liệu AlBN VĐH 0 2 4 6 0 2 4 6 8 80 100 120 140 160 180 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 g ij (r ) r (Å) Al-N B-N N-N T Ø lÖ  (®é) N-Al-N N-B-N Al(B)-N-Al(B) r (Å) θ(Ďộ) (Å) g ij ( r) T ỉ lệ Ảnh hưởng của cấu trúc lớp AlBN lên cơ tính của vật liệu đa lớp CrN/AlBN/CrN 31 Tóm lại, cấu trúc của lớp AlBN ảnh hƣởng Ďáng kể Ďến tính chất cơ học của hệ CrN/AlBN/CrN. Sự giảm kích thƣớc của lớp AlBN Ďã dẫn Ďến sự tăng của mô-Ďun Ďàn hồi, ứng suất chảy và ứng suất chảy dẻo của vật liệu CrN/AlBN/CrN. 3. Kết luận Qua nghiên cứu cơ tính của vật liệu Ďa lớp CrN/AlBN/CrN tại nhiệt Ďộ 300 K khi bề dày của lớp AlBN thay Ďổi bằng phƣơng pháp mô phỏng Ďộng lực học phân tử, kết quả thu Ďƣợc cho thấy cấu trúc của các lớp vật liệu mô phỏng phù hợp với thực nghiệm. Cấu trúc của lớp AlBN ảnh hƣởng Ďáng kể Ďến cơ tính của vật liệu CrN/AlBN/CrN. Cơ tính của vật liệu này Ďƣợc tăng cƣờng khi kích thƣớc của lớp AlBN giảm. Mẫu có bề dày lớp AlBN nhỏ nhất (1,5 nm) có mô-Ďun Ďàn hồi lớn nhất (471 GPa). Khi Ďộ dày của lớp AlBN tăng, mô-Ďun Ďàn hồi của vật liệu giảm từ 471 - 316 GPa, ứng suất chảy giảm từ 3,08 - 0,86 GPa và ứng suất chảy dẻo (f) giảm từ 11,17 - 5,87 GPa. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H. Ichimura, I. Ando, 2001. Surf. Coat. Technol. Vol. 145, pp. 88-93. [2] J. Lin, W. D. Sproul, J. J. Moore, 2012. Surf. Coat. Technol. 206, pp. 2474-2483. [3] J. Vetter, R. Knawn, H. Dwuletzki, E. Schnider, S. Vogler, 1996. Surf. Coat. Technol. 86/87, 739. [4] Q. G. Zhou, X. D. Bai, X. W. Cahen, D. Q. Peng, Y. H. Ling and D. R.Wang, 2003. Appl. Surf. Sci. 211293. [5] B. S. Kim, G. S. Kim, S. Y. Lee, B. Y. Lee, 2008. Surf. Coat. Technol. Vol. 202, pp. 5526-5529. [6] C. Tritremmel, R. Daniel, M. Lechthaler, H. Rudigier, P. Polcik, C. Mitterer, 2012. Surf. Coat. Technol. Vol. 213, pp. 1-7. [7] C.-L. Chang, C.-S. Huang, J.-Y. Jao, 2011. Surf. Coat. Technol. Vol. 205, pp. 2730-2737. [8] G. Zhang, L. Wang, S. C. Wang, P. Yan, Q. Xue, 2009. Appl. Surf. Sci. 255, 4425. [9] I. W. Park, D. S. Kang, J. J. Moore, S. C. Kwon, J. J. Rha, K. H. Kim, 2007. Surf. Coat. Technol. 201, 5223. [10] J.-W. Lee, C.-H. Cheng, H.-W. Chen, L.-W. Ho, J.-G. Duh, Y.-C. Chan, 2013. Vacuum 87 191. [11] T. Sato, T. Yamamoto, H. Hasegawa, T. Suzuki, 2006. Surf. Coat. Technol. 201, 1348. [12] S. K. Kim, V. V. Le, 2010. Surf. Coat. Technol. 204, pp. 3941-3946. [13] S.K. Kim, V.V. Le, P.V. Vinh, J.W. Lee, 2008. Surf. Coat. Technol. Vol. 202, pp. 5400-5404. [14] U. Bardi et al., 2005. Appl. Surf. Sci. 252, pp. 1339-1349. [15] S. Zhang, L. Wang, Q. Wang, M. Li, 2013. Surf. Coat. Technol. 214, 160. Hình 4. Đường cong ứng suất-biến dạng của các mẫu CrN/AlBN/CrN Độ biến dạng Ứ n g s u ất ( G P a) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0 2 4 6 8 10 12 S4 S3 S2 S1 Nguyễn Thị Trang, Lê Văn Vinh và Phạm Khắc Hùng 32 [16] T. D. Nguyen, S. K. Kim, D. B. Lee, 2010. Surf. Coat. Technol. Vol. 205, pp. S373-S378. [17] V. V. Le, T. T. Nguyen, S. K. Kim, 2013. Thin Solid Films, 548, pp 377-384. [18] C.-Y. Wang, T. Yu, 1994. Science in China A. 37, pp. 878-890. [19] L. A. Girifalco and V. G. Weizer, 1959. Phys. Rev. 114. pp. 687-690. [20] V. I. Ivashchenko, P. E. A. Turchi and V. I. Shevchenko, 2007. Phys. Rev. B, Vol. 75, 085209. [21] P. Vashishta, R. K. Kalia, A. Nakano, J. P. Rino, 2011. J. Appl. Phys. 109, 033514 (1-8). ABSTRACT Effects of the structure of AlBN layer on mechanical properties of CrN/AlBN/CrN multilayered systems Molecular dynamics simulation was used to study the mechanical properties of CrN/AlBN/CrN multilayered systems with an AlBN thickness layer of 1.5, 2.0, 2.5 and 3.0 nm at the temperature of 300 K. The elastic and plastic properties of these materials were investigated by applying uniaxial deformation. The elastic modulus E was determined from the curve of stress-strain. The results show that the thickness of the AlBN layer with the hexagonal crystal AlBN embedded in an amorphous AlBN has a significant influence on the mechanical behavior of CrN/AlBN/CrN systems. At the temperature of 300 K, the highest Young‟s modulus, 471 GPa, is observed in the sample with the thinnest AlBN layer, 1.5 nm. When the Young‟s modulus decreases from 471 GPa to 316 GPa, the yield stress and the flow stress decreases while in the thickness of AlBN layer increases from 1.5 nm to 3.0 nm. Keywords: Simulation, CrN/AlBN/CrN, mechanical properties, deformation, elastic modulus.