Correlatively employing density functional theory and experiments congregated around high power pulsed magnetron sputtering, a plasma-surface model for metastable Cr0.8Al0.2N (space group Fm3¯m) is developed. This plasma-surface model relates plasma energetics with film composition, crystal structure, mass density, stress state, and elastic properties. It is predicted that N Frenkel pairs form during Cr0.8Al0.2N growth due to high-energy ion irradiation, yielding a mass density of 5.69 g cm−3 at room temperature and Young's modulus of 358–130 GPa in the temperature range of 50–700 K for the stress-free state and about 150 GPa larger values for the compressive stress of 4 GPa. Our measurements are consistent with the quantum mechanical predictions within 5% for the mass density and 3% for Young's modulus. The hypothesis of a stress-induced Young's modulus change may at least in part explain the spread in the reported elasticity data ranging from 250 to 420 GPa.

1.
P. H.
Mayrhofer
,
C.
Mitterer
,
L.
Hultman
, and
H.
Clemens
,
Prog. Mater. Sci.
51
,
1032
(
2006
).
2.
I. A.
Abrikosov
,
A.
Knutsson
,
B.
Alling
,
F.
Tasnádi
,
H.
Lind
,
L.
Hultman
, and
M.
Odén
,
Materials
4
,
1599
(
2011
).
3.
D.
Music
,
R. W.
Geyer
, and
J. M.
Schneider
,
Surf. Coat. Technol.
286
,
178
(
2016
).
4.
W.-D.
Münz
,
J. Vac. Sci. Technol., A
4
,
2717
(
1986
).
5.
P. H.
Mayrhofer
,
D.
Music
,
T.
Reeswinkel
,
H.-G.
Fuß
, and
J. M.
Schneider
,
Acta Mater.
56
,
2469
(
2008
).
6.
X.-Z.
Ding
and
X. T.
Zeng
,
Surf. Coat. Technol.
200
,
1372
(
2005
).
7.
T.
Polcar
and
A.
Cavaleiro
,
Surf. Coat. Technol.
206
,
1244
(
2011
).
8.
K.
Bobzin
,
N.
Bagcivan
,
N.
Goebbels
,
K.
Yilmaz
,
B.-R.
Hoehn
,
K.
Michaelis
, and
M.
Hochmann
,
Surf. Coat. Technol.
204
,
1097
(
2009
).
9.
K.
Bobzin
,
T.
Brögelmann
,
N. C.
Kruppe
,
S.
Basturk
,
F.
Klocke
,
P.
Mattfeld
,
D.
Trauth
, and
R.
Hild
,
Surf. Coat. Technol.
308
,
383
(
2016
).
10.
S.
Liu
,
J. M.
Wheeler
,
C. E.
Davis
,
W. J.
Clegg
, and
X. T.
Zeng
,
J. Appl. Phys.
119
,
025305
(
2016
).
11.
Q.
Wang
,
F.
Zhou
, and
J.
Yan
,
Surf. Coat. Technol.
285
,
203
(
2016
).
12.
P. H. M.
Böttger
,
L.
Braginsky
,
V. S. E.
Lewin
,
J.
Patscheider
,
D. G.
Cahill
, and
M.
Sobiech
,
J. Appl. Phys.
116
,
013507
(
2014
).
13.
A. E.
Reiter
,
C.
Mitterer
, and
B.
Sartory
,
J. Vac. Sci. Technol., A
25
,
711
(
2007
).
14.
H.
Willmann
,
P. H.
Mayrhofer
,
P. O. Å.
Persson
,
A. E.
Reiter
,
L.
Hultman
, and
C.
Mitterer
,
Scr. Mater.
54
,
1847
(
2006
).
15.
K.
Bobzin
,
T.
Brögelmann
,
C.
Kalscheuer
, and
M.
Naderi
,
Surf. Coat. Technol.
308
,
349
(
2016
).
16.
I. G.
Brown
,
Annu. Rev. Mater. Sci.
28
,
243
(
1998
).
17.
A.
Anders
,
Plasma Sources Sci. Technol.
21
,
035014
(
2012
).
18.
K.
Sarakinos
,
J.
Alami
, and
S.
Konstantinidis
,
Surf. Coat. Technol.
204
,
1661
(
2010
).
19.
A.
Anders
,
Surf. Coat. Technol.
205
,
S1
(
2011
).
20.
U.
Helmersson
,
M.
Lattemann
,
J.
Bohlmark
,
A. P.
Ehiasarian
, and
J. T.
Gudmundsson
,
Thin Solid Films
513
,
1
(
2006
).
21.
N.
Bagcivan
,
K.
Bobzin
,
G.
Grundmeier
,
M.
Wiesing
,
O.
Ozcan
,
C.
Kunze
, and
R. H.
Brugnara
,
Thin Solid Films
549
,
192
(
2013
).
22.
W.
Breilmann
,
A.
Eitrich
,
C.
Maszl
,
A.
Hecimovic
,
V.
Layes
,
J.
Benedikt
, and
A.
von Keudell
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
48
,
295202
(
2015
).
23.
C.
Sabitzer
,
J.
Paulitsch
,
S.
Kolozsvari
,
R.
Rachbauer
, and
P. H.
Mayrhofer
,
Thin Solid Films
610
,
26
(
2016
).
24.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
25.
H. W.
Hugosson
,
H.
Högberg
,
M.
Algren
,
M.
Rodmar
, and
T. I.
Selinder
,
J. Appl. Phys.
93
,
4505
(
2003
).
26.
R. F.
Zhang
and
S.
Veprek
,
Acta Mater.
55
,
4615
(
2007
).
27.
D.
Holec
,
F.
Rovere
,
P. H.
Mayrhofer
, and
P. B.
Barna
,
Scr. Mater.
62
,
349
(
2010
).
28.
B.
Alling
,
L.
Hultberg
,
L.
Hultman
, and
I. A.
Abrikosov
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
031910
(
2013
).
29.
L.
Zhou
,
D.
Holec
, and
P. H.
Mayrhofer
,
J. Appl. Phys.
113
,
043511
(
2013
).
30.
J.
Lin
,
B.
Mishra
,
J. J.
Moore
, and
W. D.
Sproul
,
Surf. Coat. Technol.
201
,
4329
(
2006
).
31.
G. S.
Kim
and
S. Y.
Lee
,
Surf. Coat. Technol.
201
,
4361
(
2006
).
32.
M.
Ahlgren
and
H.
Blomqvist
,
Surf. Coat. Technol.
200
,
157
(
2005
).
33.
T. P.
Rao
,
M. C. S.
Kumar
,
S. A.
Angayarkanni
, and
M.
Ashok
,
J. Alloy Compd.
485
,
413
(
2009
).
34.
T.
Gebhardt
,
D.
Music
,
T.
Takahashi
, and
J. M.
Schneider
,
Thin Solid Films
520
,
5491
(
2012
).
35.
D.
Grochla
,
A.
Siegel
,
S.
Hamann
,
P. J. S.
Buenconsejo
,
M.
Kieschnick
,
H.
Brunken
,
D.
König
, and
A.
Ludwig
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
,
084011
(
2013
).
36.
A.
Ludwig
,
R.
Zarnetta
,
S.
Hamann
,
A.
Savan
, and
S.
Thienhaus
,
Int. J. Mater. Res.
99
,
1144
(
2008
).
37.
M.
Mayer
,
AIP Conf. Proc.
475
,
541
(
1999
).
38.
G. C. A. M.
Janssen
,
M. M.
Abdalla
,
F. v.
Keulen
,
B. R.
Pujada
, and
B. v.
Venrooy
,
Thin Solid Films
517
,
1858
(
2009
).
39.
W. C.
Oliver
and
G. M.
Pharr
,
J. Mater. Res.
7
,
1564
(
1992
).
40.
T.
Ozaki
,
Phys. Rev. B
67
,
155108
(
2003
).
41.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
42.
T.
Ozaki
and
H.
Kino
,
Phys. Rev. B
72
,
045121
(
2005
).
43.
T.
Ozaki
and
H.
Kino
,
Phys. Rev. B
69
,
195113
(
2004
).
44.
J. L.
Endrino
,
G. S.
Fox-Rabinovich
,
A.
Reiter
,
S. V.
Veldhuis
,
R. E.
Galindo
,
J. M.
Albella
, and
J. F.
Marco
,
Surf. Coat. Technol.
201
,
4505
(
2007
).
45.
P. H.
Mayrhofer
,
D.
Music
, and
J. M.
Schneider
,
J. Appl. Phys.
100
,
094906
(
2006
).
46.
D.
Music
,
F.
Nahif
,
K.
Sarakinos
,
N.
Friederichsen
, and
J. M.
Schneider
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
111908
(
2011
).
47.
H. Y.
Xiao
,
Y.
Zhang
, and
W. J.
Weber
,
Phys. Rev. B
86
,
054109
(
2012
).
48.
D.
Music
,
F.
Hensling
,
T.
Pazur
,
J.
Bednarcik
,
M.
Hans
,
V.
Schnabel
,
C.
Hostert
, and
J. M.
Schneider
,
Solid State Commun.
169
,
6
(
2013
).
49.
P.
Söderlind
,
L.
Nordström
,
L.
Yongming
, and
B.
Johansson
,
Phys. Rev. B
42
,
4544
(
1990
).
50.
B.
Alling
,
T.
Marten
, and
I. A.
Abrikosov
,
Nat. Mater.
9
,
283
(
2010
).
51.
F.
Birch
,
J. Geophys. Res.
83
,
1257
, doi: (
1978
).
52.
D.
Music
,
R. W.
Geyer
, and
P.
Keuter
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
223903
(
2016
).
53.
D.
Music
,
O.
Kremer
,
G.
Pernot
, and
J. M.
Schneider
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
063906
(
2015
).
54.
A.
Hecimovic
,
N.
Britun
,
S.
Konstantinidis
, and
R.
Snyders
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
014103
(
2017
).
55.
A.
Anders
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
224104
(
2012
).
56.
J.
Alami
,
K.
Sarakinos
,
G.
Mark
, and
M.
Wuttig
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
154104
(
2006
).
57.
S.
Mráz
and
J. M.
Schneider
,
J. Appl. Phys.
100
,
023503
(
2006
).
58.
G. H.
Kinchin
and
R. S.
Pease
,
Rep. Prog. Phys.
18
,
1
(
1955
).
59.
P.
Sigmund
,
Appl. Phys. Lett.
14
,
114
(
1969
).
60.
A.
Miotello
and
R.
Kelly
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., B
122
,
458
(
1997
).
61.
D. G.
Sangiovanni
,
B.
Alling
,
P.
Steneteg
,
L.
Hultman
, and
I. A.
Abrikosov
,
Phys. Rev. B
91
,
054301
(
2015
).
62.
B. P.
Uberuaga
,
R.
Smith
,
A. R.
Cleave
,
G.
Henkelman
,
R. W.
Grimes
,
A. F.
Voter
, and
K. E.
Sickafus
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., B
228
,
260
(
2005
).
63.
D.
Music
,
L.
Offermann
,
G.
Aras
,
P.
Bliem
,
M.
Geilen
,
Y.
Naunheim
, and
T.
Ravindra
,
Surf. Coat. Technol.
309
,
531
(
2017
).
64.
B.
Alling
,
A.
Karimi
,
L.
Hultman
, and
I. A.
Abrikosov
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
071903
(
2008
).
65.
M.
to Baben
,
L.
Raumann
,
D.
Music
, and
J. M.
Schneider
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
155401
(
2012
).
66.
J.-X.
Xue
,
G.-J.
Zhang
,
L.-P.
Guo
,
H.-B.
Zhang
,
X.-G.
Wang
,
J.
Zou
,
S.-M.
Peng
, and
X.-G.
Long
,
J. Eur. Ceram. Soc.
34
,
633
(
2014
).
67.
J.
Bujak
,
J.
Walkowicz
, and
J.
Kusiński
,
Surf. Coat. Technol.
180–181
,
150
(
2004
).
68.
T.
Zhou
,
P.
Nie
,
X.
Cai
, and
P. K.
Chu
,
Vacuum
83
,
1057
(
2009
).
69.
T. W.
Barbee
, Jr.
,
W. H.
Holmes
,
D. L.
Keith
,
M. K.
Pyzyna
, and
G.
Ilonca
,
Thin Solid Films
45
,
591
(
1977
).
70.
E.
Lugscheider
,
K.
Bobzin
,
T.
Hornig
, and
M.
Maes
,
Thin Solid Films
420–421
,
318
(
2002
).
71.
F.
Lu
,
M.
Huang
,
F.
Yaqoob
,
M.
Lang
,
F.
Namavar
,
C.
Trautmann
,
H.
Sun
,
R. C.
Ewing
, and
J.
Lian
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
041904
(
2012
).
72.
M.
to Baben
,
M.
Hans
,
D.
Primetzhofer
,
S.
Evertz
,
H.
Ruess
, and
J. M.
Schneider
,
Mater. Res. Lett.
5
,
158
(
2017
).
73.
H.
Schulz
and
K. H.
Thiemann
,
Solid State Commun.
23
,
815
(
1977
).
74.
P. H.
Mayrhofer
,
H.
Willmann
,
L.
Hultman
, and
C.
Mitterer
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
41
,
155316
(
2008
).
75.
M. M. M.
Bilek
and
D. R.
McKenzie
,
Surf. Coat. Technol.
200
,
4345
(
2006
).
76.
L.
Zhou
,
F.
Körmann
,
D.
Holec
,
M.
Bartosik
,
B.
Grabowski
,
J.
Neugebauer
, and
P. H.
Mayrhofer
,
Phys. Rev. B
90
,
184102
(
2014
).
77.
M.
Bartosik
,
D.
Holec
,
D.
Apel
,
M.
Klaus
,
C.
Genzel
,
J.
Keckes
,
M.
Arndt
,
P.
Polcik
,
C. M.
Koller
, and
P. H.
Mayrhofer
,
Scr. Mater.
127
,
182
(
2017
).
78.
R. R.
Reeber
and
K.
Wang
,
Mater. Chem. Phys.
46
,
259
(
1996
).
79.
J.
Paier
,
M.
Marsman
,
K.
Hummer
,
G.
Kresse
,
I. C.
Gerber
, and
J. G.
Ángyán
,
J. Chem. Phys.
124
,
154709
(
2006
).
You do not currently have access to this content.