Heteroepitaxial c-(Ti0.37,Al0.63)N thin films were grown on MgO(001) and MgO(111) substrates using reactive magnetron sputtering. High resolution high-angle annular dark-field scanning transmission electron micrographs show coherency between the film and the substrate. In the as-deposited state, x-ray diffraction reciprocal space maps show a strained epitaxial film. Corresponding geometric phase analysis (GPA) deformation maps show a high stress in the film. At elevated temperature (900 °C), the films decompose to form iso-structural coherent c-AlN- and c-TiN-rich domains, elongated along the elastically soft <100> directions. GPA analysis reveals that the c-TiN domains accommodate more dislocations than the c-AlN domains. This is because of the stronger directionality of the covalent bonds in c-AlN compared with c-TiN, making it more favorable for the dislocations to accumulate in c-TiN. The defect structure and strain generation in c-(Ti,Al)N during spinodal decomposition is affected by the chemical bonding state and elastic properties of the segregated domains.
References
1.
W. D.
Münz
, J. Vac. Sci. Technol. A
4
, 2717
(1986
). 2.
P. H.
Mayrhofer
, C.
Mitterer
, L.
Hultman
, and H.
Clemens
, Prog. Mater. Sci.
51
, 1032
(2006
). 3.
B.
Alling
, M.
Odén
, L.
Hultman
, and I.
Abrikosov
, Appl. Phys. Lett.
95
, 181906
(2009
). 4.
M.
Oden
, L.
Rogström
, A.
Knutsson
, M.
Terner
, P.
Hedström
, J.
Almer
, and J.
Ilavsky
, Appl. Phys. Lett.
94
, 053114
(2009
). 5.
A.
Hörling
, L.
Hultman
, M.
Odén
, J.
Sjölén
, and L.
Karlsson
, Surf. Coat. Technol.
191
, 384
(2005
). 6.
A.
Knutsson
, J.
Ullbrand
, L.
Rogström
, N.
Norrby
, L.
Johnson
, L.
Hultman
, J.
Almer
, M. J.
Jöesaar
, B.
Jansson
, and M.
Odén
, J. Appl. Phys.
113
, 213518
(2013
). 7.
I.
Povstugar
, P.-P.
Choi
, D.
Tytko
, J.-P.
Ahn
, and D.
Raabe
, Acta Mater.
61
, 7534
(2013
). 8.
P. H.
Mayrhofer
, C.
Mitterer
, and H.
Clemens
, Adv. Eng. Mater.
7
, 1071
(2005
). 9.
P.
Jindal
, A.
Santhanam
, U.
Schleinkofer
, and A.
Shuster
, Int. J. Refract. Met. Hard Mater.
17
, 163
(1999
). 10.
A.
Knutsson
, M. P.
Johansson
, L.
Karlsson
, and M.
Odén
, Surf. Coat. Technol.
205
, 4005
(2011
). 11.
M.
Kato
, T.
Mori
, and L. H.
Schwartz
, Acta Metallur.
28
, 285
(1980
). 12.
I. C.
Schramm
, C.
Pauly
, M. P.
Johansson Jõesaar
, S.
Slawik
, S.
Suarez
, F.
Mücklich
, and M.
Odén
, Surf. Coat. Technol.
330
, 77
(2017
). 13.
K.
Calamba
, I.
Schramm
, M.
Johansson Jõesaar
, J.
Ghanbaja
, J.
Pierson
, F.
Mücklich
, and M.
Odén
, J. Appl. Phys.
122
, 065301
(2017
). 14.
I. C.
Schramm
, M. P.
Johansson Jõesaar
, J.
Jensen
, F.
Mücklich
, and M.
Odén
, Acta Mater.
119
, 218
(2016
). 15.
S.
PalDey
and S.
Deevi
, Mater. Sci. Eng. A
342
, 58
(2003
). 16.
H.
Gleiter
, Acta Mater.
48
, 1
(2000
). 17.
K.
Grönhagen
, J.
Ågren
, and M.
Odén
, Scripta Mater.
95
, 42
(2015
). 18.
D. J.
Seol
, S. Y.
Hu
, Y. L.
Li
, J.
Shen
, K. H.
Oh
, and L. Q.
Chen
, Acta Mater.
51
, 5173
(2003
). 19.
F.
Tasnádi
, I. A.
Abrikosov
, L.
Rogström
, J.
Almer
, M. P.
Johansson
, and M.
Odén
, Appl. Phys. Lett.
97
, 231902
(2010
). 20.
L.
Rogström
, J.
Ullbrand
, J.
Almer
, L.
Hultman
, B.
Jansson
, and M.
Odén
, Thin Solid Films
520
, 5542
(2012
). 21.
N.
Shulumba
, O.
Hellman
, L.
Rogström
, Z.
Raza
, F.
Tasnádi
, I. A.
Abrikosov
, and M.
Odén
, Appl. Phys. Lett.
107
, 231901
(2015
). 22.
J. W.
Cahn
and J. E.
Hilliard
, J. Chem. Phys.
28
, 258
(1958
). 23.
Y.-S.
Li
, S.-X.
Li
, and T.-Y.
Zhang
, J. Nucl. Mater.
395
, 120
(2009
). 24.
S. Y.
Hu
and L. Q.
Chen
, Acta Mater.
52
, 3069
(2004
). 25.
Y.
Zhu
, C.
Ophus
, J.
Ciston
, and H.
Wang
, Acta Mater.
61
, 5646
(2013
). 26.
M.
Hÿtch
, J.-L.
Putaux
, and J.
Thibault
, Philos. Mag.
86
, 4641
(2006
). 27.
M. J.
Hÿtch
, E.
Snoeck
, and R.
Kilaas
, Ultramicroscopy
74
, 131
(1998
). 28.
D.
Cooper
, T.
Denneulin
, N.
Bernier
, A.
Béché
, and J.-L.
Rouvière
, Micron
80
, 145
(2016
). 29.
M.
Moser
and P. H.
Mayrhofer
, Scripta Mater.
57
, 357
(2007
). 30.
E.
Etchessahar
, J. P.
Bars
, and J.
Debuigne
, J. Less Common Met.
134
, 123
(1987
). 31.
S.
Jeon
, C. J.
Van Tyne
, and H.
Lee
, Ceramics Int.
40
, 8677
(2014
). 32.
A. S. M.
Rao
and K.
Narender
, J. Thermodyn.
2014
, 123478
(2014
). 33.
H.
Ljungcrantz
, M.
Odén
, L.
Hultman
, J.
Greene
, and J. E.
Sundgren
, J. Appl. Phys.
80
, 6725
(1996
). 34.
C.-S.
Shin
, D.
Gall
, P.
Desjardins
, A.
Vailionis
, H.
Kim
, I.
Petrov
, J.
Greene
, and M.
Odén
, Appl. Phys. Lett.
75
, 3808
(1999
). 35.
D.
Gall
, C.-S.
Shin
, T.
Spila
, M.
Odén
, M.
Senna
, J.
Greene
, and I.
Petrov
, J. Appl. Phys.
91
, 3589
(2002
). 36.
H.
Söderberg
, M.
Odén
, A.
Flink
, J.
Birch
, POÅ
Persson
, M.
Beckers
, and L.
Hultman
, J. Mater. Res.
22
, 3255
(2011
). 37.
N.
Ghafoor
, L. J.
Johnson
, D. O.
Klenov
, J.
Demeulemeester
, P.
Desjardins
, I.
Petrov
, L.
Hultman
, and M.
Odén
, APL Mater.
1
, 022105
(2013
). 38.
A.
Le Febvrier
, J.
Jensen
, and P.
Eklund
, J. Vac. Sci. Technol. A
35
, 021407
(2017
). 39.
A.
McLeod
and C.
Gabryel
, Metall. Trans. A
23
, 1279
(1992
). 40.
H.-S.
Seo
, T.-Y.
Lee
, I.
Petrov
, J.
Greene
, and D.
Gall
, J. Appl. Phys.
97
, 083521
(2005
). 41.
H.
Rösner
, C. T.
Koch
, and G.
Wilde
, Acta Mater.
58
, 162
(2010
). 42.
K.
Thompson
, D.
Lawrence
, D. J.
Larson
, J. D.
Olson
, T. F.
Kelly
, and B.
Gorman
, Ultramicroscopy
107
, 131
(2007
). 43.
H.
Willmann
, M.
Beckers
, J.
Birch
, P. H.
Mayrhofer
, C.
Mitterer
, and L.
Hultman
, Thin Solid Films
517
, 598
(2008
). 44.
M. A.
Moram
, Z. H.
Barber
, C. J.
Humphreys
, T.
Joyce
, and P.
Chalker
, J. Appl. Phys.
100
, 023514
(2006
). 45.
A.
Kern
and W.
Eysel
, Mineralogisch-Petrograph Inst., University Heidelberg, Germany, ICDD Grant-in-Aid, 1993.46.
M.
Moram
and M.
Vickers
, Rep. Prog. Phys.
72
, 036502
(2009
). 47.
P. F.
Fewster
, X-Ray Scattering from Semiconductors and Other Materials
(World Scientific
, 2015
).48.
G.
Möbus
, G.
Necker
, and M.
Rühle
, Ultramicroscopy
49
, 46
(1993
). 49.
Z.
Wang
, M.
Saito
, K. P.
McKenna
, and Y.
Ikuhara
, Nat. Commun.
5
, 3239
(2014
). 50.
51.
A.
Ingason
, F.
Magnus
, S.
Olafsson
, and J.
Gudmundsson
, J. Vac. Sci. Technol., A
28
, 912
(2010
). 52.
D.-H.
Kim
, E.
Byon
, G.-H.
Lee
, and S.
Cho
, Thin Solid Films
510
, 148
(2006
). 53.
I.
Petrov
, P.
Barna
, L.
Hultman
, and J.
Greene
, J. Vac. Sci. Technol. A
21
, S117
(2003
). 54.
J.
Narayan
, Acta Mater.
61
, 2703
(2013
). 55.
U.
Oh
and J. H.
Je
, J. Appl. Phys.
74
, 1692
(1993
). 56.
J.
Pelleg
, L. Z.
Zevin
, S.
Lungo
, and N.
Croitoru
, Thin Solid Films
197
, 117
(1991
). 57.
D. G.
Sangiovanni
, F.
Tasnádi
, L.
Hultman
, I.
Petrov
, J. E.
Greene
, and V.
Chirita
, Surf. Sci.
649
, 72
(2016
). 58.
F.
Adibi
, I.
Petrov
, L.
Hultman
, U.
Wahlström
, T.
Shimizu
, D.
McIntyre
, J.
Greene
, and J. E.
Sundgren
, J. Appl. Phys.
69
, 6437
(1991
). 59.
J. W.
Cahn
, Acta Metallur.
10
, 179
(1962
). 60.
K. M.
Knowles
and P. R.
Howie
, J. Elast.
120
, 87
(2015
). 61.
M.
Odén
, H.
Ljungcrantz
, and L.
Hultman
, J. Mater. Res.
12
, 2134
(2011
). 62.
I. A.
Abrikosov
, A.
Knutsson
, B.
Alling
, F.
Tasnádi
, H.
Lind
, L.
Hultman
, and M.
Odén
, Materials
4
, 1599
(2011
). 63.
A.
Knutsson
, I.
Schramm
, K.
Asp Grönhagen
, F.
Mücklich
, and M.
Odén
, J. Appl. Phys.
113
, 114305
(2013
). 64.
R. C.
Ball
and R. L. H.
Essery
, J. Phys. Condens. Matter
2
, 10303
(1990
). 65.
B.
Alling
, A.
Karimi
, L.
Hultman
, and I.
Abrikosov
, Appl. Phys. Lett.
92
, 071903
(2008
). 66.
M.
to Baben
, M.
Hans
, D.
Primetzhofer
, S.
Evertz
, H.
Ruess
, and J. M.
Schneider
, Mater. Res. Lett.
5
, 158
(2017
). 67.
S. K.
Das
, S.
Puri
, J.
Horbach
, and K.
Binder
, Phys. Rev. Lett.
96
, 016107
(2006
). 68.
G.
Brown
and A.
Chakrabarti
, Phys. Rev. A
46
, 4829
(1992
). © 2019 Author(s).
2019
Author(s)
You do not currently have access to this content.