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.

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
).
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.
M.
Ohring
,
Materials Science of Thin Films
(
Elsevier
,
2001
).
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
).
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.
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
).
You do not currently have access to this content.