journal article·2008-02

Phase stabilities of self-organized nc-TiN/a-Si3N4 nanocomposites and of Ti1−xSixNy solid solutions studied by ab initio calculation and thermodynamic modeling

R.F. Zhang, S. Veprek

Thin Solid Films· Volume 516· Issue 8
Publisher page

Abstract

Abstract Bulk properties of stable binary fcc-TiN and hcp(β)-Si3N4, hypothetical fcc-SiN and hcp(β)-Ti3N4, and ternary Ti1 − xSixNy phases are calculated by ab initio method. The values of total energies are then used for thermodynamic calculations of the lattice instabilities of hypothetical binary phases of fcc-SiN and hcp-Ti3N4, and of the interaction parameters of ternary Ti1 − xSixNy phases. Based on these data, Gibbs free energy diagrams of the quasi-binary TiNy–SiNy system are constructed in order to study the relative phase stability of the metastable ternary fcc- and hcp-Ti1 − xSixNy phases over the entire range of compositions. The results are supported by the published data from chemical and physical vapor deposition experiments. The constructed Gibbs free energy diagram and phase selection diagram of quasi-binary TiNy–SiNy system in fcc structure show that metastable fcc-Ti1 − xSixN coatings should undergo chemically spinodal decomposition into coherent fcc-TiN and fcc-SiN. Due to a high lattice mismatch between fcc-TiN and hcp-Si3N4, and to much higher lattice instability of fcc-SiN with respect to stable hcp-Si3N4, only about one monolayer of pseudomorphic SiNy interfacial phase is stable.
Source: openaire · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Metal and Thin Film Mechanics · Advanced ceramic materials synthesis · Diamond and Carbon-based Materials Research

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

References (98)

Show source-provided references
1. Liu · Science · 1989 · 245 · 84110.1126/science.245.4920.841 ↗
2. Sproul · Science · 1996 · 273 · 88910.1126/science.273.5277.889 ↗
3. Teter · MRS Bull. · 1998 · 23 · 2210.1557/S0883769400031420 ↗
4. Veprek · J. Vac. Sci. Technol., A, Vac. Surf. Films · 1999 · 17 · 240110.1116/1.581977 ↗
5. Haines · Annu. Rev. Mater. Res. · 2001 · 31 · 110.1146/annurev.matsci.31.1.1 ↗
6. Brazhkin · Philos. Mag., A · 2002 · 82 · 23110.1080/01418610208239596 ↗
7. Kaner · Science · 2005 · 308 · 126810.1126/science.1109830 ↗
8. Veprek · Thin Solid Films · 2005 · 476 · 110.1016/j.tsf.2004.10.053 ↗
9. Veprek · Thin Solid Films · 2003 · 436 · 22010.1016/S0040-6090(03)00590-X ↗
10. Veprek · Thin Solid Films · 1995 · 268 · 6410.1016/0040-6090(95)06695-0 ↗
11. Männling · Surf. Coat. Technol. · 2001 · 146–147 · 26310.1016/S0257-8972(01)01474-8 ↗
12. 1992
13. Kuznetsov · Thin Solid Films · 1996 · 279 · 7510.1016/0040-6090(95)08144-5 ↗
14. Shalaeva · Thin Solid Films · 1999 · 339 · 12910.1016/S0040-6090(98)01259-0 ↗
15. Vaz · Surf. Coat. Technol. · 2000 · 133–134 · 30710.1016/S0257-8972(00)00947-6 ↗
16. Vaz · Surf. Coat. Technol. · 1999 · 120–121 · 16610.1016/S0257-8972(99)00450-8 ↗
17. Tanaka · Surf. Coat. Technol. · 2001 · 146–147 · 21510.1016/S0257-8972(01)01391-3 ↗
18. Flink · Surf. Coat. Technol. · 2005 · 200 · 153510.1016/j.surfcoat.2005.08.096 ↗
19. Christiansen · J. Vac. Sci. Technol., B · 1998 · 16 · 1910.1116/1.589778 ↗
20. Veprek · J. Vac. Sci. Technol., B · 2005 · 23 · L1710.1116/1.2131086 ↗
21. Veprek · Surf. Coat. Technol. · 2006 · 200 · 387610.1016/j.surfcoat.2004.11.023 ↗
22. Veprek · Surf. Coat. Technol. · 2007 · 201 · 606410.1016/j.surfcoat.2006.08.112 ↗
23. Zhang · Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process. · 2006 · 424 · 12810.1016/j.msea.2006.03.017 ↗
24. Hao · Phys. Rev. Lett. · 2006 · 97 · 08610210.1103/PhysRevLett.97.086102 ↗
25. Hao · Phys. Rev., B · 2006 · 74 · 03540210.1103/PhysRevB.74.035402 ↗
26. Argon · Mater. Res. Soc. Symp. Proc. · 2002 · 697 · 3
27. Veprek · J. Vac. Sci. Technol., B · 2002 · 20 · 65010.1116/1.1459722 ↗
28. Söderberg · J. Appl. Phys. · 2005 · 97 · 11432710.1063/1.1935135 ↗
29. Hu · J. Vac. Sci. Technol., A, Vac. Surf. Films · 2005 · 23 · 11410.1116/1.1821583 ↗
30. Dong · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 89 · 12191610.1063/1.2348092 ↗
31. Kasper · 1987 · vol. 170 · 101
32. Paul · Semicond. Sci. Technol. · 2004 · 19 · R7510.1088/0268-1242/19/10/R02 ↗
33. Söderberg · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 88 · 19190210.1063/1.2202145 ↗
34. Zhang · Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process. · 2007 · 448 · 11110.1016/j.msea.2006.10.012 ↗
35. Zhang · Acta Mater. · 2007 · 55 · 461510.1016/j.actamat.2007.04.029 ↗
36. Kresse · Phys. Rev., B · 1993 · 47 · 55810.1103/PhysRevB.47.558 ↗
37. Kresse · Comput. Mater. Sci. · 1996 · 6 · 1510.1016/0927-0256(96)00008-0 ↗
38. Kresse · Phys. Rev., B · 1996 · 54 · 1116910.1103/PhysRevB.54.11169 ↗
39. Vanderbilt · Phys. Rev., B · 1990 · 41 · 789210.1103/PhysRevB.41.7892 ↗
40. Perdew · Phys. Rev., B · 1992 · 45 · 1324410.1103/PhysRevB.45.13244 ↗
41. Monkhorst · Phys. Rev., B · 1976 · 13 · 518810.1103/PhysRevB.13.5188 ↗
42. Murnaghan · Proc. Natl. Acad. Sci. · 1944 · 30 · 24410.1073/pnas.30.9.244 ↗
43. Birch · J. Geophys. Res. · 1978 · 83 · 125710.1029/JB083iB03p01257 ↗
44. Vinet · J. Phys. C. Solid State Phys. · 1986 · 19 · L 46710.1088/0022-3719/19/20/001 ↗
45. Vinet · J. Phys., Condens. Matter · 1987 · 1 · 194110.1088/0953-8984/1/11/002 ↗
46. 1998
47. 1998 · vol. 1
48. Redlich · Ind. Eng. Chem. · 1948 · 40 · 34510.1021/ie50458a036 ↗
49. Borgen · Acta Chem. Scand. · 1961 · 15 · 178910.3891/acta.chem.scand.15-1789 ↗
50. Ching · Phys. Rev., B · 2000 · 61 · 869610.1103/PhysRevB.61.8696 ↗
51. Ching · J. Am. Ceram. Soc. · 1998 · 81 · 318910.1111/j.1151-2916.1998.tb02755.x ↗
52. Zhukov · J. Phys. Chem. Solids · 1988 · 49 · 84110.1016/0022-3697(88)90037-6 ↗
53. Shimizu · J. Phys. Soc. Jpn. · 1997 · 66 · 314710.1143/JPSJ.66.3147 ↗
54. Prilliman · Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process. · 2006 · 437 · 37910.1016/j.msea.2006.07.126 ↗
55. Li · Solid State Commun. · 1997 · 103 · 10710.1016/S0038-1098(97)00137-3 ↗
56. Vogelgesang · Appl. Phys. Lett. · 2000 · 76 · 98210.1063/1.125913 ↗
57. Hay · J. Am. Ceram. Soc. · 1998 · 81 · 266110.1111/j.1151-2916.1998.tb02674.x ↗
58. Srinivasa · J. Appl. Crystallogr. · 1977 · 10 · 16710.1107/S002188987701317X ↗
59. Cartz · J. Appl. Phys. · 1981 · 52 · 23610.1063/1.328484 ↗
60. Wendel · J. Chem. Phys. · 1992 · 97 · 504810.1063/1.463859 ↗
61. Mirgorodsky · Phys. Rev., B · 1993 · 48 · 1332610.1103/PhysRevB.48.13326 ↗
62. Hugosson · J. Appl. Phys. · 2003 · 93 · 1510.1063/1.1557779 ↗
63. Burton · Z. Met.kd. · 2001 · 92 · 514
64. Rose · Phys. Rev., B · 1984 · 29 · 296310.1103/PhysRevB.29.2963 ↗
65. 2001
66. Kresse · 2005
67. Zoroddu · Phys. Rev., B · 2001 · 64 · 04520810.1103/PhysRevB.64.045208 ↗
68. 1993
69. Holleck · Surf. Coat. Technol. · 1988 · 36 · 15110.1016/0257-8972(88)90145-4 ↗
70. Holleck · J. Vac. Sci. Technol., A, Vac. Surf. Films · 1986 · 4 · 266110.1116/1.573700 ↗
71. Niederhofer · Surf. Coat. Technol. · 2001 · 146–147 · 18310.1016/S0257-8972(01)01469-4 ↗
72. Musil · Thin Solid Films · 2005 · 478 · 23810.1016/j.tsf.2004.11.190 ↗
73. Zeman · Surf. Coat. Technol. · 2006 · 200 · 409110.1016/j.surfcoat.2005.02.097 ↗
74. Musil · Surf. Coat. Technol. · 2006 · 200 · 388610.1016/j.surfcoat.2004.12.004 ↗
75. Zeman · Appl. Surf. Sci. · 2006 · 252 · 831910.1016/j.apsusc.2005.11.038 ↗
76. Musil · Solid State Phenom. · 2007 · 127 · 3110.4028/www.scientific.net/SSP.127.31 ↗
77. Hillert · Acta Metall. · 1961 · 9 · 53610.1016/0001-6160(61)90156-0 ↗
78. Ditchek · Annu. Rev. Mater. Sci. · 1979 · 9 · 21910.1146/annurev.ms.09.080179.001251 ↗
79. Cahn · J. Chem. Phys. · 1958 · 28 · 25810.1063/1.1744102 ↗
80. Cahn · Acta Metall. · 1961 · 9 · 79510.1016/0001-6160(61)90182-1 ↗
81. Cahn · Acta Metall. · 1963 · 11 · 127510.1016/0001-6160(63)90022-1 ↗
82. Cahn · Trans. Metall. Soc. AIME · 1968 · 242 · 166
83. Cahn · Scand. J. Metal. · 1991 · 20 · 9
84. Pinardi · J. Appl. Phys. · 1998 · 83 · 472410.1063/1.367261 ↗
85. Jain · Philos. Mag., A · 1997 · 75 · 146110.1080/01418619708223740 ↗
86. 1994 · vol. 24
87. Madan · Phys. Rev. Lett. · 1997 · 78 · 174310.1103/PhysRevLett.78.1743 ↗
88. Veprek · Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process. · 2004 · 366 · 20210.1016/j.msea.2003.08.052 ↗
89. Li · Compos. Sci. Technol. · 2005 · 65 · 73510.1016/j.compscitech.2004.10.007 ↗
90. Fang · Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process. · 2006 · 442 · 32810.1016/j.msea.2006.01.150 ↗
91. Prochazka · Mater. Sci. Eng., A Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process. · 2004 · 384 · 10210.1016/j.msea.2004.05.046 ↗
92. Karvankova · Surf. Coat. Technol. · 2006 · 200 · 297810.1016/j.surfcoat.2005.01.003 ↗
93. Kong · Acta Phys. Sin. · 2005 · 54 · 377410.7498/aps.54.3774 ↗
94. Veprek · J. Vac. Sci. Technol., A, Vac. Surf. Films · 1996 · 11 · 4610.1116/1.579878 ↗
95. Zhang · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 90 · 19190310.1063/1.2737376 ↗
96. Veprek · Surf. Coat. Technol. · 2000 · 133–134 · 15210.1016/S0257-8972(00)00957-9 ↗
97. 1978
98. 1978 · vol. I