Zpět
Tailoring nanostructure and functional properties of sputter-deposited Cu-based films by Zr alloying
| Citace: |
ZHADKO, M.; BENEDIKTOVÁ, A.; ČERSTVÝ, R.; HOUŠKA, J.; ČAPEK, J.; KOLENATÝ, D.; BAROCH, P.; ZEMAN, P. Tailoring nanostructure and functional properties of sputter-deposited Cu-based films by Zr alloying. San Diego, USA, 2025.51st International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF 2025).
|
|---|---|
| Druh: | PŘEDNÁŠKA, POSTER |
| Jazyk publikace: | eng |
| Anglický název: | Tailoring nanostructure and functional properties of sputter-deposited Cu-based films by Zr alloying |
| Rok vydání: | 2025 |
| Místo konání: | San Diego, USA |
| Autoři: | Mariia Zhadko , Ing. Anna Benediktová , Ing. Radomír Čerstvý Ph.D. , prof. Ing. Jiří Houška Ph.D. , doc. Ing. Jiří Čapek Ph.D. , Ing. David Kolenatý Ph.D. , doc. Ing. Pavel Baroch Ph.D. , prof. Ing. Petr Zeman Ph.D. |
| Abstrakt CZ: | Cu a vrstvy na bázi Cu, známé svou vynikající elektrickou a tepelnou vodivostí, se uplatňují především v elektronických zařízeních a elektrotechnickém průmyslu. Zavádění různých mechanismů zpevnění však často vede ke snížení vodivosti. V této práci jsme připravili nanokrystalické Cu?Zr vrstvy s nízkým obsahem Zr v rozmezí 0 až 2,7 at. % pomocí magnetronového naprašování z Cu a Zr terčů v čistém Ar při tlaku ~ 0,5 Pa. Ukazujeme, že legování Zr v uvedeném koncentračním rozmezí je účinným přístupem k úpravě struktury a vlastností naprašovaných vrstev, přičemž nejvýraznější změny se objevují mezi 0,3 a 1,3 at. % Zr. Mimo toto rozmezí dochází pouze k menším změnám mikrostruktury a mechanických vlastností, zatímco rozpustnost, elektrická rezistivita a drsnost povrchu dále narůstají. Naše systematické zkoumání ukazuje, že během depozice vrstev dochází k redistribuci atomů Zr mezi přesyceným tuhým roztokem a hranicemi zrn, což vede k tvorbě komplexní mikrostruktury spolu s výrazným oslabením textury a zjemněním struktury. Výsledkem je, že legované Cu?Zr vrstvy vykazují tvrdost mezi 3,2 a 4,2 GPa, což přesahuje hodnotu 2,5 GPa pozorovanou u nelegované Cu vrstvy. Toto zvýšení tvrdosti lze přičíst kombinovanému účinku zpevnění na hranicích zrn v důsledku zjemnění struktury a segregace Zr a dále zpevněním tuhého roztoku. Pozorované zvýšení elektrické rezistivity je primárně způsobeno rozptylem elektronů na atomech Zr rozpuštěných v mřížce Cu a dodatečným rozptylem na hranicích zrn, zejména při obsahu Zr nad 1,5 at. %. Přesto vykazují Cu?Zr vrstvy po depozici kombinaci tvrdosti a elektrické vodivosti, která je srovnatelná nebo lepší než hodnoty uváděné v literatuře. |
| Abstrakt EN: | Cu and Cu-based films, known for their superior electrical and thermal conductivity, find primary applications in electronic devices and the electrical industry. However, the implementation of various strengthening mechanisms often compromises the conductivity. In this work, we prepared nanocrystalline Cu?Zr films with a minor Zr content ranging from 0 to 2.7 at. % using direct current magnetron co-sputtering of separate Cu and Zr targets in pure Ar at a pressure of ~ 0.5 Pa. We demonstrate that Zr alloying within the investigated composition range is an effective approach for modifying the structural state and properties of sputter-deposited films, with the most notable changes observed between 0.3 and 1.3 at.% Zr. Beyond this range, only minor changes in the microstructure and mechanical properties are observed, while the solubility, electrical resistivity, and surface roughness continue to rise. Our systematic investigation shows that during film deposition, a redistribution of Zr atoms occurs between the supersaturated solid solution and grain boundaries resulting in the formation of a complex microstructure along with significant texture weakening and structural refinement. As a result, the alloyed Cu?Zr films exhibit hardness values between 3.2 and 4.2 GPa, exceeding the 2.5 GPa observed in the unalloyed Cu film. This hardness enhancement is attributed to the combined effect of grain boundary strengthening due to the structural refinement and Zr segregation, and solid solution strengthening. An observed increase in electrical resistivity is primarily attributed to electron scattering by Zr atoms dissolved in the Cu lattice and additional scattering at the grain boundaries, especially at Zr contents above 1.5 at.%. However, the as-deposited Cu?Zr films exhibit a combination of hardness and electrical conductivity that is comparable to or better than reported values in the literature. |
| Klíčová slova |
Zpět