Nanomechanical inhomogeneities in CVA-deposited titanium nitride thin films: Nanoindentation and finite element method investigations

纳米压痕 材料科学 硬化(计算) 纳米压头 复合材料 缩进 薄膜 氮化钛 模数 弹性模量 氮化物 冶金 纳米技术 图层(电子)
作者
Neeraj Kumar Sharma,Anchal Rana,O. S. Panwar,Abhimanyu Rana
出处
期刊:Heliyon [Elsevier]
卷期号:10 (12): e33239-e33239
标识
DOI:10.1016/j.heliyon.2024.e33239
摘要

Refractory metals that can withstand at high temperatures and harsh conditions are of utmost importance for solar-thermal and energy storage applications. Thin films of TiN have been deposited using cathodic vacuum arc deposition at relatively low temperatures ∼300 °C using the substrate bias ∼ −60 V. The nanomechanical properties of these films were investigated using nanoindentation and the spatial fluctuations were observed. The nanoindentation results were simulated using finite element method through Johnson-Cook model. A parametric study was conducted, and 16 different models were simulated to predict the hardening modulus, hardening exponent, and yield stress of the deposited film. The predicted values of elastic modulus, yield stress, hardening modulus and hardening exponent as 246 GPa, 2500 MPa, 25000 MPa and 0.1 respectively are found to satisfactorily explain the experimental load-indentation curves. We have found the local nitridation plays an important role on nanomechanical properties of TiN thin films and confirms that the nitrogen deficient regions are ductile with low yield stress and hardening modulus. This study further opens the opportunities of modelling the nanoscale system using FEM analysis.
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