Theoretical Investigation on Elastic, Thermal and Ultrasonic Properties of Nanostructured HfN layers Growth on MgO (001) Substrate

Прамод Кумар Ядава; Прашант Шрівастав

doi:10.15330/pcss.26.1.181-189

Автор(и)

Прамод Кумар Ядава Університет Вір Бахадур Сінгх Пурванчал, Джаунпур, Уттар-Прадеш, Індія
Прашант Шрівастав Університет Вір Бахадур Сінгх Пурванчал, Джаунпур, Уттар-Прадеш, Індія

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.1.181-189

Ключові слова:

Тонкий шар, Пружні властивості, Теплопровідність, Ультразвукові властивості

Анотація

У цьому дослідженні для обчислення пружних, механічних і теплофізичних властивостей наноструктурованих матеріалів HfN/MgO (001) в діапазоні температур від 50 до 300 К використано коефіцієнти пружності вищого порядку. Два важливі фактори, які враховуються при обчисленні постійних пружності другого та третього порядку в діапазоні температур від 50 К до 300 К, це відстань найближчого сусіда та параметр твердості. Оцінено термічні та механічні характеристики наноструктурного шару HfN/MgO (001). Аналітичні результати пружних констант другого порядку використано для визначення модуля Юнга, теплопровідності, анізотропії Зенера, об’ємного модуля, густини теплової енергії, модуля зсуву та коефіцієнта Пуассона. Крім того, середня швидкість за Дебаєм, твердість, температура плавлення та ультразвукові параметри Грюнайзена (UGP) були оцінені залежно від температури. Співвідношення руйнування / в’язкість (B/G) у цьому дослідженні перевищує 1,75, що вказує на те, що наноструктурований шар HfN/MgO (001) є пластичним у цьому діапазоні температур. Вибрані матеріали повністю задовольняють критерію механічної стійкості Борна. Було оцінено, скільки часу займає термічна релаксація, як термопружна релаксація послаблює ультразвукові хвилі та як процеси фонон-фононної взаємодії послаблюють ультразвукові хвилі в цьому середовищі. Результати досліджень та інші добре відомі фізичні характеристики корисні для комерційного застосування.

Посилання

C. Stampfl, W. Mannstadt, R. Asahi, A. J. Freeman, Electronic structure and physical properties of early transition metal mononitrides: Density-functional theory LDA, GGA, and screened-exchange LDA FLAPW calculations Phys. Rev. B, 63, 155106 (2001); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.155106.

A. Delin, A.O. Eriksson, R. Ahuja, B. Johansson, M.S.S. Brooks, T. Gasche, S. Auluck, J.M. Wills, Optical properties of the group-IVB refractory metal compounds. Phys. Rev. B, 54, 1673 (1996); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.1673.

J. E. Sundgren, B. O. Johansson, A. Rockett, S. A. Barnett, J.E. Greene, Physics and Chemistry of protective coatings, AIP Conf. Proc. No. 149 AIP, New York, 95 (1986).

C. S. Shin, D. Gall, N. Hellgren, J. Patscheider, I. Petrov, J. E. Greene, Vacancy hardening in single-crystal TiNx (001) layers, J. Appl. Phys. 93, 6025 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1568521.

T.B. Massalski, ASM International Metals Park 2090, (1990).

B.O. Johansson, U. Helmersson, M.K. Hibbs, J.E Sundgren, Reactively magnetron sputtered HfN films II. Hardness and electrical resistivity, J. Appl. Phys.k 58, 3104 (1985); https://doi.org/10.1063/1.335813.

N. Savvides, B. Window, Electrical transport, optical properties, and structure of TiN films synthesized by low energy ion-assisted deposition, J. Mater. Res.k 1, 224 (1986); https://doi.org/10.1063/1.341468.

S.A. Barnett, L. Hultman, J.E. Sundgren, F. Ronin, S. Rohde, Epitaxial growth of ZrN on Si (001), Appl. Phys. Lett., 53, 400 (1988); https://doi.org/10.1063/1.99891.

K. Tanabe, H. Asano, Y. Katoh, O. Michigami, Properties of Superconducting ZrN Thin Films Deposited by dc Reactive Magnetron Sputtering, Japanese J. Appl. Phys., 26, 570 (1970).

H. Yanagisawa, K. Sakaki, Y. Abe, M. Kawamura, S. Shinkai, Epitaxial Growth of (001) ZrN Thin Films on (001) Si by Low Temperature Process, Japan J. Appl. Phys., 44, 343 (2005);

R. D. Bringans, P. Steiner, T. Wolf, Photoemission study of the electronic structure of stoichiometric and sub stoichiometric TiN and ZrN, Phys. Rev. B, 25, 7183(1982).

H. Ljungcrantz, M. Oden, L, Hultman, J. E. Greene, J. E. Sundegren, Nano indentation studies of single‐crystal (001) ‐, (011) ‐, and (111) ‐oriented TiNx layers on MgO, J. Appl. Phys., 80, 6725(1995); https://doi.org/10.1063/1.363799.

P. Villars, L. D. Calvert, Person’s handbook of crystallographic data for intermetallic phases, ASM International, Materials Park OH (1991).

K. Brugger, Thermodynamic Definition of Higher Elastic Coefficients, Phys. Rev., 133, A1611 (1964); https://doi/10.1103/PhysRev.133.A1611.

P.B. Ghate, Third-Order Elastic Constant of Alkali Halide Crystals, Phys. Rev., 139, A1666 (1965); https://doi.org/10.1103/PhysRev.139.A1666.

S. Mori, Y. Hiki, Calculations of the Third and Fourth-Order Elastic Constants of Alkali Halide Crystals, J. Phys. Soc. Japan, 45, 1449 (1975): https://doi/10.1143/JPSJ.45.1449.

P. K. Yadawa, R. R. Yadav, Ultrasonic Study of Intermediate-valent Intermetallic YbAl2 at different physical conditions, Multidiscipline Modelling in Materials and Structures, 5, 59 (2009); https://doi.org/10.1108/15736105200900004.

R. Hill, The Elastic Behavior of Crystalline Aggregate, Proc. Phys. Soc. Sec. A, 65, 349 (1952); https://doi.org/10.1088/0370-1298/65/5/307.

D. Singh, S. Kaushik, S. Tripathi, V. Bhalla, A. K. Gupta, Mechanical and thermo-physical properties of the rare earth Monopnictides, Arab J Sci Eng., 39, 485 (2014); https://doi.org/10.1007/s13369-013-0845-1.

S. F. Pugh, Relation between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals, Philos. Mag., 45, 823 (1954); https://doi.org/10.1080/14786440808520496.

D. G. Pettifor, Theoretical predictions of structure and related properties of intermetallic, Mater. Sci. Technol., 8, 345 (1992); https://doi.org/10.1179/mst.1992.8.4.345.

S. Bhajanker, V. Srivastava, G. Pagare, S.P. Sanyal, J. Phys. Conf. Ser., 377 (2012); https://link.springer.com/article/10.1007/s10765-016-2038-0.

Q.X. Chen, H. Niu, D. Li, Y. Li, Modeling Hardness of Polycrystalline Materials and Bulk Metallic Glasses, Intermetallics, 199, 1275 (2012); https://link.springer.com/article/10.1007/s10765-016-2038-0.

M.E. Fine, L.D. Brown, H.L. Marcus, Elastic Constants versus Melting Temperature in Metals, Scripta Metall., 18, 951 (1984); https://doi.org/10.1016/0036-9748(84)90267-9.

V. Bhalla, D. Singh, S. K. Jain, Mechanical and thermo-physical properties of the rare earth Monopnictides, International Journal of Computational Materials Science and Engineering, 5, 1650012 (2016); http://dx.doi.org/10.1142/S2047684116500123.

W. P. Mason, Academic Press Inc., 237, (1965); https://www.worldcat.org/title/physical-acoustics-principles-and-methods-vol-1-part-a/oclc/463203402.

W.P. Mason, Relation between Third order Elastic Moduli and the Thermal Attenuation of Ultrasonic Wave in Non-conducting and Metallic Crystals, J. Acoustic Soc., 40, 852 (1966); https://doi.org/10.1121/1.1910158.

D.E. Gray, AIP Handbook, 3rd edition (New York, Mc Graw Hill Co. 1956); http://web.ipb.ac.id/~erizal/hidrolika/Chow%20-%20OPEN%20CHANNEL%20HYDRAULICS.pdf.

C. Oligschleger, R.O. Jones, S. M. Riemann, H. R. Schober, Erratum: Model interatomic potential for simulations in selenium, Phys. Rev., 102, 6165 (2020); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.099901.

H.S. Seo, T.Y. Lee, I. Petrov, J.E. Greene, Growth and physical properties of epitaxial HfN layers on MgO (001), J. Appl. Phys., 96, 878 (2004); https://doi.org/10.1063/1.1759783.

M. Landa, V. Novak, P. Sedlak, P. Sittner, Ultrasonic characterization of Cu, Al, Ni single crystals lattice stability in the vicinity of the phase transition, Ultrasonics, 42, 519 (2004); https://doi.org/10.1016/j.ultras.2004.01.029.

A.K. Prajapati, S. Rai, P. Srivastav, P. K. Yadawa, Theoretical investigation on mechanical, thermal and ultrasonic properties of epitaxial nanostructured ZrN layers growth on MgO (001) substrate, Chem.Phys. Mater., 2, 253 (2023); https://doi.org/10.1016/j.chphma.2023.02.003.

V. Kanchana, G. Vaitheeswaran, X. Zhang, Y. Ma, A. Svane, O. Eriksson, Lattice dynamics and elastic properties of 4f electron system: CeN, Phys. Rev. B, 84, 205135 (2011); http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.84.205135.

N. Yadav, S.P. Singh, A.K. Maddheshiya, P.K. Yadawa, R.R. Yadav, Mechanical and thermo-physical properties of high-temperature IrxRe1−x alloys, Phase Transitions, 93, 883 (2020); https://doi.org/10.1080/01411594.2020.1813290.

P.K. Yadawa, Effect of temperature dependent ultrasonic velocities and attenuation of GaP nanowire, Journal of theoretical and applied physics, 10, 1 (2016); https//doi.org/10.1007/s40094-016-0216-x.

D. Singh, P.K. Yadawa, S.K. Sahu, Effect of electrical resistivity on ultrasonic attenuation in NpTe, Cryogenics, 50, 476 (2010); https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2010.04.005.