1.2 .1Màng đơn lớp
1.3 Cấu trúc màng phủ nitrua
1.3.1. Cấu trúc của màng TiN và AlN
Màng phủ cứng TiN là vật liệu đầu tiên được ứng dụng phủ lên các dụng cụ cắt gọt để cải thiện đặc tính của vật liệu nền. Cấu trúc tinh thể của TiN có dạng lập phương của ḿi NaCl (B1, c-TiN) như chỉ ra trên hình 1.12a. Thơng sớ mạng của TiN đã được xác định a = 4,24 Ao và cấu trúc liên kết có dạng hỗn hợp của ba loại là: liên kết hóa trị, liên kết kim loại và liên kết ion [59-60]. Liên kết hóa trị là sự giải thích cho độ cứng cao (20 GPa) và có cấu trúc dạng đơn tinh thể [61]. Khi TiN được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron, độ cứng thu được 28-30 GPa bởi vì điều kiện chế tạo gây ra sự sai lệch mạng tinh thể làm tăng độ cứng [62]. Màng TiN có thể chế tạo bằng phương pháp PVD hoặc CVD, có màu vàng và có cơ lý tính tớt. Tuy nhiên, tại nhiệt độ cao hơn 450oC, tớc độ ơ xi hóa của màng TiN rất
nhanh và đây cũng là nhược điểm khi sử dụng màng TiN phủ lên các dụng cụ hoặc chi tiết làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao. Ở trạng thái ổn định, AlN có dạng cấu trúc wurtzite lục giác (B4, h-AlN) như chỉ ra trên hình 1.12b [59].
Hình 1.12. Cấu trúc tinh thể của màng: a) cấu trúc B1, NaCl; b) cấu trúc B4
wutzite [59].
1.3.2. Cấu trúc màng TiAlN
Đến năm 1980, kim loại nhôm (Al) đã được đưa vào màng phủ TiN để cải thiện khả năng chớng ơ xi hóa của màng TiN. Theo nhiệt động học ở trạng thái cân bằng h-AlN hòa tan vào TiN chỉ vài phần trăm nguyên tử [63] nhưng khi màng có cấu trúc c-TiAlN được chế tạo bằng phương pháp PVD, hàm lượng Al hòa tan lên đến 67%. Cụ thể, hàm lượng Al hòa tan vào TiN khoảng 40% trong phương pháp phún xạ và hàm lượng Al hịa tan 60-67% trong pháp bớc bay hồ quang [64]. Khi đó cấu trúc của màng c-TiAlN giớng với cấu trúc của màng c-TiN cùng với nguyên tử Al phân bớ ngẫu nhiên vào vị trí của Ti trong mạng tinh thể (Hình 1.13).
Nếu hàm lượng Al đưa vào quá thấp hoặc quá cao có thể hình thành pha wurtzite lục giác hw-AlN (hexagon wurtzite – AlN). Đây là nguyên nhân gây giảm độ cứng cho màng phủ vì pha hw-AlN là loại pha mềm hơn so với pha có cấu trúc dạng lập phương tâm mặt fcc - TiAlN (face centered cubic-TiAlN). Thêm vào đó, Makio và Miyake [65] đã nghiên cứu chế tạo màng TiM-Al-N với công nghệ chế tạo khác nhau và các thông số công nghệ cũng được thay đổi. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng với mỗi công nghệ chế tạo và các thơng sớ cơng nghệ khác nhau, sự hình thành pha có cấu trúc dạng lập phương tâm mặt hoặc dạng lục giác tại hàm lượng Al cũng khác nhau. Ngoài ra, việc giảm thông số mạng cùng với tăng hàm lượng Al được quan sát trong hệ thống màng Tm-Al-N cho biết sự hình thành dung dịch rắn, các nguyên tử Al nhỏ hơn thay thế vào vị trí của TM. Khi hàm lượng Al chiếm khoảng 70%, chỉ có cấu trúc lập lượng tâm mặt được hình thành, lúc này tất cả các nguyên tử Al thay thế vào vị trí của Ti trong pha TiN. Với trường hợp hàm lượng Al khoảng 20% sẽ hình thành pha wurzite lục giác.
1.3.3. Cấu trúc màng CrN
Màng phủ cứng CrN có tính chất vượt trội hơn các màng phủ cứng khác là khả năng chớng ăn mịn [66-67], đặc biệt đới với mơi trường a xít Cl, F và độ bền trên 600 oC [68,69].
Hình 1.14. Cấu trúc tinh thể của màng CrN.
Cấu trúc cuả hệ Cr-N tồn tại 3 pha rắn: ɑ - Cr có dạng lập phương tâm khới (BBC), CrN có dạng lập phương tâm mặt (FCC), cịn Cr2N có cấu trúc thuộc hệ sáu phương (lục giác). Điều này được quyết định bởi điều kiện và phương pháp chế tạo màng. Trong đó, phương pháp phún xạ magnetron DC được sử dụng phổ biến nhất
do có sự bắn phá của ion năng lượng cao nên màng tạo được có độ bám dính tớt, đồng nhất, độ dày lớp chỉ vài micromet. Màng CrN có độ cứng khoảng 20-25 GPa, hệ số ma sát 0,5 và độ bền nhiệt > 700oC và có màu xám bạc [68].