NEW TYPE FUNCTIONAL ALLOY FILMS  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
112156
Type NN
Principal investigator Radnóczi, György
Title in Hungarian ÚJ TÍPUSÚ FUNKCIONÁLIS ÖTVÖZET-RÉTEGEK
Title in English NEW TYPE FUNCTIONAL ALLOY FILMS
Keywords in Hungarian ötvözet vékonyrétegek, nagy entrópiájú ötvözetek, szerkezet-tulajdonság kapcsolatok, szerkezetkialqakulás
Keywords in English alloy films, high entropy alloys, structure formation, structure-property relations
Discipline
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)50 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)30 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Physics
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Participants Arfaoui, Mohamed
Czigány, Zsolt
Hajagos-Nagy, Klára
Lábár, János
Misják, Fanni
Pécz, Béla
Starting date 2015-02-01
Closing date 2020-01-31
Funding (in million HUF) 23.031
FTE (full time equivalent) 10.14
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A tervezett projekt célja, hogy a folyamatosan fejlődő modern technológia kihívásaihoz illeszkedő új típusú vékonyréteg szerkezetek fejlesztéséhez hozzájáruljon. A klasszikus ötvözetekkel szemben a nagy entrópiával jellemezhető ötvözet anyagok minimum öt fő összetevőből állnak, amelyek mennyisége 5-35 at%. Az anyagra jellemző nagy keveredési entrópia biztosítja a rendszer stabilitását és rendszerint viszonylag egyszerű (kristály)szerkezeteket is eredményez. A terület újdonsága miatt még nincsen átfogó képünk ezekről az anyagokról, különösen nem vékonyréteg formában. A projekt fő célkitűzése, hogy a nagy entrópiával jellemezhető fémötvözet-, illetve fémötvözet-szén kompozit vékonyréteg-rendszerekben megértsük a porlasztás során és a plazmában lejátszódó folyamatokat és a rétegnövekedésre jellemző szerkezet-kialakulási mechanizmusokat, a kialakuló morfológiákat és feltárjuk az optimális stabilitási feltételeket. Ezen célok elérésének eszköze a transzmissziós elektronmikroszkópia által elérhető szubnanométeres szerkezeti és összetételbeli információk felhasználása. További célkitűzés a kiválasztott anyagrendszer mechanikai tulajdonságainak vizsgálata, a szerkezet-tulajdonság kapcsolat feltérképezése.
Az együttműködés előzményei a IUVSTA Vékonyréteg Diviziójában szervezett worshop-ok, amelyek rendszeresen tárgyaltuk a rétegkialakulás mechanizmusait. Ezeken alakult ki igény és együttműködési szerveződés egy olyan közös kutatás létrehozására, amelyben a teljes folyamat áttekinthető annak fizikai paramétereivel együtt: a targetek felületi szerkezetétől az atomi fluxusokon keresztül egészen a kialakuló réteg szerkezetéig.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdése, hogy a HEA vékony rétegek kialakulásában a konfigurációs entrópia és a kinetikai folyamatok milyen szerepet játszanak? A feltételezés (hipotézis) az, hogy megfelelően részlenes, szubnanométeres szerkezeti és morfológiai információk birtokában és a target valamint a plazma folyamatainak ismeretében az adott növesztési körülmények között szerepet játszó és domináns folyamatok visszafejthetők, meghatározhatók. Ennek alapján egy növekedési modell létrehozható, amelynek segítségével a további gyakorlatiasabb kérdések:
Elő lehet-e állítani a nanoszerkezeti és funkcionális tulajdonságok új kombinációját HEA ötvözetek létrehozásával?
Hogyan segíthet ennek tervezhetőségében a HEA szerkezetek szubnanométer színtű feltárása?
is megválaszolhatók.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az irodalomban jelenleg nem található a nagy entrópiájú ötvözet vékonyrétegek szerkezet-kialakulásának atomi mechanizmusait és kinetikáját feltáró és az ilyen típusú rétegek technológiai alkalmazásának tudományos hátterét megalapozó munka. A pályázott kutatás jelentősége így az alábbi területeken jelentkezik:
1. Hozzájárul a nagy entrópiájú ötvözet vékonyrétegek átfogó megértéséhez, feltárva a szerkezet kialakulás atomi mechanizmusait.
2. Az első részletes kutatás a nagy entrópiájú ötvözet vékonyrétegek nanométeres skálán történő fázisszétválási folyamataira irányulóan, beleértve a szénnel való adalékolás hatásának vizsgálatát a funkcionális tulajdonságokra.
3. Az ipari alkalmazások részére bővíti az alkalmazható anyagok körét azáltal, hogy feltárja és optimalizálja a nagy entrópiájú anyagok szerkezetének és a funkcionális tulajdonságainak a kapcsolatát, ill. feltérképezi a lehetséges deformációs mechanizmusokat.
4. A legmodernebb mikroszkópos vizsgálati eszközöket használva a szerkezeti jellemzés új lehetőségeit tárja fel és nanométer szinten szolgáltat szerkezeti és analitikai információt a fenti célok eléréséhez.
5. A nemzetközi együttműködő partnerek komplementer ismereteinek integrálásával nemzetközi mércével mérve is lehetővé válik a többkomponensű ötvözetrétegek tervezhetőségének előmozdítása.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A tervezett projekt célja, hogy a folyamatosan fejlődő modern technológia kihívásaihoz illeszkedő vékonyrétegek fejlesztéséhez hozzájáruljon. A jelenleg elterjedten használt fém alapú ötvözet anyagok mind egy, vagy két fő komponenssel rendelkeznek, ami jelentősen lecsökkenti a szóba jövő ötvözettípusok számát, ezzel korlátot állítva a fejlesztések és tulajdonság-kombinációk sokszínűsége elé. Több fő komponens alkalmazása esetén viszont hiányzik a kellő háttértudás: gyakran pl. nem áll rendelkezésre megfelelő fázisdiagram, és a kialakuló, sokszor a nanométeres méretskálán is bonyolult szerkezeteket sem könnyű értelmezni. Kérdéseket vet fel a rétegek szerkezeti és tulajdonságbeli stabilitása is. Az újdonságnak számító ötvözet anyagok minimum öt összetevőből állnak, amelyek mennyisége 5-35 at%. A több fő elem miatt a lehetséges ötvözet-variációk száma igen jelentős, ami változatos funkcionális tulajdonságokat is ígér. A lehetőségek kiaknázásához, a terület újdonsága miatt, még nincsen átfogó tudományos képünk ezekről a sok-komponensű anyagokról. A projekt célkitűzése hogy ezen változtassunk. A fő célkitűzés, hogy sikerüljön megérteni az ezekben a vékonyréteg-rendszerekben kialakuló szerkezeteket és morfológiákat, s feltárni az optimális stabilitási feltételeket. További célkitűzés a kiválasztott anyagrendszer mechanikai tulajdonságainak vizsgálata, és emellett a szerkezet és a mechanikai tulajdonságok közötti kapcsolat feltérképezése. Mindezeken keresztül pedig az új típusú ötvözetrétegek tudományos tervezhetőségének előmozdítása a cél.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main objective of the proposal is to contribute to the development of thin films for continuously demanding new solutions in modern technologies. Contrary to classical alloys, the apparently new and characterised by high configurational entropy alloys (HEA) consist of at least five main components, each of which is present in 5-35 at% quantity. The high configurational entropy of mixing ensures the stability of the system and results in relatively simple atomic structures/unit cells. Moreover, as the field is quite new, there is no comprehensive scientific view on understanding of the HEA materials especially in thin film form. The main objective of the application is to understand the DC sputtering processes and plasma contribution to film formation mechanisms and morphologies as well as to gather information on structural and functional stability of HEA films and HEA-carbon nanocomposite layers. The main tool to reach the objective is the collection of subnanometre structural and analytical information mainly by electron microscopy techniques. A further goal is the investigation of the mechanical properties of selected compositions, mapping of the structure-property relations. It is an overall objective to facilitate the tailoring of the structure, composition and properties of the HEA and HEA–carbon composite layers.
The initiation of the co-operation in this field originates from the IUVSTA workshops, discussing regularly the mechanisms of thin film formation. It was decided there that a common project and co-operatin covering the whole process from targets through atom fluxes to growth surface and formation of the film structure must be overviewed.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The basic question of the investigation is that what kind of role the konfigurational entropy and the kinetic processes taking place during growth are playing in structural and morphologic development of HEA films? The hypothesis is, that subnanometre structural and morphological information as well as the knowledge of target and plasma processes provides sufficient information for retrvial of the atomic processes and their dominancy in selected growth conditions. On this basis the growth model of multicomponent HEA films can be set up and more practical questions can also be formulated like: Whether it is possible to make new combinations of structural and functional properties by applying HEA films? How the subnanometre structural information can facilitate tayloring these properties?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
It is not straightforward to find even a single paper in the literature dealing with structure formation mechanisms and kinetics of high entropy alloy (HEA) films and establishing the scientific background of their technological application. Consequently, the importance of the present application can be formulated as follows:
1. It contributes to the comprehensive understanding of HEA films exploring the atomic mechanisms of their structure formation.
2. This is one of the first attempts to reveal the nanometre scale phase separation processes is HEA films.
3. It broadens the choice of available materials for technologic applications by revealing and optimizing the relations between structural and functional properties of HEA films including the effect of carbon additions, as well as mapping the deformation mechanisms in these systems.
4. Using the most modern electron microscopy techniques reveals new dimension of structural characterisation and provides nanometre scale structural and analytical information for achieving the above mentioned goals.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The main objective of the proposal is to contribute to the development of thin films for modern technologies, continuously demanding new solutions. The presently used metal based materials all possess one or two basic components. This definitely limits the number of possible alloys limiting by this the development of multifunctional materials. In the case of many components there is large room for alloy/property varieties. However, the comprehensive knowledge necessary for planning or tailoring multicomponent alloys and properties is lacking. The main objective of the application is to add basic knowledge to the science of multicomponent films. In addition, the interpretation of the structures, rather complex on nanometre scale, is also not straightforward. The range of structural and functional stability of these films is also a question. The apparently new multicomponent alloys consist of at least five main components, each of them in 5-35 at% quantity. One main objective of the application is to understand the film formation mechanisms and morphologies as well as to gather information on structural and functional stability of alloy films and alloy-carbon nanocomposite layers. A further goal is the investigation of the mechanical properties of the selected compositions, mapping of the structure-property relations and optimization of a selected property in the view of the possible application. It is an overall objective to facilitate tailoring structure, composition and properties of multicomponent alloy films and alloy–carbon composite layers.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatásokat két-, és többkomponensű rétegeken végeztük. A Cu-Ag nano-részecskék rendszerét vizsgálva kimutattuk, hogy az összetevők szétválása spinodális úton is végbemehet. A folyamat méret és összetételfüggő. Számítógépes szimulációkkal megmutattuk, hogy ez a mechanizmus a spinodális hullámhossz összetétel-függésével megmagyarázható. A Cu-Mn rétegek kutatása során megmutattuk, hogy SiO2 felületén belőlük önképző diffúziós barrier jön létre. A kutatások a Cu-Mn rétegek integrált áramköri alkalmazhatóságát célozták. Ni-Mo elektrolitikus rétegekben feltártuk a hibaszerkezet szerepét a deformáció során fellépő kilágyulási folyamatokban. A többkomponensű rétegeket elsősorban szerkezeti sajátosságaik miatt vizsgáltuk. A CrFeCoNiCu rétegekben megmutattuk egy hatodik összetevő (Nb, In, Ge) hatását a kristályos vagy amorf szerkezet kialakulására és a jelenségre magyarázatot adtunk. In-situ elektronmikroszkópia módszerével vizsgáltuk az alapötvözet rétegek termikus stabilitását. Az alap FCC szerkezet 400oC-ig stabil, majd diffúzió nélküli átalakulással BCC kristályok keletkeznek benne. A komponensek szétválása és új fázisok kialakulása 550 oC fölött indul meg. A többkomponensű (CrMnFeCoNi)oxid, -nitrid és –oxinitrid rétegek kialakulási folyamatait vizsgálva feltártuk ezen rétegek szerkezeti sajátságait. Megmutattuk, hogy mindhárom rendszerben a szerkezeti inhomogenitások sztochasztikus jellegűek és ezek mérete a 2-3 nm mérettartományba esik.
Results in English
The investigations were directed to two- and multicomponent films. The in the Cu-Ag nano-particle system we revealed that the separation of components can take place by spinodal decomposition which is particle size and composition dependent. Computer simulations proved that this functionality can be explained by the dependence of the spinodal wavelength on composition. The investigation of the Cu-Mn films revealed a possible mechanism of formation of a self-forming diffusion barrier layer on SiO2 aiming their application in integrated circuits. In the Ni-Mo electrodeposited films the role of defect structure in softening mechanism during deformation was studied. Multicomponent films were primarily investigated for their structural peculiarities. In CrFeCoNiCu films the effect of Nb, In or Ge addition on the formation of crystalline or amorphous structure was shown and the explanation of the changes was provided. Then the thermal stability of the films was studied by in-situ transmission electron microscopy. The primarily FCC structure was stable up to 400oC then a diffusionless transformation to BCC lattice occurred. The separation of components and formation of new phases started above 550oC. The formation of multicomponent (CrMnFeCoNi)oxide, -nitride or -oxynitride films was also studied and structural peculiarities of the films were explored. We have shown that in all three cases stochastically inhomogeneous structures form, the scale of stochastic changes is 2-3 nm.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112156
Decision
Yes





 

List of publications

  
Barna, P.B. ; Biro, D. ; Hasaneen, M.F. ; Székely, L. ; Menyhárd, M. ; Sulyok, A. ; Horváth, Z.E. ; Pekker, P. ; Dódony, I. ; Radnóczi, G.: Cross sectional complex structure analysis is a key issue of thin film research: A case study on the preferential orientation crossover in TiN thin films, THIN SOLID FILMS 688 Paper: 137478, 2019
Dedoncker, R. ; Radnóczi, G. ; Abadias, G. ; Depla, D.: Reactive sputter deposition of CoCrCuFeNi in oxygen/argon mixtures, SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 378 Paper: 124362 , 6 p. (2019), 2019
Arfaoui, Mohamed ; Radnóczi, György ; Kovács, Kis Viktória: Transformations in CrFeCoNiCu High Entropy Alloy Thin Films during In-Situ Annealing in TEM, COATINGS 10 : 1 Paper: 60 , 15 p. (2020), 2020
Jenő Gubicza, Garima Kapoor, Dávid Ugi, László Péter, János L. Lábár and György Radnóczi: Micropillar Compression Study on the Deformation Behaviour of Electrodeposited Ni–Mo Films, Coatings 10, 205-218;, 2020
György Radnóczi: The Effect of a Second Component on Thin Film Structure Development, Proc. of Magnetron Ion Processes and Arc Technologies European Conf. MIATEC-2015. Párizs, Franciaország, (T Minea ed.) Société Francaise du Vide, 2015. pp. 80-83., 2015
G. Radnóczi, E. Bokányi, Z. Erdélyi, F. Misják: Size dependent spinodal decomposition in Cu-Ag nanoparticles, ACTA MATER 123: 82-89, 2017
Braeckman BR, Misják F, Radnóczi G, Depla D: The influence of Ge and In addition on the phase formation of CoCrCuFeNi high-entropy alloy thin films, THIN SOLID FILMS 616: 703-710, 2016
B.R. Braeckman, F.Misják, G. Radnóczi, M. Caplovicová, Ph. Djemia, F. Tétard, L. Belliard, D. Depla: The nanostructure and mechanical properties of nanocomposite Nbx-CoCrCuFeNi thin films, Scripta Materialia 139 (2017) 155–158, 2017
NAGY H. KLÁRA–MISJÁK FANNI: Integrált áramköri alkalmazásra szánt Cu-Mn vékonyrétegek mikroszerkezete és mechanikai tulajdonságai((in Hungarian, English title: Microstructure and Mechanical properti, Bányászati és Kohászati Lapok, Kohászat, 6.(2017) 44-47., 2017
Braeckman BR, Misják F, Radnóczi G, Depla D: The influence of Ge and In addition on the phase formation of CoCrCuFeNi high-entropy alloy thin films, THIN SOLID FILMS 616: 703-710, 2016
G. Radnóczi, E. Bokányi, Z. Erdélyi, F. Misják: Size dependent spinodal decomposition in Cu-Ag nanoparticles, ACTA MATER 123: 82-89, 2017
Cigáň, A ; Lobotka, P ; Dvurečenskij, A ; Škrátek, M ; Radnóczi, G ; Majerová, M ; Czigány, Z ; Maňka, J ; Vávra, I ; Mičušík, M: Characterization and magnetic properties of nickel and nickel-iron nanoparticle colloidal suspensions in imidazolium-based ionic liquids prepared by magnetron sputtering, JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 768 pp. 625-634. , 10 p., 2018
Dedoncker, R ; Djemia, Ph ; Radnóczi, G ; Tétard, F ; Belliard, L ; Abadias, G ; Martin, N ; Depla, D: Reactive sputter deposition of CoCrCuFeNi in nitrogen/argon mixtures, JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 769 pp. 881-888., 2018
Gajdics, BD ; Tomán, JJ ; Misják, F ; Radnóczi, G ; Erdélyi, Z: Spinodal decomposition in nanoparticles-experiments and simulation, DEFECT AND DIFFUSION FORUM 383 pp. 89-95. , 7 p, 2018
Radnóczi, György ; Bert, Braeckman ; Diederik, Depla ; Misják, Fanni: Nagyentrópiás ötvözet-vékonyrétegek szerkezete, FIZIKAI SZEMLE 68 : 3 pp. 81-85. , 5 p, 2018
Kovács, Zsolt ; Ezzeldien, Mohammed ; Chinh, Nguyen Quang ; Radnóczi, György ; Lendvai, János: Nanoindentation measurements on a torsionally deformed Zr44Ti11Cu10Ni10Be25 bulk metallic glass, JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 708 pp. 301-307., 2017
Nagy, KH ; Misják, F: In-situ transmission electron microscopy study of thermal stability and carbide formation in amorphous Cu-Mn/C films for interconnect applications, JOURNAL OF PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLIDS 121 pp. 312-318., 2018
Dedoncker, R. ; Radnóczi, G. ; Abadias, G. ; Depla, D.: Reactive sputter deposition of CoCrCuFeNi in oxygen/argon mixtures, SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 378 Paper: 124362 , 6 p., 2019
Cigáň, A ; Lobotka, P ; Dvurečenskij, A ; Škrátek, M ; Radnóczi, G ; Majerová, M ; Czigány, Z ; Maňka, J ; Vávra, I ; Mičušík, M: Characterization and magnetic properties of nickel and nickel-iron nanoparticle colloidal suspensions in imidazolium-based ionic liquids prepared by magnetron sputtering, JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 768 pp. 625-634. , 10 p., 2018
Radnóczi, György ; Bert, Braeckman ; Diederik, Depla ; Misják, Fanni: Nagyentrópiás ötvözet-vékonyrétegek szerkezete, FIZIKAI SZEMLE 68 : 3 pp. 81-85. , 5 p, 2018




 

Events of the project

  
2018-08-27 14:55:32
Résztvevők változása



Back »