Microstructure of High Temperature Oxidation Resistant Hf6B10Si31C2N50 and Hf7B10Si32C2N44 Films

Abstract

Amorfní vrstvy Hf6B10Si31C2N50 a Hf7B10Si32C2N44 odolné proti oxidaci za vysokých teplot byly připraveny metodou reaktivního pulzního dc magnetronového naprašování. Tyto vrstvy byly dále vyžíhány ve vzduchu až do 1500 °C z důvodu vyšetřování mechanismu jejich oxidace. Vzniklá mikrostruktura byla zkoumána rentgenovou difrakcí a transmisní elektronovou mikroskopií. Bylo zjištěno, že po vystavení vrstev vysoké teplotě dochází k vytvoření třívrstvé mikrostruktury. Oxidová vrstva, která se nachází na horním povrchu vrstev, je tvořena monoklinickými a/nebo ortorombickými nanočásticemi m-/o-HfO2 rozptýlenými v amorfní matrici na bázi SiOx. Spodní vrstva zůstala po ohřevu amorfní (Hf6B10Si31C2N50) nebo částečně rekrystalizovala a nyní se skládá z h-Si3N4 a HfCxN1−x s t-HfO2 u povrchu této spodní vrstvy (Hf7B10Si32C2N44). Horní a spodní vrstva je v obou případech oddělena částečně zoxidovanou přechodovou vrstvou složenou z nanokrystalického h-Si3N4 a tetragonálního t-HfO2. Proces oxidace začíná na rozhraní spodní/přechodové vrstvy buď oxidací oblastí bohatších na Hf v případě amorfní struktury, nebo oxidací nanočástic HfCxN1−x v případě částečně rekrystalizované struktury vedoucí ke vzniku t-HfO2 oddělených oblastmi Si3N4. Druhá fáze oxidace nastává na hranici oxidové/přechodové vrstvy a je charakterizována těsně uspořádanými strukturami HfO2, Si3N4 a SiO2, které slouží jako bariéra pro difúzi kyslíku. Malé nanočástice t-HfO2 se zde spojují a přetvářejí ve větší m-/o-HfO2, zatímco z h-Si3N4 vzniká amorfní matrice SiOx. Podobný princip oxidace byl navzdory odlišnému vývoji mikrostruktury pozorován v případě obou vyšetřovaných vrstev.