Molecular dynamics and experimental study of the growth, structure and properties of Zr–Cu films

Abstract

Extensive molecular dynamics simulations of the atom-by-atom growth of Zr–Cu films were performed in a wide range of compositions, energies and growth templates. The results are correlated with and used to explain experimental results obtained using magnetron sputtering of the same films. After the identification of compositional ranges corresponding to crystalline and amorphous films, we particularly focus on the evolution of characteristics of the amorphous compositions. The quantities of interest include resputtering during the film growth, surface composition, densification, crystallinity, homogeneity, short-range order (bonding statistics and coordination numbers), medium-range order (ring statistics and common neighbor statistics) and functional properties (hardness and glass transition temperature). The results are important for understanding the structures and properties of Zr–Cu films in general and Zr–Cu metallic glasses in particular, and for the design of pathways for their preparation.

Rozsáhlé simulace růstu vrstev Zr–Cu atom po atomu pomocí molekulární dynamiky byly provedeny v širokém rozsahu složení, energií a substrátů. Výsledky jsou korelovány s experimentálními výsledky magnetronového naprašování stejných vrstev a použity pro jejich vysvětlení. Po identifikaci rozsahů složení vedoucích na krystalické a amorfní vrstvy jsme se zaměřili zejména na vývoj charakteristik amorfních složení. Sledované veličiny zahrnují zpětné odprašování během růstu vrstev, složení povrchu, densifikaci, krystalinitu, homogenitu, uspořádání na krátkou vzdálenost (vazebné statistiky a koordinační čísla), uspořádání na střední vzdálenost (ring statistics a common neighbor statistics) a funkční vlastnosti (tvrdost a teplota skelného přechodu). Výsledky jsou důležité pro porozumění strukturám a vlastnostem vrstev Zr–Cu, zejména těch vykazujících skelný přechod, a pro návrh cest pro jejich přípravu.