Extraordinary oxidation behavior of W–Zr thin-film metallic glasses: A route for tailoring functional properties of W–Zr–O films

Abstract

The oxidation behavior of W–Zr thin-film metallic glasses (TFMGs) with 32, 48 and 61 at.% Zr, prepared by dc magnetron co-sputtering, was comprehensively studied after annealing in synthetic air. The study focuses on the effect of the annealing temperature (up to 600 °C) on the oxidation process, oxygen saturation, structure evolution, and their subsequent impact on electrical, optical and mechanical properties. The findings reveal that controlled oxidation transforms W–Zr TFMGs into amorphous ceramic W–Zr–O films with substoichiometric compositions. This is a consequence of an oxidation process that does not proceed through the formation of a stoichiometric oxide layer on the surface of W–Zr TFMGs, acting as a diffusion barrier against fast oxidation, but leads to a gradual incorporation of oxygen across the film volume due to thermodynamics factors. Higher Zr content accelerates the oxygen incorporation and its depth uniformity in films. As a result, the mechanical properties are significantly enhanced by achieving hardness values of up to 17.5 GPa at approximately 50 % oxygen saturation. Simultaneously, the electrical and optical properties are finely tuned with the resistivity and the extinction coefficient (measured at 550 nm) ranging from 1.7 to 95.7 × 10^−4 Ω·cm and 0.28 to 1.06, respectively.

Oxidační chování tenkovrstvých kovových skel se 32, 48 a 61 at. % Zr připravených dc magnetronovým naprašováním bylo zkoumáno po ohřevu v syntetickém vzduchu. Studie se zaměřovala na vliv teploty ohřevu (až do 600 °C) na oxidační proces, saturaci kyslíku, vývoj struktury a jejich následný vliv na elektrické, optické a mechanické vlastnosti. Bylo zjištěno, že řízenou oxidací vrstev W–Zr dochází ke změně v amorfní keramické vrstvy W–Zr–O s podstechiometrickým složením. To je důsledkem oxidačního procesu, který neprobíhá skrze vytvoření stechiometrické oxidové vrstvy na povrchu vrstvy W–Zr fungující jako difuzní bariéra bránicí rychlé oxidaci, ale skrze postupné začleňování kyslíku do objemu vrstvy díky termodynamickým faktorům. Vyšší obsah Zr ve vrstvách má pak za následek rychlejší pronikání kyslíku a jeho rozložení v objemu vrstev. Výsledkem je, že mechanické vlastnosti vrstev jsou výrazně zlepšeny a dosahují hodnoty až 17,5 GPa při cca 50% saturaci kyslíku. Zároveň dochází k postupné změně elektrických a optických vlastností vrstev s hodnotami rezistivity a extinkčního koeficientu (měřeného při 550 mn) v rozmezí 1,7 až 95,7 × 10^−4 Ω·cm a 0,28 až 1,06.