Effect of thickness on structural, corrosion and mechanical properties of a thin ZrN film deposited by medium frequency (MF) reactive sputtering Translated title: Die strukturellen, korrosiven und mechanischen Auswirkungen der Dicke eines dünnen mittels reaktiven Sputterns bei mittlerer Frequenz applizierten ZrN-Films

Abstract

Zirconium nitride (ZrN) thin films were prepared on stainless steel (SS) substrates by medium frequency (MF) reactive sputtering with gas ion source (GIS) by varying the deposition time and obtained thickness (t _ZrN) in the range of 1.25 to 3.24 μm. The effect of thickness on the structural and microstructural properties was studied using XRD and AFM. XRD characterization revealed that the texture of the ZrN thin films changes as a function of thickness. Both, the (111) and (200) peak, appear initially and (111) becomes more intense with increasing t _ZrN. AFM imaging revealed that the ZrN thin film coated with t _ZrN ≈ 3.24 μm shows larger grains that are uniformly distributed over the surface. An average hardness value of 19.79 GPa was observed for ZrN thin films having t _ZrN ≈ 3.24 μm. The ZrN thin films having t _ZrN ≈ 3.24 μm exhibits better adhesion strength up to 20 N. The electrochemical polarization studies indicated that the ZrN thin film having larger thickness shows improved corrosion resistance compared to SS in 3.5 % NaCl solution.

Kurzfassung

Für die diesem Beitrag zugrunde liegende Studie wurden dünne Filme aus Zirkonnitrid (ZrN) auf Substrate aus hochlegiertem Stahl mittels reaktiven Sputterns bei mittlerer Frequenz unter Verwendung einer Quelle mit ionisiertem Gas aufgebracht, wobei die Ablagerungszeit variiert wurde und verschiedene Dicken t _ZrN im Bereich von 1,25 bis 3,24 μm erreicht wurden. Es wurden die Auswirkungen der Variation der Dicke auf die strukturellen und mikrostrukturellen Eigenschaften mittels XRD und AFM untersucht. Die Charakterisierung mit XRD ergab, dass die Textur der ZrN-Filme sich als Funktion der Dicke t _ZrN verändert. Sowohl der (111) als auch der (200) Peak treten anfänglich auf und der (111) Peak wird mit zunehmendem t _ZrN intensiver. Die AFM-Bildgebung zeigte, dass der mit t _ZrN ≈ 3,24 μm aufgebrachte ZrN-Film größere Körner aufwies, die gleichmäßig über die Oberfläche verteilt waren. Für die ZrN-Filme mit t _ZrN ≈ 3,24 μm wurde ein durchschnittlicher Härtewert von 19.79 GPa festgestellt. Die dünnen ZrN-Filme mit t _ZrN ≈ 3,24 μm weisen eine bessere Adhäsionsfestigkeit von bis zu 20 N auf. Die elektrochemischen Polarisationsversuche deuten darauf hin, dass die dünnen ZrN-Filme mit einer größeren Dicke einen verbesserten Korrosionswiderstand gegenüber dem hochlegierten Stahl in einer 3,5 % NaCl-Lösung aufweisen.