Features of the initial stage of the formation of Ti-Zr-Ni quasicrystalline thin films

Abstract

Using the methods of X-ray diffraction, transmission and scanning microscopy, the features of the initial stage of the formation of the quasicrystalline phase in thin films of Ti-Zr-Ni are studied. The films were obtained by magnetron sputtering of a target of the composition Ti₄₁Zr₃₈.₃Ni₂₀,₇ (at. %) with deposition on substrates at T = 300 K and further vacuum annealing. It was established that immediately after deposition, the films are X-ray amorphous, nanostructured. An analysis of the radial distribution functions shows that immediately after deposition, the structural state of a disordered cluster, which is topologically close to icosahedral, prevails in the near atomic medium. It is concluded that the atoms are not arranged randomly, but form a "transitional" structure with an imperfect order like three shells of the Bergman cluster stacking using icosahedrons and dodecahedrons. Such a structure is a "prepared" nucleus for the further formation of the icosahedral phase upon heating. An analysis of the annealing results suggests that the qualitative nature of the transition from the pseudo-amorphous to the quasicrystalline phase and the scale of the transformations are determined by the annealing time and temperature, as well as by the film thickness. The smaller the thickness, the more the annealing processes are inhibited. It was shown that by annealing the films of a thickness of 6 μm or more at 500 °C for more than 28 h, single-phase quasicrystalline coatings with a quasicrystallinity parameter aq of about 0.5245 nm can be obtained.

Методами рентгенівської дифрактометрії, електронної мікроскопії та растрової електронної мікроскопії досліджені особливості початкової стадії формування квазікристалічної фази в тонких плівках Ti-Zr-Ni. Плівки отримували методом магнетронного розпилення мішені складу Ti₄₁Zr₃₈.₃Ni₂₀,₇ (ат. %), осадженням на підкладки при температурі Т = 300 K і подальшим вакуумним відпалом. Встановлено, що безпосередньо після осадження плівки є рентгено-аморфними, наноструктурованими. Аналіз функцій радіального розподілу для плівок в початковому стані і після годинного вакуумного відпалу дозволяє стверджувати, що вже безпосередньо після осадження в ближньому атомному оточенні переважає невпорядкований кластерний стан топологічно близький до ікосаедричного. Робиться висновок, що атоми розташовані не хаотично, а утворюють "перехідну" структуру з недосконалим порядком за типом трьох оболонок укладання кластера Бергмана з використанням ікосаедрів і додекаедрів. Така структура є "підготовленим" зародком для подальшого формування ікосаедричної фази при нагріванні. Аналіз результатів відпалів дозволяє висловити припущення, що якісний характер переходу від псевдо аморфної фази до квазікристалічної, а також масштаб змін визначаються часом і температурою відпалу, а також товщиною плівки. Чим менше товщина, тим більше загальмовані процеси відпалу. Показано, що відпалом плівок товщиною 6 мкм і більше при температурі 500 °С тривалістю понад 28 год можна отримувати однофазні квазікристалічні покриття з параметром квазікристалічності aq близько 0,5245 нм.